CN101738388B - 一种亲水型荧光铜离子探针的合成方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种亲水型荧光铜离子探针的合成方法，其合成步骤依次为溴代、硝化、芳香烃侧链氧化、插入亲水基团、离去硝基及形成空腔。通过该方法合成的亲水型荧光铜离子探针具有亲水性特点，并具有良好的选择性和灵敏度，检测样品无需前处理或前处理十分简单；定量检出铜离子方法简易可行，目测荧光变化效果好，具有广阔的实用前景。

Description

一种亲水型荧光铜离子探针的合成方法

技术领域

本发明涉及采用在荧光法测定铜离子中使用的铜离子检测试剂及其合成方法，尤其涉及一种亲水型铜离子探针的合成方法。

背景技术

铜是人体及动植物必需的微量元素之一，对机体的新陈代谢有重要的调节作用。但过量摄入铜引起组织中铜贮留、蓄积在肝脏、脑部，可引起组织病变。目前常用铜离子检测方法是铜试剂(DDTC)法、分光光度法、原子吸收法等。这些方法较灵敏，但存在耗时长，检测样品需经前处理，样品易损失使结果偏低等缺点。

荧光法是消除常用方法不足之处的切实可行的方法之一。近年来利用荧光法测定铜离子有不少报道，从文献看大部分都是作者自行合成或使用一些较新颖的荧光试剂，这些试剂具有较高的灵敏度，检出限也较低，但它们的水溶性较差，在使用时需要较复杂的样品前处理过程，实验过程较繁琐。

在设计微量铜离子的检测方法时，检出方法考虑灵敏度、专一性，尽量避免使用大型仪器以及专业实验室和复杂的操作过程。如应用KI、Na₂S测定铜离子，但其灵敏性、专一性不好；使用铜试剂(DDTC)需要抗干扰，操作过程十分繁琐。荧光法不仅方法简便，而且在灵敏度、选择性、响应时间等方面均有其突出优点。由于存在某些自身有荧光的化合物，而多数待测物质本身无荧光，因此可用其对待测物进行标记，结合形成无荧光的络合物来进行测定，可使检出限大大降低，这就是荧光淬灭型探针。

如图1所示，这是现有技术中作为荧光试剂使用的两种化合物a和b，化合物a与Cu²⁺结合减弱了共轭氮原子对荧光团的供电子能力，导致最大发射波长从525nm蓝移到475nm，荧光颜色由黄绿色变为蓝色，可用肉眼直接观测。如图2所示，化合物b基于脱氢和ICT原理的结合，Cu²⁺与受体的作用能诱使共轭氮原子上的氢脱去，增强对荧光团的供电子能力，导致吸收光谱和荧光波长的红移，其最低检测限可达10nmol/L。但化合物a、b的缺点是亲水性能较差，在水溶液体系中对Cu²⁺响应较差。由于金属离子在水中具有更强的溶解作用，且水对识别基团的作用一般也强于有机溶剂，因此，荧光铜离子探针能够亲水，将具有更广泛和更高的使用价值。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种具有良好亲水性的亲水型荧光铜离子探针的合成方法，以克服现有技术存在的不足。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下的技术方案：

一种亲水型荧光铜离子探针的合成方法，该方法如下：

a、溴代：以

作为起始原料，以N，N-二甲基乙酰胺作溶剂，一次性加入NBS，室温，搅拌，6h；

b、硝化：冰乙酸做溶剂，恒压漏斗滴加发烟HNO3，10～15℃，搅拌，4h；

c、芳香烃侧链氧化：冰乙酸做溶剂，一次性加入重铬酸钠，110℃，油浴回流，搅拌，4h；

d、插入亲水基团：无水乙醇做溶剂，一次性加入NH₂CH₂CH₂OCH₂CH₂OH，80℃，水浴回流1h；

e、离去硝基：二甲基甲酰胺做溶剂；一次性加入2-氨基甲基吡啶；室温；

f、形成空腔：乙二醇单甲醚做溶剂，一次性加入2-叔丁氧羰基氨基乙基胺，N₂保护，110℃，回流。

采用上述技术方案，本发明的这种亲水型荧光铜离子探针具有亲水性特点，并具有良好的选择性和灵敏度，检测样品无需前处理或前处理十分简单；定量检出铜离子方法简易可行，目测荧光变化效果好，具有广阔的实用前景。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明：

图1为化合物a和化合物b的分子结构图；

图2为化合物b与铜离子结合示意图；

图3为本发明亲水型荧光铜离子探针分子结构图；

图4为本发明亲水型荧光铜离子探针合成过程图；

图5为本发明亲水型荧光铜离子探针的扫描波长和荧光发射强度关系图；

图6为本发明亲水型荧光铜离子探针与铜离子作用示意图。

具体实施方式

本发明提供一种亲水型荧光铜离子探针(命名为Nth-Cu铜离子探针)，其分子结构式如下：

如图3所示，该Nth-Cu铜离子探针的分子中，分子左侧中间的一个氮原子1形成三个共价键后仍有一对孤对电子，形成了推电子基，而其分子左侧上方的氧原子2为吸电子基，故分子内存在电子转移，使该化合物具有荧光。当铜离子进行络合时，形成以铜离子为中心、氮做配位体的配合物。由氮提供孤对电子，铜离子提供空轨道，形成弱键，阻断了分子内电子的转移，导致荧光猝灭；而分子顶端取代基3增强了分子的水溶性；分子下端的取代基4则增强了分子的酯溶性。

该亲水型荧光铜离子探针按图4所示合成过程合成所得，具体的合成步骤如下：

a、溴代：以

作为起始原料，以N，N-二甲基乙酰胺作溶剂，一次性加入NBS，室温，搅拌，6h；

b、硝化：冰乙酸做溶剂，恒压漏斗滴加发烟HNO3，10～15℃，搅拌，4h；

c、芳香烃侧链氧化：冰乙酸做溶剂，一次性加入重铬酸钠，110℃，油浴回流，搅拌，4h；

d、插入亲水基团：无水乙醇做溶剂，一次性加入NH₂CH₂CH₂OCH₂CH₂OH，80℃，水浴回流1h；

e、离去硝基：二甲基甲酰胺做溶剂；一次性加入2-氨基甲基吡啶；室温；

f、形成空腔：乙二醇单甲醚做溶剂，一次性加入2-叔丁氧羰基氨基乙基胺，N₂保护，110℃，回流。

Nth-Cu铜离子探针的性能实验

将合成后的Nth-Cu铜离子探针配成溶液，溶剂可直接水、乙醇或水与乙醇混合溶液。然后对其性能进行检测，重点在于确定其选择性和灵敏性及其与铜离子浓度之间的定量关系。

实验例1.Nth-Cu铜离子探针的选择性分析

常见的重金属离子对铜离子的检测可能存在干扰，因而要确定合成Nth-Cu铜离子探针在识别铜离子时是否能具备良好的选择性。在10mg/LNth-Cu铜离子探针的水溶液中分别加入PtCl₂、AgNO₃、Hg(NO₃)₂、CuSO₄、ZnSO₄、Co(NO₃)₂、MnSO₄、NiC₂O₄、PbAc₂等固体，然后应用荧光检测仪测定荧光发射强度，手动输入扫描波长范围为450～700nm，激发波长365nm，扫描波长与荧光发射强度关系参见图5，可见Nth-Cu铜离子探针只对铜离子响应。

实验例2.Nth-Cu铜离子探针灵敏度分析

以10mg/L Nth-Cu铜离子探针溶液为标准储存液，分别移取0.1、0.2、0.5、1.0、2.0、5.0、10.0、20.0ml溶液，稀释至100ml，得到0.01、0.01、0.05、0.1、0.2、0.5、1.0、2.0mg/L探针溶液。取样，分别在紫外灯(波长365nm)激发下，目测现象。发现肉眼可感知铜离子探针溶液呈现出明显荧光的浓度是0.5mg/L以上，若浓度低于0.5mg/L目测荧光效果不好。然后在1mg/L铜离子探针溶液中滴加1mg/L硫酸铜溶液。可知Nth-Cu铜离子探针溶液目测灵敏度非常好。若应用荧光检测仪，可检测更低浓度的铜离子，最低可达1×10-7mol/L。

实验例3.荧光淬灭时Nth-Cu铜离子探针与铜离子之间的定量关系分析

等体积加不同浓度的Cu2+溶液时，从N th-Cu铜离子探针荧光的变化，发现铜离子浓度较小时则探针荧光不完全猝灭；当铜离子探针与铜离子物质的量浓度一致或铜离子浓度较大时，荧光完全淬灭。即Nth-Cu铜离子探针与铜离子是1∶1弱键结合，利用此特性可检测铜离子浓度的范围。Nth-Cu铜离子探针与铜离子作用，如图6，框内铜离子的引入形成弱键阻断分子内电子转移导致荧光萃灭。1mg/L铜离子探针溶液物质的量浓度约为1.8×10-6mol/L，等量的铜离子可以使其荧光完全猝灭，则若以等体积混合进行目测，则可检测铜离子为1.8×10-6mol/L或0.3mg/L。

因为铜离子具有极强的极化能力与明显的变形性，有足够的空轨道，具有形成配合物的强烈倾向，从而使Nth-Cu铜离子探针具有极高的灵敏性。由于四个氮原子之间的空间大小只适合铜离子进入，故该探针具有很强的专一性。由于注重了探针的水溶性和脂溶性的平衡，可使该探针能够对水溶液中的铜离子进行测定，还能突破水-油界面，将能实现对细胞中的铜离子的测定。

铜在食品、饲料、茶叶、土壤、水体中广泛存在，这些铜的含量都将影响生态环境以及人体健康。Nth-Cu铜离子探针具有较高的灵敏性与专一性，使用时操作简单，能快速检测铜离子含量，有广泛用途。

应用例1.水体中铜离子浓度的检测

铜污染来源主要有铜矿和冶铜、电镀、金属回收等工厂排出的废水；工业的粉尘、含铜的农药(如硫酸铜、波尔多液以及含高铜的牲畜粪便等)。排放超量的铜离子等引起一系列污染，可导致饮用水中铜的含量严重超标。当水中铜离子浓度达1mg/L时，可使鱼类全部死亡。世界卫生组织将饮用水中铜浓度的安全推荐标准定为不超过2mg/L。由于Nth-Cu铜离子探针亲水性强，易对污水中铜离子含量进行测定，且其对铜离子的目测浓度可达0.3mg/L，可用于水质检测。

应用例2.检测饲料中添加铜的含量

铜可明显促进牲畜的生长，在猪饲料中违规高量添加的现象较为普遍(添加硫酸铜超过250mg/kg)。由于铜离子吸收率较低，排出的铜离子对土壤和水体造成污染。目前英美等国已不提倡在畜禽生产中使用高铜日粮，日本于1997年通过立法形式将仔猪日粮铜限量降至45mg/kg，将肥育猪的日粮铜限量降至10mg/kg。对猪饲料中铜离子的检测可取饲料或猪粪便，溶于水中，充分搅拌后，过滤，取滤液，使用Nth-Cu铜离子探针进行检测。

应用例3.检测茶叶中铜的含量

根据无公害茶叶的国家标准，铜含量不超过60mg/kg，在卫生指标范围内，铜含量越高，表明茶的品质越好。使用Nth-Cu铜离子探针进行检测时，可先取茶叶样品，捣碎，灰化除去有机质，溶于与茶叶等质量的水中，过滤，取滤液，测其铜离子的最高含量和最低含量的范围，另还借用荧光检测仪分析其荧光强度来确定其具体浓度值。

应用例4.检测细胞中铜的含量

对细胞中铜离子的检测则是Nth-Cu铜离子探针的最值得期待的应用。应用Nth-Cu铜离子探针检测铜离子，尤其是跟踪其在化学反应和生命活动中的作用过程就变成一件很有意义的事情。

总之，Nth-Cu铜离子探针荧光强、光学稳定性好；水溶性和脂溶性好；有很好的灵敏性、专一性；且检测样品无需前处理或前处理十分简单，检测简单快捷，据此可建立Nth-Cu铜离子探针荧光淬灭法测定微量铜离子的方法。因此，Nth-Cu铜离子探针具有广阔的实用前景。

Claims (1)

1.一种亲水型荧光铜离子探针的合成方法，该方法如下：

a、溴代：以

作为起始原料，以N，N-二甲基乙酰胺作溶剂，一次性加入NBS，室温，搅拌，6h；

b、硝化：冰乙酸做溶剂，恒压漏斗滴加发烟HNO₃，10～15℃，搅拌，4h；

c、芳香烃侧链氧化：冰乙酸做溶剂，一次性加入重铬酸钠，110℃，油浴回流，搅拌，4h；

d、插入亲水基团：无水乙醇做溶剂，一次性加入NH₂CH₂CH₂OCH₂CH₂OH，80℃，水浴回流1h；

e、离去硝基：二甲基甲酰胺做溶剂；一次性加入2-氨基甲基吡啶；室温；

f、形成空腔：乙二醇单甲醚做溶剂，一次性加入2-叔丁氧羰基氨基乙基胺，N₂保护，110℃，回流。

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