背景介绍
相比较于传统的检测方法中,荧光探针在实验操作中具有高灵敏性、高特异荧光性、高精确性的特点,在分子生物学、生理学、临床诊断学等各个领域已经得到了越来越广泛的应用,该技术已成为在生命科学研究中必不可少的技术。而铜离子和锌离子作为人体所必需金属元素的生理效应呈现明显的浓度依赖性双重特征。一旦其稳态失衡,便会引发严重的病理后果。因此,开发能够对铜锌离子实现高灵敏度、高选择性实时检测的技术,对于生物医学研究、临床诊断、环境监测和食品安全控制均具有重大意义。
文章亮点
1.本文研究具有双识别作用的荧光探针,这类探针能够同时利用两种不同的识别机制,对Cu2+呈选择性荧光淬灭识别,而对Zn2+呈比率型荧光识别,实现了对目标离子的高灵敏度、快速响应检测。
2.本文的荧光探针具有高选择性、高灵敏度、快速响应等特点。探针L只对铜离子和锌离子具有特异性识别、对其他金属离子(如镁离子、钾离子等)有很好的抗干扰能力,缔合常数Kb分别为5.18×105、1.51×106 L/mol,结合稳定,检出限分别为5.52×10-7、1.13×10-6 mol/L,均低于世界卫生组织对饮用水中Cu2+和Zn2+所允许的最高浓度,有良好的应用价值。
内容介绍
1 实验部分
1.1 主要仪器与试剂
1.2 实验方法
1.3 光学性质测试
为研究目标产物L的溶剂化效应,配制了DMF体系的母液。移取40 μL该母液分置于7支5 mL离心管中,分别加入苯、二氯甲烷、乙酸乙酯、THF、乙醇、乙腈及DMF溶剂,定容至4 mL(1×10-5 mol/L),分别测试其紫外光谱和荧光光谱。
1.4 荧光探针L识别Cu2+和Zn2+测试
1.4.1 选择性实验
1.4.2 荧光滴定实验
1.4.3 抗干扰实验
取20个5 mL的塑料离心管,向每个离心管中分别加入40 μL(2.5×10-4 mol/L)的探针母液和6 μL(5×10-3 mol/L)的硝酸铜(硝酸锌)水溶液,分别继续加入20种6 μL(5×10-3 mol/L)的硝酸盐水溶液,并用THF定容到4 mL刻度线,测试荧光发射光谱。
1.4.4 配合比实验
探针母液溶液和硝酸铜(硝酸锌)水溶液的总体积200 μL不变,n(探针L):n(硝酸铜(硝酸锌))分别为200:0、195:5、……、165:35、160:40、140:60、……、20:180,共16个不同的物质的量比配取,并用THF定容到4 mL,进行荧光光谱测试。
2 结果与讨论
2.1 化合物L的光学性质
2.1.1 紫外光谱(UV-Vis)和荧光光谱
2.1.2 聚集态荧光光谱(AIE)
为了探讨荧光探针L的聚集诱导发光特性,将一系列不同含水量(fw,范围从0 ~ 95%)的混合溶液加入到四氢呋喃溶液中,然后对它们的紫外和荧光变化进行测试与对比。由图3可知,在365 nm紫外灯照射下,四氢呋喃溶液呈翠绿色荧光,含水量逐渐增加至60%时,荧光强度达到最高,随着后荧光逐渐减弱,这些表明了该化合物显示出典型的聚集态发光(AIE)现象。随着含水量的增加,在长波方向出现由米氏效应和光散射引起的“拖尾”现象和高的吸收率,表明不良溶剂的增加形成了纳米聚集[44]。
2.2 荧光探针L对Cu2+和Zn2+的识别
2.2.1 选择性
2.2.2 抗干扰实验及应用
L-Cu2+和L-Zn2+系统中其他金属离子的干扰作用,在共存离子竞赛实验中进行评价。在L-Cu2 +(L-Zn2+)体系中加入相同物质的量之比的上述20种金属离子进行荧光光谱测试。由图7可知,在该体系中加入Cu2+和其他金属离子后,体系的荧光强度几乎保持不变,这表明共存阳离子对探针L对Cu2+的识别效果的影响较小;在该体系中加入Zn2+及其他金属离子后,荧光发射强度的比率在521和514 nm(F521 nm/F514 nm)时显示几乎可以忽略加入其他金属离子的变化,对探针L对Zn2+的比值检测的影响较小,说明了Zn2+的比值检测的准确性。上述结果表明,探针L对其他金属离子具有良好的抗干扰能力,且具有一定的应用价值。
2.2.3 荧光滴定实验与检测分析
为评估探针L对Cu2+(Zn2+)的识别的反应灵敏性,于四氢呋喃溶液中进行荧光滴定实验。图9a显示,随着铜离子浓度(0~1.2×10-5 mol/L)的增加,探针溶液在λ=501 nm处的荧光强度呈减弱趋势。定量分析表明(图9b),该波长处荧光强度(y)与加Cu2+(x)呈显著负线性关系,拟合方程为y=-47.32096x+646.61553(R2=0.91206)。
2.2.4 配合比与缔合常数
探究探针L与Cu2+(Zn2+)的物质的量的结合比,在保持探针L溶液和Cu(NO3)3溶液[Zn(NO3)3溶液]的总体积200 µL和总浓度均不变的情况下,通过等摩尔连续变化法(Job’s plot)系统研究探针L与铜离子和锌离子的配位特性。
2.2.5 识别机理
3 结论
设计合成一种基于7-二乙氨基香豆素-3-甲醛为母核构建的新型席夫碱荧光探针L,成功实现了对Cu2+和Zn2+的差异化识别检测。该探针通过配位模式差异展现出独特的双模式响应特征:与Cu2+结合时呈现荧光猝灭效应(OFF型响应),而与Zn2+作用则显示比率型荧光,两种检测模式具有显著区分度。并且Job's plot曲线与荧光滴定数据确证探针与金属离子配合的物质的量之比分别为1:1(Cu2+)和2:1(Zn2+),该探针的检测限(LOD)达到0.55 μmol/L(Cu2+)和1.13 μmol/L(Zn2+),均低于WHO饮用水标准限值,展现出在环境水质监测中的实际应用潜力。
通讯作者介绍
刘杰
个人简介
副教授,硕士生导师,安徽大学无机化学专业博士,研究方向为光电功能材料设计、合成与应用。主要承担《有机化学》、《有机化学实验》等课程的教学工作。主持省教育厅科学研究重点项目和一般项目各1项;参与国家自然科学基金项目2项;主持和参与教育部产学合作协同育人项目各1项;主持省教育厅质量工程教学研究重点项目和一般项目各1项。迄今为止,已发表教、科研论文二十余篇,其中SCI/EI收录9篇。
主要研究方向
光电功能材料
近五年代表作
1.刘杰,等.具有AIE性质Cu(II)和Zn(II)离子荧光探针的合成及应用[J]. 化学试剂, 2025, 47(8):23-31.
2. 刘杰, 等. 聚集诱导发光荧光探针的合成及其对Al3+ 的识别 [J]. 分析试验室, 2024, 43(12):1721-1727.
3. Jie Liu, et al. Two Cu(II) microporous frameworks based on a bifunctional linker and selective gas adsorption properties for CO2 [J]. Journal of Solid State Chemistry, 2023, 318: 123737.
4. Jie Liu, et al. A Novel AIE Fluorescent Probe for Cu2+ Recognition Based on Salicylaldehyde -azine System [J]. ChemistrySelect, 2022, 7(45): 1-6.
5. 刘杰, 等. 具有AIE性质的三唑基喹啉铜配合物及其制备方法[P]. 中国发明专利, ZL 2018 1 1205757.9, 2020.10.27.
6. 刘杰, 等.化学实验“三三三”翻转教学模式的探索与实践[J]. 化学教育, 2022, 43(8): 86-90.