基于咪唑并[1，2-α]吡啶結構turn-on型堿土金屬離子傳感器的合成與性質研究

張細穩

(江西科技師范大學，有機功能分子研究所，南昌 330013)

1 引言

堿土金屬元素包括鈹、鎂、鈣、鍶、鋇、鐳，Mg2+在細胞增殖的生化過程和脫氧核糖核酸(DNA)結構的穩定性等許多細胞機制中起著重要的作用[1，2]，飲食中缺乏Mg2+是一些疾病的誘發原因[3-5]，同時也參與了生物體的神經信號的傳遞[6，7]；Ca2+是生理液體和生物體中最豐富的元素之一，鈣離子在生物信號轉導通路中起著重要作用[8]，而且與多種疾病息息相關，如骨質疏松[9]、冠心病[10]和阿爾茨海默癥[11]；90Sr2+是一種放射性金屬，在核電站附近的水環境中普遍存在。由于其半衰期較長(T1/2=28.7年)，可對生態系統造成長期污染[12，13]。因此開發能夠檢測堿土金屬離子的熒光傳感器對生命科學和環境保護具有重要意義。

咪唑并[1，2-a]吡啶是一種天然骨架，廣泛應用于藥物化學，尤其是抑制類藥物的合成[14]，如CBP/P300的選擇性抑制劑[15]、醛脫氫酶抑制劑[16]等；除此之外，它還具有獨有的熒光特性和簡單的合成方法，逐漸被用于離子檢測和細胞靶向熒光探針[14，17-20]。為此，本研究設計并合成了一種對稱的含有兩個咪唑并[1，2-a]吡啶單元的增強型熒光探針1。

合成路線：探針1的合成路線

2 材料與方法

2.1 材料與儀器

除非另有說明，實驗過程中的溶劑均為色譜級溶劑與蒸餾水。測試儀器也會在后面提及。布魯克核磁共振譜儀(AV 500 MHz)，熒光光譜測量采用Hitachi F-4600熒光分光光度計，質譜使用Agilent 1100離子阱質譜儀。

2.2 探針1的制備與表征

在無水無氧、氬氣保護的氛圍中，向裝有10 mL色譜甲醇的50 mL史萊克瓶中加入2，6-二醛基吡啶(1.35 g，1.0 mmol)、2-氨基吡啶(1.88 g，2.0 mmol)和三氟甲基磺酸鈧(60.0 mg，0.12 mmol)，在室溫下攪拌60 min，隨后注入1.0 mmol叔丁基異腈。反應繼續室溫攪拌48 h，反應結束后，減壓旋干甲醇，用硅膠柱層析純化(石油醚：乙酸乙酯=5：1)得到淡黃色固體。1H NMR(500 MHz，CD3CN δ 8.36-8.37(d，J=5 Hz，2 H)，8.00-8.01(d，J=5 Hz，2 H)，7.90(t，J=5 Hz 10 Hz，1H)，7.46-7.47(d，J=5 Hz，2 H)，7.19(t，J=10 Hz 5 Hz，2 H)，6.83(t，J=5 Hz 10 Hz，2 H)，4.93(s，2 H)，1.02(s，18 H)。13C NMR(500 MHz，CDCl3)δ152.82，140.72，136.34，134.84，126.72，123.22，123.04，119.59，116.53，110.29，55.30，28.91。ESI-MS：m/z 454.2726[M+H+]+(calcd 453.2641)。

2.3 配制探針1溶液和分析物溶液

稱取4.53 mg(0.01 mmol)探針1并溶于10 mL色譜乙腈中，Ca2+、Mg2+、Sr2+、Al3+、Zn2+、Cd2+、Ag+、Cr3+、K+、Fe3+、Hg2+、Mn2+、Ni2+、Cu2+、Co2+和Pb2+分別用各自對應的硝酸鹽配制，濃度為0.1 mol/L。

3 結果與討論

3.1 探針1對Mg2+、Ca2+、Sr2+的熒光識別及其光學性質

在室溫下，研究了探針1在乙腈溶液(2×10-5mol/L)中對各種金屬離子(Ca2+、Mg2+、Sr2+、Al3+、Zn2+、Cd2+、Ag+、Cr3+、K+、Fe3+、Hg2+、Mn2+、Ni2+、Cu2+、Co2+和Pb2+)的響應，如圖1A所示，在380 nm光的激發下，當向探針1的乙腈溶液中加入2 μL的各種金屬離子后，Mg2+使探針1的熒光從112增強到1544，發射波長由原來的493 nm變為545 nm；Ca2+使探針1的熒光從112增強到2021，發射波長由原來的493 nm變為523 nm；Sr2+使探針1的熒光從112增強到912，發射波長由493 nm移動到483 nm；熒光從很弱的黃色熒光變為明亮的黃色。而從圖1B和1C中則可以更明顯地看出加入除Mg2+、Ca2+、Sr2+之外的金屬離子，并不能改變探針1的熒光強度，可以初步看出探針1對Mg2+、Ca2+、Sr2+具有選擇性。

圖1 380 nm光激發下，探針1的乙腈溶液(2×10-5mol/L)在加入各種金屬離子之后的，(A)熒光變化譜圖，(B)熒光變化柱狀圖，(C)熒光變化的照片

隨后在探針1的乙腈溶液中分別用Mg2+、Ca2+、Sr2+對探針1進行了熒光滴定實驗。如圖2A所示，向探針1的乙腈溶液中逐滴滴加Mg2+時，探針1的熒光從112分別增強到1544，熒光強度增強了約14倍，當滴加到1當量。即20 μ mol/L時達到最大熒光強度，且繼續滴加熒光強度保持穩定；在圖2B所示，根據檢測限公式LOD=3δ/A得到探針1對Mg2+的檢測限為21 nM；最后根據Benesi-Hildebrand計算得到探針1與Mg2+的結合常數為26187 L/mol。

圖2 380 nm光激發下，探針1的乙腈溶液(2×10-5mol/L)對(A)Mg2+的熒光滴定點圖，(B)探針1對Mg2+的檢測限

同理，當向探針1的乙腈溶液中逐滴滴加Ca2+時，探針1的熒光從112分別增強到2021，滴加到84 μmol/L后熒光強度保持不變(圖3A)；根據檢測限公式LOD=3δ/A得到探針1對Ca2+的檢測限分別48 nM(如圖3B)。根據Benesi-Hildebrand計算得到探針1與Ca2+的結合常數為13707 L/mol。

圖3 380 nm光激發下，探針1的乙腈溶液(2×10-5mol/L)對(A)Ca2+的熒光滴定圖，(B)探針1對Ca2+的檢測限

最后向探針1的乙腈溶液中逐滴滴加Sr2+時，探針1的熒光從112分別增強到1140，滴加到50 μmol/L后熒光強度保持不變(圖4A)；根據檢測限公式LOD=3δ/A得到探針1對Sr2+的檢測限分別43 nM(如圖4B)。根據Benesi-Hildebrand計算得到探針1與Sr2+的結合常數為209060 L/mol。通過這些測試可以看出探針1對Mg2+、Ca2+、Sr2+有良好的選擇性以及較高的靈敏度。

圖4 380 nm光激發下，探針1的乙腈溶液(2×10-5mol/L)對(A)Sr2+的熒光滴定點圖，(B)探針1對Sr2+的檢測限

3.2 探針1對Mg2+、Ca2+、Sr2+的識別機理

為了研究探針1與Mg2+、Ca2+、Sr2+的識別機理，首先通過 Jod’s plot 實驗對探針1與Mg2+、Ca2+、Sr2+進行了絡合比的測試，如圖5所示，當Mg2+、Ca2+、Sr2+的體積分數為0.5時熒光強度最大，說明Mg2+、Ca2+、Sr2+與探針1均是以1：1的方式結合的。

圖5 380 nm光激發下，探針1乙腈溶液中與(A)Mg2+的絡合比，(B)Ca2+的絡合比，(C)Sr2+的絡合比

為了進一步了解Mg2+、Ca2+、Sr2+在探針1的乙腈溶劑中與探針分子的作用機理，首先通過質譜儀對添加Mg2+、Ca2+、Sr2+前后的離子峰的變化進行了測定，在探針1+Mg2+的質譜中找到了m/z為602.1348的離子峰，剛好是探針[1+Mg2++2NO3-+H]+的分子量；而在探針1+Ca2+的質譜中的m/z為555.2126處找到了[1+Ca2++NO3-]+的離子峰；用相同的辦法，在m/z為602.1352的位置找到了[1+Sr2++NO3-]+的離子峰，以此確認了探針1與Mg2+、Ca2+、Sr2+作用時參加了的微粒種類和個數比。

4 結論

本文設計并合成了一個具有弱熒光性質的對稱咪唑并[1，2-α]吡啶，通過分子中芳環上的三個氮原子與堿土金屬離子鰲合，產生明亮的熒光，研究了其對堿土金屬的靈敏性和快速響應性。該分子由于在和堿土金屬配位之前，由于單鍵的可旋轉性，使整體平面性差，熒光性弱，當與堿土金屬離子反應后，通過氮原子與離子鰲合，增加了結構的剛性，使結構更加共平面，產生明亮的熒光。探針1對Mg2+、Ca2+、Sr2+具有選擇性和靈敏性，并分別在545 nm，523 nm和502 nm處有明顯的熒光。

*致謝 非常感謝劉剛教授對本工作的大力支持，感謝江西省教育廳青年基金(GJJ190614)和江西省科技廳青年科學基金(20202BAB213006)的資助。