CN103436252A

CN103436252A - 一种通过阴离子诱导形成聚集体的阴离子荧光探针

Info

Publication number: CN103436252A
Application number: CN2013103354681A
Authority: CN
Inventors: 曾宪顺; 刘畅
Original assignee: Tianjin University of Technology
Current assignee: Tianjin University of Technology
Priority date: 2013-08-05
Filing date: 2013-08-05
Publication date: 2013-12-11

Abstract

一种通过阴离子诱导形成聚集体的阴离子荧光探针，其特征在于：为半菁蓝素硫酸氢根分子荧光探针，化学结构式为A-3，4-二羟基苯基乙烯基吲哚啉四氟硼酸盐或B-3，4-二羟基苯基乙烯基苯并吲哚啉四氟硼酸盐，其合成方法是：1）将吲哚啉衍生物碘鎓盐与3,4-二羟基苯甲醛按1:1的摩尔比混合，在乙醇中避光加热反应24小时；2)再加入KBF₄回流2小时进行阴离子交换；3）采用无水乙醇重结晶的纯品。本发明的优点是：利用离子诱导聚集引起明显光学信号变化的策略为四面体离子的检测提供了新的思路，并且制备的分子荧光探针对硫酸氢根离子检测表现出很强的荧光增强效应，可用于环境样品、化学模拟生物体系中硫酸氢根离子的检测。

Description

一种通过阴离子诱导形成聚集体的阴离子荧光探针

技术领域

本发明涉及荧光传感检测技术中的阴离子荧光分子探针，尤其是一种通过阴离子诱导形成聚集体的阴离子荧光探针。

背景技术

阴离子在生物体内具有非常重要的作用，首先具有遗传功能的DNA是阴离子型的生物大分子；主要的酶底物和其辅助因子也是阴离子型的生物大分子；阴离子在医学和催化领域也占有非常重要的地位。同时，阴离子还和环境污染密切相关，由于过量使用化肥，河流中过量的磷酸根会导致水流营养过剩，过量的硝酸根会产生致癌作用。因此，无论从生物学角度，还是从环境角度来讲，阴离子的检测都是至关重要的。

传统的阴离子检测方法很多，但多数方法存在有耗时、灵敏度低等缺陷。而基于荧光探针响应信号的荧光分析技术具有操作便捷、选择性高、响应快、灵敏度高、可实时原位检测的优点。近年来，该技术在生物医学分析、环境和工业检测，核废物分析处理等方面得到广泛应用。然而，按传统的自补偿原理（self-complementary）进行阴离子探针的设计非常具有挑战性。这是由阴离子自身所固有的如下因素决定的：1）离子半径大；2）对pH敏感；3）几何构型复杂等。这些因素决定了按常规的自补偿原理设计阴离子探针的难度非常大，而且探针的选择性并不高。所以，寻找新型、高效和简单的阴离子探针设计策略，尤其是设计对复杂结构的阴离子具有高灵敏度、高选择性识别功能的荧光探针的策略是非常必要的。

本专利就是针对阴离子探针设计难度大、选择性不强等缺陷而发展阴离子探针设计的新策略。通常而言，染料聚集往往会导致强烈的光谱信号变化，由于聚集作用而导致吸收和发射光谱红移的聚集现象称为J-聚集，这种聚集态性质已被广泛应用于检测化学物质的新型荧光和比色化学传感器、光敏剂等；与此相反，由于聚集作用而导致吸收带蓝移的聚集现象称为H-聚集，该类型的聚集体通常不具有荧光发光性能，因而利用H-聚集体的光学特性设计合成分子荧光探针的成功案例很少。然而， Würthner等人在2006年报道了一种中性花菁素染料的H-聚集体的荧光增强发光行为，参见：U. Rösch, S. Yao, R. Wortmann, F. Würthner, Angew. Chem. Int. Ed. 2006, 45, 7026，这种染料聚集体的发光行为是由于单体形成了一种具有轻微的旋转位移的H-聚集体而产生的，从而超出了H-聚集体导致荧光淬灭的常规行为。受此启发，我们通过对染料结构的巧妙设计，并利用阴离子诱导形成聚集体的策略来发展新型的阴离子选择性荧光探针。

发明内容

本发明的目的在于针对上述技术分析，提供一种通过阴离子诱导形成聚集体的阴离子荧光探针，该类荧光探针的制备方法简单、成本低，且具有对四面体阴离子硫酸氢根选择性，对检测特定的阴离子响应快、选择性专一且检测灵敏度高。

本发明的技术方案：

一种通过阴离子诱导形成聚集体的阴离子荧光探针，为半菁蓝素硫酸氢根分子荧光探针，化学结构式为A-3，4-二羟基苯基乙烯基吲哚啉四氟硼酸盐或B-3，4-二羟基苯基乙烯基苯并吲哚啉四氟硼酸盐，如下所示：

Figure 2013103354681100002DEST_PATH_IMAGE002

一种所述通过阴离子诱导形成聚集体的阴离子荧光探针的制备方法，步骤如下：

1）将吲哚啉衍生物碘鎓盐和3，4-二羟基苯甲醛在溶剂无水乙醇中避光搅拌并加热反应，加热温度为油浴温度100 ^oC，加热时间为24小时；

2）加入四氟硼钾（KBF₄）并搅拌反应2小时，进行阴离子交换后，得到含有粗产品的反应液；

3）将上述反应液过滤除去无机盐，将液相旋转蒸出，固体产物用无水乙醇重结晶即可得到目标产品半菁蓝素硫酸氢根分子荧光探针纯品。

所述吲哚啉衍生物碘鎓盐为N-甲基-2,3,3’-三甲基吲哚啉碘鎓盐或N-乙基-2,3,3’-三甲基苯并吲哚啉碘鎓盐，其中前者制备阴离子荧光探针A，后者制备阴离子荧光探针B。

所述吲哚啉衍生物碘鎓盐与3，4-二羟基苯甲醛的摩尔比为1:1。

所述吲哚啉衍生物碘鎓盐和3，4-二羟基苯甲醛的总重量与溶剂无水乙醇的重量比为1:15-20。

所述吲哚啉衍生物碘鎓盐与四氟硼钾的摩尔比为1:2。

所述重结晶时固体产物重量与乙醇的重量比为1:5-15。

一种所述通过阴离子诱导形成聚集体的阴离子荧光探针的应用，用于对具有四面体型阴离子的检测，检测方法是：将制备的分子探针材料配制成浓度为1 × 10^-2-5 × 10^-3摩尔/升的探针溶液，将探针溶液加到检测对象中，使探针的浓度保持在1 × 10^-5-3 × 10^-6摩尔/升，混合均匀之后，立即用450-500 nm波长的光激发，测定溶液在580 nm波长的发射光谱，根据标准曲线确定阴离子的含量。

该阴离子荧光探针的检测原理：

探针分子中均含有对位的羟基，对位羟基和阴离子之间可利用氢键作用进行很好的结合；其次，探针分子都含有带正电荷的C=N双键，有利于和阴离子之间形成一种静电作用；最后，特定四面体阴离子可以诱导探针分子聚集而探针分子中含有3,3^’-二甲基，这两个甲基的空间位阻作用阻止了探针分子之间形成完全面对面的H-聚集体，而是具有轻微旋转位移的H-聚集体，从而使探针分子与特定四面体阴离子结合后具有很强的荧光信号。

本发明的优点是：该阴离子荧光探针具有对四面体阴离子硫酸氢根选择性，对检测特定的阴离子响应快、选择性专一且检测灵敏度高；其制备方法简单、成本低、易于实施，为具有四面体型阴离子的检测提供了新的设计合成思路，是一种新型的离子诱导聚集且合成路线简单的荧光分子识别策略。

【附图说明】

图1为分子荧光探针材料A标准工作曲线。

图2为分子荧光探针材料B标准工作曲线。

【具体实施方式】

实施例 1：

一种通过阴离子诱导形成聚集体的阴离子荧光探针，为半菁蓝素硫酸氢根分子荧光探针A，化合物名称为3，4-二羟基苯基乙烯基吲哚啉四氟硼酸盐，其合成方法如下所示：

Figure 2013103354681100002DEST_PATH_IMAGE004

，

具体步骤是：称取3，4-二羟基苯甲醛138 毫克（1.0 mmol）置于50 mL的圆底烧瓶中，加入N-甲基-2,3,3-三甲基-3H-吲哚鎓碘化物317 毫克（1.0 mmol）和15 mL无水乙醇，油浴、搅拌，在100 ^oC下反应24小时；然后向烧瓶中加入250 毫克（2.0 mmol）四氟硼酸钾，反应2小时。将溶液旋干，固体用5 mL 1,2-二氯甲烷溶解，过滤除去无机盐，得到的溶液旋干，固体用无水乙醇10 mL进行重结晶，得到300毫克黑色粉末状半菁蓝素硫酸氢根分子荧光探针A，产率78%。m.p. 258-260 ^oC；ESI: m/z [M-BF₄ ^-]⁺：理论值：294.1489，实测值：294.1490；¹H NMR (DMSO-d₆, 400 MHz) , δ（ppm） 1.76（s，6H），4.07（s，3H），6.93（d，J = 8.0 Hz，2H），7.35（d，J = 16.0 Hz，1H），7.62-7.56（m，J = 9.2 Hz，4H），7.33（d，J = 6.0 Hz，2H），8.28（d，J = 16.0 Hz，1H），9.38（s，1H），10.18（s，1H）；¹³C NMR (DMSO-d₆, 100 MHz), δ( ppm )182.0, 155.0, 153.4, 147.0, 143.9, 142.60, 142.7, 129.7, 129.5, 127.4, 126.8, 123.6, 117.7, 116.9, 115.4, 110.0, 52.5, 34.9, 26.6。元素分析：以C₁₉H₂₀BF₄NO₂·CH₂Cl₂计算，理论值 C 51.54%, H 4.76%, N 3.01%；实测值C 50.66%, H 4.76%, N 3.95%。

分子荧光探针材料A标准温度工作曲线的绘制：

将分子荧光探针材料A配成浓度为5 × 10^-3 mol/L的乙醇-水溶液，乙醇-水的体积比为1:1，避光保存备用，用于配置下述实验溶液。

1）将分子荧光光学探针材料A配制成1 × 10^-5 mol/L的乙醇-水（溶剂体积比为1:1）溶液50 mL。分别取3 mL在白色样品瓶内，分别加入10当量的PO₄ ^3-，HPO₄ ^2-，H₂PO₄ ^-，NO₃ ^-，SO₄ ^2-，HSO₄ ^-，Cl^-，Br^-，F^-，Ac^-阴离子，分别在紫外灯照射下和裸眼观察样品瓶内溶液颜色变化，在365 nm波长紫外光照射下，只有加入硫酸氢根的溶液由淡紫色荧光变为淡蓝色荧光；在自然光下，只有加入硫酸氢根的溶液才由紫色变为黄色。

2）将分子荧光光学探针材料A配制成1 × 10^-5 mol/L的乙醇-水（溶剂体积比为1:1）溶液50 mL。分别取3 mL在棕色样品瓶内，分别加入10当量的PO₄ ^3-，HPO₄ ^2-，H₂PO₄ ^-，NO₃ ^-，SO₄ ^2-，HSO₄ ^-，Cl^-，Br^-，F^-，Ac^-阴离子，测定紫外吸收光谱变化情况，只有加入硫酸氢根的吸收光谱在短波长出现新的吸收峰，长波长吸收峰消失，而其它离子均不引起吸收光谱的显著变化。

3）将分子荧光光学探针材料A配制成1 × 10^-5 mol/L的乙醇-水（溶剂体积比为1:1）溶液50 mL。分别取3 mL在棕色样品瓶内，分别加入10当量的PO₄ ^3-，HPO₄ ^2-，H₂PO₄ ^-，NO₃ ^-，SO₄ ^2-，HSO₄ ^-，Cl^-，Br，F^-，Ac^-阴离子，测定荧光光谱变化情况，只有加入硫酸氢根的发射光谱在短波长出现在580 nm处出现显著荧光增强，而其它离子均不引起发射光谱的显著变化。

4)在16个5毫升棕色样品瓶中分别加入3毫升1×10^-5摩尔/升的探针材料溶液，然后依次加入0、0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、3.5、4.0、4.5、5.5、6.5、7.5、10.5、15.5、25.5、30当量的硫酸氢根离子并混合均匀。采用450-500 nm的激发波长激发测定其荧光光谱，然后以探针A在580 nm处的荧光发射强度（I）变化对硫酸氢根浓度作图而得到标准工作曲线。

图1为分子荧光探针材料A标准工作曲线。

将制备的阴离子荧光探针A用于对具有四面体型阴离子的检测，我们对加入硫酸氢根的离子水样品进行了模拟检测，操作如下：

在2毫升自来水中加入1×10^-3摩尔/升A，使A的浓度达到5×10^-6摩尔/升，混合均匀后，加入3×10^-6摩尔/升的HSO₄ ^-离子并测定其荧光光谱。检测结果表明：测定值与标准曲线对应的3×10^-6摩尔/升的强度值可一一对应。

实施例 2：

一种通过阴离子诱导形成聚集体的阴离子荧光探针，为半菁蓝素硫酸氢根分子荧光探针B，化合物名称为3，4-二羟基苯基乙烯基苯并吲哚啉四氟硼酸盐，其合成方法如下所示：

Figure 2013103354681100002DEST_PATH_IMAGE006

，

具体步骤是：称取3，4-二羟基苯甲醛138 毫克（1.0 mmol）置于50 mL的圆底烧瓶中，加入N-乙基-2,3,3-三甲基-3H-苯并吲哚鎓碘化物365 毫克（1.0 mmol）和5 mL无水乙醇，油浴、搅拌，在100 ^oC下反应24小时；然后向烧瓶中加入250 毫克（2.0 mmol）四氟硼酸钾，反应2小时。将溶液旋干，固体用5 mL 1,2-二氯甲烷溶解，过滤除去无机盐，得到的溶液旋干，固体用无水乙醇10 mL进行重结晶，得到400毫克黑色粉末状半菁蓝素硫酸氢根分子荧光探针B，产率90%。ESI: m/z [M-BF₄ ^-]⁺：理论值：358.1802，实测值：358.1800；¹H NMR (DMSO-d₆, 400 MHz) , δ（ppm） 1.50（t，J = 7.0 Hz 3H），2.01（s，6H），4.80 - 4.75（m，J = 6.4 Hz，2H）6.97（d，J = 8.0 Hz，1H），7.42（d，J = 16.4 Hz，1H），7.67 （d， J = 16.4 Hz，1H ），7.70（t，J = 8.0 Hz，2H），8.79（d，J = 8.0 Hz，1H），8.08（d，J = 9.2 Hz，1H），8.20（d，J = 8.0 Hz，1H），8.27（d，J = 9.2 Hz，1H），8.41（d，J = 11.8 Hz，2H），9.42（s，1H），10.64（s，1H）。元素分析：以C₂₄H₂₄BF₄NO₂计算，理论值 C 64.74%, H 5.43%, N 3.15%；实测值C 64.58%, H 5.52%, N 3.28%。

分子荧光探针材料B标准温度工作曲线的绘制：

将荧光探针材料B配成浓度为5 × 10^-3 mol/L的乙醇-水溶液，乙醇-水的体积比为1:1，避光保存备用，用于配置下述实验溶液。

1）将荧光光学探针材料B配制成1 × 10^-5 mol/L的乙醇-水（溶剂体积比为1:1）溶液50 mL。分别移取3 mL主体溶液置于白色样品瓶内，分别加入10当量的PO₄ ^3-，HPO₄ ^2-，H₂PO₄ ^-，NO₃ ^-，SO₄ ^2-，HSO₄ ^-，Cl^-，Br^-，F^-，Ac^-阴离子，分别在裸眼和紫外灯照射下观察样品瓶内溶液颜色变化，在自然光下，只有加入硫酸氢根的溶液才由紫色变为橙黄色；在365 nm波长紫外光照射下，只有加入硫酸氢根的溶液由淡紫色荧光变为淡蓝色荧光。

2）将荧光光学探针材料B配制成1 × 10^-5 mol/L的乙醇-水（溶剂体积比为1:1）溶液50 mL。分别移取3 mL主体溶液置于棕色样品瓶内，分别加入10当量的PO₄ ^3-，HPO₄ ^2-，H₂PO₄ ^-，NO₃ ^-，SO₄ ^2-，HSO₄ ^-，Cl^-，Br^-，F^-，Ac^-阴离子，测定紫外吸收光谱变化情况，只有加入硫酸氢根的吸收光谱在短波长475 nm处出现新的吸收峰且长波长577 nm处吸收峰消失，而其它离子均不引起吸收光谱的显著变化。

3）将荧光光学探针材料B配制成1 × 10^-5 mol/L的乙醇-水（溶剂体积比为1:1）溶液50 mL。分别取3 mL在棕色样品瓶内，分别加入10当量的PO₄ ^3-，HPO₄ ^2-，H₂PO₄ ^-，NO₃ ^-，SO₄ ^2-，HSO₄ ^-，Cl^-，Br，F^-，Ac^-阴离子，测定荧光光谱变化情况，只有加入硫酸氢根的发射光谱在565 nm处出现显著荧光增强，而其它离子均不引起发射光谱的显著变化。

4)在18个5 mL棕色样品瓶中分别加入3 mL 1×10^-5 mol/L的探针材料溶液，然后依次加入0、0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、3.5、4.0、4.5、5.5、6.5、7.5、10.5、15.5、17.5、22.5、25.5、35.0当量的硫酸氢根离子并混合均匀。采用475-530 nm的激发波长激发测定其荧光光谱，然后以探针B在555 nm和595 nm处的荧光发射强度（I）的比率变化和硫酸氢根与分子荧光探针B的摩尔比作图而得到标准工作曲线。

图2为分子荧光探针材料B标准工作曲线。

在2毫升自来水中加入1×10^-3摩尔/升B，使B的浓度达到5×10^-6摩尔/升，混合均匀后，加入1×10^-6摩尔/升的HSO₄ ^-离子并测定其荧光光谱。检测结果表明：测定值与标准曲线对应的3×10^-6摩尔/升的强度值可一一对应。

Claims

1.一种通过阴离子诱导形成聚集体的阴离子荧光探针，其特征在于：为半菁蓝素硫酸氢根分子荧光探针，化学结构式为A-3，4-二羟基苯基乙烯基吲哚啉四氟硼酸盐或B-3，4-二羟基苯基乙烯基苯并吲哚啉四氟硼酸盐，如下所示：

Figure 2013103354681100001DEST_PATH_IMAGE002

。

2.一种如权利要求1所述通过阴离子诱导形成聚集体的阴离子荧光探针的制备方法，其特征在于步骤如下：

3.根据权利要求2所述通过阴离子诱导形成聚集体的阴离子荧光探针的制备方法，其特征在于：所述吲哚啉衍生物碘鎓盐为N-甲基-2,3,3’-三甲基吲哚啉碘鎓盐或N-乙基-2,3,3’-三甲基苯并吲哚啉碘鎓盐，其中前者制备阴离子荧光探针A，后者制备阴离子荧光探针B。

4.根据权利要求2所述通过阴离子诱导形成聚集体的阴离子荧光探针的制备方法，其特征在于：所述吲哚啉衍生物碘鎓盐与3，4-二羟基苯甲醛的摩尔比为1:1。

5.根据权利要求2所述通过阴离子诱导形成聚集体的阴离子荧光探针的制备方法，其特征在于：所述吲哚啉衍生物碘鎓盐和3，4-二羟基苯甲醛的总重量与溶剂无水乙醇的重量比为1:15-20。

6.根据权利要求2所述通过阴离子诱导形成聚集体的阴离子荧光探针的制备方法，其特征在于：所述吲哚啉衍生物碘鎓盐与四氟硼钾的摩尔比为1:2。

7.根据权利要求2所述通过阴离子诱导形成聚集体的阴离子荧光探针的制备方法，其特征在于：所述重结晶时固体产物重量与乙醇的重量比为1:5-15。

8.一种如权利要求1所述通过阴离子诱导形成聚集体的阴离子荧光探针的应用，其特征在于：用于对具有四面体型阴离子的检测，检测方法是：将制备的分子探针材料配制成浓度为1 × 10^-2-5 × 10^-3摩尔/升的探针溶液，将探针溶液加到检测对象中，使探针的浓度保持在1 × 10^-5-3 × 10^-6摩尔/升，混合均匀之后，立即用450-500 nm波长的光激发，测定溶液在580 nm波长的发射光谱，根据标准曲线确定阴离子的含量。