CN112409292B - 一种多功能荧光探针及制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明属于化学分析技术领域，具体涉及了一种多功能荧光探针及制备方法和应用，该荧光探针是由4‑甲酰基三苯胺与2‑肼基苯并噻唑以一定比例在一定条件下经醛胺缩合反应而成，其合成过程仅需一步，反应条件温和，后处理相对简单。合成的分子探针可在三种条件下分别识别Cu²⁺、Fe³⁺和Zn²⁺。分别是：利用比色法识别Cu²⁺；在乙腈溶液中利用蓝色荧光启亮识别Fe³⁺；在水溶液体系利用绿色荧光启亮识别Zn²⁺。该分子探针在不同条件下识别这三种离子的选择性好，抗干扰能力强，检测限低，可解决识别一种离子就要合成一种探针带来的合成繁琐、效率低下及成本昂贵的问题，在环境工程、离子检测领域具有良好的应用前景。

Description

一种多功能荧光探针及制备方法和应用

技术领域

本发明属于金属离子检测的分析化学技术领域，具体涉及一种多功能荧光探针及制备方法和应用。

背景技术

铜是生物体内所必需的一种微量重金属元素，在基本生理过程中均发挥着重要的作用，比如充当各种酶的必需辅助因子、促进红细胞生成、维持中枢神经***的健康等，但是过量的铜则会损害肝脏和肾脏，引起神经退行性疾病，并具有生物危害性。作为生物***中最丰富的过渡金属，铁参与了许多生理过程，如细胞代谢、氧气运输、酶促反应及蛋白质转运等，然而铁的缺乏或过量积累都会影响生物体内正常运转，引发各种健康问题。锌是人体中第二富集的过渡金属元素，广泛地分布于人体的细胞和体液中，参与了众多新陈代谢过程，摄入不足或过多会导致诸如生长停滞、腹泻、免疫***功能障碍、中毒症状等疾病。所以，从人体健康的角度来看，发展快速、灵敏、便捷的Cu²⁺、Fe³⁺和Zn²⁺识别方法势在必行。

近些年来，荧光探针因其具有选择性强、灵敏度高、响应时间快速且成本低廉等优势越来越引起人们的重视。目前报道的探针多集中于对Cu²⁺、Fe³⁺和Zn²⁺中单个离子的识别检测，而单一探针存在着合成繁琐、效率低下及成本昂贵等问题。因此，开发一种灵敏高效、可识别Cu²⁺、Fe³⁺和Zn²⁺的多功能荧光探针具有广阔的应用前景。

发明内容

本发明的目的是针对上述存在的技术问题，提供一种可识别Cu²⁺、Fe³⁺和Zn²⁺多功能荧光探针、制备方法及应用。本发明的荧光探针可以实现在乙腈溶液体系中对Cu²⁺的比色识别和对Fe³⁺的荧光识别、在水溶液体系中对Zn²⁺的荧光识别，具有较好的选择性和灵敏度。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种多功能荧光探针，该荧光探针具有(Ⅰ)所示的结构：

一种多功能荧光探针的制备方法，具体步骤是：在无水乙醇溶液中，4-甲酰基三苯胺与2-肼基苯并噻唑在无水乙醇中经加热回流发生醛胺缩合反应；反应结束后，冷却至室温，将沉淀过滤，并用无水乙醇多次洗涤后干燥进行纯化制得多功能荧光探针。

进一步地，所述4-甲酰基三苯胺与2-肼基苯并噻唑的投料摩尔比为1：1.2。

进一步地，所述加热回流时间为3h。

一种多功能荧光探针的应用，所述荧光探针在乙腈溶液体系中对Cu²⁺、Fe³⁺识别的应用。

进一步地，识别方法具体为：所述荧光探针在乙腈溶液体系中对Cu²⁺、Fe³⁺识别的方法包括以下步骤：将所述的化合物(I)制备成乙腈溶液，并用乙腈稀释，观察：在日光下若溶液颜色呈现红色，则识别出Cu²⁺的存在；在紫外灯下若溶液荧光颜色呈现蓝色，则识别出Fe³⁺的存在；日光灯下和紫外灯下溶液均没有变化，则未识别出Cu²⁺和Fe³⁺的存在。

一种多功能荧光探针的应用，所述的多功能荧光探针在水溶液体系中对Zn²⁺识别的应用。

进一步地，识别方法具体为：所述荧光探针在水溶液体系中对Zn²⁺识别的方法包括以下步骤：将所述的化合物(I)制备成乙腈溶液，并用水稀释，观察：在紫外灯下若溶液荧光呈现绿色，则识别出Zn²⁺的存在；在紫外灯下没有荧光，则未识别出Zn²⁺的存在。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

(1)探针的合成过程仅需一步，反应条件温和，后处理相对简单；

(2)探针可以实现在乙腈溶液体系中对Cu²⁺的比色识别和对Fe³⁺的荧光识别、在水溶液体系中对Zn²⁺的荧光识别，且选择性好，抗干扰能力强；

(3)探针对Cu²⁺、Fe³⁺和Zn²⁺识别的检测限低：Cu²⁺检测限为0.48μM，Fe³⁺检测限为3.2μM，Zn²⁺检测限为3.2μM。

附图说明

图1为探针在乙腈溶液体系中加入不同金属离子的紫外光谱图；

图2为探针在乙腈溶液体系中加入不同金属离子的荧光光谱图；

图3为探针在乙腈溶液体系中加入不同金属离子后的响应照片；

图4为探针在水溶液体系中加入不同金属离子的荧光光谱图

图5为探针在水溶液体系中加入不同金属离子后的响应照片

图6为探针在其他金属离子存在下对Cu²⁺检测响应图；

图7为探针在其他金属离子存在下对Fe³⁺检测响应图；

图8为探针在其他金属离子存在下对Zn²⁺检测响应图；

图9为探针加入不同浓度的Cu²⁺的紫外光谱图；

图10为探针加入不同浓度的Fe³⁺的荧光光谱图；

图11为探针加入不同浓度的Zn²⁺的荧光光谱图。

具体实施方式

下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

一种多功能荧光探针，该荧光探针具有(Ⅰ)所示的结构：

一种多功能荧光探针的制备方法，具体步骤是：在无水乙醇溶液中，4-甲酰基三苯胺与2-肼基苯并噻唑在无水乙醇中经加热回流发生醛胺缩合反应；反应结束后，冷却至室温，将沉淀过滤，并用无水乙醇多次洗涤后干燥进行纯化制得多功能荧光探针。

荧光探针合成路线具体为：

进一步地，所述4-甲酰基三苯胺与2-肼基苯并噻唑的投料摩尔比为1：1.2。

进一步地，所述加热回流时间为3h。

一种多功能荧光探针的应用，所述荧光探针在乙腈溶液体系中对Cu²⁺、Fe³⁺识别的应用。

进一步地，识别方法具体为：所述荧光探针在乙腈溶液体系中对Cu²⁺、Fe³⁺识别的方法包括以下步骤：将所述的化合物(I)制备成乙腈溶液，并用乙腈稀释，观察：在日光下若溶液颜色呈现红色，则识别出Cu²⁺的存在；在紫外灯下若溶液荧光颜色呈现蓝色，则识别出Fe³⁺的存在；日光灯下和紫外灯下溶液均没有变化，则未识别出Cu²⁺和Fe³⁺的存在。

一种多功能荧光探针的应用，所述的多功能荧光探针在水溶液体系中对Zn²⁺识别的应用。

进一步地，识别方法具体为：所述荧光探针在水溶液体系中对Zn²⁺识别的方法包括以下步骤：将所述的化合物(I)制备成乙腈溶液，并用水稀释，观察：在紫外灯下若溶液荧光呈现绿色，则识别出Zn²⁺的存在；在紫外灯下没有荧光，则未识别出Zn²⁺的存在。

实施例1：识别Cu²⁺、Fe³⁺和Zn²⁺的多功能荧光探针的制备方法

具体步骤如下：将4-甲酰基三苯胺(100mg,0.366mmol)溶于无水乙醇(15mL)中，加入2-肼基苯并噻唑(73mg,0.439mmol)，回流搅拌3h，反应结束后，冷却至室温，将沉淀过滤，并用无水乙醇多次洗涤，干燥后得到浅黄色产物，产率为73％。

¹H NMR(600MHz,DMSO-d₆)δ8.06(s,1H),7.71(s,1H),7.59–7.55(m,2H),7.38–7.32(m,5H),7.28(t,J＝7.7Hz,1H),7.14–7.05(m,8H),6.99–6.95(m,2H).

实施例2：探针在乙腈溶液体系中对Cu²⁺、Fe³⁺识别上的应用

分别配制浓度为10^-2M的Al³⁺,Fe³⁺,Co²⁺,Mg²⁺,Ni²⁺,Ag⁺,Cu²⁺,Pb²⁺,Mn²⁺,Zn²⁺,K⁺,Cd^{2 +},Hg²⁺,Cr³⁺,Ca²⁺,Na⁺水溶液。

配制实施例1中制备的探针的乙腈溶液：将探针溶液(2.5mM，100μL)用乙腈稀释至总体积为10mL，分别加入上述配制的金属离子溶液(10^-2M，10μL)，混合均匀。用紫外分光光度计和荧光分光光度计测量不同离子的加入对溶液的影响，如图1和图2所示。在图1中，可以看到只有Cu²⁺的加入才能使探针溶液在在505nm处出现一个新的吸收峰，溶液由无色变成红色；在图2中，可以看到只有Fe³⁺的加入才能使探针溶液在468nm处出现一个明显的发射峰，溶液发出蓝色荧光。这与图3中探针溶液在加入不同离子后，在日光灯下和紫外灯下的响应照片相一致。

实施例3：探针在水溶液体系中对Zn²⁺识别上的应用

将实施例2中制备的探针的乙腈溶液(2.5mM，100μL)用水稀释至总体积为10mL，分别加入实施例2中配制的金属离子溶液(10^-2M，10μL)，混合均匀。用稳态荧光分光光度计测量不同离子的加入对溶液的影响。如图4所示，可以看到只有Zn²⁺的加入才能使探针溶液在534nm处出现一个明显的发射峰，溶液发出绿色荧光。这与图5中探针溶液在加入不同离子后，在紫外灯下的响应照片相一致。

实施例4：探针在其它金属离子存在下对Cu²⁺的响应

(1)将实施例2中制备的探针的乙腈溶液(2.5mM，100μL)用乙腈稀释至总体积为10mL，分别加入实施例2中配制的金属离子溶液(10^-2M，10μL)，测试紫外吸收强度的变化；

(2)将实施例2中制备的探针的乙腈溶液(2.5mM，100μL)用乙腈稀释至总体积为10mL，分别加入实施例2中配制的金属离子溶液(10^-2M，10μL)，再加入Cu²⁺溶液(10μL)，测试紫外吸收强度的变化。记录下505nm强度的变化，做出如图6所示的柱状图。在图6中，可以看到只有加入Cu²⁺才引起505nm处吸收强度的显著增强，并且在其他金属离子的存在下，Cu²⁺的加入仍然会引起吸收强度的增强。实验结果进一步验证了探针对Cu²⁺的优良选择性，也表明了探针优异的抗干扰能力。

实施例5：探针在其它金属离子存在下对Fe³⁺的响应

(1)将实施例2中制备的探针的乙腈溶液(2.5mM，100μL)用乙腈稀释至总体积为10mL，分别加入实施例2中配制的金属离子溶液(10^-2M，10μL)，测量荧光强度的变化；

(2)将实施例2中制备的探针的乙腈溶液(2.5mM，100μL)用乙腈稀释至总体积为10mL，分别加入实施例2中配制的金属离子溶液(10^-2M，10μL)，再加入Fe³⁺溶液(10μL)，测量荧光强度的变化，得到如图7所示的柱状图。在图7中，可以看到只有加入Fe³⁺才引起468nm处荧光强度的显著增强，并且在其他金属离子的存在下，Fe³⁺的加入仍然会引起荧光强度的增强。实验结果进一步验证了探针对Fe³⁺的优良选择性，也表明了探针优异的抗干扰能力。

实施例6：探针在其它金属离子存在下对Zn²⁺的响应

(1)将实施例2中制备的探针的乙腈溶液(2.5mM，100μL)用水稀释至总体积为10mL，分别加入实施例2中配制的金属离子溶液(10^-2M，10μL)，测试荧光强度的变化；

(2)将实施例2中制备的探针的乙腈溶液(2.5mM，100μL)用水稀释至总体积为10mL，分别加入实施例2中配制的金属离子溶液(10^-2M，10μL)，再加入Zn²⁺溶液(10μL)，测试荧光强度的变化。记录下534nm强度的变化，做出如图8所示的柱状图。在图8中，可以看到只有加入Zn²⁺才引起534nm处荧光强度的显著增强，并且在其他金属离子的存在下，Zn²⁺的加入仍然会引起荧光强度的增强。实验结果进一步验证了探针对Zn²⁺的优良选择性，也表明了探针优异的抗干扰能力。

实施例7：探针对不同浓度的Cu²⁺的响应

将实施例2中制备的探针的乙腈溶液(2.5mM，100μL)用乙腈稀释至总体积为10mL，加入不同浓度的Cu²⁺溶液(0-3.5g/L,10uL)，测试紫外吸收强度的变化，做出如图9所示的紫外吸收光谱图，在Cu²⁺浓度0.4-1.8g/L范围内，吸收强度与之有良好的线性关系。

实施例8：探针对不同浓度的Fe³⁺的响应

将实施例2中制备的探针的乙腈溶液(2.5mM，100μL)用乙腈稀释至总体积为10mL，加入不同浓度的Fe³⁺(0-3.0g/L,10μL)，测试荧光强度的变化，做出如图10所示的荧光光谱图，在Fe³⁺浓度1.0-2.6g/L范围内，荧光强度与之有良好的线性关系。

实施例9：探针对不同浓度的Zn²⁺的响应

将实施例2中制备的探针的乙腈溶液(2.5mM，100μL)用水稀释至总体积为10mL，加入不同浓度的Zn²⁺溶液(0-2.5g/L,10μL)，测试荧光强度的变化，做出如图11所示的荧光光谱图，在Zn²⁺浓度0.6-2.0g/L范围内，荧光强度与之有良好的线性关系。

上面仅对本发明的较佳实施例作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化，各种变化均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种多功能荧光探针，其特征在于，该荧光探针具有(Ⅰ)所示的结构：

2.一种权利要求1所述的多功能荧光探针的制备方法，其特征在于，具体步骤是：在无水乙醇溶液中，4-甲酰基三苯胺与2-肼基苯并噻唑在无水乙醇中经加热回流发生醛胺缩合反应；反应结束后，冷却至室温，将沉淀过滤，并用无水乙醇多次洗涤后干燥进行纯化制得多功能荧光探针。

3.根据权利要求2所述的一种多功能荧光探针的制备方法，其特征在于：所述4-甲酰基三苯胺与2-肼基苯并噻唑的投料摩尔比为1：1.2。

4.根据权利要求2所述的一种多功能荧光探针的制备方法，其特征在于：所述加热回流时间为3h。

5.一种权利要求1所述的多功能荧光探针的应用，其特征在于：所述荧光探针应用在乙腈溶液体系中对Cu²⁺、Fe³⁺进行识别。

6.根据权利要求5所述的一种多功能荧光探针的应用，其特征在于，所述荧光探针在乙腈溶液体系中对Cu²⁺、Fe³⁺识别的方法包括以下步骤：将所述的化合物(Ⅰ)制备成乙腈溶液，并用乙腈稀释，观察：在日光下若溶液颜色呈现红色，则识别出Cu²⁺的存在；在紫外灯下若溶液荧光颜色呈现蓝色，则识别出Fe³⁺的存在；日光灯下和紫外灯下溶液均没有变化，则未识别出Cu²⁺和Fe³⁺的存在。

7.根据权利要求1所述的一种多功能荧光探针的应用，其特征在于：所述多功能荧光探针应用在水溶液体系中对Zn²⁺进行 识别。

8.根据权利要求7所述的一种多功能荧光探针的应用，其特征在于，所述荧光探针在水溶液体系中对Zn²⁺识别的方法包括以下步骤：将所述的化合物(I)制备成乙腈溶液，并用水稀释，观察：在紫外灯下若溶液荧光呈现绿色，则识别出Zn²⁺的存在；在紫外灯下没有荧光，则未识别出Zn²⁺的存在。

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