金属离子在环境和生物体中都起着重要的作用，但金属离子的过度使用会给环境和生物体带来严重危害^[1-3]。因此，如何快速准确高效地检测环境及生物体中各种金属离子的含量，是化学工作者函待解决的重要问题。近年来，荧光分子探针因为具有合成简单、选择性好、灵敏度高、操作方便和快速检测等特点，成为该领域最受关注的研究热点之一^[4-6]。

尽管学者们对荧光分子探针具有极大的研究兴趣，但在校大学生接触该领域的机会并不多。荧光分子探针的研究涉及无机化学、有机化学、分析化学、配位化学等课程的相关知识和实验技能，所以，如果能将荧光分子探针的工作原理、合成操作和性质研究等内容引入课堂教学体系中，不仅可以促进学生对化学知识体系的融会贯通，更能激发学生学习化学的积极性。这些知识的掌握和实践，也为本科毕业生在相关领域的深造和就业打下良好的基础。

本实验包括席夫碱有机配体的设计合成，红外光谱、核磁共振波谱和质谱等常用表征手段的应用，以及荧光性质的研究等内容。

(1)熟练掌握荧光光谱仪的基本操作。

(2)学习红外光谱仪、质谱仪和核磁共振仪的使用。

(3)熟悉席夫碱类化合物的合成方法。

(4)掌握荧光探针的研究方法。

(3)掌握系统分析实验结果的能力，培养创新意识。

荧光分子探针检测金属离子的基本原理是探针可以选择性地与被分析金属离子结合，导致探针分子的荧光增强、猝灭或波长发生改变。席夫碱是一类含有C＝N双键的化合物，通常由氨基化合物与醛类化合物发生缩合反应合成，本实验设计的席夫碱L的合成路线如图1所示^[7]。席夫碱L中的羟基、C＝N基团、羧基都是潜在的配位位点，与金属离子配位后，通过各种机理影响分子的荧光性质，实现对金属离子的检测。

25 mL水热反应釜，FA2104电子天平，DHG-9070A型电热恒温鼓风干燥箱，FTIR-8400S红外光谱仪，质谱仪，F-4500荧光分光光度计，Bruker BioSpin GMBH核磁共振波谱仪。

3-氨基-4-羟基苯甲酸(纯度≥ 98%，质量分数，以下试剂均为质量分数)，2-羟基-1-萘醛(纯度≥98%)，浓盐酸(纯度36%–38%)，氢氧化钠(纯度≥ 96%)，无水乙醇(纯度≥ 99%)，N, N-二甲基甲酰胺(DMF，纯度≥ 99%)。

席夫碱的合成路线如图1所示。在100 mL的聚四氟乙烯内衬的反应釜中加入0.0153 g的3-氨基-4-羟基苯甲酸、0.0172 g的2-羟基-1-萘醛和3 mL的无水乙醇，置于电热恒温鼓风干燥箱中，75 ℃的条件下反应7小时，冷却至室温，直接得到黄色晶体L。过滤，室温下自然干燥，称重，计算产率。

分别用红外光谱、质谱、核磁共振对席夫碱L进行表征。红外光谱学生可以自己操作，质谱和核磁共振学生负责样品制备，教师负责测试。

将席夫碱L溶于DMF中，配成浓度为0.2 mmol·L^-1的溶液，同时将LiCl、NaCl、KCl、AgNO₃、CaCl₂、MgCl₂、BaCl₂、CoCl₂、NiCl₂、ZnCl₂、MnCl₂、HgCl₂、CdCl₂和Al(NO₃)₃也分别溶于DMF中，配成浓度为0.2 mmol·L^-1的溶液。用荧光光谱仪测试席夫碱L的DMF溶液的荧光性质。做金属离子检测实验时，分别向席夫碱L的溶液中加入等体积的各种金属离子的溶液，再测试溶液的荧光光谱。

向席夫碱L的溶液中加入等体积的各种金属离子的溶液，再加入等体积的含Al³⁺离子的溶液，测试溶液的荧光光谱，研究其他离子的存在是否会影响Al³⁺离子的检测。

向席夫碱L的溶液中加入不同体积的含Al³⁺离子的溶液，测试溶液的荧光光谱，根据LOD = 3s/k^{[8, 9]}计算检测限，其中，LOD表示检测限，k是校准曲线的斜率，而s是空白信号的标准偏差。

在席夫碱L的红外光谱中，能找到C＝O伸缩振动峰(1679、1619 cm^-1)和C―O的伸缩振动峰(1354、1299 cm^-1)，还有C＝N双键的吸收峰(1543 cm^-1)。在席夫碱L的质谱图中，能找到分子离子峰(m/z: 307.294)。席夫碱L的核磁共振氢谱图分析如下，¹H NMR (DMF-d₇):¹H NMR (DMF-d₇, 400 MHz): δ 16.09 (s, 1H, ―OH), 13.14 (s, 1H, ―COOH), 11.59 (s, 1H, ―OH), 10.01–9.99 (d, 1H, ―C＝N―), 8.19–8.76 (d, 1H), 8.62 (s, 1H), 8.09–8.07 (d, 1H), 8.01–7.99 (d, 1H), 7.95–7.93 (d, 1H), 7.71 (t, 1H), 7.52 (t, 1H), 7.37–7.35 (d, 1H), 7.12–7.09 (d, 1H)，3.64是氘代DMF + H₂O的峰，3.09–2.925是氘代DMF的峰。

在席夫碱L的DMF溶液中，加入Na⁺、K⁺、Mn²⁺、Cd²⁺、Mg²⁺、Ca²⁺、Ni²⁺、Li⁺、Sr²⁺、Zn²⁺、Co²⁺、Ag⁺和Hg²⁺离子时，溶液的荧光没有发生明显的变化，而加入Al³⁺之后L在537 nm处的荧光显著增强(188倍)，如图2所示。在紫外灯下观察，发现加入Al³⁺时，溶液明显变亮(图3)，由此可见，席夫碱L在DMF溶液中对Al³⁺有很好的选择性。

竞争性试验结果如图4所示，黑色部分(由于相对强度太弱，柱状图结果不明显)是L以及L中加入除了Al³⁺离子之外其他金属离子所显示的荧光强度，红色的部分是在每个样品中又加入2倍铝离子后的荧光强度。从图4可以看出，即使有其他金属离子共存，加入Al³⁺离子后都能检测到荧光明显增强，表明其他金属离子的存在不会干扰L对Al³⁺的检测。

如图5(a)所示，随着Al³⁺浓度的增大，L的溶液在537 nm处的荧光强度也不断增加，拟合结果如图5(b)所示，可计算得检测限是1.86 × 10^-8 mol·L^-1。

我校已在化学专业本科三年级上学期的综合化学实验课程中开展了两轮该实验的教学，教学效果良好。实验以小组为单位进行，2人一组，实验时长为6小时，分两次完成，第一次2小时，完成席夫碱配体的制备，学习红外光谱仪、荧光光谱仪的使用；第二次4小时，完成对席夫碱的表征，离子检测实验，竞争实验及检测限的测定。学生普遍反映该实验集趣味性和知识性于一体，让他们充分体验到了探究的乐趣。

哪些因素会影响有机小分子荧光探针对金属离子的检测？

该实验综合了无机化学、有机化学、分析化学、配位化学各学科的知识与实验操作，充分调动了学生的积极性，促进了学生对各学科知识的学习，全面提高了学生的实验能力。而且，该实验取材于真实科研结果，实验过程和结果分析不仅让学生的动手能力、探究能力、分析能力、团队合作能力得到了提高，还能促进学生对科研工作的了解，激发他们从事科研工作的热情。