CN101109708B

CN101109708B - 一种镁离子荧光探针及其制备方法

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Publication number: CN101109708B
Application number: CN200710059493A
Authority: CN
Inventors: 刘育; 韩民; 张衡益
Original assignee: Nankai University
Current assignee: Nankai University
Priority date: 2007-09-05
Filing date: 2007-09-05
Publication date: 2010-05-19
Anticipated expiration: 2027-09-05
Also published as: CN101109708A

Abstract

本发明提供了一种镁离子荧光探针及其制备方法。中性溶液条件下探针分子并没有显示出对镁离子的专一性识别；探针溶液中加入20当量的高氯酸后，探针分子内发生了分子内扭曲的电荷转移过程，造成了探针分子荧光的淬灭；酸性溶液条件下加入各种碱金属/碱土金属离子，只有镁离子引起了荧光的大幅上升，探针分子显示出了对镁离子的专一性识别。本发明通过酸调控，实现了探针分子对镁离子的专一性识别，并伴随着紫外灯下肉眼可视的荧光颜色变化，是一种具有生色传感功能的荧光探针，在生物以及离子检测领域具有广阔的应用前景。

Description

一种镁离子荧光探针及其制备方法

【技术领域】

本发明属于金属离子荧光分子探针领域，涉及2，6-二苯基-4-苯并15冠5-吡啶化合物和作为一种镁离子荧光探针的制备方法及应用。该荧光分子探针通过质子的调节可以实现对镁离子的特异选择性识别，并且伴随着肉眼可视的荧光颜色变化，是一种具有生色传感功能的荧光探针。该探针在生物以及离子检测领域具有广阔的应用前景。

【背景技术】

金属离子荧光分子探针是一种具有广泛应用价值的敏感检测手段，其设计、合成、应用及识别过程中所涉及的光物理和光化学问题受到了不同领域研究者的广泛关注。

荧光分子探针是基于荧光的淬灭与恢复过程来起到荧光开关的作用。其优点有：(1)对于单个离子或者分子的高检测敏感性；(2)开关状态的自由转换；(3)实现了操作者与分子之间的直接交流。事实上，许多化合物自身结构上的特点都会导致荧光的减弱或淬灭，比如双键的扭转、低能量的nπ*激发态、重原子、弱键、光致电子转移(PET)、光致电荷转移(ICT)以及电子能量转移(EET)等。而在一定外界条件的诱导下，荧光又可以得到恢复，从而实现了荧光的“关”与“开”。在对荧光分子探针的设计中，除了要对具有高选择性或者专一性的受体进行设计之外，还必须在受体和荧光团之间设计一种在客体进入后能够快速响应并引起荧光团的光物理性质发生变化从而导致发光信息(强度或者波长)发生变化的枢纽结构，这样才能实现体系对于客体的实时原位响应。

分子荧光分子探针法是对金属离子进行定量分析的重要方法，所应用的探针应具备以下基本条件：(1)稳定性高；(2)对离子有高选择性，不受或很少受其它金属离子的干扰，尤其是离子；(3)能够快速感光；(4)容易快速传递到目标体系；(5)具有实用性。

镁离子是人体内必不可缺少的重要元素之一。很多事实表明镁离子在细胞生物学和细胞营养过程中起着非常重要的作用。另外，镁在细胞生长、生存中所起到的关键作用已在生物学、生理学和病理学中得到认识，例如，蛋白质结构和功能、基因表达和大脑新陈代谢或疾病的产生都与镁离子密切相关。

基于以上原因，各种各样的离子荧光分子探针已经被设计并合成出。而冠醚由于其具有对介质的两亲性，选择性与阳离子配位等优点，因而是分子识别中的一类最主要的受体，其配位作用主要是通过离子-偶极(金属离子)或者氢键(铵离子，中性有机分子)等作用而形成具有一定稳定性的配合物。近期以来，冠醚作为受体在化学生物学以及选择性离子识别方面的应用被极大的开发了出来，如Fyles和Zeng研究组报道了手性二肽桥联双冠醚1可以检测和追踪脂质体中的钡离子，Giovanna Farruggia报道的8-羟基喹啉修饰的冠醚衍生物2可以在活体细胞中作为有效的镁离子荧光探针等。但是在诸多的金属离子荧光探针中，对镁离子具有特殊选择性的还比较少，由于镁离子和钙离子具有相似的电子结构，所以研究体系中钙离子的存在经常会干扰对镁离子的专一性识别。

手性二肽桥联双冠醚1

8-羟基喹啉修饰的冠醚衍生物2

有目标地设计合成新型的冠状化合物作为金属离子荧光探针，无论是在化学应用还是理论研究上都是一个十分诱人和极富挑战性的课题。我们设计合成的镁离子荧光探针在生物以及离子检测领域展示了重要的应用前景。

【发明内容】

本发明旨在提供一种镁离子荧光探针及制备方法。我们设计的荧光探针以一个苯并15冠5作为离子受体，二苯基吡啶作为荧光响应基团，通过酸调控荧光基团的光物理性质从而实现了对镁离子的专一性识别。

为实现本发明的目的，本发明公开了一种镁离子荧光探针，其特征在于采用2，6-二苯基-4-苯并15冠5-吡啶作为探针分子，其化学式为：C₃₁H₃₁NO₅。

本发明还公开了新型镁离子荧光探针的制备方法，其特征在于它的合成路线如下：

2，6-二苯基-4-苯并15冠5-吡啶化合物作为一种新型镁离子荧光探针的制备方法包括以下步骤：

1)将4-醛基苯并15冠5、苯乙酮和三氯氧磷按摩尔比1∶2.5-3.5∶2-3混合于圆底烧瓶中，50℃-60℃水浴下搅拌；反应结束后，所得棕红色油状物溶于沸腾的绝对乙醇中，滴加70％-72％的高氯酸溶液，生成中间体1；抽滤得到橙色固体，重结晶后得到中间体1，直接用于下一步反应；

2)将中间体1和醋酸铵按摩尔比1∶10-15混合于冰醋酸中，加热至110℃-130℃反应3-5h；反应结束后，倾入冰水混合物中，析出固体，抽滤；粗品经硅胶柱纯化后得到产物2，6-二苯基-4-苯并15冠5-吡啶(DPPB15C5)。

本发明的新型镁离子荧光探针可以应用于生物以及离子检测领域。采用荧光光谱监测手段，探针分子在高氯酸酸性溶液中显示对镁离子的专一性识别，并在紫外灯下具有肉眼可视荧光颜色变化，具有生色传感功能。

本发明中所得固体产品经¹H NMR，ESI-MS，元素分析等手段进行了证明。

本发明具体描述如下：

将DPPB15C5溶于乙腈中制得0.01mM的探针溶液，将Li⁺，Na⁺，K⁺，Mg²⁺，Ca²⁺的高氯酸盐分别加入至上述DPPB15C5的乙腈溶液中，监测溶液的398nm处的荧光光谱变化。在该中性条件下DPPB15C5并没有显示出对镁离子的专一性识别。

向0.01mM DPPB15C5的乙腈溶液中加入20当量的高氯酸溶液后，荧光探针溶液原来的荧光发生了大幅淬灭，这是由于吡啶发生质子化后使其拉电子能力增加，致使探针分子发生了分子内扭曲的电荷转移(TICT)而引起的。再向这个酸性探针溶液中分别加入Li⁺，Na⁺，K⁺，Mg²⁺，Ca²⁺的高氯酸盐，监测溶液的荧光光谱变化。荧光光谱显示只有在加入镁离子后，探针分子的荧光发生了大幅恢复，而其他的离子则变化很小。这个荧光“开-关-开”的过程显示了探针分子对镁离子的专一性识别，并且可以不受钙离子的干扰。

本发明中所设计的镁离子荧光探针，合成路线简单，反应条件温和，后处理简单方便，适于放大合成。对碱金属/碱土金属离子的识别操作也极其简单，并且识别结果便于监测，甚至在紫外灯下肉眼就可以看出其荧光颜色变化。本发明可以作为酸调控的镁离子荧光探针，具有广阔的应用前景。

【附图说明】

图1DPPB15C5的乙腈溶液中加入碱金属/碱土金属离子后的荧光发射光谱。

图2DPPB15C5的乙腈溶液中逐步加入高氯酸后的紫外吸收光谱。

图3DPPB15C5的乙腈溶液中逐步加入高氯酸后的荧光发射光谱。

图4DPPB15C5的酸性乙腈溶液中加入碱金属/碱土金属离子后的荧光发射光谱。

图5DPPB15C5的酸性乙腈溶液中逐步加入镁离子后的荧光发射光谱。

图6紫外灯下本发明对镁离子识别的可视的颜色变化。

【具体实施方式】

下面通过实例对本发明做进一步的说明：

实施例1

本发明涉及的2，6-二苯基-4-苯并15冠5-吡啶(DPPB15C5)按下述方法合成：

1)中间体1的合成

4-醛基苯并15冠5(0.3g，1mmol)，苯乙酮(0.3g，2.5mmol)混合于50ml圆底烧瓶中，60℃水浴下搅拌，慢慢滴加0.2ml三氯氧磷。反应3h后，旋蒸除去过量的三氯氧磷，所得棕红色油状物溶于20ml沸腾的绝对乙醇中，慢慢滴加0.2ml 70％-72％的高氯酸溶液，冷至室温。抽滤得到橙色固体，大量乙醚洗涤，CH₂Cl₂/Et₂O重结晶，得到的橙色晶体再用乙醚洗涤。这样得到中间体0.24g(收率41％)，可以直接用于下一步反应。

2)2，6-二苯基-4-苯并15冠5-吡啶(DPPB15C5)的合成

将中间体1(0.3g，0.5mmol)，醋酸铵(0.39g，5mmol)和5ml冰醋酸混合于25ml圆底烧瓶中，油浴加热至110℃反应3h。反应物冷至室温，加入10g冰水混合物，析出固体，抽滤。粗品经硅胶柱纯化后得到产物DPPB15C50.14g(收率60％)。熔点：162-164℃：¹H NMR(400MHz，CD₃CN，298K)δ3.65-3.70(m，8H)，3.84-3.87(m，4H)，4.16-4.18(m，2H)，4.24-4.26(m，2H)，7.09(d，J＝8Hz，1H)，7.48-7.59(m，8H)，8.07(s，2H)，8.30(d，J＝6.8Hz，4H)；¹³C NMR(CD₃CN)δ69.2，69.7，69.8，70.7，70.8，71.3，71.4，113.5，114.3，117.0，120.6，127.4，128.9，129.2，132.4，139.9，149.8，150.0，150.5，157.7；ESI-MS m/z 498.4[M+H]⁺；元素分析实测值C₃₁H₃₁NO₅：C，74.83；H，6.28；N，2.81.理论值：C，75.14；H，6.48；N，2.54。

实施例2

DPPB15C5中性溶液中加入碱金属/碱土金属离子的荧光光谱变化

将DPPB15C5溶于乙腈中制得0.01mM的探针溶液，将200倍的Li⁺，Na⁺，K⁺，Mg²⁺，Ca²⁺的高氯酸盐分别加入至上述DPPB15C5的乙腈溶液中，监测溶液的荧光发射光谱变化(图1)。探针分子在中性溶液中的发射峰在398nm处，加入各种金属离子后，该发射峰均发生了不同程度的蓝移，并伴随荧光强度的微弱降低。在该中性条件下DPPB15C5并没有显示出对镁离子的专一性识别。

实施例3

DPPB15C5酸性溶液中加入碱金属/碱土金属离子的荧光光谱变化

将DPPB15C5溶于乙腈中制得0.01mM的探针溶液，逐步加入60％高氯酸溶液，紫外吸收光谱上300-400nm之间一个新的吸收峰出现，并随着酸的加入而逐渐增强，荧光光谱上探针在398nm处的发生锋逐渐减弱，当加入20倍的高氯酸后荧光基本淬灭完全(图2，3)。这个荧光淬灭过程是由于吡啶发生质子化后使其拉电子能力增加，致使探针分子发生了分子内扭曲的电荷转移(TICT)而造成的。将200倍的Li⁺，Na⁺，K⁺，Mg²⁺，Ca²⁺的高氯酸盐分别加入至上述DPPB15C5的酸性乙腈溶液中，监测溶液的荧光发射光谱变化(图4)。荧光光谱显示只有在加入镁离子后，探针分子在458nm处的荧光发射峰发生了大幅上升，而加入其他的离子则荧光变化很小。DPPB15C5的酸性乙腈溶液中逐步加入镁离子后的荧光滴定光谱见图5。这是由于镁离子键合在冠醚环后降低了酚氧的给电子能力，从而抑制了TICT过程，造成荧光的大幅上升。在紫外灯下肉眼就可以看出该识别过程的荧光颜色变化(图6)。这个荧光“开-关-开”的过程显示了探针分子对镁离子的专一性识别，并且可以不受钙离子的干扰。

Claims

1.一种镁离子荧光探针，其特征在于采用2，6-二苯基-4-苯并15冠5-吡啶作为探针分子，其化学式为：C₃₁H₃₁NO₅。

2.权利要求1的镁离子荧光探针的制备方法，其特征在于它的合成路线如下：

3.按照权利要求2所述的镁离子荧光探针的制备方法，其特征在于它的制备步骤包括：

2)将中间体1和醋酸铵按摩尔比1∶10-15混合于冰醋酸中，加热至110℃-130℃反应3-5h；反应结束后，倾入冰水混合物中，析出固体，抽滤；粗品经硅胶柱纯化后得到产物2，6-二苯基-4-苯并15冠5-吡啶。