吲哚-马来腈化合物光学识别性能研究

摘 要：本文利用吲哚与二氨基马来腈反应合成了吲哚-马来腈化合物，并研究了其与不同金属离子、不同浓度锰离子、及锰离子与其它金属离子的竞争以及在不同浓度酸的条件下的光谱学性能。系列光谱学实验研究表明，随着锰离子浓度增加，化合物L在470 nm处最大荧光发射强度先增加然后降低；其它金属离子如Li+、Al3+、K+、Mg2+、Ba2+、Cd2+、Co2+、Cu2+、Fe3+、Ni2+、Pb2+、Zn2+加入后，该化合物荧光发射光谱几乎没变。表明该化合物对Mn2+具有显著的荧光“关-开-关”动态监测响应。

关键词：吲哚；荧光发射；马来腈；荧光分子探针

1 引言

1.1荧光分子探针

在一定的体系内，当一种物质或体系内某一物理性质发生改变时该分子的荧光信号能发生相应的变化，那么称该分子为某一物质或体系内某一物理性质的荧光分子探针。荧光分子探针结合了分子识别和荧光光谱法，可以进一步通过某一些特定的分子识别基团与待测目标上的受体相结合，将分子信号转变成为容易检测的荧光信号。如荧光强度、激发和发射波长、荧光寿命荧光强等。荧光分子探针在分析和检测时具有很多优点：（1）灵敏度高。通过荧光强度的变化可以检测所检测物质是否存在，使得单分子水平上原位、实时的检测梦想变成了现实。（2）检测范围广。分子荧光探针因种类丰富多样，所以检测目标对象广。（3）简洁方便。荧光分子探针操作方便、成本低，不需要预处理，对检测物质不会造成破坏。由于以上优点荧光分子探针一直受到广泛而持续的关注，是分析检测及其他领域研究的热点之一。荧光分子探针的主要应用领域是医学、生物、化学和环境检测[1-4]，这些情况足以说明在生命科学和现代医学等各个领域中荧光探针技术是不可缺少的一项重要技术，荧光探针技术将来应用肯定越来越广泛，发展前景越来越美好。

荧光分子探针一般有三个部分组成：连接基团、荧光基团及分子识别受体基团。荧光基团可以将识别基团与待测物质之间相互作用所引起的变化转化为物理信号，如荧光强度；连接基团则在荧光分子探针中起到分子识别的桥梁作用；分子识别受体集团在荧光分子探针中起到识别响应的作用。根据荧光分子探针上的识别基团跟待测物的受体基团相互作用不一样的结合方法进行分类，大概可以把荧光分子探针分为下面几类，主要有：光诱导电子转移型（PET）、分子内电荷转移型探针（ICT）、荧光共振导致能量转移型探针、激基缔合物型探针和结构变化致荧光增强型探针等。

1.2国内外研究现状

通过查找相关资料，笔者了解到韩国研究者报道了基于吲哚嗪核骨架的氟离子荧光探针，该探针表现出对氟离子的高度选择性，检出限为 1μM，在生物成像中同样表现出优越的性能[5]。丁志强等[6]以四苯乙烯为荧光团,设计合成一种阳离子的荧光探针,该荧光探针可以在水与二甲亚砜体积比为2︰5的混合溶液中对铝离子做到特异性识别。在不加入离子和加入其它阳离子的情况下,荧光探针的荧光强度很低,而加入铝离子后,荧光强度大幅增强。而且,在其它阳离子对荧光探针对铝离子的荧光响应影响不大。董娜等研究人员[7]以“Ｉ-3-RhB”为荧光探针测定苦参素胶囊中丙酮残留，当丙酮的浓度分别在 0.04～5.0μmol/L和 5.0～12.0μmol/L范围内与荧光强度变化值（ΔF）呈线性关系（r=0.9919），该探针呈现高度灵敏性。

1.3 本课题的研究内容与意义

如今随着科学技术发展，荧光分子探针已经被应用到了各个领域。荧光分子探针作为一种新型的光化学传感器，很多科学家和专家学者努力将其不断完善和改良，将其列为科研目标。吲哚是吡咯与苯并联的化合物。又称苯并吡咯。有两种并合方式，分别称为吲哚和异吲哚。吲哚及其同系物和衍生物广泛存在于自然界，主要存在于天然花油，如茉莉花、水仙花等中。吲哚染料具有良好的光稳定性、较高的摩尔消光系数、高的荧光量子产率等优良的光物理性质,是一种较理想的荧光信号基团。因此，基于吲哚类染料的荧光分子探针在重金属离子、溶液酸碱性、有毒小分子等检测领域具有重要的应用前景。因此我们设计、合成了吲哚-马来腈化合物并研究其光谱学性质，为新型荧光探针分子的设计、合成及实际应用提供理论基础。吲哚类荧光染料因其良好的光物理性质，得到广泛的研究：汤昆等[8]首次合成了一种含非离子水溶性基团的水溶性不对称三甲川吲哚菁荧光染料,实验发现这种探针能有效区分活细胞和死细胞;陈基耘[9]将吲哚类菁染料的优势与本研究小组核壳荧光纳米颗粒制备技术相结合,成功的制备了吲哚类菁染料核壳荧光纳米颗粒,并发展了基于吲哚类菁染料核壳荧光纳米颗粒的荧光标记方法,从而为吲哚类菁染料核壳荧光纳米颗粒在生物医学领域的应用提供了新的思路。人们通过对吲哚基团周围位置的修饰及裁剪，在其周围引入不同离子受体合成系列具有不同识别性能的荧光探针分子。但目前已报道的荧光分子探针以吲哚-马来腈化合物探针为主题的荧光探针报道较少，鉴于此，我们拟制备吲哚-马来腈化合物并探究其金属识别性能。

2 实验部分

2.1 实验主要药品

表2-1 实验所用主要试剂及药品

2.2实验仪器

表2-2实验所用主要仪器

2.3吲哚-马来腈化合物(L)合成

　　1.5mmol（0.218g）2-吲哚甲醛放入25mL圆底烧瓶后, 用10mL无水甲醇将其溶解并升温至回流；之后将溶于1mmol（0.108g）二氨基马来睛加入圆底烧瓶中，继续反应5 h。过滤、甲醇洗涤、干燥后得到2-吲哚醛修饰的马来睛单希夫碱(L)0.143 g，产率为61%。MS(MALDI-TOF): an isotopic cluster peaking at m/z235.09, [Calcd. For M+ 235.21]; Anal.Calcdfor C13H9N5: C, 66.37; H, 3.86; N, 29.77. Found: C, 66.35; H, 3.72; N, 29.74.

2.4测试溶液配置

称取0.0047g吲哚-马来睛化合物L加入10 mL容量瓶中，用95%DMF水溶液溶解定容并摇匀，配制得到2.0×10-3 mol/L的吲哚-马来睛化合物母液待用；利用紫外吸收光谱找到该化合物的最适测试浓度为2.5×10-5 mol/L；分别称取一定量的Al3+、Fe3+、Pb2+、Co2+、Mn2+、Cu2+、Zn2+、Ni2+、Cd2+、Ca2+、Ba2+、Mg2+、Li+、Na+、K+ 15种对应的金属离子盐一份，称量后分别放入到10 mL容量瓶中，用95%DMF水溶液溶解、定容、摇匀，配成浓度为2.0×10-2mol/L的各种金属离子母液；利用36％的盐酸（浓度：11.7mol/L）分别配制2.5×10-3mol/L、2.5×10-2mol/L的盐酸待用；根据不同测试需求，将浓度为2.5×10-5 mol/L化合物与不同浓度的酸碱、金属离子络合半小时，并测试其紫外吸收与荧光发射光谱。

3.结果与讨论

3.1化合物L在不同金属离子存在时光谱学性质

为了研究吲哚-马来腈化合物L对金属离子的选择识别性能，我们分别选择了Li+、Al3+、K+、Mg2+、Ba2+、Mn2+、Cd2+、Co2+、Cu2+、Fe3+、Ni2+、Pb2+、Zn2+等金属离子作为研究对象，在95%DMF水溶液中测试了化合物L与 10倍摩尔量的不同金属离子分别混合半小时、3小时后的荧光发射光谱和紫外发射光谱。化合物L与不同金属离子混合半小时以后，得出如图3-1所示的荧光发射光谱。从此图可以得知，自由状态的吲哚-马来腈化合物L在 470 nm位置附近有一最大荧光发射峰；当10倍摩尔当量的Mn2+加入半小时后，该化合物最大荧光发射波长红移到 490 nm，且荧光强度增强了约1.8倍；而10倍摩尔量的Cu2+加入后，该化合物最大荧光发射波长红移到 475 nm，荧光发射强度大约减少一倍；其它金属离子Li+、Al3+、K+、Mg2+、Ba2+、Cd2+、Co2+、Fe3+、Ni2+、Pb2+、Zn2+加入后，化合物L的荧光发射强度几乎无明显变化，表明化合物探针分子对Mn2+、Cu2+金属离子具有一定的荧光响应，具有识别这两种金属离子的潜能[10-11]。

　　图3-1化合物L与不同金属离子络合半小时后的荧光发射光谱

　　为了进一步探究化合物L对Cu2+和Mn2+的选择性，我们还测定了上述不同金属离子加入化合物L后其紫外吸收光谱的变化。从图3-2可以看出，吲哚-马来腈化合物L在395 nm和425 nm位置附近有两个紫外吸收峰、且395 nm位置附近吸收较强；10倍摩尔量的Cu2+加入后，该化合物在在395、425 nm位置吸收降低，而在525 nm左右吸收增强；其它金属离子Li+、Al3+、K+、Mg2+、Ba2+、Cd2+、Co2+、Fe3+、Ni2+、Pb2+、Mn2+、Zn2+加入后，化合物L的紫外光谱变化不明显，进一步表明化合物分子L对Cu2+具有显著的紫外响应，具有紫外识别Cu2+的潜能[12-13]。

　　图3-2化合物L与不同金属离子络合半小时后紫外吸收光谱

　　图3-3化合物L与不同金属离子络合3小时后荧光发射光谱（左）紫外吸收光谱（右）

　　为了进一步了解吲哚-马来腈化合物L对金属离子的选择识别性能，我们又测试了该化合物L与不同金属离子混合3小时后的的荧光发射光谱和紫外吸收光谱。如图3-3所示，化合物探针分子L最大荧光发射波长在470 nm位置附近；10倍摩尔量的Cu2+加入3小时后，该化合物的最大荧光发射波长红移动到480 nm位置附近，最大荧光发射强度在350左右；当Mn2+加入后，该化合物最大荧光发射峰红移到515 nm位置附近，且荧光强度显著增加；其它金属离子Li+、Al3+、K+、Mg2+、Ba2+、Cd2+、Co2+、Fe3+、Ni2+、Pb2+、Zn2+加入后，化合物L的荧光发射光谱变化较小，表明化合物探针分子L对Mn2+、Cu2+金属离子混合3小时后具有一定的荧光响应。吲哚-马来腈化合物探针分子L在395 nm和425 nm位置附近有紫外吸收峰，当分别加入Mn2+、Cu2+后，紫外分别在波长480 nm和515 nm左右出现峰值，表明化合物探针分子L对Mn2+、Cu2+金属离子混合3小时后具有一定的荧光响应[14-15]。

3.2化合物L与不同浓度锰离子作用时光谱学性质

为了进一步探究吲哚-马来腈化合物L与响应金属Mn2+离子的络合关系，我们分别测出了该化合物L与Mn2+二者比例为1:0.0、1:0.2、1:0.6、1:0.8、1:1.0、1:1.2、1:1.4、1:1.6、1:1.8、1:2.0、1:2.5、1:3.0、1:4.0、1:5.0、1:6.0、1:7.0、1:8.0、1:9.0、1:10.0在络合半小时的荧光发射光谱和紫外吸收光谱学性质。图3-4、3-5清楚的表明了化合物L与不同浓度Mn2+离子混合半小时后的荧光发射光谱变化：Mn2+在0倍摩尔量左右时，化合物L最大荧光发射峰大约在465nm左右，荧光强度大约为100；随着锰离子浓度由0倍摩尔量到1倍摩尔量时，荧光发射峰强度呈上升趋势，Mn2+在1倍摩尔量左右时，化合物L最大荧光发射强度大约为450，增加4倍多；之后随着Mn2+浓度增加由1倍增加到10倍摩尔量时，荧光强度逐渐降低。与之相对应的紫外吸收光谱变化较小，如图3-6所示：Mn2+在0倍摩尔量时，化合物L最大荧光发射峰大约在420nm左右，紫外吸收强度大约为0.4；Mn2+在1倍摩尔量时，化合物L最大紫外吸收峰大约在420nm左右，紫外吸收值大约为0.5。这些数据充分表明化合物L与Mn2+荧光“关-开-关”动态检测响应[16-18]。

　　图3-4化合物L与不同浓度锰离子（0-1倍）络合半小时后荧光发射光谱

　　图3-5化合物L与不同浓度锰离子（1-10倍）络合半小时后荧光发射光谱

　　图3-6化合物L与不同浓度锰离子络合半小时后紫外吸收光谱

　　为了进一步探究吲哚-马来腈化合物L与响应金属Mn2+离子的络合关系，我们分别测出了该化合物L与Mn2+二者比例为1:0.0、1:0.2、1:0.6、1:0.8、1:1.0、1:1.2、1:1.4、1:1.6、1:1.8、1:2.0、1:2.5、1:3.0、1:4.0、1:5.0、1:6.0、1:7.0、1:8.0、1:9.0、1:10.0在络合5小时的荧光发射光谱和紫外吸收光谱学性质。图3-7、3-8表明了化合物L与不同浓度Mn2+离子混合5小时后的荧光发射光谱变化：Mn2+在0倍摩尔量左右时，化合物L最大荧光发射峰大约在465nm左右，荧光强度大约为100；随着锰离子浓度由0倍摩尔量到1倍摩尔量时，荧光发射峰强度呈上升趋势，Mn2+在1倍摩尔量左右时，化合物L最大荧光发射红移到480 nm位置附近，强度增加到950，增加9倍多；随着Mn2+浓度增加由1倍增加到10倍摩尔量时，荧光强度逐渐降低180，且蓝移到475 nm位置附近。但相对应的紫外吸收光谱变化较小，如图3-6所示。这些数据再一次表明，化合物L对与Mn2+荧光“关-开-关”动态检测响应。

　　图3-7化合物L与不同浓度锰离子（0-1倍）络合5小时后荧光发射光谱

　　图3-8化合物L与不同浓度锰离子（1-10倍）络合5小时后荧光发射光谱

　　图3-9化合物L与不同浓度锰离子络合5小时后紫外吸收光谱

　　3.3锰离子与其他金属离子竞争实验

　　图3-10 Mn2+和其他金属离子竞争荧光发射光谱

　　为了确定吲哚-马来腈化合物L对Mn2+的高度选择性和专一性，我们还进行了化合物L对Mn2+与其它金属离子的竞争实验。将Li+、Al3+、K+、Mg2+、Ba2+、Cd2+、Co2+、Cu2+、Fe3+、Ni2+、Pb2+、Zn2+等各种金属离子分别加入到L-Mn2+混合体系后，并测试其荧光发射光谱。如图3-10所示，L-Mn2+混合体系在470 nm附近有一最大荧光发射光峰，随着其它金属离子的加入，整个趋势变化不明显，其他离子不会对锰离子造成荧光降低，说明该分子探针对锰离子具有良好的识别作用。

3.4化合物L在不同酸性条件下的光谱学性质

既然吲哚-马来腈化合物L中含有对质子敏感的亚胺基团，鉴于此，我们分别测试了该化合物在浓度为2×10-5 mol/L的95%DMF水溶液里分别加入不同比例的HCl时的荧光发射光谱学性质，二者比例分别为1:0、1:2、1:3、1:4、1:5、1:6、1:7、1:8、1:9、1:10、1:15、1:20、1:25、1:30、1:35、1:40、1:50、1:60、1:70、1:80、1:90、1:100。如图3-11所示，随着HCl浓度增加，从0增加到100倍摩尔比时，吲哚-马来腈化合物L在470 nm附近的最大荧光发射峰位置不变，但是发射强度稍微降低。说明吲哚-马来腈化合物L在酸性环境下光谱学性质较稳定。

　　图3-11化合物L在不同浓度的酸性条件下的荧光发射光谱

　　4、结论

综上所述，本文利用吲哚与二氨基马来腈反应合成了吲哚-马来腈化合物，并研究了其与不同金属离子、不同浓度锰离子、锰离子与其它金属离子的竞争以及在不同浓度酸的条件下的光谱学性能。系列光谱学实验研究表明，虽然化合物L对酸性环境比较稳定，但其对Mn2+具有显著的荧光“关-开-关”响应，且具有良好的选择性，表明化合物具有通过荧光信号变化动态监测Mn2+性能。

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谢 辞

毕业论文的结束意味着我在德州学院的学习生活即将画上句号!回首往事，心潮难平，感慨良多,但无论如何这些实实在在的经历，是我人生中弥足珍贵的记忆。在此，要特别感谢求学过程给予我无限支持和帮助的老师、朋友和亲人们。感谢我的指导老师,从日常的学习，论文题目的确定到论文的撰写，陈老师都给予我悉心的关怀和耐心的指导，给我鼓励和动力，也正是在她的指导和督促下论文才得以如期完成。

感谢我们一起在学校努力的同学，我们彼此关心、互相支持和帮助，留下了许多难忘的回忆。

感谢我的父母和家人，感谢他们对我学习、生活给予的支持和照顾。在论文的写作过程中，还获得了许许多多人的帮助与先前研究工作者的宝贵资料,论文的研究成果离不开你们的协作和帮助，在此对你们表示深切的谢意。希望可以以本文向你们汇报，以感谢你们对我的帮助，感谢一直以来对我的支持与鼓励。你们永远是我的精神支柱和继续前进的动力。

所有帮助和关心过我的人们，尽管与你们为我付出的一切相比，所有的语言都显得苍白无力，我仍要真诚地说声:谢谢你们!

另外，感谢学校给予我这样一次机会，能够独立地完成一个课题，并在这个过程当中，给予我们各种方便，使我们在即将离校的最后一段时间里，能够更多学习一些实践应用知识，增强了我们实践操作和动手应用能力，提高了独立思考的能力。再一次对我的母校表示感谢。

吲哚-马来腈化合物光学识别性能研究

价格 ¥9.90 发布时间 2022年12月2日

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