Bruker AMX-400MHz型核磁共振仪(瑞士Bruker公司); PE Lambda 650型紫外-可见分光光度计、 LS55型荧光分光光度计(美国PE公司); 6230型质谱仪(美国安捷伦公司); PHS-3C型pH计(上海雷磁仪器有限公司)。

1-芘甲醛、 2-巯基乙醇、 甲基磺酸(分析纯, 麦克林试剂公司); 二氯甲烷、 石油醚、 乙腈(分析纯, 国药集团化学试剂有限公司)。

1.2.1 POX的合成

荧光探针POX的合成如图1所示。 在含有50 mg(0.22 mmol)1-芘甲醛的二氯甲烷(15 mL)溶液中加入34 mg(0.44 mmol)2-巯基乙醇和0.5 mL甲基磺酸, 混合物在N₂气下回流反应5 h。 TLC监测反应完全后, 以Dichloromethane(DCM)∶Petroleum ether(PE)=2∶1为洗脱剂进行硅胶柱分离, 得到42 mg黄绿色固体POX, 产率66%。 ¹H NMR (CDCl₃, 400 MHz) δ 9.33 (s, 1H), 9.10 (s, 1H), 8.62 (s, 1H), 8.27 (s, 5H), 8.07 (s, 4H), 7.84 (s, 2H) ppm。 ¹³C NMR (100 MHz, CDCl₃) δ 143.2, 140.2, 135.4, 135.4, 135.2, 130.7, 130.2, 129.7, 129.3, 127.6, 127.6, 127.0, 126.9, 126.5, 124.6, 124.6, 123.4, 123.4, 123.4, 123.3, 123.0 ppm。 HRMS (ESI+) [M+H]⁺ C₁₉H₁₅OS calcd for 291.084 4, found 291.0847。

图1

Fig.1

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	图1 POX的合成路线Fig.1 Synthetic route of POX

1.2.2 测试条件

所有测试均在室温下进行。 POX储备液浓度为1 mmol·L^-1, 各种金属离子储备液浓度为10 mmol·L^-1, 均可根据需要稀释至所需浓度。 测定荧光光谱时, 激发波长为330 nm, 狭缝宽度为12 nm×4 nm。

为消除pH对分析过程的影响, 在CH₃CH₂OH∶H₂O=1∶1环境中进行pH滴定实验, 建立POX在386 nm处荧光发射强度与pH关系曲线(图2)。 结果显示, 当pH在3~12时, POX和POX+Hg²⁺的荧光强度几乎保持不变。 当pH值≥ 13时, POX在386 nm处荧光强度略有增加, 而POX+Hg²⁺的荧光强度略有下降; 当pH值≤2时, POX与POX+Hg²⁺在386 nm处荧光强度均有所下降。 POX可在pH为3~12范围内稳定检测Hg²⁺。

图2

Fig.2

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	图2 pH对POX(10 μmol·L-1)和POX+Hg2+体系荧光强度的影响, 使用1.0 mol·L-1 HCl或1.0 mol·L-1 NaOH调节pH值Fig.2 Effect of pH on the fluorescence intensities of POX (10 μmol·L-1) and POX+Hg2+ system, 1.0 mol·L-1 HCl or 1.0 mol·L-1 NaOH were used to adjust the pH values

测定了POX对Hg²⁺响应的时间依赖性, 建立了POX在386 nm处荧光强度对Hg²⁺加入的时间曲线。 如图3所示, 添加Hg²⁺后POX荧光迅速增强, 在1.5 min内达到峰值, 至少在6.5 min内可以保持恒定。

图3

Fig.3

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	图3 POX(10 μmol·L-1)和POX+Hg2+(100 μmol·L-1)的荧光强度随时间变化Fig.3 Time-dependent fluorescence intensities of POX (10 μmol·L-1) and POX with the addition of Hg2+ (100 μmol·L-1)

在CH₃CH₂OH/H₂O(V/V, 1∶1)体系中进行了POX离子选择性和竞争性实验。 如图4所示, 将100 μmol·L^-1各种金属离子(Ba²⁺, Fe³⁺, K⁺, Ce³⁺, Mn²⁺, Pb²⁺, Sn⁴⁺, Ag⁺, Mg²⁺, Na⁺, Cd²⁺, Ni²⁺, Cr³⁺, Co²⁺, Cu²⁺, Zn²⁺, Al³⁺, Ca²⁺, Hg²⁺)加入到10 μmol·L^-1POX溶液中, Hg²⁺能显著引起POX荧光增强, 增幅达8倍, 而其他金属离子加入引起的荧光变化很小, 可忽略不计。 又进一步考察了POX在多种金属离子存在下的竞争性实验, 柱状图(图5)中显而易见, 在POX中分别加入100 μmol·L^-1各种干扰离子后, 再加入100 μmol·L^-1 Hg²⁺, 其荧光强度相对于单独加入Hg²⁺时几乎没有变化。 实验结果清晰地表明, POX对Hg²⁺具有很好的选择性, 其识别过程不受其他金属离子干扰, 可在复杂的环境中检测Hg²⁺。

图4

Fig.4

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	图4 POX(10 μmol·L-1)溶液中添加各种金属离子(100 μmol·L-1)的荧光光谱Fig.4 Fluorescence spectra of POX (10 μmol·L-1) with addition of various metal ions (100 μmol·L-1)

图5

Fig.5

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	图5 10 μmol·L-1 POX中加入Hg2+以及其他干扰离子(100 μmol·L-1)时386 nm处荧光强度对比Fig.5 Comparison of fluorescence intensities at 386 nm when Hg2+ and other interfering ions (100 μmol·L-1) were added to 10 μmol·L-1POX solution

为进一步阐明POX对Hg²⁺的荧光响应性能, 进行荧光滴定实验。 在10 μmol·L^-1POX溶液中添加Hg²⁺, 使Hg²⁺浓度分别达到0.5、 1.0、 1.5、 2.0、 2.5、 3.0、 3.5、 4.0、 4.5、 5.0、 5.5、 6.0和6.5 μmol·L^-1, 测试溶液的荧光光谱。 如图6所示, 未添加Hg²⁺时, POX溶液荧光较弱; 在持续添加Hg²⁺后, 溶液荧光强度逐渐增强; 当Hg²⁺浓度达到6.5 μmol·L^-1时, 荧光强度达到峰值, 在386 nm处形成了明显的荧光发射峰, 表明POX对Hg²⁺呈现出显著的荧光“开启”效应, 荧光增强8倍。 令人欣慰的是, 386 nm处荧光强度与0~6.5 μmol·L^-1 Hg²⁺浓度呈现出很好的线性关系(图6插图), 线性拟合方程可描述为Y=81.683 4+124.774 0X, R²=0.999 4。 根据公式D=3δ /K(其中D为检测限, δ 表示空白荧光强度的标准偏差, K为校准曲线的斜率), 计算出检测限D=0.168 μmol·L^-1。 荧光滴定实验表明, 在Hg²⁺浓度为0~6.5 μmol·L^-1范围内, POX可实现了Hg²⁺的定量检测。

图6

Fig.6

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	图6 10 μmol·L-1POX中添加不同浓度Hg2+(0~6.5 μmol·L-1) 的荧光光谱; 插图为POX荧光强度与不同Hg2+浓度间的线性相关曲线Fig.6 Fluorescence titration spectra of 10 μmol·L-1 POX with addition of Hg2+ (0~6.5 μmol·L-1); Inset: curve of linear relationship between fluorescence intensities of POX and different Hg2+

Hg²⁺常被用于促进硫代缩醛的脱保护反应, POX分子结构也正是基于此理念所设计。 将0.1 mmol POX与一定量的Hg²⁺在CH₃CH₂OH∶H₂O=1∶1溶液中进行反应, 并对反应后的荧光产物进行分离提纯, 其结构经¹H NMR、 ¹³C NMR和HRMS鉴定为1-芘甲醛。 因此所提出POX对Hg²⁺的识别机理为Hg²⁺促进下的1, 3-氧硫戊环消除, 如图7所示。

图7

Fig.7

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	图7 POX对Hg2+的识别机理Fig.7 Sensing mechanism of POX for detection of Hg2+

为评估POX在实际中的应用, 对环境水样中Hg²⁺进行了加标测试。 所用水样为自来水(来自本实验室)、 江水(来自长江荆州段)和工业污水(荆州市工业区), 测试前样品均经滤膜处理以去除固体颗粒杂质。 测试结果如表1所示, POX对3个样品中加标Hg²⁺的相对标准偏差(RSD)均小于2.92%。 POX可实际用于环境水样中Hg²⁺检测, 具有潜在的应用价值。

表1

Table 1

表1(Table 1)

表1 环境水样中的Hg2+的加标测试 Table 1 The recovery rate of Hg2+ in environmental water samples sample pH added Hg2+ /(μmol·L-1) found Hg2+ /(μmol·L-1) recovery /% RSD/% tap water 7.13 0.10 0.30 0.50 0.093 0.308 0.490 93.0 102.7 98.0 1.68 river water 7.25 0.10 0.30 0.50 0.110 0.312 0.493 110.0 104.0 98.6 1.93 industrial sewage 8.14 0.10 0.30 0.50 0.096 0.305 0.515 96.0 101.7 103.0 2.92

表1 环境水样中的Hg2+的加标测试 Table 1 The recovery rate of Hg2+ in environmental water samples