CN102250134A - 一种识别氟离子的荧光探针及其制备方法和用途 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光谱检测结合裸眼识别氟离子的探针化合物及试纸。该化合物是以激发态质子转移化合物为母体，经过硅烷基化后形成的新的化合物，其可以用于氟离子的检测，尤其是用于水环境中氟离子的检测，由该化合物制备的浸润试纸快速便捷，检测极限低，且可以根据激发波长的不同，分别选择强度识别与色度识别两种模式，有利于仪器检测和裸眼检测。

Description

一种识别氟离子的荧光探针及其制备方法和用途

技术领域

本发明涉及一类光学检测氟离子的荧光探针，尤其是水环境中的氟离子的荧光探针。

背景技术

生物体中的阴离子在信号传导，维持电荷平衡等多方面起着重要的作用，由此致使对阴离子的检测也尤为重要，氟离子作为生物阴离子中一个重要的成员，其含量的多少对身体健康影响重大。世界卫生组织规定安全饮用水中氟离子的含量不得超过1ppm，长期饮用氟离子浓度过高的饮用水人群常会患有氟斑牙，甚至氟骨病；若饮用水中氟离子的浓度过低则会导致龋齿。

迄今为止，对氟离子荧光探针的设计可分为三大类：第一类：利用与氟离子形成氢键从而改变共轭结构，光学性质来进行检测；第二类：利用与路易斯酸作用检测氟离子；第三类：通过氟离子的特征反应来检测。通常通过第一类和第二类设计原理的到得荧光探针往往会受到其他阴离子的干扰，对定量测量造成一定的困扰；第三类方法虽然在一定程度上解决了前两类方法的缺陷，但是它与前两类方法一样，很难应用于水体系，且不能即时检测。

以上方法在实际检测中都存在着不足，本发明经过理论及实验验证，发现硅烷基化的质子转移化合物可以克服上述氟离子荧光探针所存在的问题，能够快速，定量的检测水溶液中的氟离子，同时还可以将检测试剂做成试纸，更方便使用和携带。

发明内容

本发明的目的之一在于提供一类快速选择性检测氟离子的荧光化合物。

本发明的目的之二在于提供这类荧光探针的制备与应用方法。

本发明的目的之三在于提供由这类化合物所制备的氟离子检测试纸。

本发明提供了式I化合物：

其中，X₁为O或S；X₂，X₃，X₄，X₅，X₆独立的选自CR，N；

取代酰亚胺的位置处于苯并噻唑的间位或者对位；

R₁选自：H、烷基、烷氧基、烯基、炔基、环烷基、芳基、芳氧基、杂芳基、杂环基，上述基团可以被取代基取代；

R₂，R₃，R₄独立地选自：H、烷基、烯基、炔基、芳基、杂芳基，上述基团可以被取代基取代；

R，R₅，R₆，R₇，R₈，R₉，R₁₀独立地选自：H、烷基、烷氧基、卤素、羟基、硝基、氰基、-COR₁₁、-COOR₁₁、CONR₁₂R₁₃、NR₁₂R₁₃、烯基、炔基、环烷基、芳基、芳氧基，上述基团可以被取代基取代；

R₁₁、R₁₂、R₁₃独立地选自：H、烷基或芳基。

所述的烷基代表碳原子数为1-6的直链或支链烷基，例如，甲基、乙基、丙基、丁基、异丁基、叔丁基等，

所述的烯基代表碳原子数为2-6的直链或支链烯基，

所述的炔基代表碳原子数为2-6的直链或支链炔基，

所述的环烷基代表具有3-6个环原子的碳环，

所述的芳基指具有3-14个碳原子的单环或多环芳族基团，代表性的芳基包括：苯基、萘基等；

所述的杂芳基指具有1-4个选自N、S、O杂原子的单环或多环杂芳族基团，代表性的杂芳基包括：吡啶、嘧啶、咪唑、噻唑、吲哚等。

所述的杂环基指具有1-4个选自N、S、O杂原子的饱和或不饱和的单环或多环杂环基团，代表性的杂环基包括：哌嗪、吗啉等。

所述任选取代的取代基为：卤素、羟基、硝基、氨基、氰基、烷基、卤代烷基、烷氧基、卤代烷氧基、烷酰基、芳基、芳氧基、芳酰基、烷氧基羰基、芳氧基羰基等。

本发明优选的技术方案是

其中，X₁为O或S；X₂，X₃，X₄，X₅，X₆独立的选自CR，N；

取代酰亚胺的位置处于苯并噻唑的间位或者对位；

R₁选自：H、烷基、烷氧基、烯基、环烷基、芳基、芳氧基、杂芳基，上述基团可以被取代基取代；

R₂，R₃，R₄独立地选自：H、烷基、芳基，上述基团可以被取代基取代；

R，R₅，R₆，R₇，R₈，R₉，R₁₀独立地选自：H、烷基、烷氧基、卤素、羟基、硝基、氰基、-COR₁₁、-COOR₁₁、CONR₁₂R₁₃、NR₁₂R₁₃、环烷基、芳基等，上述基团可以被取代基取代；

R₁₁、R₁₂、R₁₃独立地选自：H、烷基或芳基。

本发明特别优选的技术方案是

X₁为O或S；

R₂，R₃，R₄独立地选自：H、烷基、芳基；

R₁选自：H、烷基、烷氧基、烯基、芳基、芳氧基，上述基团可以被取代基取代；

R₅，R₆独立的选自：H、烷基、烷氧基、卤素、硝基、氰基、-COR₁₁、-COOR₁₁、CONR₁₂R₁₃、NR₁₂R₁₃、芳基，所述烷基、烷氧基、芳基可以被取代基取代；

R₁₁、R₁₂、R₁₃独立地选自：H、烷基或芳基。

本发明优选的式I化合物选自：

本发明提供了式II所示的化合物，其用作制备式I化合物的中间体：

其中，X₁为O或S；X₂，X₃，X₄，X₅，X₆独立的选自CR，N；

取代酰亚胺的位置处于苯并噻唑的间位或者对位；

R₁选自：H、烷基、烷氧基、烯基、炔基、环烷基、芳基、芳氧基、杂芳基、杂环基，上述基团可以被取代基取代；

R，R₅，R₆，R₇，R₈，R₉，R₁₀独立地选自：H、烷基、烷氧基、卤素、羟基、硝基、氰基、-COR₁₁、-COOR₁₁、CONR₁₂R₁₃、NR₁₂R₁₃、烯基、炔基、环烷基、芳基、芳氧基，上述基团可以被取代基取代；

R₁₁、R₁₂、R₁₃独立地选自：H、烷基或芳基。

本发明优选的式II化合物选自：

X₁为O或S；

R₁选自：H、烷基、烷氧基、烯基、芳基、芳氧基，上述基团可以被取代基取代；

R₅，R₆独立的选自：H、烷基、烷氧基、卤素、硝基、氰基、-COR₁₁、-COOR₁₁、CONR₁₂R₁₃、NR₁₂R₁₃、芳基，所述烷基、烷氧基、芳基可以被取代基取代；

R₁₁、R₁₂、R₁₃独立地选自：H、烷基或芳基。

特别的，本发明优选的式II化合物选自：

本发明还提供了式I(图示以I a为例)化合物的制备方法：

1)无水无氧的条件下，首先将式II化合物与金属钠反应，结束后除去过量的金属，反应温度优选在常温下；

2)往反应体系1)中加入氯硅烷试剂

加热回流；

3)抽除2)中易挥发的组分，并纯化(如经由SiO₂板层析)，最终得到产物。

本发明进一步提供了一种式I化合物的纳米颗粒的制备方法：

1)配置阳离子表面活性剂(如：十六烷基三甲基溴化铵(CTAB))的水溶液，浓度优选为0.5-5mM；

2)配置式I化合物的有机溶液，浓度优选为0.5-5mM；

3)取适量的2)加入到(如注射)一定量的1)中，优选加入到搅拌的1)中，最终配置成式I化合物的纳米颗粒，

本发明还提供了一种利用式I(图示以Ia为例)化合物测定氟离子的方法，示意图如下：

此类氟离子荧光探针的识别基于：式II化合物特有的双重荧光的性能，所述式I化合物只具有一种发光态，其中硅氧键的存在提供了式I化合物与氟离子反应的位点，当向配好的式I化合物的纳米颗粒/水体系中滴加氟离子后，式II化合物被释放，并很快形成纳米颗粒，并发出另外一种颜色的荧光。此时在紫外灯下目测或用荧光光谱仪记录光谱，就可以对氟离子进行识别，且能够根据光谱的变化程度定量氟离子的浓度。

具体过程如下：

1)配置阳离子表面活性剂(如：十六烷基三甲基溴化铵(CTAB))的水溶液，浓度优选为0.5-5mM；

2)配置式I化合物的有机溶液，浓度优选为0.5-5mM；

3)取适量的2)加入到(如注射)一定量的1)中，优选加入到搅拌的1)中，最终配置成式I化合物的纳米颗粒，；

4)取10mL一系列配置好的的化合物I的纳米颗粒，边搅拌边分别加入100μL的Cl^-，Br^-，AcO^-，NO₃ ^-，H₂PO₄ ^-，HSO₄ ^-和F^-的水溶液，20℃时放置30分钟后，开始测量。

当以较短波长激发光激发时，分别测加入各种阴离子的式I化合物的纳米颗粒的荧光光谱，与不加入任何阴离子的式I化合物的纳米颗粒的光谱作比较，发现加入Cl^-，Br^-，AcO^-，NO₃ ^-，H₂PO₄ ^-，HSO₄ ^-时，荧光光谱的位置并没有发生改变，只是在强度上有略微的浮动，这可能是由于各种阴离子的加入影响了体系中的CTAB的稳定；而加入F^-时，体系的荧光光谱发生了很大的变化，其原来的发光逐渐消失，在长波长的位置出现新的发光峰，经对照为化合物II的聚集态的发光。若以长波长激发时，发现加入Cl^-，Br^-，AcO^-，NO₃ ^-，H₂PO₄ ^-，HSO₄ ^-，与不加入阴离子的样品一样，没有荧光，而加入F^-的样品，随着F^-的不断加入，发光光谱由无到有，由弱变强。这说明水体系中此类分子，无论是在强度模式还是在色度模式下对氟离子有快速优异选择性。

本发明还提供了一种式I化合物制备得到的氟离子检测试纸及利用该试纸进行氟离子检测的方法，其制备与检测步骤如下：

1)将式I化合物溶解于有机溶剂(如THF)中，并配置成浓度为1.0-10.0×10^-3

M(优选2.0-5.0×10^-3M)的溶液，

2)将裁剪好的滤纸浸泡入1)的溶液中，取出晾干。

3)配置不同浓度F^-的阳离子表面活性剂(如CTAB)的水溶液，所述阳离子表面活性剂的浓度优选为1~10×10^-3M，更优选为2×10^-3M。

4)将2)制备好的试纸分别浸入3)所配置的溶液中，一段时间(1-10分钟，优选2-8分钟，最优选3分钟)后取出，晾干，紫外灯下肉眼观察或者光谱记录。

本发明的有益效果：

本发明提供了一种新型的硅烷基化质子转移化合物作为氟离子探针。其优点在于：

1)本发明提供的探针分子适用范围广。不仅可以完全适用于水溶液环境，在各种有机试剂中亦可使用，但使用机理存在差别：在水溶中以纳米颗粒的状态存在，识别的原理基于其优异的聚集态的光学性质；而在其他有机溶剂中的识别原理基于单分子的光学性质。

2)本发明提供的探针分子在水溶液中的选择识别性能更加突出，由于化合物优异的聚集态的发光性能，其识别能力在水溶液中更强。

3)本发明提供的探针分子绿色环保，完全适用于水环境且性能优异。

4)本发明提供的探针分子选择性高。化合物对氟离子的检测基于Si原子与F原子的特异反应，不受到其他阴离子的干扰，尤其是不会受到AcO^-和H₂PO₄ ^-的干扰，准确率高。

5)本发明提供的探针分子检测极限低，检测时间短。水溶液中可以在三分钟的时间内检测到低至0.1ppm含量的氟离子，而所制成的氟离子试纸也在三分钟的时间内检测到低至0.5ppm的氟离子，完全符合日常饮用水中氟离子的检测需求。

6)本发明提供的探针分子检测方便，可以紫外灯下肉眼观测。

7)本发明所提供的氟离子试纸准确，简便，快捷，成本低廉，方便日常使用。

附图说明：

图1：本发明实施例3制备的化合物纳米颗粒，随水中氟离子浓度增加的吸收光谱图。

图2：本发明实施例3制备的化合物纳米颗粒，随水中氟离子浓度的增加，在350nm激发光激发下的荧光光谱。

图3：本发明实施例3制备的化合物纳米颗粒，随水中氟离子浓度的增加，在380nm激发光激发下的荧光光谱。

图4：本发明实施例3制备的化合物纳米颗粒，在350nm激发光激发下，对水溶液中不同种类阴离子的识别光谱。

图5：由实施例5所制备的试纸，对不同浓度氟离子的识别照片，及由其光谱图转化而成的色度图。

具体实施方法：

实施例1，制备化合物IIC，其分子结构式为：

其中，X＝S，

其反应路线如下：

将602mg的苯甲酸与972mg的1，1’-羰基二咪唑加入到30ml的甲苯中，氮气保护下，回流搅拌6小时，待反应冷却后，加入2-(5-氨基-2-羟基苯基)苯并噻唑后，继续反应回流6小时。将反应液过滤，分别用CH₂Cl₂和CH₃OH洗涤，烘干即可得到产物。

化合物IIC：¹H-NMR(400MHz，d₆-DMSO)δ11.39(s，1H)，10.32(s，1H)，8.67(s，1H)，8.16(d，J＝7.92Hz，1H)，8.07(d，J＝8.20Hz，1H)，8.00(d，J＝7.80Hz，2H)，7.86(d，J＝3.24Hz，1H)，7.62-7.53(m，4H)，7.46(t，J＝7.52Hz，1H)，7.09(d，J＝8.84Hz，1H).ESI-MS(m/z)：[M+H]⁺347.1.元素分析(C₂₀H₁₄N₂O₂S)：C，69.35％；H，4.07％；N，8.09％，实测：C，69.20％；H，4.20％；N，8.11％.

利用相同的方法合成化合物IIa，其分子结构式为：

其中，X＝S，

化合物IIa：¹H-NMR(400MHz，d₆-DMSO)δ11.67(s，1H)，10.47(s，1H)，8.13(t，J＝8.79Hz，2H)，8.02(d，J＝8.08Hz，1H)，7.97(d，J＝7.31Hz，2H)，7.80(d，J＝1.64Hz，1H)，7.62(d，J＝7.20Hz，1H)，7.57-7.51(m，3H)，7.42(t，J＝8.36Hz，2H).EI-MS(m/z)：346.元素分析(C₂₀H₁₄N₂O₂S)：C，69.35％；H，4.07％；N，8.09％，实测：C，69.20％；H，4.11％；N，8.17％.

实施例2，制备化合物IC，其分子结构式为：

其中，X＝S，

R₄叔丁基

具体反映路线如下：

将350mg的化合物IIC溶解于20ml的THF中，并加入过量的金属钠，常温下搅拌4小时，除去多余的钠后，将剩余悬浊液加入两倍量的叔丁基-2-苯基氯硅烷，搅拌回流过夜，减压抽去易挥发组分，剩余物经由二氧化硅层析板分离，洗脱剂为：THF-cyclohexane(1∶7，v/v)，得到终产物，以上操作均在无水无氧条件下进行。¹H-NMR(400MHz，CDCl₃)δ8.32(s，1H)，8.13(d，J＝8.11Hz，1H)，7.98(d，J＝8.05Hz，1H)，7.77-7.83(m，7H)，7.60(d，J＝8.52Hz，1H)，7.37-7.53(tqq，J＝7.49，6.73，7.06Hz，11H)，6.59(d，J＝9.02Hz，1H)，1.18(s，9H).MALDI-TOF MS(m/z)：[M+H]⁺585.3.元素分析(C₃₆H₃₂N₂O₂SSi)：C，73.94％；H，5.52％；N，4.79％，实测：C，73.03％；H，5.68％；N，4.63％.

利用相同的方法合成化合物Ia，其分子结构式为：

其中，X＝S，

R₄叔丁基

化合物Ia：¹H-NMR(400MHz，CDCl₃)δ9.45(s，1H)，8.18(d，J＝8.00Hz，1H)，8.01(d，J＝7.92Hz，1H)，7.70(d，J＝8.02Hz，1H)，7.59-7.64(m，7H)，7.38-7.47(tqq，J＝7.88，6.53，7.26Hz，11H)，7.19(d，J＝9.02Hz，1H)，1.23(s，9H).MALDI-TOF MS(m/z)：[M+H]⁺585.4.元素分析(C₃₆H₃₂N₂O₂SSi)：C，73.94％；H，5.52％；N，4.79％，实测：C，73.17％；H，5.39％；N，4.72％.

实施例3，化合物IC纳米颗粒的制备：

配置实施例2所合成的化合物IC的THF溶液，浓度为：2.0×10^-3M，同时配置浓度为1mM的CTAB水溶液，取10ml待用；将配置好的化合物IC的THF溶液100μl快速打入搅拌的10ml的CTAB水溶液中，即制得化合物IC的纳米颗粒。

实施例4，利用化合物IC检测氟离子的方法：

取10mL一系列实施例3中配置好的的化合物IC的纳米颗粒(2.0×10^-5M)，边搅拌边分别加入100μL的Cl^-，Br^-，AcO^-，NO₃ ^-，H₂PO₄ ^-，HSO₄ ^-和F^-的水溶液(阴离子的浓度均为0.1M)，20℃时放置30分钟后，测量。

另取10mL一系列实施例3中配置好的的化合物IC的纳米颗粒(2.0×10^-5M)，搅拌下分别加入不同浓度的NaF的水溶液(浓度分别为：0，0.95，1.9，3.8，9.5，19，38，95ppm)，20℃时放置3分钟后，测量。

实施例5，氟离子试纸的制备：

配置实施例2所合成的化合物IC的THF溶液，浓度为：2.0×10^-3M，将裁减好的滤纸条浸入其中，取出晾干待用。

实施例6：实施例5所制备的氟离子试纸的应用：

配置不同浓度的NaF的CTAB(1mM)水溶液(其中NaF的浓度分别为：0，0.95，1.9，3.8，9.5，19，38，95ppm)，将实施例5制备好的试纸分别浸入其中，3min后取出，晾干，紫外灯下肉眼观察试纸的颜色变化。若用365nm的紫外灯下，肉眼可见，随着氟离子浓度的增加，试纸的颜色逐渐由蓝色变为黄色；同时，用光谱仪检测荧光光谱发现短波长的发光峰降低的同时长波长出现了一个发光峰并随着氟离子浓度的增加不断升高，我们将光谱图转化为色度图，此结果更是显而易见。

Claims (10)

1.式I所示的化合物：

其中，X₁为O或S；X₂，X₃，X₄，X₅，X₆独立的选自CR，N；

取代酰亚胺的位置处于苯并噻唑的间位或者对位；

R₁选自：H、烷基、烷氧基、烯基、炔基、环烷基、芳基、芳氧基、杂芳基、杂环基，上述基团可以被取代基取代；

R₂，R₃，R₄独立地选自：H、烷基、烯基、炔基、芳基、杂芳基，上述基团可以被取代基取代；

R，R₅，R₆，R₇，R₈，R₉，R₁₀独立地选自：H、烷基、烷氧基、卤素、羟基、硝基、氰基、-COR₁₁、-COOR₁₁、CONR₁₂R₁₃、NR₁₂R₁₃、烯基、炔基、环烷基、芳基、芳氧基，上述基团可以被取代基取代；

R₁₁、R₁₂、R₁₃独立地选自：H、烷基或芳基。

2.如权利要求1所述的式I化合物，选自：

3.式II所示的化合物，

其中，X₁为O或S；X₂，X₃，X₄，X₅，X₆独立的选自CR，N；

取代酰亚胺的位置处于苯并噻唑的间位或者对位；

R₁选自：H、烷基、烷氧基、烯基、炔基、环烷基、芳基、芳氧基、杂芳基、杂环基，上述基团可以被取代基取代；

R，R₅，R₆，R₇，R₈，R₉，R₁₀独立地选自：H、烷基、烷氧基、卤素、羟基、硝基、氰基、-COR₁₁、-COOR₁₁、CONR₁₂R₁₃、NR₁₂R₁₃、烯基、炔基、环烷基、芳基、芳氧基，上述基团可以被取代基取代；

R₁₁、R₁₂、R₁₃独立地选自：H、烷基或芳基。

4.一种如权利要求1所述的式I化合物的制备方法，包括如下步骤：

1)无水无氧的条件下，首先将权利要求3所述的式II化合物与金属钠反应，反应结束后除去过量的金属钠；

2)向反应体系1)中加入氯硅烷式III，并加热回流；

其中R₂，R₃，R₄如权利要求1中所定义；

3)抽除2)中易挥发的组分，然后纯化，优选用展开剂(如：四氢呋喃-环己烷体系，其体积比为1∶6-1∶8)进行硅胶板层析分离提纯，即得最终产物。

5.一种利用权利要求1或2所述的式I化合物检测氟离子的方法，包括如下步骤：将式I化合物与含有氟离子的体系混合，紫外灯下目测或用荧光光谱仪记录光谱。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：所述式I化合物为纳米颗粒。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：所述式I化合物的纳米颗粒的制备方法包括：

1)配置阳离子表面活性剂(如：十六烷基三甲基溴化铵(CTAB))的水溶液(浓度优选0.5-5mM)；

2)配制式I化合物的有机溶液(浓度优选0.5-5mM)；

3)将适量的2)加入到一定量的1)中，最终配置成式I化合物的的纳米颗粒。

8.一种用权利要求1或2所述的式I化合物制备得到的氟离子检测试纸，其特征在于：将滤纸浸于式I化合物配制的有机溶液中，取出晾干。

9.一种利用权利要求8所述的试纸检测氟离子的方法，其特征在于：向含有氟离子的待测溶液中加入适量的阳离子表面活性剂，例如：CTAB，混合均匀后，将试纸放入其中，之后取出(优选1-30min)，干燥，测试吸收光谱或在紫外灯下目测。

10.权利要求1或2所述的式I化合物用于检测氟离子的用途。

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