CN101817838A

CN101817838A - 镉离子探针及其合成方法

Info

Publication number: CN101817838A
Application number: CN200910046659A
Authority: CN
Inventors: 黎良枝; 段李平; 吴纪舫; 高俊; 潘昊程
Original assignee: Shanghai Qibao High School
Current assignee: Shanghai Qibao High School
Priority date: 2009-02-26
Filing date: 2009-02-26
Publication date: 2010-09-01
Anticipated expiration: 2029-02-26
Also published as: CN101817838B

Abstract

本发明公开了镉离子探针及其合成方法，该镉离子探针铜离子探针采用氟硼二吡咯荧光染料和4-N，N-二乙酰胺醇苯甲醛合成而成，由于4-N，N-二乙酰胺醇苯甲醛具有良好的水溶性，因此该镉离子探针在水溶液中对Cd²⁺表现出高度的选择性和敏感度。

Description

镉离子探针及其合成方法

技术领域

本发明涉及荧光法测定镉离子中使用的镉离子检测试剂及其合成方法，尤其涉及一种镉离子探针及其合成方法。

背景技术

镉(Cadmium)是一种重金属元素，对于生殖、骨骼、肾脏以及神经系统都有不同程度的毒性。镉广泛应用于如电镀、冶金、军工等工业生产过程，甚至也存在磷肥中，这些因素以及镉镍电池的广泛应用导致镉大量分散在环境中，近年来环境中镉含量有明显增加。镉且可通过食物链富集于人体中，危害人体的健康。上世纪40到60年代，因土壤、水源严重镉污染，污染土壤所产稻米含镉量超过1毫克/千克，日本发生的“骨痛病”。据不完全统计，我国镉污染耕地面积超过1.33万公顷，有11处灌区土壤镉含量达到了生产“镉米”(大米中镉含量超过1毫克/千克)的程度，稻田土壤含镉达到5至7毫克/千克，其中包括上海川沙灌区。因此，面对日益严重的环境污染和食品安全问题，有效监测镉离子对于生物化学、环境化学以及医学都有着重大的意义。迄今为止人们已经发明了多种检测办法，如原子吸收光谱、原子发射谱等。然而这些方法可能面临样品需要预处理、检测不够快速、检测价格昂贵、重现率低等缺点。因而急需发展一些新方法来探测各种环境样品、工业废水、食品以及生物组织中的镉含量。应用荧光探针监测环境中的镉的含量，具有方法简单、样品无需复杂的预处理、现象直观、灵敏度高、选择性好以及反应快等优点，而受到普遍重视。

目前，有关镉离子探针的报道很少，除了不适宜生理pH值范围内使用和敏感性较差外，关键问题在于很难区别于镉离子性质相近的锌离子。与其同族的锌离子探针研究相比，镉离子探针还有很多问题需要解决，比如水溶性差、敏感度不好、缺少对Cd²⁺高选择性的受体。这些问题都大大影响Cd²⁺荧光探针的开发以及基于探针的生理与毒理研究。

设计并合成新的性能优越的高灵敏度、高选择性的镉离子荧光探针变得十分有意义。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种水溶性好、高灵敏度、高选择性的镉离子探针，以克服现有技术存在的不足。

为了解决解决上述技术问题，本发明采用如下的技术方案：

一种镉离子探针，其特征在于具有如下结构：

为了合成出上述镉离子探针，本发明所要解决的第二个问题是提供上述镉离子探针的合成方法，该方法如下：

在室温条件下，将取氟硼二吡咯荧光染料和4-N，N-二乙酰胺醇苯甲醛溶解在甲苯和N，N-二甲基甲酰胺的混合溶液中，然后加入哌啶和冰醋酸做催化剂，加热回流，点板跟踪至原料反应完全后，减压蒸发溶剂后，柱层析，减压蒸馏除去溶剂后，得到红棕色产物。

采用上述技术方案，本发明采用的铜离子探针采用氟硼二吡咯荧光染料和4-N，N-二乙酰胺醇苯甲醛合成而成，由于4-N，N-二乙酰胺醇苯甲醛具有良好的水溶性，因此该镉离子探针在水溶液中对Cd²⁺表现出高度的选择性和敏感度。

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FXC镉离子探针的合成设计示意图；

图2为FXC镉离子探针在不同的金属离子溶液中的荧光变化表现示意图；

图3为FXC镉离子探针在不同的金属离子溶液中的荧光变化的统计图表。

图4为FXC镉离子探针对细胞中镉离子检测的荧光显微镜照片。

具体实施方式

本发明提供一种镉离子探针，其结构如下：

如图1所示，上式所述镉离子探针是通过氟硼二吡咯荧光染料和4-N，N-二乙酰胺醇苯甲醛合成而成，因此该镉离子探针命名为“氟硼吡咯-酰胺醇类镉离子探针”(简称“FXC镉离子探针”)。由于4-N，N-二乙酰胺醇苯甲醛具有良好的水溶性，因此该镉离子探针在水溶液中对Cd²⁺表现出高度的选择性和敏感度。

为了合成上述镉离子探针，本发明采用如下方法进行合成：

1、仪器：红外光谱仪、核磁共振仪、质谱仪、紫外光谱仪、荧光光谱仪、熔点仪、标准型pH计、HPLC-MS串联质谱仪、紫外可见分光光度计、荧光分光光度计、紫外灯、磁力控温搅拌器、冷凝管、烧瓶等。

2、试剂：氟硼二吡咯荧光染料、4-N，N-二乙酰胺醇苯甲醛、甲苯、N，N-二甲基甲酰胺、哌啶、冰醋酸、ZnCl₂，Cd(NO₃)₂·4H₂O，CuCl₂·2H₂O，HgCl₂，AgNO₃，Pb(NO₃)₂(以上均为分析纯)、柱色谱硅胶(200～300目)，等。

3、合成过程：在室温条件下，分别称取氟硼二吡咯荧光染料(0.130g，0.37mmol)和4-N，N-二乙酰胺醇苯甲醛(0.260g，0.48mmol)溶解在30毫升的甲苯和30毫升的N，N-二甲基甲酰胺的混合溶液中，加入0.1ml哌啶和0.1ml冰醋酸做催化剂，加热回流，点板跟踪至原料反应完全后，减压蒸发溶剂后，柱层析(CH₂Cl₂/CH₃OH，100∶1，v/v)，减压蒸馏除去溶剂后，得到红棕色的产物(产率35％，熔点：168-169.5℃)。

合成后，对化合物进行测试其结构表征，经试验人员根据FXC镉离子探针¹H NMR谱图、¹³CNMR谱图、HRMS谱图与前文提及的镉离子探针结构进行比对，确定图谱与镉离子探针的结构基本吻合。

为了说明本发明所得到的镉离子探针具有高度的选择性和敏感度，对其进行性能检测。

理想的金属离子探针应具有以下性质：稳定性高、激发波长在可见光区(波长大于400nm)、对金属离子具有很好的选择性和灵敏度、响应快、对细胞pH环境不敏感、具有恰当的脂溶性和水溶性、对细胞毒害作用小等。以下关于本发明合成的FXC镉离子探针性能检测均在24℃测试。

FXC镉离子探针的选择性分析：

在pH＝7.2的HEPES缓冲溶液中，配制浓度为1.0×10^-5mol/LFXC镉离子探针溶液，然后分别加入5.0×10^-5mol/L的FeCl₃、CrCl₃、HgCl₂、ZnCl₂、NiCl₂、CdCl₂、CuCl₂、CoCl₂、Pb(NO₃)₂、AgNO₃，测定荧光光谱的变化(见图2和图3)。发现当分别加入相同当量的各种金属离子时，镉离子较明显地增强探针的荧光，其它重金属离子对探针的荧光强度有微弱的影响。从图3右的黑色柱上可以看出，相对与其他金属离子，Cd²⁺对FXC镉离子探针的荧光强度有更为显著的影响。当Cd²⁺与其他各种离子共存时，FXC镉离子探针仍显现出明显的荧光增强，说明其他离子对FXC镉离子探针识别镉离子的识别行为没有影响。可见FXC镉离子探针对Hg²⁺，Pb²⁺，Ag²⁺，Zn²⁺，Pt²⁺，Cu²⁺，Co²⁺，Ni²⁺等离子不敏感，只对Cd²⁺表现出极好的选择性荧光增强识别。另实验也发现了FXC镉离子探针在混合溶剂中对镉离子的识别有较好的选择性

图2说明：为FXC镉离子探针在不同的金属离子溶液中的荧光变化，荧光变亮的是加入镉离子后的变化(图2左a)，加入其他的金属离子荧光没有明显变化(图2左b)。

FXC镉离子探针的灵敏度分析：

随着镉离子的加入，FXC镉离子探针在563nm的荧光发射强度明显增强，当加入1.5当量Cd²⁺(15μM)时，荧光强度增强了10倍。因为FXC镉离子探针与镉离子络合后成为很好的电子受体，发生PET阻断，从而导致FXC镉离子探针的荧光增强。(该光谱测定的条件：在25℃，中性缓冲水溶液，化合物(1)的浓度为5μm，0，0.12，0.2，0.4，1.0，2.0，4.0，7.0，10.0，20.0，30.0 and 50.0 eq不同浓度的Cd²⁺)。

由此可见，对镉离子的紫外和荧光识别具有较好的线性关系。镉离子对吸收光谱的波长的影响明显，随着镉离子加入浓度的增大，探针的吸光度增大。在镉离子的浓度为0～5.0×10^-5mol·L^-1范围内，随镉离子的浓度增加，1.0×10^-5mol·L^-1的探针在560nm处的吸光度也逐渐增加，最大吸收波长580nm后逐渐下降。与Cd²⁺的浓度达到1∶1以后，进一步增加Cd²⁺浓度溶液的吸收强度基本保持不变。这些光谱行为显示Cd²⁺与探针形成的是1∶1络合物。

FXC镉离子探针在细胞中对镉离子的检测：

试验前一天将细胞(V79-379A中国仓鼠细胞)接种到96孔板中，使之贴壁。

试验时将探针配成一定浓度的浓缩液(10^-2mol/L)溶解在二甲基亚砜中，再定量加入培养液中，使探针在培养液中的浓度达到10^-4mol/L(要确保二甲基亚砜的浓度不超过整体的1％)。然后从培养箱中取出长满单层细胞的96孔板，在超净工作台上将96孔板中的旧细胞培养液弃去，胰酶消化后分别加入一份含有探针的培养液和另一份包含探针与镉离子(探针和镉离子分别为10^-4mol/L)的培养液。将此细胞悬浮液在37℃5％CO₂的条件下培养。

30min后的取出细胞，用PBS液多次清洗细胞以除去残留的培养液，然后将96孔板放在用荧光显微镜拍得细胞下的照片，如图4所示。测定的条件：a、V79细胞加探针后的细胞照片(明场)，b、V79细胞加探针后的细胞照片(暗场)，c、V79细胞加探针后的，同时加入Cd²⁺后三十分钟后的细胞照片。

综上所述，本发明以氟硼二吡咯为荧光母体、4-N，N-二乙酰胺醇苯甲醛为受体合成了一种新型镉离子探针。在不需要复杂的前处理基础上，在水溶液中对Cd²⁺表现出高度的选择性和敏感度，发现它对常见过渡金属和重金属离子(Hg²⁺、Pb²⁺、Ag⁺、Zn²⁺、Pt²⁺、Cu²⁺、Co²⁺、Ni²⁺等)不敏感，只对Cd²⁺表现出极好的选择性荧光增强识别；试验发现该探针与镉离子形成了1∶1的络合物；实验还通过荧光显微镜获取了经添加镉离子的培养液培养后的细胞与探针作用的照片。鉴于该探针的对镉离子的专一选择性和高灵敏度，对水体、细胞中的镉离子有明确的荧光增强响应，可以预见该探针有很好的应用前景。

Claims

1.一种镉离子探针，其特征在于具有如下结构：

2.一种合成权利要求1所述镉离子探针的方法，其特征在于：

在室温条件下，取氟硼二吡咯荧光染料和4-N，N-二乙酰胺醇苯甲醛溶解在甲苯和N，N-二甲基甲酰胺的混合溶液中，然后加入哌啶和冰醋酸做催化剂，加热回流，点板跟踪至原料反应完全后，减压蒸发溶剂后，柱层析，减压蒸馏除去溶剂后，得到红棕色产物。