CN103254891A - 汞离子荧光传感器及其合成方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种如式(I)所示的汞离子荧光传感器，包括罗丹明B骨架，阴离子健合单元脲或者硫脲及其传感的信号单元荧光分子基团。本发明还公开了汞离子荧光传感器的合成方法。本发明还提供了式(I)汞离子荧光传感器在汞离子检测中的应用。与现有的技术相比，本发明使用的原料易得，合成步骤简单，后处理方便，易实现规模化生产。

Description

汞离子荧光传感器及其合成方法和应用

技术领域

本发明属于生物化学材料领域，具体涉及一种汞离子荧光传感器及其合成方法和应用。 

背景技术

汞及其化合物是一种严重危害人体健康的重金属，由于具有持久性、易迁移性和高度的生物富集性，使其成为目前全球最引人关注的环境污染物之一。汞离子能够在生物体内累积，通过食物链转移到人体内。人体内累积的微量汞无法通过自身代谢进行***，将直接导致心脏、肝、甲状腺疾病，引起神经***紊乱，慢性汞中毒，甚至引发恶性肿瘤的形成。鉴于汞中毒会对整个社会产生极其恶劣的影响，汞被优先列在全球环境监控***清单上，全世界都花费大量的人力、物力和财力在开发和研究新型的检测汞离子的方法。 

原子荧光先法特别是冷原子荧光光法在目前的示离子检测中有比较广泛的应用(陶书峰，环境科学导报，2008，27，89.)。廖力夫(何博，廖力夫，胡狮进，高淑琴，肖锡栋.分析化学，2009，37，123。)等普经报道了一种催化沉淀无线传感法检测痕量示离子。但是在现有示离子的检测方法中，总是很难排除具有近以电荷分布和体积的其他离子的干扰。 

荧光化学传感器由于其选择性好、灵敏度高、响应时间快等优点，目前在汞离子的痕量检测中受到了人们的广泛关注。对于大多数汞离子的荧光化学传感器的设计，主要包括两个部分：一个是用来输出荧光信号的发光集团，另一个是接受体，通常含有氮或硫等配位原子，可以和汞离子发生强烈的作用，以达到检测汞离子的目的。罗丹明类化合物己作为荧光标记物在生物技术方面有广泛的应用，这类传感器分子的设计原理是：金属离子通过与受体的配位作用，诱导了螺环内眈肢开环结构的形成。根据这个过程实现对离子的识别，有这样的优点：传感分子对金属离子有识别作用时，不仅使吸收和荧光的强度有较大的增强，而且会使溶液出现由无色到有色的变化，这一过程可以方便的实现肉眼识别。 

目前用来检测示离子的化学传感器，大多数在实际应用中都存在一些问题，比如荧光传感器的合成路线很长，不适合规模化生产，各种竞争的金属离子对测定的干扰等，使其应用受到了一定的限制。 

发明内容

本发明克服现有技术的上述不足，提出一种合成步骤简单方便、生物相容性好、具有特定光学响应的高灵敏的汞离子荧光化学传感器及其合成方法。 

本发明汞离子荧光传感器，包括罗丹明B骨架，阴离子健合单元脲或者硫脲及其传感的信号单元荧光分子基团。本发明汞离子荧光传感器的结构，如以下式(I)所示： 

其中，A为O、S，R为对三氟甲基苯。 

本发明还提供了一种汞离子荧光传感器的合成方法，罗丹明B与过量的水合肼在有机溶剂中肼解反应，将前述肼解反应得到的中间体溶解在有机溶剂中，在N2保护下，加入异氰酸酯，得到的反应液经抽滤、干燥后，得到目的产物所述汞离子荧光传感器。 

本发明汞离子荧光传感器的合成方法，与现有的技术相比，其路线短，反应条件温和，合成的过程中均无高温罗丹明B与过量的水合肼在有机溶剂中肼解反应，将前述肼解反应得到的中间体溶解在有机溶剂中，在N2保护下，加入异氰酸酯，得到的反应液经抽滤、干燥后，得到目的产物所述汞离子荧光传感器。本发明汞离子荧光传感器的合成路线如下： 

本发明合成方法中，所述有机溶剂为乙醇、甲醇、二氯甲烷、或N，N-二甲基甲酰胺。 

本发明还提供了一种式(I)所示的汞离子荧光传感器在汞离子荧光检测中的应用。 

本发明应用中，汞离子荧光传感器还可以选择性地检测汞离子。 

本发明应用中，汞离子荧光传感器同时还可以用于细胞内汞离子的检测。 

与现有技术相比，本发明合成方法通过筛选不同的有机溶剂可以简单地、一步合成罗丹明B的肼解中间体，进而对应地合成一系列不同结构的罗丹明B衍生物，本发明方法使用的原料易得，合成步骤简单，有利于实现规模化生产。 

附图说明

图1为本发明的罗丹明B肼解产物的核磁共振图¹H NMR； 

图2为本发明的实施例2的产品核磁共振图¹HNMR¹³C NMR； 

图3为本发明的实施例3的产品核磁共振图¹HNMR¹³C NMR； 

图4为本发明的实施例2的产品紫外吸收滴定曲线； 

图5为本发明的实施例2的产品荧光滴定曲线； 

图6为本发明的实施例2的产品离子选择性实验图； 

图7为本发明的实施例2的产品细胞成像图； 

图8为本发明的实施例3的产品紫外吸收滴定曲线； 

图9为本发明的实施例3的产品荧光滴定曲线； 

图10为本发明的实施例3的产品离子选择性实验图； 

图11为本发明的实施例3的产品细胞成像图。 

具体实施方式

结合以下具体实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的保护内容不局限于以下实施例。在不背离发明构思的精神和范围下，本领域技术人员能够想到的变化和优点都被包括在本发明中，并且以所附的权利要求书为保护范围。实施本发明的过程、条件、试剂、实验方法等，除以下专门提及的内容之外，均为本领域的普遍知识和公知常识，本发明没有特别限制内容。 

本发明汞离子荧光传感器的合成方法，具体步骤包括如下： 

步骤(1)中间体的制备： 

罗丹明B与过量的水合肼在有机溶剂中，控制反应温度在50-120℃，反应时间为24-40h得到肼解后的罗丹明B； 

其中，罗丹明B的结构式为： 

其中，步骤(1)得到的中间体即肼解后的罗丹明B的结构式为： 

其中，有机溶剂为乙醇、甲醇、二氯甲烷、或N，N-二甲基甲酰胺。 

步骤(2)汞离子荧光传感器的制备： 

将得到的罗丹明B的肼解中间体溶解在有机溶剂中，N2保护下加入当量的异氰酸酯，控制反应温度在室温，反应时间为24-40h。反应完成后，将所得的反应液倒入冰水中，抽滤，干燥，得到目的产物即式(I)所示的汞离子荧光传感器。 

其中，A为O、S，R为对三氟甲基苯。 

其中，步骤2所涉及的有机溶剂为乙醇、甲醇、二氯甲烷、或N，N-二甲基甲酰胺。 

实施例1罗丹明B的肼解产物(中间体)的制备： 

在250mL的玻璃烧瓶中，将20g罗丹明B完全溶解在100mL的乙醇中，控制温度在100℃，回流24h。减压除去溶剂，然后倒入冰水中，过滤，干燥。得到白色的固体18.7g，产率98％。核磁表征图见图1。 

核磁表征1H NMR(500MHz，DMSO)δ1.09(t，J＝6.7Hz，12H)，3.31(q，J＝19.7Hz，8H)，4.19(br，2H)，6.34(br，4H)，6.38(br，2H)，6.98(d，J＝6.5Hz，1H)，7.46(t，J＝3.6Hz，2H)，7.75(d，J＝6.7Hz，1H)。 

实施例2汞离子荧光传感器1的制备(F1)： 

在250mL的玻璃烧瓶中，将5g罗丹明B肼解完全溶解在50mL的N，N-二甲基甲酰胺溶液中，在N2保护下加入当量的对三氟甲基苯异氰酸酯，控制温度在室温搅拌2h。然后将反应液倒入大量冰水中，过滤，干燥。得到F16.8g，产率97％。F1核磁表征图及碳谱表征图见图2。 

核磁表征¹H NMR(500MHz，DMSO)δ0.85(br，12H)，3.28(q，J＝3.4Hz，8H)，6.32(d，J＝5.25Hz，4H)，6.33(s，2H)，7.04(d，J＝7.25Hz，1H)，7.46-7.60(m，6H)，7.85(d，J＝7.15Hz，1H)，8.21(s，1H)。 

碳谱表征¹³C NMR(500MHz，DMSO)δ12.9，44.6，68.2，97.7，106.5，114.3，121.9，124.1，125.3，128，128.3，128.8，129.2，131.3，139.5，132.1，132.6，142.7，149.4，151.9，153.8，160.8。 

HRMS(ESI)C₃₆H₃₇F₃N₅O₃[M+H]⁺＝644.2839，理论值为644.2843。 

实施例3汞离子荧光传感器2的制备(F2)： 

在250mL的玻璃烧瓶中，将5g罗丹明B肼解完全溶解在50mL的N，N-二甲基甲酰胺溶液中，在N₂保护下加入当量的对三氟甲基苯异硫氰酸酯，控制温度在室温搅拌2h。然后将反应液倒入大量冰水中，过滤，干燥。得到F217.lg，产率98％。F2核磁表征图及碳谱表征图见图3。 

核磁表征¹H NMR(500MHz，DMSO)δ1.06(br，12H)，3.28(q，J＝7.645Hz，8H)，6.08(s，2H)，6.32(s，3H)，6.97(s，1H)，7.12(d，J＝7.29Hz1H，)，7.48(t，J＝10.725Hz，3H)，7.60(m，4H)，7.91(d，J＝7.25Hz，1H)，9.02(s，1H)，9.77(s，1H)。 

碳谱表征¹³C NMR(500MHz，DMSO)δ12.9，44.6，68.2，97.7，106.5，114.3，121.9，124.1，125.3，128，128.3，128.8，129.2，131.3，139.5，132.1，132.6，142.7，149.4，151.9，153.8，160.8。 

HRMS(ESI)C₃₆H₃₇F₃N₅O₂S[M+H]⁺660.2596，理论值为660.2615。 

实施例4 

准确配置荧光化学传感器1(F1)的浓度为2×10^-5mol/L以及1×10^-5mol/L，汞离子的浓度分别为4×10^-2mol/L以及2×10^-2mol/L。采用紫外可见分光光度法以及荧光光度法考察荧光化学传感器1对汞离子的滴定情况。紫外滴定实验见图4所示，荧光化学传感器1的浓度C_F1＝2×10^-5M，汞离子浓度C_Hg2+＝4×10^-2M，当无Hg²⁺加入时，紫外吸光度为0，逐渐增大Hg²⁺的当量，紫外吸光度逐渐增加，当Hg²⁺达到70个当量时，吸光度不变达到最大值，说明该探针可以检测Hg²⁺。荧光滴定实验见图5所示，C_F1＝1×10^-5M，C_Hg2+＝2×10^-2M，随着Hg²⁺从0个当量增加到40个当量的过程中，探针经历了由无荧光到有荧光的过程，且最后荧光强度不变达到最大值，进一步说明该探针可以检测Hg²⁺。 

实施例5 

准确配置荧光化学传感器1(F1)的浓度为1×10^-5mol/L，金属离子Na⁺、K⁺、Zn2+、Ca²⁺、Mg²⁺、Ni²⁺、Cd²⁺、Ag⁺、Cu²⁺、Hg²⁺等浓度为2×10^-2mol/L，当金属离子的物质的量为荧光探针的物质量的40倍时，考察荧光化学传感器对离子的选着性识别。实验结果见图6所示，从图中可以看出探针1对Zn²⁺，Mg²⁺，Ag⁺等金属离子荧光响应很弱甚至没有，对Hg²⁺特殊的响应时，证明探针1可以作为Hg²⁺的高效传感器而不受其他离子的干扰。 

实施例6 

准确配置荧光化学传感器1(F1)的浓度为5×10^-5mol/L以及汞离子的浓度为2×10^-2mol/L，考察荧光探针1在细胞水平上对汞离子的识别实验。具体实施如下，探针1与lewis lung cell在37℃恒温培养箱中培养1h后，PBS缓冲液除去细胞外的探针1，然后加入Hg²⁺共培养1h。 

荧光共聚焦显微镜下拍照，可看到细胞发出很强的荧光，证明探针能进入细胞，且在细胞内检测Hg²⁺。实验结果见图7所示，a：可见光下细胞成像图片；b：加入荧光探针F1培养1h后的荧光下细胞成像图片；c：加入荧光探针F1培养1h，后又加入Hg²⁺培养1h后的荧光下细胞成像图片。 

实施例7 

准确配置荧光化学传感器2(F2)的浓度为1×10^-5mol/L，汞离子的浓度为2×10^-3mol/L。采用紫外可见分光光度法以及荧光光度法考察荧光化学传感器2对汞离子的滴定情况。紫外滴定实验见图8所示，荧光化学传感器1的浓度C_F1＝1×10^-5M，汞离子浓度C_Hg ²⁺＝2×10^-3M，随着汞离子浓度的增加，荧光探针F2的紫外吸收增强，当汞离子的量达到一个当量时，探针F2的紫外吸收达到饱和。荧光滴定实验见图9所示，与紫外滴定类似，当汞离子的浓度达到当量时，探针F2的荧光强度不再变化。 

实施例8 

考察探针F2对离子的选择性实验，具体实施如下，准备配置探针F2的浓度为的浓度为1×10^-5mol/L，金属离子Na⁺、K⁺、Zn2+、Ca²⁺、Mg²⁺、Ni²⁺、Cd²⁺、Ag⁺、Cu²⁺、Hg²⁺、Fe³⁺等浓度为2×10^-2mol/L。具体实施如下，分别测定离子的物质量为探针F2的10倍以及共存离子(其它的离子10倍量以及汞离子的10倍量)的荧光强度。实验结果见图10，从实验的结果来看，其他的金属离子对汞离子的影响很小，由此可以推知，探针F2对汞离子具有选择性。 

实施例9 

考察探针F2在细胞水平对汞离子的识别水平，实验结果如图11所示。具体实施如下，准确配置探针F2的浓度为5×10-5mol/L以及汞离子的浓度为2×10-2mol/L。将探针F2与lewis lung cell在37℃恒温培养箱中培养1h后，PBS缓冲除去细胞外的探针F2，然加入Hg2培养1h。荧光共聚焦显微镜下拍照，实验结果表明，探针F2与汞离子作用后的荧光强度越大约探针F1。由此证明探针F2能进入细胞，且在细胞内检测Hg²⁺的效果优于探针F1。a：可见光下细胞成像图片；b：加入荧光探针2培养1h后的荧光下细胞成像图片；c：加入荧光探针2培养1h，后又加入Hg²⁺培养1h后的荧光下细胞成像图片； 

从实验结果发现，探针F1、F2两者都可以达到高效检测Hg²⁺的目的，其中F2的检测响应要高于F1，说明基于脱硫化汞机理的传感器检测效率是更优选的。 

Claims (6)

1.一种汞离子荧光传感器，其特征在于，所述汞离子荧光传感器的结构如以下式(I)所示：

其中，A为O、S，R为对三氟甲基苯。

2.一种汞离子荧光传感器的合成方法，其特征在于，罗丹明B与过量的水合肼在有机溶剂中肼解反应，将前述肼解反应得到的中间体溶解在有机溶剂中，在N2保护下，加入异氰酸酯，得到的反应液经抽滤、干燥后，得到目的产物所述汞离子荧光传感器。

3.如权利要求2所述的合成方法，其特征在于，所述有机溶剂为乙醇、甲醇、二氯甲烷、或N，N-二甲基甲酰胺。

4.汞离子荧光传感器在汞离子荧光检测中的应用。

5.如权利要求4所述的汞离子荧光传感器在汞离子荧光检测中的应用，其特征在于，可选择性检测汞离子。

6.如权利要求4所述的汞离子荧光传感器在汞离子荧光检测中的应用，其特征在于，同时可以用于细胞内汞离子的检测。

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