罗丹明汞离子荧光探针的合成及光谱研究

2014 年第43 卷第4 期

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石油化工

PETROCHEMICAL TECHNOLOGY

［收稿日期］ 2013 - 11 - 18；［修改稿日期］ 2014 - 01 - 20。［作者简介］张丽珠（1973—），女，四川省成都市人，博士，副教授，电话 135********，电邮 zhanglizhu333@https://www.360docs.net/doc/781958975.html, 。联系人：樊保敏，电话138********，电邮 adams.bmf@https://www.360docs.net/doc/781958975.html, 。［基金项目］国家自然科学基金项目（21162040，21162042）。

分析测试

汞是一种危害人体健康的重金属元素［1］，通常环境中的汞主要来自于火山喷发和地质风化，然而随着工业化的不断发展，环境中汞的排放则主要来自于人类活动。汞在自然界中主要以单质汞、无机汞和有机汞3种形式存在，通过生物的富集作用，进到食物链中，人体吸收过量的Hg 2+后会导致中枢神经系统、肝、肾和肠道的损害，严重时甚

至会引起死亡

［2-3］

。因此，生物体和环境中Hg 2+

的

检测十分重要。近年来，检测Hg 2+的方法主要有原子吸收-发射光谱法、分光光度法、高效液相色谱法、电化学法和荧光分析法等［4-7］。其中，荧光分

罗丹明汞离子荧光探针的合成及光谱研究

张丽珠1，于璐1，梁坤2，谷利军1，樊保敏1，杨丽娟1

（1. 云南民族大学国家民委-教育部民族药资源重点实验室，云南昆明 650500；

2. 西南林业大学理学院，云南昆明 650224）

［摘要］通过硫的亲汞性和氨基硫脲衍生物能被Hg 2+转化为胍衍生物的机理，合成了一种新的Hg 2+探针3′，6′-二乙氨基-2，7-二甲基-2-（N -氨基乙基）螺［异吲哚-1，9′-呫吨］-3-硫酮（R6G1）。考察了探针R6G1的水溶性、光谱性能及其在水相中对常见离子的选择性，测定了探针R6G1与Hg 2+的络合比例和络合常数。水溶液中金属阳离子选择性测试结果表明，探针R6G1的水溶性好，能高选择性地识别Hg 2+，该识别过程不受Fe 3+，Cu 2+，Al 3+，Cr 3+，Fe 2+，Mn 2+，Co 2+，Pb 2+，Mg 2+，Ca 2+，Cd 2+，Zn 2+，Ba 2+等金属阳离子和F -，Cl -，Br -等阴离子的干扰。紫外滴定结果表明，探针R6G1与Hg 2+按1∶1的化学计量比络合。荧光滴定测试结果表明，探针R6G1识别Hg 2+的络合常数lg K a =5.92。［关键词］罗丹明；荧光探针；汞离子；光谱性能

［文章编号］ 1000 - 8144（2014）04 - 0461 - 05 ［中图分类号］ TQ 426.91 ［文献标志码］ A

Synthesis and Spectrum of Mercury Ion Fluorescent Probe Based on Rhodamine Dyes

Zhang Lizhu 1，Yu Lu 1，Liang Kun 2，Gu Lijun 1，Fan Baomin 1，Yang Lijuan 1

（1. Key Laboratory of Chemistry in Ethnicmedicinal Resources ，State Ethnic Affaira Commission ＆ Ministry of Education ，Yunnan University of Nationalities ，Kunming Yunnan 650500，China ；2. Faculty of Science ，Southwest Forestry University ，

Kunming Yunnan 650224，China ）

［Abstract ］ A Hg 2+ fluorescence probe ，3′，6′-diethylamino-2，7-dimethyl-2-(N -aminoethyl)spiro ［isoindoline-1，9′-xanthene ］-3-thione(R6G1)，was synthesized through the strong thionic affinity

with Hg 2+

and the transformation of thiourea derivatives to guanidine derivatives by the promotion of Hg 2+. The water solubility ，spectrum and ion selectivity of R6G1 were investigated. The complexing ratio of Hg 2+ to R6G1 and the complexation constant were measured through fluorometric titration. The results showed that the probe R6G1 had high selectivity to Hg 2+ and good water solubility. The recognition process of R6G1 to Hg 2+ was not affected by other metal ions such as Fe 3+，Cu 2+，Al 3+，Cr 3+，Fe 2+，Mn 2+，Co 2+，Pb 2+，Mg 2+，Ca 2+，Cd 2+，Zn 2+，Ba 2+，and anions such as F -，Cl -，Br -. Spectrophotometric titration indicated that the complex of Hg 2+ and R6G1 formed with the ratio of 1∶1 and the complexation constant(lg K a ) was 5.92.

［Keywords ］ rhodamine ；? uorescent probe ；mercury ion ；spectral properties

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石油化工

PETROCHEMICAL TECHNOLOGY

析法因具有便捷、专一、灵敏和适时原位检测等优点而备受关注。虽然目前有关检测Hg 2+的荧光探针

报道［8-12］较多，且大多数Hg 2+探针都能做到单一地高选择性和高灵敏度识别，但由于受到一些重要因素（如探针配体水溶性差等）的限制，目前有关能

在水相中检测Hg 2+且不受溶液中阳离子和阴离子干扰的探针的报道还较少［9，

13］

。本工作合成了一种新的Hg 2+探针3′，

6′-二乙氨基-2，7-二甲基-2-（N -氨基乙基）螺［异吲哚-1，9′-呫吨］

-3-硫酮（R 6G 1）；考察了探针R 6G 1的水溶性、光谱性能及其在水相中对常见离子的选择性；测定了探针R 6G 1与Hg 2+的络合比例及络合常数。

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

400 MHz 型核磁共振仪：Brucker 公司；Saturn

2200/2100型液相色谱-质谱联用仪和Cary Eclipse 型

荧光分光光度计：Varian 公司；8453型紫外-可见分光光度计：Agilen 公司。

罗丹明6G 、劳森试剂、甲苯、甲醇、二氯甲烷、水合肼：分析纯，国药集团化学试剂有限公司。

1.2 探针R6G1的合成

以罗丹明6G 为原料，利用硫的亲汞性和氨基

硫脲衍生物能被Hg 2+转化为胍衍生物的原理，合成

了R 6G 1，合成路线见式（1）。其中，3′，6′-二乙氨基-2，7-二甲基-2-（N -氨基乙基）螺［异吲哚-1，9′-呫吨］-3-酮（化合物Ⅰ）按文献［15］报道的方法合成。将5.5 g 化合物Ⅰ和2.5 g 劳森试剂加入到圆底烧瓶中，N 2保护下加入35 mL 甲苯，缓慢升温至回流，6 h 后停止加热，冷却至室温。蒸出甲苯，粗

产物用体积比为100∶3的二氯甲烷和甲醇的混合溶液（作为洗脱液）进行柱层析，得到白色固体（即R 6G 1）1.53 g ，收率为26%。

Compound Ⅰ：3′，6′-diethylamino-2，7-dimethyl-2-(N -aminoethyl)spiro ［isoindoline-1，9′- xanthene ］

-3-ketone ；R 6G 1：3′，6′-diethylamino-2，7-dimethyl-2-(N -aminoethyl)spiro ［isoindoline-1，9′-xanthene ］

-3-thione.

2H 5

HN H 2N

3Lawesson′s reagents Rhdamine 6G

Compound ?

R6G1

（1）

探针R 6G 1的1H NMR 表征结果（400 Hz ，

CDCl 3，化学位移δ）

为：8.14（d ，J =2.4 Hz ，1H ），7.51（d ，J =1.6 Hz ，1H ），7.50（d ，J =3.6 Hz ，

1H ），7.07（m ，1H ），6.35（s ，2H ），6.10（s ，

2H ），3.61（t ，J=5.6 Hz ，2H ），3.20（m ，4H ），2.61（t ，J =6.0 Hz ，2H ），1.87（s ，6H ）， 1.32（t ，

J =7.2 Hz ，6H ）。

探针R 6G 1的13C NMR 表征结果（100 Hz ，CDCl 3，δ）为：168.8，153.9，151.8，147.6，

132.6，131.4，128.5，128.2，124.0，123.0，

118.2，106.3，96.7，65.2，44.1，40.9，38.5，

16.9，14.9。［M+H ］

=473.2。1.3 光谱实验经实验发现，探针R 6G 1具有良好的水溶性，这为探针R 6G 1在水体系中的应用提供了可能。因此，探针R 6G 1的荧光光谱和紫外吸收光谱均在三羟甲基氨基甲烷（Tris ）-HCl （pH=7）的缓冲溶液中

测试。溶液中探针R 6G 1的浓度为5 μmol/L ，加入的

各离子的浓度为200 μmol/L 。激发波长为510 nm ，激发狭缝为2.5 nm ，发射狭缝为5 nm 。

2 结果与讨论

2.1 离子的选择性和光谱性能测试

探针R 6G 1是按照硫的亲汞性设计合成的，

因此在浓度为5 μmol/L 的R 6G 1溶液中加入浓度为200 μmol/L 的Hg 2+，Fe 3+，Cu 2+，Al 3+，Cr 3+，Fe 2+，

Mn 2+，Co 2+，Pb 2+，Mg 2+，Ca 2+，Cd 2+，Zn 2+，Ba 2+，K +，Ni 2+，以考察探针R 6G 1的离子选择性，实验结果见图1。由图1可见，加入Hg 2+后R 6G 1的荧光强度显著增强，加入Fe 3+和Cu 2+后R 6G 1的荧光强度略有增强，而加入其他金属离子对R 6G 1的荧光强度几乎无影响。这与本工作的设计理念吻合。

水相中Hg 2+浓度变化与探针R 6G 1相互作用的

荧光滴定曲线见图2。由图2可见，未加入Hg 2+时，

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第4 期R 6G 1的荧光强度几乎为零，表明此时探针R 6G 1为闭环状态。加入Hg 2+后，在566 nm 处出现一个新的

荧光特征峰，且荧光强度随Hg 2+浓度的增大而增强，表明R 6G 1内酰胺结构的打开产生了荧光，且

荧光强度的增幅与Hg 2+

浓度呈线性关系，溶液颜色也由无色逐渐变成粉红色。

由图4（a ）可见，在浓度为5 μmol/L 的R 6G 1

溶液中加入浓度为200 μmol/L 的其他金属阳离子后，荧光强度几乎没有变化，之后再加入Hg 2+，荧光强度显著增强；除Cu 2+，Al 3+，Cr 3+，Fe 3+

外，加入其他金属阳离子后R 6G 1的荧光强度的增幅与单独加入Hg 2+后R 6G 1的荧光强度的增幅相同，表明其他金属阳离子的存在未干扰R 6G 1对

Hg 2+的检测。而Cu 2+，Al 3+，Cr 3+，Fe 3+的加入使得R 6G 1的荧光强度显著增强则可能是因为高浓

图1 探针R6G1的离子选择性Fig.1 Ion selectivity of the probe R6G1.ρ(Ion)=200 μmol/L and ρ(R6G1)=5 μmol/L in solution.1 Hg 2+；2 Fe 3+；3 Cu 2+；4-17 Blank ，Al 3+，Cr 3+，Fe 2+， Mn 2+，Co 2+，Pb 2+，Mg 2+，Ca 2+，Cd 2+，Zn 2+，Ba 2+，K +，Ni 2+

101520253035

F l u o r e s c e n c e i n t e n s i t y 23

4 17

Wavelength/nm

550

500

650

600

700

图2 水相中Hg 2+浓度变化与探针R6G1相互作用的荧光滴定曲线Fig.2 Fluorometric titration curves of the interaction between the probe R6G1 and Hg 2+ concentration change in aqueous solution.

ρ(Ion)=200 μmol/L and ρ(R6G1)=5 μmol/L in solution.c (Hg 2+)/(μmol ?L -1)：a 0；b 0.5；c 1.0；d 1.5；e 2.0；f 2.5；g 3.0；h 3.5；i 4.0；j 4.5；k 5.0；

l 10.0

F l u o r e s c e n c e i n t e n s i t y Wavelength/nm

为考察探针R 6G 1与Hg 2+的络合比例和检测灵

敏度，测试了探针R 6G 1与Hg 2+结合的紫外吸收光

谱的Job -Plot 曲线（见图3）和络合常数（K a ）

。由图3可见，R 6G 1与Hg 2+是按1∶1的化学计量比络合

的。基于此络合比例，计算得到lg K a =5.92，表明探针R 6G 1具有较高的灵敏度。

为考察其他金属阳离子和阴离子对探针R 6G 1

鉴别Hg 2+的影响，还进行了其他金属阳离子和阴离子的干扰实验，实验结果见图

4。

图3 R6G1与Hg 2+结合的紫外吸收光谱的Job-Plot 曲线Fig.3 Job-Plot curves of the ultraviolet absorption spectrum of

R6G1 and Hg 2+.

A b s o r p t i o n c (Hg 2+

)?c (Hg 2+

+R6G1)

图4 金属阳离子和阴离子对Hg 2+识别的干扰

Fig.4 Competition experiments of Hg 2+ with other metallic ions and anions.

ρ(Ion)=200 μmol/L and ρ(R6G1)=5 μmol/L in solution.

■

Hg 2++ other ions ；■ Other

ions

Hg Cu 2+

Al Cr 3+Fe Fe 2+

Mg Zn 2+Mn Ca 2+Pb Cd 2+Co Ba 2+K Ni

F l u o r e s c e n c e i n t e n s i t

F l u o r e s c e n c e i n t e n s i t y

H 2PO 3

Hg NO

-F MoO 4

2-HCO 3SO 3

2-Br SO

2-I Cl 张丽珠等. 罗丹明汞离子荧光探针的合成及光谱研究

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度下，这4种金属阳离子发生水解使缓冲能力有限的Tris -HCl 溶液的pH 略有降低，较低的pH 使得R 6G 1的酰胺结构部分开环，从而导致荧光强度增强。

由图4（b ）可见，添加阴离子后，除I -的加入使荧光强度下降外，其他阴离子对荧光强度的影

响不大，而I -的加入使荧光强度下降可能是由于I -与Hg 2+形成了

［HgI 4］2+

，从而使Hg 2+无法正常与R 6G 1结合所致，这与文献［12］报道的结果基本

一致。

2.2 体系pH 对探针R6G1的影响

考察体系pH 对探针R 6G 1和R 6G 1识别Hg 2+

后荧光强度的影响，实验结果见图5。由图5可见，探针R 6G 1在较宽的pH 范围（3.5～12.0）内主要以螺环形式存在，其水溶液既无颜色又无荧光，通过Sigmoidal 拟合计算得p K a =2.52±0.07，表明探针R 6G 1是一种对pH 不敏感的荧光分子。由图5还可见，当R 6G 1识别Hg 2+后，尽管荧光强度变化较

大，但并不影响探针在酸性和中性环境中对Hg 2+的识别，该测试结果为探针R 6G 1在实际环境中的应用创造了很好的条件。

2.3 反应机理的探讨

为进一步研究探针R 6G 1与Hg 2+的络合机理，

根据文献［14］报道的氨基硫脲衍生物能被Hg 2+转化

为胍衍生物的机理，可以推测出R 6G 1与Hg 2+进行络合反应的可能机理（见图6），即随Hg 2+的加入，

Hg 2+与S 结合生成HgS 沉淀，从而得到3′，

6′-二乙氨基-2，7-二甲基-2-（N -苯基）-［6H -呫吨］咪唑（R 6G 3），并对R 6G 3进行了MS 表征，从表征结果可确定所得产物为R 6G 3。

F l u o r e s c e n c e i n t e n s i t y System pH

图5 R6G1和R6G1+Hg 2+的pH 滴定结果

Fig.5 pH titrations of the R6G1 system and the R6G1+ Hg 2+ system.

●

R6G1；■ R6G1+ Hg 2+

图6 R6G1与Hg 2+进行络合反应的可能机理

Fig.6 Proposed mechanism for the complexing reaction of R6G1 with Hg 2+.R6G3：3′，6′-diethylamino-2，7-dimethyl-2-(N -phenyl)-［6H- xanthenes

］

imidazole.

Hg 2+

R6G1

R6G3M +:439.2

3 结论

1）以罗丹明6G 为原料，利用硫的亲汞性设计

合成了Hg 2+探针R 6G 1，并对R 6G 1进行了1H NMR ，

C NMR ，MS 表征，证明合成产物为所设计的目

标化合物。

2）测试探针R 6G 1对离子的选择性时发现，

R 6G 1能在水相中检测Hg 2+

，与Hg 2+

结合后荧光强度

显著增强；R 6G 1与Hg 2+的络合常数lg K a =5.92，表明探针R 6G 1在水溶液中的选择性好，灵敏度高且

不受其他金属阳离子的干扰。

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（编辑李明辉）

张丽珠等. 罗丹明汞离子荧光探针的合成及光谱研究

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