CN103275697A - 双芘两亲型荧光探针及其合成方法和应用 - Google Patents

Abstract

一种双芘两亲型荧光探针，其结构式如下所示

式中n的取值为2、3、4或5。该荧光探针化学稳定性好，对金属离子的响应速度快、灵敏度高、响应范围宽，能够即时、在线的对Cu²⁺、Co²⁺、Cd²⁺、Fe³⁺、Ni²⁺、Mg²⁺、Ca²⁺、Pb²⁺、Zn²⁺等重金属进行定性和定量检测，实验结果表明，其对Cu²⁺和Co²⁺的检出限分别可达到100nmol/L和69nmol/L。

Description

双芘两亲型荧光探针及其合成方法和应用

技术领域

本发明属于荧光分析技术领域，具体涉及一种可用于检测金属离子的双芘两亲型荧光探针及其合成方法。

背景技术

金属由于优良的机械性能、电学性能及物化性能使其在生产生活中得到了广泛的应用。由于性质的差异，金属被用到了不同的领域，如工业生产和日常生活中，但金属离子，尤其是过渡金属离子的大量使用，给人类的生活和健康带来了极大的影响。其中大多数金属离子有极强的毒性，并和许多疾病相关联，如阿尔兹海默症。此外，金属离子不易被生物降解的性质对其的移除带来了极大的不便。因此，重金属离子已经成为环境污染的主要来源，尤其是在饮用水的使用和海水中。美国国家环境保护局（EPA）公布将一系列过渡金属离子如铬、锰、钴、铜、锌、钼、银、汞、镉、铅、铁和镍等作为“首要控制污染物”。

在各种检测方法中，荧光分子传感器由于其制备简单、易于操作、灵敏度高、选择性好及可用于体外或活体测量、实时在线检测等优点而获得了广泛的应用。荧光分子传感器通常由三部分组成，包括荧光物种、受体及将两者连接起来的连接臂（有时可省略）。荧光物种作为信号输出基团，将识别过程转变为光信号，并作为荧光物种的光物理信号的改变而进行表达。这些改变由包括电子转移、电荷转移、能量转移的光诱导过程及激基缔合物或激基复合物的形成或消失产生的扰动而引起。作为结合基团的受体主要负责待测物的高选择性高效的结合，而这些结合过程依赖于配体分子、阳离子特性（离子半径、电荷、配位数及离子硬度）及溶剂的性质（水溶液中为pH、离子强度）。由于结合过程所依赖的因素众多，所以得到一个高灵敏度，高选择性且水中可溶的荧光化学传感器是十分不易的，并通常需要非常精确的设计及繁琐的合成及纯化过程。

发明内容

本发明所要解决的一个技术问题在于克服上述技术的缺点，提供一种灵敏度高、可检测金属离子种类多的双芘两亲型荧光探针。

本发明所要解决的另一个技术问题在于提供一种合成方法简单的双芘两亲型荧光探针的合成方法。

本发明所要解决的还有一个技术问题在于为双芘两亲型荧光探针提供一种新用途。

解决上述技术问题所采用的技术方案是：该荧光探针的结构式如式Ⅰ所示：

式Ⅰ

式中n的取值为2、3、4或5，优选n为3。

上式双芘两亲型荧光探针的合成方法如下：

1、合成1-芘磺酸钠

在氮气气氛、冰浴条件下，将芘、氯磺酸加入二氯甲烷中，室温搅拌反应2小时，将反应液倒入冰中，搅拌至二氯甲烷挥发完全，用硅藻土抽滤，向滤液中加入NaOH固体，芘与氯磺酸、NaOH的摩尔比为1∶1∶1.2，抽滤、干燥，得到1-芘磺酸钠，其反应方程式如下：

2、合成1-芘磺酰氯

将1-芘磺酸钠加入N,N-二甲基甲酰胺中，搅拌至完全溶解，加入1mol/L的氯化氢***溶液，搅拌10分钟，滴加二氯亚砜，1-芘磺酸钠与氯化氢、二氯亚砜的摩尔比为1∶0.1∶10，滴加完后冰浴搅拌3小时，将反应液倒入冰中，搅拌1小时，抽滤，真空干燥，以二氯甲烷与石油醚的体积比为1∶1.5的混合液为洗脱剂硅胶柱分离纯化产物，得到1-芘磺酰氯，其反应方程式如下：

3、合成双芘两亲型荧光探针

在氮气气氛下，将1-芘磺酰氯与聚乙二醇双丙胺按摩尔比为2～2.5∶1加入溶剂中，搅拌，回流反应12～24小时，用蒸馏水萃取，将有机相旋转蒸发除溶剂，以二氯甲烷与甲醇的体积比为20～50∶1的混合液为洗脱剂柱色谱分离产物，用二氯甲烷与乙醇的体积比为1∶1～5混合液重结晶，得到黄绿色晶体状固体双芘两亲型荧光探针，其反应方程式如下：

上述的溶剂为三氯甲烷或二氯甲烷；聚乙二醇双丙胺为乙二醇双(3-胺丙基)醚、4,7,10-三氧-1,13-十三烷二胺、4,7,10,13-四氧-1,16-十六烷二胺或4,7,10,13,16-五氧-1,19-十九烷二胺，其中优选4,7,10-三氧-1,13-十三烷二胺。

本发明的合成双芘两亲型荧光探针步骤3中，优选条件为：在氮气气氛下，将1-芘磺酰氯与聚乙二醇双丙胺按摩尔比为2.2∶1加入溶剂中，搅拌，回流反应24小时，用蒸馏水萃取，将有机相旋转蒸发除溶剂，以二氯甲烷与甲醇的体积比为50∶1的混合液为洗脱剂柱色谱分离产物，用二氯甲烷与乙醇的体积比为1∶2混合液重结晶，得到式Ⅰ所示的双芘两亲型荧光探针。

本发明双芘两亲型荧光探针在检测金属离子中的用途，其使用方法如下：

将双芘两亲型荧光探针溶于乙腈中，配制成0.25mmol/L的双芘两亲型荧光探针乙腈溶液，加入到7mmol/L的十二烷基硫酸钠水溶液中，配成1.0μmol/L的双芘两亲型荧光探针溶液；向1.0μmol/L的双芘两亲型荧光探针溶液加入已知金属离子，用荧光仪测量荧光强度，绘制标准曲线，并根据不同发射波长下的Ⅰ₀/Ⅰ值用主要成分分析模式识别方法绘制金属离子的标准分布图，然后加入金属离子待测样品测量其荧光强度，与金属离子的标准分布图进行比对，对待测样品中的金属离子定性，与绘制的标准曲线进行比对，对金属离子进行定量。

上述的金属离子为Cu²⁺、Co²⁺、Cd²⁺、Fe³⁺、Ni²⁺、Mg²⁺、Ca²⁺、Pb²⁺或Zn²⁺等。

本发明双芘两亲型荧光探针的化学稳定性好，对金属离子的响应速度快、灵敏度高、可直接用于荧光仪器进行检测，如FLS920型单光子计数时间分辨荧光光谱仪或其他类似的光学检测仪器，可实现对Cu²⁺、Co²⁺、Cd²⁺、Fe³⁺、Ni²⁺、Mg²⁺、Ca²⁺、Pb²⁺、Zn²⁺等重金属离子的定性和定量检测，实验结果表明，其对Cu²⁺和Co²⁺的检出限分别可达到100nmol/L和69nmol/L。

附图说明

图1是实施例1双芘两亲型荧光探针检测Cu²⁺荧光强度变化曲线图。

图2是实施例1双芘两亲型荧光探针检测Cu²⁺的Cu²⁺浓度-Ⅰ₀/Ⅰ值关系曲线图。

图3是实施例1双芘两亲型荧光探针检测Co²⁺荧光强度变化曲线图。

图4是实施例1双芘两亲型荧光探针检测Co²⁺的Co⁺浓度-Ⅰ₀/Ⅰ值关系曲线图。

图5是实施例1双芘两亲型荧光探针检测Mg²⁺荧光强度变化曲线图。

图6是实施例1双芘两亲型荧光探针检测Mg²⁺的Mg²⁺浓度-Ⅰ₀/Ⅰ值关系曲线图。

图7是实施例1双芘两亲型荧光探针检测Fe³⁺荧光强度变化曲线图。

图8是实施例1双芘两亲型荧光探针检测Fe³⁺的Fe³⁺浓度-Ⅰ₀/Ⅰ值关系曲线图。

图9是实施例1双芘两亲型荧光探针检测Fe³⁺、Co²⁺、Cu²⁺和Mg²⁺的PCA分布图。

具体实施方式

下面结合附图和实例对本发明进一步详细说明，但本发明不限于这些实施例。

实施例1

合成结构式如下的双芘两亲型荧光探针

1、合成1-芘磺酸钠

在氮气气氛、冰浴条件下，向盛有65mL二氯甲烷的三颈烧瓶中加入10g芘，取3.5mL氯磺酸溶于10mL二氯甲烷中滴入三颈烧瓶中，室温反应2小时，将反应液倒入50mL冰中，搅拌至冰融化，产生大量黄绿色细小沉淀，继续搅拌使二氯甲烷挥发完全，用硅藻土抽滤，得棕黄色滤液，向滤液中加入2.35g NaOH固体，产生大量黄绿色沉淀，芘与氯磺酸、NaOH的摩尔比为1∶1∶1.2，待沉淀完全后用布氏漏斗抽滤，放入真空干燥箱中室温干燥12小时，得到1-芘磺酸钠。

2、合成1-芘磺酰氯

向盛有260mL N,N-二甲基甲酰胺的双颈烧瓶中加入12.24g1-芘磺酸钠，搅拌至完全溶解，加入4.0mL浓度为1mol/L的氯化氢***溶液，搅拌10分钟，随后滴入33mL二氯亚砜，1-芘磺酸钠与氯化氢、二氯亚砜的摩尔比为1∶0.1∶10，滴加过程中产生大量亮黄色沉淀，滴加完后继续冰浴搅拌3小时，将反应液倒入150mL冰中，搅拌1小时，用布氏漏斗抽滤，得淡黄色固体，放入真空干燥箱中室温干燥12小时，以二氯甲烷与石油醚的体积比为1∶1.5的混合液为洗脱剂硅胶柱分离纯化产物，得到亮黄色产物1-芘磺酰氯。

3、合成双芘两亲型荧光探针

在氮气气氛下，向盛有100mL三氯甲烷的双颈烧瓶中加入0.3g1-芘磺酰氯、0.1mL4,7,10-三氧-1,13-十三烷二胺，1-芘磺酰氯与4,7,10-三氧-1,13-十三烷二胺的摩尔比为2.2∶1，78℃搅拌回流24小时，用150mL蒸馏水萃取3次，将有机相旋转蒸发除去三氯甲烷，以二氯甲烷与甲醇的体积比为50∶1的混合液为洗脱剂柱色谱分离产物，用二氯甲烷与乙醇的体积比为1∶2混合液重结晶，得到双芘两亲型荧光探针，其收率为90%。

所制备的双芘两亲型荧光探针的核磁数据为：¹H NMR(400MHz,CDCl₃)δ：8.95(d,J=9.4Hz,1H,Ar H),8.66(d,J=8.2Hz,1H,Ar H),8.22–8.01(m,7H,Ar H),6.03(t,J=5.4Hz,1H,NH),3.64–3.58(m,2H,CH₂),3.51(dd,J=5.5,3.4Hz,2H,CH₂),3.36(t,J=5.5Hz,2H,CH₂),3.07(dd,J=11.5,5.7Hz,2H,CH₂),1.56–1.54(m,2H,CH₂)。

实施例2

在实施例1的合成双芘两亲型荧光探针步骤3中，在氮气气氛下，向盛有100mL三氯甲烷的双颈烧瓶中加入0.27g1-芘磺酰氯、0.1mL4,7,10-三氧-1,13-十三烷二胺，1-芘磺酰氯与4,7,10-三氧-1,13-十三烷二胺的摩尔比为2∶1，78℃搅拌回流18小时，用150mL蒸馏水萃取3次，将有机相旋转蒸发除去三氯甲烷，以二氯甲烷与甲醇的体积比为20∶1的混合液为洗脱剂柱色谱分离产物，用二氯甲烷与乙醇的体积比为1∶5混合液重结晶，得到双芘两亲型荧光探针，其收率为85%。

实施例3

在实施例1的合成双芘两亲型荧光探针步骤3中，在氮气气氛下，向盛有100mL三氯甲烷的双颈烧瓶中加入0.34g1-芘磺酰氯、0.1mL4,7,10-三氧-1,13-十三烷二胺，1-芘磺酰氯与4,7,10-三氧-1,13-十三烷二胺的摩尔比为2.5∶1，78℃搅拌回流12小时，用150mL蒸馏水萃取3次，将有机相旋转蒸发除去三氯甲烷，以二氯甲烷与甲醇的体积比为30∶1的混合液为洗脱剂柱色谱分离产物，用二氯甲烷与乙醇的体积比为1∶1混合液重结晶，得到双芘两亲型荧光探针，其收率为80%。

实施例4

合成结构式如下的双芘两亲型荧光探针

在实施例1～3的合成双芘两亲型荧光探针步骤3中，所用的4,7,10-三氧-1,13-十三烷二胺用等摩尔的乙二醇双(3-胺丙基)醚替换，该步骤中的其他步骤与相应实施例相同。其他步骤与实施例1相同，制备成双芘两亲型荧光探针。

实施例5

合成结构式如下的双芘两亲型荧光探针

在实施例1～3的合成双芘两亲型荧光探针步骤3中，所用的4,7,10-三氧-1,13-十三烷二胺用等摩尔的4,7,10,13-四氧-1,16-十六烷二胺替换，该步骤中的其他步骤与相应实施例相同。其他步骤与实施例1相同，制备成双芘两亲型荧光探针。

实施例6

合成结构式如下的双芘两亲型荧光探针

在实施例1～3的合成双芘两亲型荧光探针步骤3中，所用的4,7,10-三氧-1,13-十三烷二胺用等摩尔的4,7,10,13,16-五氧-1,19-十九烷二胺替换，该步骤中的其他步骤与相应实施例相同。其他步骤与实施例1相同，制备成双芘两亲型荧光探针。

实施例7

实施例1双芘两亲型荧光探针在检测Cu²⁺中的用途，其使用方法如下：

将双芘两亲型荧光探针溶于乙腈中，配制成0.25mmol/L的双芘两亲型荧光探针乙腈溶液，取2.5mL7mmol/L的十二烷基硫酸钠水溶液于比色皿中，加入10μL0.25mmol/L的双芘两亲型荧光探针乙腈溶液，配成1.0μmol/L的双芘两亲型荧光探针溶液，用FLS920型单光子计数时间分辨荧光光谱仪在最大激发波长为350nm，发射波长为505nm处测量荧光强度Ⅰ₀，激发发射狭缝均为3nm，然后依次加入1、2、2、2、3、5、5、10μL浓度为2.5mmol/L的硝酸铜水溶液，混合均匀后，测量溶液的荧光强度Ⅰ，荧光强度随Cu²⁺浓度变化的荧光光谱图见图1，并绘制Ⅰ₀/Ⅰ值随Cu²⁺浓度变化的线性曲线图，结果见图2。

由图1可见，随着体系中Cu²⁺浓度的增大，溶液的荧光强度变化很明显，说明所制备的荧光探针对Cu²⁺的检测灵敏度很高。经测试，该荧光探针对Cu²⁺的检出限为100nmol/L。由图2可见，在Cu²⁺浓度为0～30μmol/L时，Ⅰ₀/Ⅰ值与Cu²⁺浓度呈线性关系，线性方程为：

y=1.18+0.23[Cu²⁺]

式中y为Ⅰ₀/Ⅰ值，相关系数r为0.9994，由相关系数可见，Ⅰ₀/Ⅰ值与Cu²⁺浓度的线性关系很好，可对Cu²⁺进行定量分析。

实施例8

实施例1双芘两亲型荧光探针在检测Co²⁺中的用途，其使用方法与实施例7相同。实验结果见图3和图4。由图3可见，随着体系中Co²⁺浓度的增大，溶液的荧光强度变化很明显，说明所制备的荧光探针对Co²⁺的检测灵敏度很高。经测试，该荧光探针对Co²⁺的检出限为69nmol/L。由图4可见，在Co²⁺浓度为0～40μmol/L时，Ⅰ₀/Ⅰ值与Co²⁺浓度呈线性关系，线性方程为：

y=0.88+0.15[Co²⁺]

式中y为Ⅰ₀/Ⅰ值，相关系数r为0.9995，由相关系数可见，Ⅰ₀/Ⅰ值与Co²⁺浓度的线性关系很好，可对Co²⁺进行定量分析。

实施例9

实施例1双芘两亲型荧光探针在检测Mg²⁺中的用途，其使用方法与实施例7相同。实验结果见图5和图6。由图5可见，随着体系中Mg²⁺浓度的增大，溶液的荧光强度变化很明显，说明所制备的荧光探针对Mg²⁺的检测灵敏度很高。由图6可见，在Mg²⁺浓度为0～30μmol/L时，Ⅰ₀/Ⅰ值与Mg²⁺浓度呈线性关系，线性方程为：

y=0.99+0.10[Mg²⁺]

式中y为Ⅰ₀/Ⅰ值，相关系数r为0.9989，由相关系数可见，Ⅰ₀/Ⅰ值与Mg²⁺浓度的线性关系很好，可对Mg²⁺进行定量分析。

实施例10

实施例1双芘两亲型荧光探针在检测Fe³⁺中的用途，其使用方法与实施例7相同。实验结果见图7和图8。由图7可见，随着体系中Fe³⁺浓度的增大，溶液的荧光强度变化很明显，说明所制备的荧光探针对Fe³⁺的检测灵敏度很高。由图8可见，在Fe³⁺浓度为0～70μmol/L时，Ⅰ₀/Ⅰ值与Fe³⁺浓度呈三次方关系，方程为：

y=1.02-5.81E-4[Fe³⁺]+7.72E-4[Fe³⁺]²+1.49E-5[Fe³⁺]³

式中y为Ⅰ₀/Ⅰ值，相关系数r为0.9995，由相关系数可见，Ⅰ₀/Ⅰ值与Fe³⁺浓度的三次方拟合关系很好，可对Fe³⁺进行定量分析。

实施例11

实施例1双芘两亲型荧光探针在检测Fe³⁺、Co²⁺、Cu²⁺、Mg²⁺中的用途，其使用方法如下：

将双芘两亲型荧光探针溶于乙腈中，配制成0.25mmol/L的双芘两亲型荧光探针乙腈溶液，取2.5mL7mmol/L的十二烷基硫酸钠水溶液于比色皿中，加入10μL0.25mmol/L的双芘两亲型荧光探针乙腈溶液，配成1.0μmol/L的双芘两亲型荧光探针溶液，用FLS920型单光子计数时间分辨荧光光谱仪在最大激发波长为350nm，发射波长为381、400、460、505nm处测量荧光强度Ⅰ₀，激发发射狭缝均为3nm，然后分别加入10、20、30、40μL浓度为2.5mmol/L的硝酸铜、硝酸钴、硝酸镁或硝酸铜，混合均匀后，测量溶液在381、400、460、505nm处的荧光强度Ⅰ，采用主要成分分析模式识别方法（PCA）对五种离子进行区分，分析结果见图9，图中曲线a内为Fe³⁺、曲线b内为Co²⁺、曲线c内为Cu²⁺、曲线d内为Mg²⁺。图9可见，所制备的荧光探针可以很好的区分Fe³⁺、Co²⁺、Cu²⁺、Mg²⁺。

Claims (7)

1.一种双芘两亲型荧光探针，其特征在于该荧光探针的结构式如式Ⅰ所示：

式Ⅰ

式中n的取值为2、3、4或5。

2.根据权利要求1所述的双芘两亲型荧光探针，其特征在于：所述的n的取值为3。

3.一种权利要求1双芘两亲型荧光探针的合成方法，其特征在于它由下述步骤组成：

（1）合成1-芘磺酸钠

在氮气气氛、冰浴条件下，将芘、氯磺酸加入二氯甲烷中，室温搅拌反应2小时，将反应液倒入冰中，搅拌至二氯甲烷挥发完全，用硅藻土抽滤，向滤液中加入NaOH固体，芘与氯磺酸、NaOH的摩尔比为1∶1∶1.2，抽滤、干燥，得到1-芘磺酸钠；

（2）合成1-芘磺酰氯

将1-芘磺酸钠加入N,N-二甲基甲酰胺中，搅拌至完全溶解，加入1mol/L的氯化氢***溶液，搅拌10分钟，滴加二氯亚砜，1-芘磺酸钠与氯化氢、二氯亚砜的摩尔比为1∶0.1∶10，滴加完后冰浴搅拌3小时，将反应液倒入冰中，搅拌1小时，抽滤，真空干燥，以二氯甲烷与石油醚的体积比为1∶1.5的混合液为洗脱剂硅胶柱分离纯化产物，得到1-芘磺酰氯；

（3）合成双芘两亲型荧光探针

在氮气气氛下，将1-芘磺酰氯与聚乙二醇双丙胺按摩尔比为2～2.5∶1加入溶剂中，搅拌，回流反应12～24小时，用蒸馏水萃取，将有机相旋转蒸发除溶剂，以二氯甲烷与甲醇的体积比为20～50∶1的混合液为洗脱剂柱色谱分离产物，用二氯甲烷与乙醇的体积比为1∶1～5混合液重结晶，得到式Ⅰ所示的双芘两亲型荧光探针；

上述的聚乙二醇双丙胺为乙二醇双(3-胺丙基)醚、4,7,10-三氧-1,13-十三烷二胺、4,7,10,13-四氧-1,16-十六烷二胺、4,7,10,13,16-五氧-1,19-十九烷二胺中的任意一种；溶剂为三氯甲烷或二氯甲烷。

4.根据权利要求3所述的双芘两亲型荧光探针的合成方法，其特征在于：在合成双芘两亲型荧光探针步骤（3）中，在氮气气氛下，将1-芘磺酰氯与聚乙二醇双丙胺按摩尔比为2.2∶1加入溶剂中，搅拌，回流反应24小时，用蒸馏水萃取，将有机相旋转蒸发除溶剂，以二氯甲烷与甲醇的体积比为50∶1的混合液为洗脱剂柱色谱分离产物，用二氯甲烷与乙醇的体积比为1∶2混合液重结晶，得到式Ⅰ所示的双芘两亲型荧光探针。

5.根据权利要求3所述的双芘两亲型荧光探针的合成方法，其特征在于：所所述的聚乙二醇双丙胺为4,7,10-三氧-1,13-十三烷二胺。

6.权利要求1双芘两亲型荧光探针在检测金属离子中的用途。

7.根据权利要求6所述的双芘两亲型荧光探针在检测金属离子中的用途，其特征在于：所述的金属离子为Cu²⁺、Co²⁺、Cd²⁺、Fe³⁺、Ni²⁺、Mg²⁺、Ca²⁺、Pb²⁺或Zn²⁺。

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