三芳胺类荧光探针合成及对化妆品中Hg-(2+)的检测_荆军凯.pdf

第 4 期李 蔚,等:异黄酮 Mannich 碱衍生物的合成与抗增殖活性研究第 35 卷第 4 期2023 年 4 月化 学 研 究 与 应 用Chemical Research and ApplicationVol.35,No.4Apr.,2023文章编号:1007-1656(2023)04-0759-07三芳胺类荧光探针合成及对化妆品中 Hg2+的检测荆军凯,喻艳超,由 君,武文菊(哈尔滨理工大学材料科学与化学工程学院,绿色化工技术黑龙江省高校重点实验室,黑龙江 哈尔滨 150080)摘要:基于汞离子促进硫代缩醛脱保护作用,设计合成了一种三芳胺类荧光探针 N-(1,1-联苯-4-基)-N-(4-(双(乙基硫代)-甲基)苯基)-9,9-二甲基-9H-芴-2-胺(简称 L),并采用核磁共振、红外光谱及高分辨质谱对其结构表征。荧光发射光谱表明,在乙腈(ACN)/4-羟乙基哌嗪乙磺酸(HEPES)(V V=9 1,HEPES 10mmolL-1,pH=7.4)缓冲溶液中,探针可实现对 Hg2+的“turn-off”检测,检测过程具有响应时间短、离子选择性好、抗共存金属离子干扰性强等优点。在 020molL-1范围内,Hg2+浓度与荧光强度呈现良好线性关系,探针对Hg2+检测极限低至 1.5710-8 molL-1,可实现 Hg2+的痕量检测。将探针 L 应用于化妆品中 Hg2+检测,加标回收率 96.3%101.7%,相对标准偏差 0.52%2.76%,准确度较高,具有良好的应用前景。关键词:三芳胺;荧光探针;汞离子;光谱分析中图分类号:O657.3 文献标志码:ASynthesis of a novel fluorescent probe based on triarylamine derivatives for Hg2+and application in cosmeticsJING Jun-kai,YU Yan-chao,YOU Jun,WU Wen-ju(Key Laboratory of Green Chemical Engineering and Technology of College of Heilongjiang Province,School of Materials Science and Chemical Engineering,Harbin University of Science and Technology,Harbin 150080,China)Abstract:A fluorescent probe L(N-(1,1-biphenyl-4-yl)-N-(4-(bis(ethylthio)methyl)-phenyl)-9,9-dimethyl-9H-flu-oren-2-a-mine)of triarylamine derivatives was synthesized and based on Hg2+could promote the deprotection of thioacetals.Its structure was characterized with 1H NMR,13C NMR,IR and HRMS.The fluorescence spectroscopy studies demonstrated that the probe L showed fast-response,high selectivity and good anti-interference ability towards Hg2+through the significant fluorescence quenching effect in the system of V(acetonitrile)V(HEPES)=9 1.The fluorescence intensity of probe L had a high linear relationship with the concentration of Hg2+(020molL-1)and the LOD was as low as 1.5710-8 molL-1,which can realize the trace detection of Hg2+.In addition,the probe was applied to the detection of Hg2+in cosmetics,and got the satisfactory results as the recovery rate of standard addition of the method was 96.3%101.7%and the relative standard deviation(RSD)was 0.52%2.76%.The method had potential application in the field of analysis.收稿日期:2022-04-29;修回日期:2022-11-03基金项目:国家自然科学基金项目(21908034)资助;黑龙江省自然科学基金项目(LH2021H001)资助联系人简介:喻艳超(1987-),女,讲师,主要从事荧光探针合成及应用研究。E-mail:yychao136 ;由君(1976-),女,教授,主要从事有机合成研究。E-mail:youjunjun 化 学 研 究 与 应 用第 35 卷Key words:triarylamine;fluorescent probe;Hg2+;spectral analysis 随着工业发展和社会进步,汞及其汞盐在化学、医药、冶金、化妆品等领域有着重要应用1。汞也是环境中最具毒性的金属元素之一,不仅可以长期稳定存在,还会随着食物链不断循环在生物体中累积2-3。在人体内富集的汞,由于其与酶、蛋白质中的巯基具有很强的结合能力,会引起严重的免疫毒性、遗传毒性和神经毒性效应,最终损害人体的中枢神经系统、消化系统、呼吸系统以及肾脏等器官,从而引发多种疾病4-5。因此,对于环境、食品、药品以及化妆品中汞的定性、定量检测显得尤为重要。例如,国家食品药品监督管理总局印发的化妆品安全技术规范(2015 年版)明确规定了化妆品中汞含量不超过 1mgkg-16,生活饮用水卫生标准中规定汞含量不得超过 1mgmL-17。目前,Hg2+检测方法主要有荧光光度法、电感耦合等离子体质谱法、电化学法、比色法以及原子吸收光谱法等8-10。尽管这些方法在一定条件下能够满足 Hg2+检测的要求,但具有样品预处理复杂、耗时长、成本高以及需要专业的操作人员和昂贵的设备等问题11,导致方法的普适性较差;另外,这些方法难以实现 Hg2+的现场检测、在线监测及活体检测。荧光探针检测法是近年来发展迅速的一种分析技术,具有易操作、成本低、选择性强、灵敏度高、可实时监测、活体检测等优点12-13,为重金属元素的分析检测提供一种高效、可行策略14-15。荧光探针检测法在 Hg2+检测中引起了极大的关注。检测 Hg2+荧光探针,按作用方式不同可分为络合型16-18和反应型19-21,其中,反应型荧光探针主要利用 Hg2+的特异性反应设计,因此,这类探针可实现对 Hg2+的专一性识别,具有良好的应用前景。三芳胺类化合物是一类非常重要有机分子,其具有较好的给电子性、较好的溶解性、较强的荧光性能与光稳定性,在染料化工、医药中间体、有机光电材料等领域有重要应用22-23。目前将三芳胺类化合物应用于荧光探针分子设计中成为新的应用领域24-25。本文以三芳胺结构为荧光基团、以硫代缩醛为识别基团,利用 Hg2+促进硫代缩醛水解的性质,设计合成了一种特异性识别 Hg2+的反应型荧光探针 N-(1,1-联苯-4-基)-N-(4-(双(乙基硫代)甲基)苯基)-9,9-二甲基-9H-芴-2-胺(简称 L),建立荧光探针检测法,并将其应用于化妆品中 Hg2+检测,为化妆品行业 Hg2+检测提供快速、高效、便捷的检测方法。1 实验部分1.1 实验材料与设备实验中所用试剂 N-(1,1-联苯-4-基)-9,9-二甲基-9H-芴-2-胺、三叔丁基磷 10wt%甲苯溶液、三(二亚苄基丙酮)二钯(Pd2DBA3)、碳酸铯、对氯苯甲醛、三氟化硼乙醚(BF3Et2O)、乙硫醇、4-羟乙基哌嗪乙磺酸(HEPES)及各种金属盐均由试剂公司购买;所用试剂及溶剂均为国产分析纯产品,使用前未经处理直接使用。化妆品购买自超市。AVANCE-300MHz 核磁共振波谱仪(Bruker 公司,德国);Avatar 370 FT-IR 红外光谱仪(Thermo公司,美国);SolariX 70 FT MS 质谱仪(Bruker 公司,德国);F-4500 荧光分光光度计(Hitachi 公司,日本);X-6 显微熔点测点仪(京泰克公司,北京)。1.2 探针分子 L 的合成与表征探针分子 L 的合成路线如图 1 所示,其中中间体2 和探针 L 为首次合成。将 N-(1,1-联苯-4-基)-9,9-二甲基-9H-芴-2-胺(5.1g,14.2mmol)和对氯苯甲醛(2.0g,14.2mmol)溶解在无水甲苯(80mL)中,溶液脱气并用氮气饱和,升温至 50搅拌 30min,然后加入 10wt%P(t-Bu)3甲苯溶液(0.57g,0.28mmol)、Pd2DBA3(0.064g,0.07mmol)和碳酸铯(6.8g,20.8mmol),回流反应 12h。反应结束后,有机相用水洗涤,再用饱和氯化钠水溶液洗涤,无水硫酸钠干燥、浓缩,柱层析V(石油醚)V(乙酸乙酯)=10 1分离,得 4.95g 黄色固体,产率为 75%。m.p.169.7 171.4.1H NMR067第 4 期荆军凯,等:三芳胺类荧光探针合成及对化妆品中 Hg2+的检测(300 MHz,CDCl3),:9.87(s,1H),7.73(dd,J=11.5,8.3 Hz,4H),7.62(t,J=8.1 Hz,4H),7.507.29(m,9H),7.20 7.14(m,3H),1.48(s,6H);13C NMR(75 MHz,CDCl3),:190.4,155.5,153.7,153.4,145.5,145.3,140.2,138.5,137.6,136.5,131.4,129.3,128.9,128.3,127.3,127.1,126.8,126.1,125.4,122.6,121.1,120.7,119.9,47.0,27.1.IR(KBr),/cm-1:3439,3028,2968,2730,1589,1506,1307,1221,1161,1004,829,761,736,697.HRMS(ESI),m/Z:C34H28NOM+H+理论值:466.2165,实测值:466.2153。图 1 探针分子 L 合成路线Fig.1 Synthesis route of probe L将化合物 2(1.5g,3.2mmol)溶解在无水二氯甲烷(40mL),溶液脱气并用氮气饱和,加入乙硫醇(0.5g,8.0mmol)和 BF3 Et2O(1.21mL,9.6mmol),N2气氛下 0 搅拌 6h。反应结束后,有机相用水、饱和氯化钠水溶液洗涤,无水硫酸钠干燥、浓缩,柱层析V(石油醚)V(乙酸乙酯)=12 1分离,得到 1.52g 黄色固体粉末,产率为83%。m.p.67.4 69.5.1H NMR(300 MHz,CDCl3),:7.69 7.60(m,4H),7.54 7.31(m,10H),7.26 7.10(m,6H),4.95(s,1H),2.74 2.56(m,4H),1.45(s,6H),1.29(t,J=7.4 Hz,6H).13C NMR(75 MHz,CDCl3),:155.2,153.6,147.3,147.0,146.8,140.6,138.9,135.3,134.6,134.4,128.7,128.5,127.8,126.9,126.8,126.6,126.6,124.0,123.8,123.5,122.5,120.7,119.5,119.2,52.3,46.9,27.1,26.3,14.4.IR(KBr),/cm-1:3425,3030,2967,2922,2857,1599,1504,1485,1460,1317,1298,875,762,738.HRMS(ESI),m/Z:C38H37NS2Na M+Na+理 论 值:594.2259,实测值:594.2255。1.3 分析测试方法1.3.1 荧光光谱实验 以 ACN/HEPES(V V=9 1,HEPES 10mmolL-1,pH=7.4)为溶剂,配置浓度为 2.010-5molL-1的探针 L 溶液,备用。用去离子水配制浓度为 3.010-2molL-1的金属离子水溶液,备用。荧光光谱测试条件为:ex=345nm,em=440nm,激 发/发 射 狭 缝 宽 度 为2.5nm/2.5nm。测试所用石英皿体积为 3mL。1.3.2市售化妆品样品处理称取某种市售化妆品 0.1g 样品于 25mL 双口瓶中,依 次 加 入3.0mL 硝酸、0.5mL 水、0.5mL 硫酸,使化妆品完全浸没于混酸中。将体系进行升温酸化后,赶酸至剩余消解液不超过 0.5mL,加入 1.0mL 水后继续加热 10min,冷却过滤。加入不同 Hg2+标样后,将样品液稀释,定容为 pH=7.4 测试溶液 25mL,备用。1.4 检测机理研究取 0.057g(0.1mmol)的探针 L 溶于 25mL ACN/HEPES(V V=9 1,pH=7.4)溶液中,加入1.5mL 110-1molL-1 Hg2+水溶液,反应 2h,除去溶剂,测定体系红外谱图及高分辨质谱数据。2 结果与讨论2.1 探针 L 识别 Hg2+检测条件测试了探针 L 在乙腈(ACN)、二甲基亚砜(DMSO)、四 氢 呋 喃(THF)、丙 酮(CP)、甲 醇(MeOH)、N,N-二甲基甲酰胺(DMF)与 HEPES 缓冲液为溶剂时,Hg2+对探针荧光强度的影响,结果如图 2 所示。当测试溶剂为 ACN/HEPES 缓冲溶液时,荧光强度由 547 a.u.淬灭至 58 a.u.,具有明显的荧光淬灭效应;测试溶剂为 THF/HEPES、MeOH/HEPES 缓冲溶液时,Hg2+加入前后荧光强度无明显变化;采用其他测试溶液时,探针 L 的荧光淬灭效率在 50%以下。因此,ACN/HEPES(V V=9 1,HEPES 10mmolL-1,pH=7.4)为荧光光谱实验的最佳测试溶剂。167化 学 研 究 与 应 用第 35 卷图 2 Hg2+(100molL-1)加入前后探针 L(20molL-1)在不同溶剂中的荧光强度Fig.2 Fluorescence intensity of probe L(20molL-1)in different solvents with or without Hg2+(100molL-1)在荧光探针 L 溶液中加入 Hg2+后,每 0.5min测定一次荧光光谱变化,考察响应时间对探针 L荧光强度的影响,结果如图 3 所示。探针 L 与Hg2+作用最初 1.0min 内,荧光强度明显下降;随着探针与 Hg2+作用时间延长,荧光强度逐渐减弱,2min 后荧光强度基本不变。因此,确定探针 L 与Hg2+的最佳响应时间为 2min,可实现对 Hg2+的快速响应。图 3 加入 Hg2+(100molL-1)后,探针 L(20molL-1)荧光强度随时间的变化Fig.3 Fluorescence intensities change with time of L(20molL-1)with Hg2+(100molL-1)2.2 探针 L 对 Hg2+识别性能研究在探针 L 溶液中分别加入金属离子溶液,探究探针 L 对 Hg2+的选择性识别能力,结果如图 4所示。当探针溶液加入 Hg2+后,在 440nm 处荧光强度由585a.u.大幅度衰减至27a.u.,而向体系中加入其他金属离子时,荧光强度值仍维持在 450590a.u.。相对于 Hg2+淬灭 20 倍,该荧光强度改变较小,由此可见,探针 L 对 Hg2+有优异的选择性。图 4 不同金属离子(100molL-1)存在下,探针 L(20molL-1)的荧光发射光谱Fig.4 Fluorescence intensity of probe L(20molL-1)in the presence of different metal ions(100molL-1)为考察探针 L 对 Hg2+检测的专一性及抗干扰能力,进行了不同金属离子共存时探针 L 识别Hg2+的抗干扰试验,结果如图 5 所示。向含有其他金属离子的体系中加入 Hg2+后,体系的荧光强度都出现大幅度衰减,衰减倍数 1520 倍。这表明,荧光探针 L 在识别 Hg2+的过程中,即使有某种金属离子存在,也不会干扰探针对 Hg2+的识别,探针 L 检测 Hg2+具有良好的抗金属离子干扰能力。图 5 金属离子(100molL-1)存在下,探针L(20molL-1)对 Hg2+识别的抗干扰能力Fig.5 Anti-interference ability of probe L(20molL-1)for Hg2+in the presence of various metal ions(100molL-1)267第 4 期荆军凯,等:三芳胺类荧光探针合成及对化妆品中 Hg2+的检测2.3 探针 L 识别 Hg2+的灵敏性荧光滴定实验中,向探针 L 溶液中加入不同浓度的 Hg2+,如图 6a 所示,探针 L 荧光强度随Hg2+浓度增大而逐渐减弱。在 020molL-1范围内,荧光强度与 Hg2+浓度呈现出良好的线性关系,如图 6b 所示,线性回归方程为 Y=547.19-22.73X,线性相关系数为 R2=0.9895。根据检测限的计算公式:DL=3/k(其中 为探针 L 荧光强度的标准偏差,k 为荧光滴定过程中探针 L 荧光强度与 Hg2+浓度作直线图的斜率),计算出探针 L对 Hg2+的荧光检测限 DL 为 1.5710-8molL-1。由此可见,探针 L 可实现 Hg2+的痕量检测。图 6 探针 L 识别 Hg2+的灵敏性Fig.6 Sensitivity of probe L with Hg2+2.4 探针 L 识别 Hg2+的作用机理为探究探针 L 与 Hg2+的作用比例,测试不同浓度 Hg2+存在下探针荧光强度,结果如图 7 所示。当体系 Hg2+浓度到达2025 umolL-1时,荧光强度较空白减弱 20 倍,继续增加 Hg2+浓度,体系荧光强度不再减弱,探针与 Hg2+完全反应,此时体系中探针与 Hg2+摩尔比为 1 1。图 7 探针 L(20molL-1)荧光强度与Hg2+(050molL-1)浓度关系图Fig.7 Relationship between fluorescence intensity of probe L(20molL-1)and Hg2+(050 molL-1)为研究探针 L 与 Hg2+的作用机理,测定了Hg2+加入前后体系的红外光谱,如图 8 所示。探图 8 探针 L 及探针 L 识别 Hg2+后红外光谱Fig.8 Infrared spectras of probe L and probe L in the presence of Hg2+针 L 溶液与 Hg2+充分反应后,在 1680 cm-1处出现强的 C=O 伸缩振动吸收峰,由此推测,探针 L 结构中的硫代缩醛被水解生成醛基。为进一步确定探针 L 与 Hg2+的作用机理,测定加入 Hg2+后探针溶液的高分辨质谱,如图 9 所示。在质谱图中,明367化 学 研 究 与 应 用第 35 卷显观察到质子峰 m/z=466.2153,其归属为三芳胺中间体 2(C34H28NOM+H+理论值:466.2165)。这些数据表明,探针 L 识别 Hg2+的机理是由于 Hg2+能够促进硫代缩醛的水解,导致探针上的硫代缩醛水解为醛基,从而影响探针结构中电子分布,导致荧光发生变化,实现对 Hg2+的特异性检测,识别机理如图 10 所示。图 9 探针 L 在 Hg2+加入后的质谱图Fig.9 Mass spectra of probe L in the presence of Hg2+图 10 探针 L 识别 Hg2+的作用机理Fig.10 Recognition mechanism of probe L in the presence of Hg2+2.5 化妆品中 Hg2+检测向硝解后的化妆品中添加一定量的 Hg2+标准品,利用上述建立的荧光探针检测法检测化妆品中 Hg2+,实验结果见表 1。结果表明,相对于其他分析方法26-27,该方法对化妆品中 Hg2+检测具有较好效果,实验加标回收率 96.3%101.7%,相对标准偏差 0.52%2.76%,检出 Hg2+浓度与相应加标浓度误差较小。由此可见,探针在化妆品中检测 Hg2+的准确度较高,具有良好实用性能,可以用于化妆品中 Hg2+定量检测。表 1 化妆品中 Hg2+检测结果Table 1 Detection result of Hg2+in cosmetics(n=3)样品名称加标浓度(molL-1)实测浓度(molL-1)回收率/%RSD/%化妆品-481216-3.97.712.215.7-97.596.3101.798.10.522.761.492.442.683 结论以三芳胺结构为荧光基团、硫代缩醛为识别基团,利用 Hg2+促进硫代缩醛水解的性质,设计合成一种特异性识别 Hg2+的反应型荧光探针 L。探针在 ACN/HEPES 溶液中识别 Hg2+具有响应时间短、选择性高、抗干扰能力强以及灵敏度高等优点。同时,将探针 L 成功应用于化妆品中 Hg2+的定量检测,准确度较高,具有良好的应用前景。参考文献:1Nolan E M,Lippard S J.Tools and tactics for the optical detection of mercuric ionJ.Chem Rev,2008,108(9):3443-3480.2Clarkson T W,Magos L,Myers G J N.The toxicology of mercury-current exposures and clinical manifestationsJ.New Engl J Med,2003,349(18):1731-1737.3Harris H H,Pickering I J,George G N.The chemical form of mercury in fishJ.Sci,2003,301:1203.4Fitzgerald W F,Lamborg C H,Hammerschmidt C R.Ma-rine biogeochemical cycling of mercuryJ.Chem Rev,2007,38(2):641-662.5Silbergeld E K,Silva I A,Nyland J F.Mercury and auto-immunity:implications for occupational and environmental 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