CN103254128A - 一种水溶性裸眼和光增强检测汞离子的荧光探针及其合成与应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种新型裸眼和荧光增强型汞离子荧光探针及其制备和用途，具体为一种基于7-羟基-1-烷基喹啉衍生物制备及其在纯水溶液中对汞离子的高灵敏检测。本发明的荧光探针是由7-乙烯氧基喹啉衍生物和烷基化试剂反应得到，经过柱层析分离得到探针纯品。其合成简便、反应条件温和、易于纯化、收率高，且具有良好的水溶性，光学性能稳定，及高的荧光量子效率。探针分子的水溶液无色透明，几乎没有荧光；加入汞离子后，溶液由无色变为黄色，并且呈现出强烈的绿色荧光。该荧光探针分子对汞离子的识别能力强，灵敏度高，响应范围为0-3uM，且其检测下限低，达到了0.22nM。该探针在生物医药化学、环境科学等领域具有重要的实际应用价值。

Description

一种水溶性裸眼和光增强检测汞离子的荧光探针及其合成与应用

技术领域

本发明涉及的是化学分析检测技术领域，具体涉及一种裸眼及荧光增强检测汞离子荧光分子探针及其制备方法和在检测汞离子方面的应用。

背景技术

汞污染已经成为了一个全球性的环境问题。无机汞如Hg(0)及Hg(II)中主要是通过一系列的人为的活动释放到自然环境中去，例如煤石油等化石燃料的燃烧，金矿的冶炼及固体废弃物质的焚化都会将无机汞排放到大自然环境中。汞离子在自然环境中会被各种动植物积累在体内，并形成剧毒的有机汞，然后通过食物链最终进入人体内。甲基汞对人体的危害十分显著，它能轻易被人体吸收并突破人体的血脑屏障，然后直接作用于我们的中枢神经***，对人体造成巨大的伤害。例如发生在日本的水俣病事件，和发生在***的汞中毒事件就是汞污染危害最为严重的例子。因此对汞的检测是十分必要。[J]Environment Intefnational.2001，27，285-290.Harada M，Nakaishi J，Yasoda E，Pinheiro MCN，Oikawa T.Mercury pollution in theTapajos River basin，Amazon：Mercury level of head hair and health effects.[J]Science of TheTotal Environment.Olivero J，Johnson B，Arguello E.Human exposure to mercury in San Jorgeriver basin，Colombia(South America).[J]Chem.Rev.2008，108，3443-3480.Nolan EM，LippardSJ.Tools and tactics for the optical detection of mercuric ion.

传统的水样品种的汞离子的定量检测一般采用原子吸收，冷蒸汽原子荧光光谱法和气相色谱法等手段。这些方法往往需要对样品进行比较复杂的预处理，同时需要较昂贵的精密仪器。相对而言，小分子荧光探针在检测汞离子时，样品处理简洁，检测下限低，目前来已经有大量的汞离子荧光探针报道。其中，绝大多数汞离子荧光探针都是利用汞离子与一些杂原子的络合配位后对荧光的改变来实现对汞离子的一个定量的测量。这种基于与杂原子配位的汞离子探针往往具有比较好的灵敏度，及快速的反应时间；但是容易受到银，金，铅，镉，铜等金属离子的干扰，选择性往往较差。因此近几年来，基于催化反应机理的汞离子探针逐渐发展了起来。目前主要有两种催化反应机理：其一，利用汞离子的嗜硫特性，让汞离子催化硫羰基水解成羰基，从而实现荧光团分子荧光的改变，基于这种机理的汞离子荧光探针在选择性上虽然有所提高，但是还是容易受到银等金属离子的干扰，而且该水解反应在室温下比较慢，需要较长的反应时间。其二，是利用汞离子在溶液中催化作用将乙烯氧基水解成羟基，从而改变荧光团的荧光，基于这种类型的汞离子荧光探针往往具有较好的灵敏度和良好的选择性，反应时间适中。然而，目前报导的该类型的汞离子荧光探针在水中的溶解度不是很好，在对水溶液中的汞离子进行定量测量的时候，往往需要添加一些有机溶剂(如DMSO，CH3CN，DMF，THF等)作为助溶剂，目前还没有能在100％的水溶液里面测量汞离子的此类型荧光探针报道。因此，开发一种具有高灵敏度、高选择性并具有良好水溶性的新型汞离子荧光探针具有十分重要的意义。[J]Org.Lett.2007.9.2313-2316.Yuan M，LiY，Li J，Li C，Liu X，Lv J，Xu J，Liu H，Wang S，Zhu D.A colorimetric and fluorometric dual-modal assay for mercuryion by a molecule.[J]Org.Lett.2009.11.2740-2743.Suresh M，Mishra S，Mishra SK，Suresh E，Mandal AK，Shrivastav A，Das A.Resonance energy transfer approach and a new ratiometric Probefor Hg²⁺ in aqueous media and living organism.[J]Org.Lett.2011.13.1422-1425.Kumar M，Kumar N，Bhalla V， Singh H，Sharma PR，Kaur T.Naphthalimide appended rhodamine derivative：through bond energy transfer for sensing of Hg²⁺ ions.[J]J.Am.Chem.Soc.2005.127.16760-16761.Yang YK，Yook KJ，Tae J.A rhodamine-based fluorescent and colorimetricchemodosimeter for the rapid detection of Hg²⁺ions in aqueous media.[J]Angew.Chem.Int.Ed.2008.47.8025-8029.A ratiometric fluorescent probe based on FRET for imaging Hg²⁺ions inliving cells.[J]Chem.Comm.2012.48.8371-8373.Jiang J，Liu W， Cheng J，Yang L，Jiang H，BaiD，Liu W.A sensitive colorimetric and ratiometric fluorescent probe for mercury species in aqueoussolution and living cells.[J]Org.Lett.2011.13.3422-3425.Santra M，Roy B，Ahn KH.A“Reactive”ratiometric fluorescent probe for mercury species.

发明内容

对于上述情况，本发明的目的之一提供一种合成简便、反应条件温和、成本较低的汞离子荧光探针的合成方法；目的之二是提供一种选择性好、灵敏度高、水溶性好且的汞离子荧光探针。

本发明使用的裸眼检测和荧光增强检测汞离子荧光分子探针，采用7-羟基喹啉衍生物和烷基化试剂合成，乙烯氧基部分作为识别基团。

本发明解决问题采用的技术方案为，一种裸眼检测和荧光增强检测汞离子的荧光分子探针，具有下列结构通式：

其中：：R₁，R₂为H原子或甲基，R₃为H原子或氯原子的一种，R₄为-CH₃，-CH₂CH₃，-CH₂CH₂CH₃或者-CH₂CH₂CH₂SO₃H的一种。

当式I中R₁，R₂，R₃均为H原子，R₄为甲基是，本发明代表性的化合物的合成路线如上式所示：

(1)将7-羟基喹啉、碳酸钾和1，2-二溴乙烷一起溶于丙酮中，然后加热回流48小时。用薄层色谱监测反应进程，待原料反应完毕，冷却到室温，蒸馏除去溶剂。再用二氯甲烷萃取，有机相分别用饱和氯化铵溶液，饱和食盐水和水洗涤。分离有机相，加无水硫酸钠干燥，蒸馏除去溶剂，柱层析分离纯化得纯的7-(2-溴乙氧基)-喹啉衍生物。

(2)将7-(2-溴乙氧基)-喹啉溶于二甲基亚砜中，加入叔丁醇钾，室温搅拌2小时，用薄层色谱监测反应进程。反应结束后，将整个体系倒入到水中，用乙酸乙酯萃取，分离出有机层，分别用饱和氯化铵溶液，饱和食盐水，水洗涤。无水硫酸钠干燥，蒸馏除去溶剂得到纯的7-乙烯氧基喹啉。(3)将7-乙烯氧基喹啉和碘甲烷溶于乙腈中。加热回流6小时，薄层色谱监测反应。待原料点消失后，停止加热，冷却至室温。蒸馏除去溶剂，残余物用柱层析分离得到纯的探针化合物。

在本说明书的实施例中更详细地说明了该探针的合成和检测方法。本发明的荧光分子探针使用方法没有特殊限制，通常可以将探针分子直接溶解水溶液中，不需要额外的有机溶剂，室温下进行测试。当加入汞离子时，由于汞离子催化乙烯氧基的水解成为羟基，从而提高了供电性能，使得荧光增强，同时伴随这溶液颜色的改变。在紫外和荧光光谱上发生了明显的变化。

本发明的裸眼检测和荧光增强检测含巯基氨基酸荧光分子探针的具体特征如下：

该分子荧光探针在水溶液中溶解性较好，最吸收波长为349nm，几乎观测不到荧光信号；随着汞离子的加入，探针分子在349nm处的最大吸收逐渐下降，同时404nm处出现一个逐渐增强的新的吸收峰，吸收光谱蓝移约为55nm，溶液的颜色由无色变成了黄色；在荧光光谱中，507nm处出现最大发射峰，并且随着汞离子浓度的增加，其荧光强度也随之增加，最大增强为127倍。在紫外灯的照射下，探针呈现出较强的绿色荧光。

本发明所述的探针分子原料易得，合成产率较高，光学性能稳定，灵敏度较高，对汞离子识别能力强，响应速度较快，响应范围为0-3μM，检测限低为0.22nM。因此该类型探针在生物化学、环境科学等领域具有实际的应用价值。

附图说明

图1为本发明的荧光探针在100％水溶液中，紫外吸收光谱随汞离子浓度增加的变化情况，横坐标为波长，纵坐标为吸光度。

图2为本发明的荧光探针在100％水溶液中，加入1.25倍当量的汞离子后在波长为507nm处荧光强度变化随时间的关系。横坐标为时间，纵坐标荧光强度。

图3为本发明的荧光探针在100％水溶液中，荧光发射光谱随汞离子浓度增加的变化情况，横坐标为波长，纵坐标为荧光强度。

图4为本发明的荧光探针在100％的水溶液中，反应前后荧光强度比值和汞离子浓度的线性关系。横坐标为汞离子的浓度，纵坐标为F/F₀。

图5为本发明的荧光探针100％的水溶液中，荧光光谱随加入同样浓度的不同金属离子：K⁺，Na⁺，Ca²⁺，Cd²⁺，Fe³⁺，Ag⁺，Co²⁺，Pb²⁺，Cu²⁺，Zn²⁺，Cr³⁺，Mg²⁺，Pd²⁺，Al³⁺，Mn²⁺，Au³⁺后的变化情况。横坐标为波长，纵坐标为荧光强度。

图6为本发明的荧光探针在100％水溶液中，在其它竞争离子K⁺，Na⁺，Ca²⁺，Cd²⁺，Fe³⁺，Ag⁺，Co²⁺，Pb²⁺，Cu²⁺，Zn²⁺，Cr³⁺，Mg²⁺，Pd²⁺，Al³⁺，Mn²⁺，Au³⁺存在下加入汞离子前后的荧光强度变化。横坐标为不同金属离子的浓度，纵坐标为荧光强度。

图7为本发明的荧光探针在100％水溶液中，荧光强度随加入等浓度不同阴离子测试物：I^-，Br^-，F^-，SO₃ ^2-，NO₂ ^-，ClO₄ ^-，AcO^-后的荧光光谱变化情况，横坐标为波长，纵坐标为荧光强度。

图8为本发明的荧光探针在100％的水溶液中，荧光强度随不同测试物：I^-，Br^-，F^-，SO₃ ^2-，NO₂ ^-，ClO₄ ^-，AcO^-加入后增加的变化情况，横坐标为共存测试物，纵坐标507nm处的荧光强度。

图9为本发明的荧光探针在100％水溶液中，加入不同的阳离子测试物：K⁺，Na⁺，Ca²⁺，Cd²⁺，Fe³⁺，Ag⁺，Co²⁺，Pb²⁺，Cu²⁺，Zn²⁺，Cr³⁺，Mg²⁺，Pd²⁺，Al³⁺，Mn²⁺，Au³⁺后的紫外吸收光谱变化情况。纵坐标为吸光度，横坐标为波长。

图10为本发明合成的探针在不同的pH条件下荧光强度，及在不同pH下加入3倍量的汞离子后荧光强度的变化。其中纵坐标为荧光强度，横坐标为pH。

图11为本发明合成的7-(2-溴乙氧基)-喹啉衍生物的核磁共振氢谱。

图12为本发明合成的7-乙烯氧基喹啉衍生物的核磁共振氢谱。

图13为本发明合成的分子荧光探针的核磁共振氢谱。

具体实施方式

实施例1：7-(2-溴乙氧基)-喹啉的制备

将7-羟基喹啉(145mg，1mmol)、碳酸钾(276mg，2mmol)和1，2-二溴乙烷(752mg，4mmol)加入到10mL丙酮中，加热回流48h后，冷却至室温，蒸馏除去溶剂。用二氯甲烷(2x50mL)萃取两次，有机相分别依次用饱和氯化铵溶液、饱和食盐水和水洗涤。分出有机相，加无水硫酸钠干燥，蒸馏除去溶剂，柱层析分离(体积比5∶1的石油醚∶乙酸乙酯为洗脱剂)得纯白色固体122mg(收率：51％)，即为7-(2-溴乙氧基)-喹啉。

¹HNMR(300MHz，CDCl₃)：δ_ppm＝8.84(1H，d，J＝6Hz)，8.09(1H，d，J＝6Hz)，7.72(1H，d，J＝9Hz)，7.40(1H，s)，7.29-7.30(1H，m)，7.24(1H，d，J＝6Hz)，4.47(2H，t，J＝6Hz)，3.75(2H，t，J＝9Hz，J＝6Hz).

实施例2：7-乙烯氧基喹啉的制备

将7-(2-溴乙氧基)-喹啉(62mg，0.25mmol)溶于2mL二甲基亚砜中，加入叔丁醇钾(56mg，0.5mmol)室温搅拌2小时，用薄层色谱监测反应进程。反应结束后，将反应液倒入到50mL水中，用乙酸乙酯(2x75mL)萃取两次，分离出有机层，分别用饱和氯化铵溶液、饱和食盐水水洗涤。分离有机相，无水硫酸钠干燥。减压蒸馏除去溶剂，得无色透明的油状液体41mg(收率：95％)，即为纯的7-乙烯氧基喹啉衍生物。

HNMR(300MHz，CDCl₃)：δ_ppm＝8.87(1H，d，J＝6Hz)，8.11(1H，d，J＝9Hz)，7.77(1H，d，J＝9Hz)，7.59(1H，s)，7.32-7.30(1H，m)，7.27(1H，d，J＝6Hz)，6.85(1H，t，J＝9Hz，J＝6Hz)，4.93(1H，d，J＝12Hz)，4.62(1H，d，6Hz).

实施例3：分子荧光探针的制备

将7-乙烯氧基喹啉(35mg，0.2mmol)和碘甲烷(284mg，2mmol)溶于3mL乙腈中。加热回流12小时后，冷却至室温。蒸馏除去溶剂，残余物用柱层析分离(体积比为15∶1的二氯甲烷∶甲醇为洗脱剂)得灰白色固体25mg(收率：40％)，即为探针分子。

HNMR(300MHz，CDCl₃)：δ_ppm＝9.39(1H，d，J＝6Hz)，9.18(1H，d，J＝6Hz)，8.47(1H，d，J＝9Hz)，8.03(1H，t，J＝6Hz)，7.93(1H，s)，7.82(1H，d，J＝9Hz)，7.46-7.39(1H，m)，5.12(1H，d，J＝12Hz)，4.88(1H，d，J＝6Hz)，4.57(3H，s).

实施例4：裸眼和荧光增强检测含汞离子荧光探针的应用

将该荧光探针溶于水中，加入相应的阴离子缓冲液，制配成1×10^-6M的溶液，测试其紫外吸收光谱和荧光光谱变化。图1-图9表明，探针对含汞离子具有很高的选择性，随着汞离子浓度的增加其紫外光谱和荧光光谱发生明显变化，溶液颜色发生显著变化，适用于裸眼检测；同时，加入汞离子后，荧光强度增强127倍，并且探针不受其他一些金属离子，及一些常见阴离子的影响，如：K⁺，Na⁺，Ca²⁺，Cd²⁺，Fe³⁺，Ag⁺，Co²⁺，Pb²⁺，Cu²⁺，Zn²⁺，Cf³⁺，Mg²⁺，Pd²⁺，Al³⁺，Mn²⁺，Au³⁺I^-，Br^-，F^-，SO₃ ^2-，NO₂ ^-，ClO₄ ^-，AcO^-。在上述干扰离子存在的条件下，探针对含汞离子仍具有良好的选择性和灵敏度。

Claims (6)

1.本发明涉及一种裸眼及荧光增强检测汞离子荧光分子探针的制备方法以及该荧光分子探针在检测汞离子的应用，其特征是具有下列化学分子结构通式：

所述检测汞离子的荧光探针是以7-羟基-1-烷基喹啉为荧光团，乙烯氧基为汞离子的识别基团的化合物。其中：R₁为H原子，R₂为H原子或-CH₃基团，R₃为H原子或者Cl原子，R₄为-CH₃，-CH₂CH₃，-CH₂CH₂CH₃或者-CH₂CH₂CH₂SO₃H中的一种。

2.一种根据权利要求1所述的荧光分子探针的合成方法，其特征是，所述的制备方法如下：

1)将7-羟基喹啉衍生物、碳酸钾和1，2-二溴乙烷加入丙酮中，加热回流。反应完毕后，冷却到室温，蒸馏除去溶剂。用二氯甲烷萃取，分别用饱和氯化铵溶液、饱和食盐水和水洗涤。分离有机相并用无水硫酸钠干燥，蒸馏除去溶剂，柱层析分离纯化得到纯的7-(2-溴乙氧基)-喹啉衍生物。

2)将步骤1)中所得的7-(2-溴乙氧基)-喹啉衍生物溶于二甲基亚砜中，加入叔丁醇钾，室温搅拌2小时后，将反应液倒入到水中，乙酸乙酯萃取，分离出有机层，分别用饱和氯化铵溶液、饱和食盐水、水洗涤。分离收集有机相并用无水硫酸钠干燥，蒸馏除去溶剂得到纯的7-乙烯氧基喹啉衍生物。

3)将步骤2)中所得的7-乙烯氧基喹啉衍生物和烷基化试剂溶于乙腈中。加热回流6小时后，冷却至室温。蒸馏除去溶剂得到固体，用柱层析分离纯化得到荧光探针化合物。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述反应步骤1)中采用7-羟基喹啉衍生物。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于所述反应步骤3)中采用的烷基基化试剂可以为碳链长度为C₁-C₃的直链碘代烷烃，硫酸二甲甲酯，硫酸二乙酯，对甲基苯磺酸甲酯，对甲基苯磺酸乙酯及1，3-丙磺酸内酯。

5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述反应步骤3)中采用的溶剂可以为乙腈，二氯甲烷，氯仿等有机溶剂。

6.权利要求1所述的荧光分子探针的应用，其特征在于：所选用的汞离子为氯化汞、硫酸汞、硝酸汞无机盐。

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