江晟杰：一种用于水相介质中Pd2+检测的新型荧光传感器

一种用于水相介质中Pd²⁺检测的新型荧光传感器

江晟杰

漳州职业技术学院漳州市食品产业技术研究院，福建 漳州 363000

引用本文

江晟杰. 一种用于水相介质中Pd²⁺检测的新型荧光传感器[J]. 化工进展, 2024, 43(10): 5679-5685.

DOI：10.16085/j.issn.1000-6613.2023-1687

摘要

设计并合成了一种新型四苯乙烯衍生物（TPE-H），该衍生物在THF/H₂O（0.5/9.5，体积比）溶液介质中显示出明亮的红色聚集诱导发射（AIE）特性。TPE-H通过荧光“开-关”策略选择性地鉴别Pd²⁺。该传感器具有出色的选择性和灵敏度，并在很宽的pH范围（4~10）内显示出出色的稳定性。对Pd²⁺检测的详细研究表明，Pd²⁺的检出限为9.81×10^-8mol/L。通过核磁共振氢谱、傅里叶红外光谱和质谱等测试确认了传感机理。在传感试纸和真实水样测试中，TPE-H对Pd²⁺具有良好的传感效果，误差较小。该研究不仅报道了一种有效的Pd²⁺荧光传感器，而且为在复杂环境中原位和实时传感Pd²⁺提出良好的应用前景。

质谱仪（MS，MADIL-TOF），Bruker MICROQTOF Ⅱ, Bruker MICROFLEXLRF 256969，德国布鲁克公司；核磁共振仪（NMR），Bruker-ARX 400型，德国布鲁克公司；荧光光谱仪（FL），Hitachi F-4600，日本日立公司；红外光谱（FTIR），Thermo Scientific Nicolet 6700，美国赛默飞公司。所有化学试剂均为分析纯，来自阿拉丁试剂官网，使用时无需进一步纯化。在预涂硅胶的玻璃板上进行薄层色谱分析（TLC）。柱色谱法用硅胶（200~300目）对产物进行纯化。所有的计算都是在高斯09程序中使用密度泛函理论（DFT）方法在B3LYP/ 6-31G(d)水平进行的。

参考文献，在氮气氛围中，将化合物1（1.20g，6.58mmol）、化合物2（1.0g，5.05mmol）和锌粉（1.0g，15mmol）加入含有100mL四氢呋喃的250mL三颈烧瓶中，并在冰浴中搅拌冷却，随后缓慢滴加2.4mL四氯化钛，待加入完成后转至油浴锅加热回流过夜。利用TLC监测反应进度。待反应结束后，用20mL盐酸（1mol/L）猝灭反应，并用三氯甲烷（20mL×3）萃取，收集有机相并在减压下浓缩。将粗产物通过薄层色谱法纯化[石油醚∶二氯甲烷=1∶1（体积比）]。干燥后收集化合物3，得到1.20g浅白色固体，收率为55％。

将化合物4（0.448g，1mmol）和1mL水合肼加入到20mL无水乙醇中。将混合物搅拌回流12h。通过TLC检测来判断反应完成情况。然后在减压条件下除去溶剂，将残留物从三氯甲烷/乙醇中重结晶，得到白色粉末状的TPE-H（产率为85%）。¹H NMR（400MHz, CDCl₃）δ: 11.27 (s, 1H, OH), 8.38 (s, 1H, N=CH), 7.04~7.28 (m, 16H, ArH), 6.99 (s, 1H, ArH), 6.75 (d, J=8.0Hz, 1H, ArH)。

将滤纸在TPE-H溶液（0.1mmol/L）中浸泡5min。然后将切片在室温下干燥并切成圆形切片。在试纸上滴入5滴客体溶液（每滴0.1mmol/L，包括：Ag⁺，Cd²⁺，Cr³⁺，Fe³⁺，Hg²⁺，K⁺，Na⁺，Pb²⁺，Pd²⁺，Sr³⁺，Li⁺）。干燥后，在紫外光（365nm）下观察试纸，得到试纸的荧光照片。

TPE-H及其复合物的HOMO-LUMO能隙通过时间相关密度泛函理论（TD-DFT）在Guassian 09W程序的B3LYP/3-21G水平上计算。利用DFT进一步优化了TPE-H与Pd²⁺的结合模式。

为了获得在水性介质中的荧光传感器，以经典AIE分子四苯乙烯作为构建平台来设计目标荧光传感器。因此，TPE-H被设计为靶分子。TPE-H的合成路线如图1所示。首先，根据已公布的程序通过二苯甲酮和4-羟基二苯甲酮在Zn、TiCl₄/THF体系中制备化合物3，再通过经典的甲酰化反应合成化合物4。最后通过化合物4和水合肼的席夫碱缩合反应合成目标化合物TPE-H，产率为85%。通过核磁光谱和质谱证实了TPE-H的结构。所有的表征数据都与它的结构完全一致。

为了进一步验证TPE-H的AIE活性，在THF/H₂O混合介质中评估了水体积分数对荧光发射的影响。如图2所示，水体积分数从0增加到50％时体系的荧光发射强度变化可以忽略不计，但在水体积分数大于60％时，随着水体积分数的增加发射强度逐渐增强，并在95％时达到其最大值。增强的发射是由传感器TPE-H在水中的聚集引起的，TPE-H在626nm左右处的强荧光强度从纯THF溶液到95％水含量增加了约5.5倍。在低水体积分数下，激发态的非辐射方式抑制了TPE-H的激发态分子内质子转移（ESIPT）过程，但随着水体积分数增加，分子处于聚集态紧密堆积，旋转受到限制，导致强发射。另外，TPE-H的荧光发射波长在550~700nm处展现出明显的红色荧光，相较于正常的TPE衍生物（通常为450~550nm），表现出巨大的红移现象。这种红移可归因于苄连氮桥联的结构增强了共轭电子效应的影响。这种特性给传感器在活体内应用带来了明显的优势。因为长波长发射有利于深层组织的渗透，具有较小的自吸收和低背景噪声等特点。这些优势使得TPE-H在生物成像、细胞分析、药物筛选等领域具有广泛的应用前景。

在THF/H₂O（0.5/9.5，体积比）体系中考察了TPE-H对各种金属离子的响应能力（Ag⁺，Cd²⁺，Cr³⁺，Fe³⁺，Hg²⁺，K⁺，Na⁺，Pb²⁺，Pd²⁺，Sr³⁺，Li⁺）。如图3所示，在TPE-H的荧光光谱除了Pd²⁺之外，当其他金属阳离子加入时，荧光波长和强度的变化可忽略不计。然而加入Pd²⁺离子后，与其他金属离子相比荧光强度迅速降低，发生荧光猝灭现象，这清楚地表明TPE-H对Pd²⁺离子具有比其他金属离子更高的选择性。加入Pd²⁺离子的荧光猝灭可能归因于Pd²⁺和TPE-H之间的金属-配体电荷转移反应产生螯合增强猝灭（CHEQ）。

通过在THF/H₂O（0.5/9.5，体积比）中的荧光滴定实验进一步研究了TPE-H对Pd²⁺的详细传感特性。如图4所示，荧光强度随着Pd²⁺当量浓度的增加而逐渐下降。当Pd²⁺的当量浓度小于1.0时荧光强度快速下降，而当量浓度大于1.0时荧光强度缓慢减弱，这是由TPE-H与Pd²⁺的螯合作用引起的。这些结果表明，滴定的拐点是等效浓度1.0，表明TPE-H与Pd²⁺的化学计量比为1∶1。此外，图5显示了荧光强度与Pd²⁺等效浓度的相应曲线。从图中可以看出Pd²⁺离子当量浓度为0~0.1时的荧光强度呈现良好线性关系（如插图部分所示）。根据检测限DL=K×Sb₁/S（其中K=2或3，这里设定为2，Sb₁为空白溶液的标准偏差，S为回归线的斜率值）公式，Pd²⁺的检测限计算为9.81×10^-8mol/L。通过实际测试表明传感器可对1.0×10^-7mol/L的Pd²⁺产生一定的响应，该检出限较低，表明传感痕量Pd²⁺具有良好的应用前景。

除了特定的选择性和高灵敏度外，探索传感器在不同pH条件下的传感能力对传感器的实际应用具有重要意义。因此，测试了不同pH对TPE-H和TPE-H+Pd²⁺体系荧光光谱的影响。如图6所示，TPE-H在宽的pH范围（4~10）内具有良好的稳定性。加入Pd²⁺后，观察到荧光猝灭的趋势。当pH在高酸度（pH<4）时不发生荧光猝灭可归因于亚氨基在高酸性体系中的质子化，导致共轭体系的破坏。pH≥4时传感器的共轭体系未被破坏，因而可以正常检测Pd²⁺。pH荧光测量显示，TPE-H可以在宽pH范围（4~10）内与Pd²⁺发生响应，荧光发射的变化可以忽略不计，这反过来说明TPE-H具有令人满意的Pd²⁺感应稳定性，并且可以在广泛的pH范围内响应，表明TPE-H可在该pH范围内用于分析实际样品中的Pd²⁺，并在生理pH条件下的具有潜在应用。

用荧光光谱法研究了其他金属离子对TPE-H+Pd²⁺体系的荧光干扰，结果如图7所示。可以看出，I/I₀（添加干扰金属离子前后TPE-H与Pd²⁺的最大荧光强度的变化）的值均接近1.0，表明TPE-H对Pd²⁺的传感不受其他金属离子的影响，再次证实了其良好的选择性传感能力。

通过FTIR光谱、¹H NMR光谱、MS光谱和荧光Job’s研究了TPE-H对Pd²⁺的化学计量和传感机理。如图8所示，通过TPE-H和TPE-H+Pd²⁺的FTIR光谱比较，TPE-H+Pd²⁺的FTIR谱显示出C==N和—OH官能团的峰的明显位移，这意味着C==N和—OH参与了Pd²⁺的传感。此外，在图9中，具有5.0eq Pd²⁺的化合物的MS谱表明，在854.80处的结合峰，其与1∶1的化学计量一致。TPE-H和TPE-H+Pd²⁺的¹H NMR光谱的比较如图10所示。可以观察到，在结合Pd²⁺后，TPE-H的—OH和N==CH基团的质子峰的位移发生了明显的变化，但没有出现分裂现象。这些结合的¹H NMR光谱支持—OH和N==CH基团参与TPE-H对Pd²⁺的结合过程。此外，图11中显示了传感器和Pd²⁺的荧光Job’s曲线图，可以清晰地发现在f=0.5时出现转折点，并且在0.5后减弱开始变缓，表明TPE-H对Pd²⁺的络合比为1∶1。因此，结合荧光Job’s图、¹H NMR光谱和结合MS光谱，提出了TPE-H与Pd²⁺的结合模型，如图12所示，其中Pd²⁺被—OH和N==CH螯合。此外，进一步用Gaussian 09 B3LYP/6-31G*对于可能的结合模型进行优化，如图13所示，HOMO-LUMO能隙从TPE-H的3.334eV减小到具有Pd²⁺的TPE-H的2.352eV。而这种减小的能隙与TPE-H在感测Pd²⁺后荧光猝灭一致。

传感试纸通常用于评估传感器在实际应用中的价值。因此，通过将中性滤纸浸入0.1mmol/L TPE-H溶液中5min来制备TPE-H传感试纸条。然后将滤纸在室温下蒸发和干燥，并剪切成圆形片状。随后，分别滴入5滴含有Cu²⁺、Bi³⁺、Cd²⁺、Hg²⁺、Li⁺、Ni³⁺、Pb²⁺、Sb³⁺、Co²⁺、Na⁺和Zn²⁺的0.1mmol/L溶液。图14显示了这些试纸在365nm紫外光照射下的照片，从图中可以明显地看出除了Pd²⁺之外的其他种类的加入都没有发生明显的荧光颜色变化。这些结果与溶液中的荧光实验相吻合，这些试纸实验反映了TPE-H在检测Pd²⁺方面的实际应用。

为了进一步评价TPE-H在实际环境中传感Pd²⁺的应用，制备了含有不同Pd²⁺含量的漳州自来水、九龙江水和南湖水样品，并通过荧光光谱进行检测。通过标准工作曲线计算Pd²⁺含量，并将其与表1中汇总的原始浓度进行比较。可以看出，Pd²⁺在不同水样中检测到的Pd²⁺浓度接近原始浓度，误差较小（<4%）。这些结果表明，在实际水环境中检测Pd²⁺具有良好的应用前景。

基于AIE机制开发了一种苄连氮桥联双四苯乙烯的荧光传感器TPE-H，产率为85%。由于AIE效应和强共轭效应，TPE-H在水性介质中的550~670nm处显示出远红色荧光。该传感器可以在水性介质中对Pd²⁺表现出良好的选择性传感能力，表现出荧光猝灭现象，检出限低至9.81✕10^-8mol/L，通过核磁、荧光滴定法、FTIR光谱和MS光谱证实了1∶1化学计量比的传感器机理，同时已成功应用于传感试纸和真实水样中，表明其在真实环境中检测Pd²⁺具有良好的应用前景，为Pd²⁺在真实样品和生活环境中的检测提供了新的策略。

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