咪唑基离子液体的结构光谱性能分析及蛋白质传感
陈旭伟等
摘 要 考察了对称型卤代咪唑基离子液体咪唑环上的烷基链长度和不同卤素阴离子（Cl对其光谱性能的影响。实验结果表明， 随离子液体咪唑环中烷基链长度增加，离子液体的荧光强度增大； 随离子液体中卤素阴离子的电负性降低，其荧光强度减弱。加入血红蛋白可导致咪唑型离子液体的荧光强度增强，且在一定范围内与蛋白质浓度成正比，据此可对血红蛋白进行定量检测，线性范围为0.03～1.0 μmol/L，检出限为8 nmol/L。另外，根据不同蛋白质对咪唑基离子液体荧光性能的影响，建立了阵列传感系统用于8种蛋白质的区分与识别，在蛋白质浓度高于500 nmol/L时，识别正确率达到90%以上。
关键词 咪唑基离子液体； 荧光性能； 烷基； 卤素阴离子； 蛋白质； 传感
1 引 言
离子液体（Ionic liquids， ILs）是由有机阳离子和无机/有机阴离子构成、在室温或室温附近呈液体状态的盐类。20世纪80年代，Wilkes等发现1，3二烷基咪唑氯铝酸盐比N烷基吡啶盐具有更负的电化学还原电位，并在此基础上合成了1，3二烷基咪唑类离子液体[1]。1992年，该课题组合成了第一个对水和空气均稳定的咪唑基离子液体1乙基3甲基咪唑四氟硼酸盐EMimBF4[2]。自此，基于咪唑阳离子的新型离子液体相继被合成，在催化[3]、分离分析[4，5]、电化学[6～8]和有机合成[9]等领域获得了广泛应用。
随着对离子液体的性质及其应用研究的深入，人们也开始逐渐从分子水平上对离子液体的本质和性质进行研究，主要研究方法包括广延X射线吸收、X射线衍射、中子衍射、光谱学分析等。早期的研究结果认为，离子液体在近紫外可见光区基本不产生光吸收，但Paul等发现咪唑基离子液体EMimBF4、1丁基3甲基咪唑四氟硼酸盐BMimBF4和1丁基3甲基咪唑六氟硼酸盐BMimPF6由于其结构中咪唑环的存在，使得其在整个紫外可见区都表现出明显的吸收[10]，但其吸收光谱受杂质（如水、无机阴离子、有色物质等）的影响较大[11]。
咪唑基离子液体EMimBF4、BMimBF4和BMimPF6在受紫外光激发后能发射出荧光，由于离子液体结构内存在不同的缔合形式，其荧光强度与激发波长之间存在较强的依赖关系[12]，但这些咪唑基离子液体共轭性较弱，荧光效率较低，其量子产率多在0.005～0.02之间。本课题组在前期研究中以N丁基咪唑和氯代正丁烷为原料制备了一种结构对称的咪唑基离子液体1，3二丁基咪唑氯代盐BBimCl，在咪唑环上引入了对称的丁基基团。离子液体的对称结构使其ππ*共轭性能极大增强，因此其荧光量子产率显著提高，达到0.523[13]。这种结构对称型离子液体的优良亲水性及强荧光性能使其有望成为高灵敏、高选择性传感检测生物大分子的新型荧光探针。
本研究在前期工作的基础上，进一步考察了对称型卤代咪唑基离子液体分子中咪唑环上取代烷基碳链长度（n=2， 4， 6， 8）和不同卤素阴离子（Cl Br ）
对其光谱性能的影响，通过光谱表征的方法确定离子液体的结构及其内部的相互作用，并探讨了该类咪唑基离子液体在蛋白质分析检测中的性能。
2 实验部分
2.1 仪器与试剂
F7000荧光分光光度计，U3900型紫外可见分光光度计（日本日立公司）。
咪唑基离子液体1，3二丁基咪唑卤代盐（X=Cl、I）和溴代咪唑离子液体1，3二乙基咪唑溴代盐EEimBr、1，3二丁基咪唑溴代盐BBimBr、1，3二己基咪唑溴代盐HHimBr和1，3二辛基咪唑溴代盐OOimBr均购于上海成捷化学有限公司；血红蛋白（Hb）、细胞色素C（Cytc）、溶菌酶（Lys）、肌红蛋白（Mb）、转铁蛋白（Trf）、卵清蛋白（OVA）、辣根过氧化酶（HRP）和牛血清白蛋白（BSA）购自美国Sigma公司，硫酸奎宁等购自国药集团；所用试剂（除特别声明外）为分析纯，实验用水为二次去离子水（18 MΩ cm）。
2.2 实验方法
2.2.1 紫外可见吸收光谱测定
配制0.001 mol/L 离子液体溶液，移取2 mL于光程为10 mm的石英比色皿中，在200～500 nm波长范围内扫描其吸收光谱。
2.2.2 荧光光谱测定
配制0.01 mol/L 离子液体溶液，移取500 μL于10 mm石英比色皿中测定其荧光光谱。电压600 V，扫描速度1200 nm/min，激发/发射狭缝均为5 nm。
4 结 论
离子液体的结构可以进行人为的设计和改造，赋予离子液体一些独特的性质，具有广阔的应用前景。通过研究离子液体本身结构与其光谱性能之间的构效关系，深入了解有关离子液体结构和其它分子间相互作用方面的信息，可为离子液体的功能化设计和制备以及实际应用提供理论依据和指导，以进一步拓展离子液体的应用范围。离子液体与蛋白质之间的相互作用及其对离子液体的光谱性能影响为其在蛋白质分析中的应用提供了基础，如离子液体能进入蛋白质的结构域III中[24]，但其详细作用机理仍需进一步深入探讨。基于离子液体构建的荧光阵列传感器对多组份蛋白质样品具有一定识别能力，但其识别能力受荧光量子产率的限制，因此可考虑设计多种功能化离子液体及其复合物，增强或改善离子液体与生物大分子之间的相互作用，拓展其在生命分析中的应用范畴。
References
1 Wilkes J S， Levisky J A， Wilson R A， Hussey C L. Inorgan. Chem.， 1982， 21（3）： 1263-1264
2 Wilkes J S， Zaworotko M J. Chem. Commun.， 1992， 13： 965-966
3 Zhang B， Yan N. Catalysts， 2013， 3： 543-562
4 TrujilloRodriguez M J， RocioBautista P， Pino V， Afonso A M. TRACTrend. Anal. Chem.， 2014， 51： 87-106
5 HUO JiangBo， WANG XiaoYi， SUN DongLing， ZHAO JingQiang， LIN XingTao. Chinese J. Anal. Chem.， 2014， 42（4）： 531-535
霍江波， 王小逸， 孙东玲， 赵靖强， 林兴桃. 分析化学， 2014， 42（4）： 531-535
6 Niedermeyer H， Hallett J P， VillarGarcia I J， Hunt P A， Welton T. Chem. Soc. Rev.， 2012， 41： 7780-7802
7 WANG Huan， YE XiaoHe， CHEN LiMing， LU JiaXing， HE MingYuan. Chem. J. Chinese Universities， 2005， 26（2）： 326-329
王 欢， 叶小鹤， 陈黎明， 陆嘉星， 何鸣元. 高等学校化学学报， 2005， 26（2）： 326-329
8 FU HaiYing， WANG JianXiu， DENG Liu. Chinese J. Anal. Chem.， 2014， 42（3）： 441-445
付海莹， 王建秀， 邓 留. 分析化学， 2014， 42（3）： 441-445
9 Quveshi Z S， Deshmukh K M， Bhanage B M. Clean. Techn. Environ. Policy， 2014， 16： 1487-1513
10 Paul A， Mandal P K， Samanta A. Chem. Phys. Lett.， 2005， 402： 375-379
11 Shen Y F， Zhang Y J， Han D X， Wang Z J， Kuehner D， Niu L. Talanta， 2009， 78： 805-808
12 Mandal P K， Paul A， Samanta A. J. Photochem. Photobiol. A， 2006， 182： 113-120
13 Chen X W， Liu J W， Wang J H. J. Phys. Chem. B， 2011， 115： 1524-1530
14 ZHAO YanLai， HE SenLiang， XU ChangDe. An Introduction to the Chemistry of Heterocyclic Compounds， Beijing： Higher Education Press， 1992： 210-230
赵雁来， 何森良， 徐长德. 杂环化学导论， 北京： 高等教育出版社， 1992： 210-230
15 Joseph B L， Herbert F S， David A L. Organic Structural Spectroscopy， New Jersey， PrenticeHall Inc， 1998
16 Samanta A. J. Phys. Chem. B， 2006， 110： 13704-13716
17 Paul A， Mandal P K， Samanta A. J. Phys. Chem. B， 2005， 109： 9148-9153
18 CHEN GuoZhen， HUANG ZhiXian， ZHEN ZhuZi， XU JinGou， WANG ZunBen. Fluorimetry（Third Edition）， Beijing： Science Press： 1990
陈国珍， 黄智贤， 郑朱梓， 许金钩， 王尊本. 荧光分析法 （第3版）， 北京： 科学出版社， 1990
19 Zhou H C， Baldini L， Hong J， Wilson A J， Hamilton A D. J. Am. Chem. Soc.， 2006， 128： 2421-2425
20 Li H， Bazan G C. Adv. Mater.， 2009， 21： 964-967
21 CHEN XuWei， MAO QuanXing， WANG JianHua. Prog. Chem.， 2013， 25（5）： 661-668
陈旭伟， 毛全兴， 王建华. 化学进展， 2013， 25（5）： 661-668
22 Mao Q X， Wang H， Shu Y， Chen X W， Wang J H. RSC Adv.， 2014， 4： 8177-8182
23 Shu Y， Han L， Wang X F， Chen X W， Wang J H. ACS Appl. Mater. Inter.， 2013， 5： 12156-12162
24 Shu Y， Liu M L， Chen S， Chen X W， Wang J H. J. Phys. Chem. B， 2011， 115： 12306-12314
摘 要 考察了对称型卤代咪唑基离子液体咪唑环上的烷基链长度和不同卤素阴离子（Cl对其光谱性能的影响。实验结果表明， 随离子液体咪唑环中烷基链长度增加，离子液体的荧光强度增大； 随离子液体中卤素阴离子的电负性降低，其荧光强度减弱。加入血红蛋白可导致咪唑型离子液体的荧光强度增强，且在一定范围内与蛋白质浓度成正比，据此可对血红蛋白进行定量检测，线性范围为0.03～1.0 μmol/L，检出限为8 nmol/L。另外，根据不同蛋白质对咪唑基离子液体荧光性能的影响，建立了阵列传感系统用于8种蛋白质的区分与识别，在蛋白质浓度高于500 nmol/L时，识别正确率达到90%以上。
关键词 咪唑基离子液体； 荧光性能； 烷基； 卤素阴离子； 蛋白质； 传感
1 引 言
离子液体（Ionic liquids， ILs）是由有机阳离子和无机/有机阴离子构成、在室温或室温附近呈液体状态的盐类。20世纪80年代，Wilkes等发现1，3二烷基咪唑氯铝酸盐比N烷基吡啶盐具有更负的电化学还原电位，并在此基础上合成了1，3二烷基咪唑类离子液体[1]。1992年，该课题组合成了第一个对水和空气均稳定的咪唑基离子液体1乙基3甲基咪唑四氟硼酸盐EMimBF4[2]。自此，基于咪唑阳离子的新型离子液体相继被合成，在催化[3]、分离分析[4，5]、电化学[6～8]和有机合成[9]等领域获得了广泛应用。
随着对离子液体的性质及其应用研究的深入，人们也开始逐渐从分子水平上对离子液体的本质和性质进行研究，主要研究方法包括广延X射线吸收、X射线衍射、中子衍射、光谱学分析等。早期的研究结果认为，离子液体在近紫外可见光区基本不产生光吸收，但Paul等发现咪唑基离子液体EMimBF4、1丁基3甲基咪唑四氟硼酸盐BMimBF4和1丁基3甲基咪唑六氟硼酸盐BMimPF6由于其结构中咪唑环的存在，使得其在整个紫外可见区都表现出明显的吸收[10]，但其吸收光谱受杂质（如水、无机阴离子、有色物质等）的影响较大[11]。
咪唑基离子液体EMimBF4、BMimBF4和BMimPF6在受紫外光激发后能发射出荧光，由于离子液体结构内存在不同的缔合形式，其荧光强度与激发波长之间存在较强的依赖关系[12]，但这些咪唑基离子液体共轭性较弱，荧光效率较低，其量子产率多在0.005～0.02之间。本课题组在前期研究中以N丁基咪唑和氯代正丁烷为原料制备了一种结构对称的咪唑基离子液体1，3二丁基咪唑氯代盐BBimCl，在咪唑环上引入了对称的丁基基团。离子液体的对称结构使其ππ*共轭性能极大增强，因此其荧光量子产率显著提高，达到0.523[13]。这种结构对称型离子液体的优良亲水性及强荧光性能使其有望成为高灵敏、高选择性传感检测生物大分子的新型荧光探针。
本研究在前期工作的基础上，进一步考察了对称型卤代咪唑基离子液体分子中咪唑环上取代烷基碳链长度（n=2， 4， 6， 8）和不同卤素阴离子（Cl Br ）
对其光谱性能的影响，通过光谱表征的方法确定离子液体的结构及其内部的相互作用，并探讨了该类咪唑基离子液体在蛋白质分析检测中的性能。
2 实验部分
2.1 仪器与试剂
F7000荧光分光光度计，U3900型紫外可见分光光度计（日本日立公司）。
咪唑基离子液体1，3二丁基咪唑卤代盐（X=Cl、I）和溴代咪唑离子液体1，3二乙基咪唑溴代盐EEimBr、1，3二丁基咪唑溴代盐BBimBr、1，3二己基咪唑溴代盐HHimBr和1，3二辛基咪唑溴代盐OOimBr均购于上海成捷化学有限公司；血红蛋白（Hb）、细胞色素C（Cytc）、溶菌酶（Lys）、肌红蛋白（Mb）、转铁蛋白（Trf）、卵清蛋白（OVA）、辣根过氧化酶（HRP）和牛血清白蛋白（BSA）购自美国Sigma公司，硫酸奎宁等购自国药集团；所用试剂（除特别声明外）为分析纯，实验用水为二次去离子水（18 MΩ cm）。
2.2 实验方法
2.2.1 紫外可见吸收光谱测定
配制0.001 mol/L 离子液体溶液，移取2 mL于光程为10 mm的石英比色皿中，在200～500 nm波长范围内扫描其吸收光谱。
2.2.2 荧光光谱测定
配制0.01 mol/L 离子液体溶液，移取500 μL于10 mm石英比色皿中测定其荧光光谱。电压600 V，扫描速度1200 nm/min，激发/发射狭缝均为5 nm。
4 结 论
离子液体的结构可以进行人为的设计和改造，赋予离子液体一些独特的性质，具有广阔的应用前景。通过研究离子液体本身结构与其光谱性能之间的构效关系，深入了解有关离子液体结构和其它分子间相互作用方面的信息，可为离子液体的功能化设计和制备以及实际应用提供理论依据和指导，以进一步拓展离子液体的应用范围。离子液体与蛋白质之间的相互作用及其对离子液体的光谱性能影响为其在蛋白质分析中的应用提供了基础，如离子液体能进入蛋白质的结构域III中[24]，但其详细作用机理仍需进一步深入探讨。基于离子液体构建的荧光阵列传感器对多组份蛋白质样品具有一定识别能力，但其识别能力受荧光量子产率的限制，因此可考虑设计多种功能化离子液体及其复合物，增强或改善离子液体与生物大分子之间的相互作用，拓展其在生命分析中的应用范畴。
References
1 Wilkes J S， Levisky J A， Wilson R A， Hussey C L. Inorgan. Chem.， 1982， 21（3）： 1263-1264
2 Wilkes J S， Zaworotko M J. Chem. Commun.， 1992， 13： 965-966
3 Zhang B， Yan N. Catalysts， 2013， 3： 543-562
4 TrujilloRodriguez M J， RocioBautista P， Pino V， Afonso A M. TRACTrend. Anal. Chem.， 2014， 51： 87-106
5 HUO JiangBo， WANG XiaoYi， SUN DongLing， ZHAO JingQiang， LIN XingTao. Chinese J. Anal. Chem.， 2014， 42（4）： 531-535
霍江波， 王小逸， 孙东玲， 赵靖强， 林兴桃. 分析化学， 2014， 42（4）： 531-535
6 Niedermeyer H， Hallett J P， VillarGarcia I J， Hunt P A， Welton T. Chem. Soc. Rev.， 2012， 41： 7780-7802
7 WANG Huan， YE XiaoHe， CHEN LiMing， LU JiaXing， HE MingYuan. Chem. J. Chinese Universities， 2005， 26（2）： 326-329
王 欢， 叶小鹤， 陈黎明， 陆嘉星， 何鸣元. 高等学校化学学报， 2005， 26（2）： 326-329
8 FU HaiYing， WANG JianXiu， DENG Liu. Chinese J. Anal. Chem.， 2014， 42（3）： 441-445
付海莹， 王建秀， 邓 留. 分析化学， 2014， 42（3）： 441-445
9 Quveshi Z S， Deshmukh K M， Bhanage B M. Clean. Techn. Environ. Policy， 2014， 16： 1487-1513
10 Paul A， Mandal P K， Samanta A. Chem. Phys. Lett.， 2005， 402： 375-379
11 Shen Y F， Zhang Y J， Han D X， Wang Z J， Kuehner D， Niu L. Talanta， 2009， 78： 805-808
12 Mandal P K， Paul A， Samanta A. J. Photochem. Photobiol. A， 2006， 182： 113-120
13 Chen X W， Liu J W， Wang J H. J. Phys. Chem. B， 2011， 115： 1524-1530
14 ZHAO YanLai， HE SenLiang， XU ChangDe. An Introduction to the Chemistry of Heterocyclic Compounds， Beijing： Higher Education Press， 1992： 210-230
赵雁来， 何森良， 徐长德. 杂环化学导论， 北京： 高等教育出版社， 1992： 210-230
15 Joseph B L， Herbert F S， David A L. Organic Structural Spectroscopy， New Jersey， PrenticeHall Inc， 1998
16 Samanta A. J. Phys. Chem. B， 2006， 110： 13704-13716
17 Paul A， Mandal P K， Samanta A. J. Phys. Chem. B， 2005， 109： 9148-9153
18 CHEN GuoZhen， HUANG ZhiXian， ZHEN ZhuZi， XU JinGou， WANG ZunBen. Fluorimetry（Third Edition）， Beijing： Science Press： 1990
陈国珍， 黄智贤， 郑朱梓， 许金钩， 王尊本. 荧光分析法 （第3版）， 北京： 科学出版社， 1990
19 Zhou H C， Baldini L， Hong J， Wilson A J， Hamilton A D. J. Am. Chem. Soc.， 2006， 128： 2421-2425
20 Li H， Bazan G C. Adv. Mater.， 2009， 21： 964-967
21 CHEN XuWei， MAO QuanXing， WANG JianHua. Prog. Chem.， 2013， 25（5）： 661-668
陈旭伟， 毛全兴， 王建华. 化学进展， 2013， 25（5）： 661-668
22 Mao Q X， Wang H， Shu Y， Chen X W， Wang J H. RSC Adv.， 2014， 4： 8177-8182
23 Shu Y， Han L， Wang X F， Chen X W， Wang J H. ACS Appl. Mater. Inter.， 2013， 5： 12156-12162
24 Shu Y， Liu M L， Chen S， Chen X W， Wang J H. J. Phys. Chem. B， 2011， 115： 12306-12314
