引用本文
姜亚男, 汤立军, 边延江, 钟克利, 侯淑华. 一种基于喹唑啉酮衍生物的荧光探针对次氯酸根离子的识别[J]. 应用化学, 34(12): 1462-1467
JIANG Ya'nan, TANG Lijun, BIAN Yanjiang, et al. A Quinazolinone Derivative-based Fluorescent Probe for Hypochlorite Ion Recognition[J]. Chinese Journal of Applied Chemistry, 34(12): 1462-1467  
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一种基于喹唑啉酮衍生物的荧光探针对次氯酸根离子的识别
姜亚男, 汤立军*, 边延江, 钟克利, 侯淑华
渤海大学化学化工学院 辽宁 锦州 121013
通讯联系人:汤立军,教授; Tel:0416-3400302; E-mail:ljtang@bhu.edu.cn; 研究方向:荧光探针
收稿日期:2017-09-04 修回日期:2017-09-19 接受日期:2017-09-28
基金:国家自然科学基金项目(21476029,U1608222)、辽宁省高等学校优秀人才支持计划(LR2015001)资助;
摘要

次氯酸根(ClO-)在人体免疫系统中发挥着重要的作用,其识别与检测备受关注。 本文设计合成了一种含有喹唑啉酮骨架的腙型荧光探针(HEMQ),并通过1H NMR、13C NMR、高分辨质谱(HRMS)表征了其结构。 探针HEMQ在 V(乙醇): V(水)=1:1( c(PBS)=0.02 mol/L,pH=8.7)溶液中对ClO-具有良好的选择性且响应快速,荧光发生显著猝灭。 探针HEMQ对ClO-具有较高的灵敏度,检测限为1.0×10-4 mol/L。 此外,ClO-可引起探针溶液由黄色到无色的颜色变化,因此HEMQ可作为比色、荧光双通道响应的ClO-探针。

关键词: 喹唑啉酮; 荧光探针; 次氯酸根; 识别
中图分类号:O656.2 文献标志码:A 文章编号:1000-0518(2017)12-1462-06
A Quinazolinone Derivative-based Fluorescent Probe for Hypochlorite Ion Recognition
JIANG Ya'nan, TANG Lijun, BIAN Yanjiang, ZHONG Keli, HOU Shuhua
College of Chemistry and Chemical Engineering,Bohai University,Jinzhou,Liaoning 121013,China
Corresponding author:TANG Lijun, professor; Tel:0416-3400302; E-mail:ljtang@bhu.edu.cn; Research interests:fluorescent probe
Received:2017-09-04 Revised:2017-09-19 Accepted:2017-09-28
Fund:Supported by the National Natural Science Foundation of China(No.21476029, No.U1608222), Program for Liaoning Excellent Talents in University(No.LR2015001)
Abstract

Hypochlorite(ClO-) displays essential roles in human immune system, the detection of which has aroused extensive attention. Herein, a hydrazone type fluorescent probe(HEMQ) that containing quinazolinone skeleton was designed and synthesized, and the structure of HEMQ was characterized by1H NMR,13C NMR, and HRMS analysis. In V(ethanol): V(water)=1:1( c(PBS)=0.02 mol/L, pH=8.7) solution, probe HEMQ exhibits rapid response and good selectivity toward ClO- through distinct fluorescence quenching. HEMQ displays good sensitivity to ClO- with a detection limit of 1.0×10-4 mol/L. In addition, ClO- can induce a color change from yellow to colorless of the probe solution, thus, probe HEMQ can act as a colorimetric and florescent dual-channel ClO- probe.

Keyword: quinazolinone; fluorescent probe; hypochlorite; recognition

次氯酸根(ClO-)是一种重要的活性氧(ROS)物种,因其显著的抗菌性质在人体免疫防御系统中发挥着重要作用[1]。 然而,ClO-的过量产生却能破坏人体组织并导致多种疾病,包括心血管疾病[2]、动脉硬化[3]、肾病[4]和肺损伤[5]等。 因此,ClO-的有效检测备受关注。

已经报道的检测ClO-的方法有很多,主要包括碘量法[6]、比色法[7]等,但这些方法往往操作复杂、响应时间长,具有一定的局限性。 由于荧光检测具有操作简单,选择性和灵敏度高,对样品无破坏等优点,近年来备受瞩目并成为检测ClO-的一种重要方法。 迄今为止,已经有大量的检测ClO-的荧光探针被相继报道[8],所采用的荧光团主要包括氟硼二吡咯(BODIPY)[9,10,11,12]、罗丹明[13,14]、荧光素[15,16,17]及苯并噻唑[18]等。 对ClO-响应机制主要是依靠ClO-对探针中特定官能团的氧化反应,通常将这些可反应基团引入探针结构中均较为繁琐,造成探针的合成困难。 尽管利用醛肟氧化成醛的反应是一种简单的探针设计策略,但是醛肟还可被ClO-氧化成其它产物[19,20],缺乏专一性。 因此,充分利用CH＝N结构易于合成的优势,设计合成新颖结构的ClO-荧光探针显得尤为必要。

本文设计合成了一种含有喹唑啉酮骨架的腙型荧光探针(HEMQ),该探针在 V(乙醇): V(水)=1:1( c(PBS)=0.02 mol/L,pH=8.7)缓冲溶液中可快速、选择性识别ClO-,并且具有显著的肉眼可见的颜色变化,可作为比色、荧光双通道响应的ClO-探针。 探针HEMQ的合成路线如Scheme 1。

Scheme 1 Synthesis of probe HEMQ

1 实验部分
1.1 仪器和试剂

400-MR型核磁共振仪(NMR,美国安捷伦公司);Bruker micrOTOF-Q型高分辨质谱仪(HRMS,德国布鲁克公司);970CRT型荧光分光光度计(上海三科仪器有限公司);SP-1900型双光束紫外可见分光光度计(UV-Vis,上海光谱仪器有限公司);Model PHS-25B型pH计(上海大普仪器有限公司)。

如无特别说明,实验所用试剂和溶剂均为市售分析纯,实验用水为二次去离子水。 活性氧(ROS)H2O2、ClO-、ROO-、1O2和活性氮(RNS)NO、ONOO-根据文献[21,22,23]方法制备。

1.2 实验方法

根据文献方法合成化合物1[24]和2[25]。

将化合物1(280 mg,1.0 mmol)与化合物2(150 mg,1.0 mmol)加入到100 mL圆底烧瓶中,向其中加入40 mL乙醇,搅拌下加热至回流反应12 h。 冷却至室温后,过滤收集沉淀,固体用冷乙醇洗涤两次后用DMF重结晶,得到目标产物HEMQ,产率49.6%。 mp 256.4~257.9 ℃。1H NMR(400 MHz,DMSO- d6), δ:14.84(s,1H),13.36(s,1H),12.60(s,1H),8.96(s,1H),8.30(s,1H),8.17(d, J=8.0 Hz,1H),7.99(s,1H),7.90~7.87(m,1H),7.81(d, J=8.0 Hz,1H),7.76(d, J=8.0 Hz,1H),7.57(t, J=7.6 Hz,1H),7.39(t, J=7.6 Hz,1H),6.97~6.94(m,2H),2.69(s,3H),2.37(s,3H);13C NMR(100 MHz,DMSO- d6), δ:171.28,160.29,156.40,135.57,133.05,132.14,130.06,128.10,127.72,
126.52,121.70,119.40,119.34,117.66,20.47,14.95;HRMS计算值C24H21N4O3 [M+H]+ 413.1614,实测值413.1622。

2 结果与讨论
2.1 荧光探针HEMQ对ClO-的选择性

首先考察了荧光探针HEMQ对常见金属离子、阴离子、部分ROS和RNS的光谱响应。 在 V(乙醇): V(水)=1:1( c(PBS)=0.02 mol/L,pH=8.7)缓冲溶液中,探针HEMQ(1.0×10-5 mol/L)在593 nm处呈较强的荧光发射。 当向HEMQ溶液中加入ClO-后,荧光强度发生显著猝灭,而加入其它金属离子(Ca2+,Mg2+,Na+,K+)、阴离子(AcO-,Br-,F-,I-,Cl-,N O2-,N O3-,OH-)、ROS(ROO-,H2O2,1O2)和RNS(NO,ONOO-)时,荧光强度无显著变化,表明探针HEMQ对ClO-具有良好的选择性。

图1 探针HEMQ对各种离子、活性氧及活性氮的荧光响应Fig.1 Fluorescence response of probe HEMQ(1.0×10-5 mol/L)toward different ions, ROS and RNS. λex=486 nm. Inset:fluorescence changes of HEMQ upon addition of different ions, reactive oxygen species and reactive nitrogen species under illumination at 365 nm1.HEMQ; 2.ClO-; 3.1O2; 4.ONOO-; 5.H2O2; 6.ROO-; 7.NO; 8.N O2-; 9.N O3-; 10.AcO-; 11.Br-; 12.F-; 13.Cl-; 14.OH-; 15.I-; 16.Ca2+; 17.Mg2+; 18.K+; 19.Na+

为了进一步验证探针HEMQ对ClO-的选择性,进行了紫外可见吸收光谱实验。 在相同的缓冲溶液中,向探针HEMQ(5.0×10-5 mol/L)中加入ClO-后,在433 nm处的吸光度明显降低,同时溶液颜色由黄色变为无色(图2)。 ClO-可使探针HEMQ发生褪色,可能是由于探针HEMQ与ClO-发生了反应,破坏了探针原有的共轭结构所引起的。 当向探针HEMQ溶液中加入其它离子、ROS和RNS时,其吸收光谱未发生显著变化。 由此进一步证明探针HEMQ对ClO-具有良好的选择性。

图2 探针HEMQ对各种离子、活性氧和活性氮的紫外可见吸收光谱响应Fig.2 UV-Vis absorption spectral responses of HEMQ(5.0×10-5 mol/L) toward various ions, ROS and RNS. Inset:color changes of HEMQ solution on addition of various ions, reactive oxygen species and reactive nitrogen species1.HEMQ; 2.ClO-; 3.1O2; 4.ONOO-; 5.H2O2; 6.ROO-; 7.NO; 8.N O2-; 9.N O3-; 10.AcO-; 11.Br-; 12.F-; 13.Cl-; 14.OH-; 15.I- ; 16.Ca2+; 17.Mg2+; 18.K+; 19.Na+

2.2 探针HEMQ对ClO-的传感性质

为了考察探针HEMQ对ClO-的传感性质,测试了不同浓度的ClO-对HEMQ(1.0×10-5 mol/L)荧光光谱的影响。 如图3所示,随着ClO-浓度的不断增加(0~5.0×10-4 mol/L),HEMQ的荧光强度逐渐变低并伴有微弱的蓝移,当ClO-的浓度达到5.0×10-4 mol/L时,荧光强度降至最低且不再发生变化,表明此时滴定已经达到饱和。 根据荧光光谱图滴定数据,采用归一化的荧光强度( I-Imin)/( Imax- Imin)对lg ( c(ClO-))作图,得到了一条具有良好线性关系的直线(线性相关系数=0.9989)。 该直线与横轴的交点即为HEMQ对ClO-的检测限[26],由此计算出探针HEMQ对ClO-的检测限为1.0×10-4 mol/L。 此外,实验中发现探针HEMQ对ClO-具有较快的响应速度。 如图4所示,向HEMQ中加入50摩尔倍量的ClO-后,经过5 min后荧光强度基本恒定,表明HEMQ与ClO-的反应已经基本完全,这为ClO-的快速检测提供了条件。

图3 探针HEMQ滴定不同浓度ClO-(0~5.0×10-4 mol/L)后的荧光光谱Fig.3 Fluorescence spectra of probe HEMQ upon addition of different amounts of ClO-(0~5.0×10-4 mol/L). Inset:linear relationship between normalized fluorescence intensity and lg ( c(ClO-))

图4 探针HEMQ对ClO-的时间响应Fig.4 Time-dependent fluorescence response of probe HEMQ to ClO-

2.3 pH值的影响

探针的荧光光谱通常依赖于测试体系的pH值。 为了考察pH值对荧光探针HEMQ识别ClO-的影响,测试了在不同pH值下,HEMQ与HEMQ+ClO-的荧光强度变化(图5)。 结果表明,HEMQ在pH值8~12范围内具有较强的荧光发射,加入ClO-后,在pH值8~10范围内荧光强度明显下降,表明探针HEMQ适用于在弱碱性条件下(pH 8~10)对ClO-进行检测。

图5 探针HEMQ在有或无ClO-存在时荧光强度随pH值的变化Fig.5 Changes in fluorescence intensity of probe HEMQ(1.0×10-5 mol/L) at different pH in the absence and presence of ClO-

图6 化合物1( a)与HEMQ+ClO-的分离产物( b)以及探针HEMQ( c)的部分1H NMR谱图对照Fig.6 Partial1H NMR spectrum comparison of compound 1( a), separated product of HEMQ+ClO-( b) and probe HEMQ( c)

2.4 探针HEMQ对ClO-的识别机理

由于ClO-可使探针HEMQ溶液发生褪色,推测可能是由于探针HEMQ与ClO-发生了可破坏HEMQ共轭结构的反应。 为验证这一推测,我们将HEMQ与ClO-在 V(EtOH): V(H2O)=1:1溶液中进行反应,并将反应混合物与化合物1进行薄层色谱对比,发现反应混合物中出现与化合物1具有相同 Rf值的组分,说明反应释放出了化合物1。 反应混合物的高分辨质谱中,在 m/z=281.0917处出现一强质谱峰,可归属为化合物1的准分子离子峰[M+H]+(计算值:281.0926)。 将这部分产物分离后,与化合物1进行了1H NMR对照,发现二者的1H NMR谱图相同(图6)。 这些结果表明,HEMQ与ClO-发生了氧化反应,ClO-将HEMQ中的亚胺基(CH=N)氧化为醛基[27],从而得到了化合物1。

3 结 论

设计并合成了一种基于喹唑啉酮类衍生物检测ClO-的荧光探针HEMQ,HEMQ对ClO-表现为“On-Off”荧光信号变化。 响应机制为ClO-氧化HEMQ中的亚胺基为醛基,破坏了HEMQ的共轭结构。 探针在pH值8~10范围内对ClO-具有良好的选择性和较好的灵敏度,且响应快速。加入ClO-后,探针溶液呈现从黄色到无色的颜色变化,因而可以作为ClO-的“裸眼”探针。 对含有喹唑啉酮骨架的荧光探针进行精心结构设计和修饰,有望获得性能良好、可用于生物学检测的荧光探针。

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