CN102432492B

CN102432492B - 氮、氮’-二芘丁酰基赖氨酸及其应用

Info

Publication number: CN102432492B
Application number: CN2011103311526A
Authority: CN
Inventors: 马立军; 严玉华; 曹伟光; 刘佳伦
Original assignee: South China Normal University
Current assignee: South China Normal University
Priority date: 2011-10-27
Filing date: 2011-10-27
Publication date: 2013-11-13
Anticipated expiration: 2031-10-27
Also published as: CN102432492A

Abstract

本发明公开了一种新的化合物——氮、氮’-二芘丁酰基赖氨酸及其制备方法，其化学式如式Ⅰ所示：

Description

氮、氮’-二芘丁酰基赖氨酸及其应用

技术领域

本发明涉及一种新的化合物氮、氮’-二芘丁酰基赖氨酸及其应用。

背景技术

“血铅”、“砷毒”、“镉米”、“铬残渣”等事件频发，让重金属污染成为最受关注的公共事件之一。我国2011年出台的《重金属污染综合防治“十二五”规划》显示，中国将对铅、汞、镉、铬等重金属进行重点防控。重金属污染一直都是十分严重的环境问题，它们进入环境后不会像有机污染物那样在环境中被快速分解，而会长期残留于环境中，产生经久不衰的污染。同时这些污染源又可以通过食物链进入到人体产生富集，从而产生毒性危害人类的健康。在众多重金属污染中，铅污染尤为严重。这是因为所有铅的化合物都具有毒性，它们会对人类的生殖系统、神经系统、免疫系统、心血管系统和肾脏等产生严重的破坏能力，甚至还具有致癌作用。因此，铅污染的检测是非常重要的。而铅污染在生物、环境中的分析和检测，已经成为生命科学、环境化学以及化学等多学科的重要课题。铅污染主要来源于土壤、油漆、蓄电池等商业产品和工业原料，它们主要通过对水源的污染来对人类产生毒害作用。铅污染在水体环境中经常会以二价铅离子的形式存在，因此水体环境下铅离子的检测就具有重要的意义。铅离子的检测方法一般包括原子吸收光谱和等离子体发射光谱、电化学方法、比色法、生物和纳米传感器以及荧光探针等手段。传统的电感耦合等离子体法(ICP)和原子吸收光谱法等方法对于铅离子的检测都是十分有效的工具，但是它们通常需要较多的样品、对仪器设备要求也很高，不适合于实时或原位检测。而荧光探针方法主要是依据铅离子引起荧光探针荧光光谱的特征变化来实现离子的定性分析，而利用荧光性能和离子浓度的关系可以进行离子的定量分析。这种方法不仅方法简便，而且在灵敏度、选择性、响应时间、原位测定以及利用光纤进行远距离检测等方面均具有突出优点，故很容易用于重金属离子的实时或原位检测。

由于荧光探针往往都含有较大的芳香性的荧光基团，因此如何提高其水溶性是本领域所必须面临的问题。因为在水溶液中具有识别功能的荧光探针才具有广泛的应用价值。然而由于水对铅离子具有强的水合能力，同时又具有丰富的氢键作用力，这给水溶液中铅离子荧光探针的研发又增加了难度和挑战。目前已经报道的优秀的水溶液中的铅离子荧光探针多是通过引入水溶性较好的基团来提高其水溶性。另外，由于重金属离子多具有很强的电荷、电子或能量转移能力而经常表现出荧光猝灭性能，在实际检测中它们很容易会对铅离子的检测产生干扰，这也为铅离子荧光探针的开发设置了障碍。

发明内容

本发明的一个目的在于提供一种新的化合物，命名为氮、氮’-二芘丁酰基赖氨酸。

本发明的另一个目的在于提供氮、氮’-二芘丁酰基赖氨酸作为铅离子荧光探针的应用。

本发明的另一个目的在于提供一种基于氮、氮’-二芘丁酰基赖氨酸的铅离子浓度检测方法。

本发明的另一个目的在于提供氮、氮’-二芘丁酰基赖氨酸作为铅离子沉淀剂的应用。

本发明的另一个目的在于提供一种上述氮、氮’-二芘丁酰基赖氨酸的回收方法。

本发明所采取的技术方案是：

氮、氮’-二芘丁酰基赖氨酸，其化学式如式I所示：

氮、氮’-二芘丁酰基赖氨酸的¹H NMR谱(400MHz，DMSO-d₆)中化学位移(ppm)和对应的质子类型归属为：8.331-7.853(m，18H，pyrenyl(H))，4.152(m，1H，-CH-)，3.234(m，4H，PyCH₂-)，3.033(m，2H，-NHCH₂-)，2.243-2.162(m，4H，-NHCOCH₂-)，1.914(m，4H，PyCH₂CH₂CH₂-)，1.689-1.569(m，2H，CHCH₂-)，1.446-1.284(m，4H，-NHCH₂CH₂-+CHCH₂CH₂-)。

氮、氮’-二芘丁酰基赖氨酸的质谱结果：ESI-MS(m/z)：686.14，理论分子量为686.84。

氮、氮’-二芘丁酰基赖氨酸具有以下的性能：它将两个荧光发色团——芘基团设置在赖氨酸分子的两侧用以提供芘特征的聚集体的荧光发射信号，而赖氨酸自身所包含的羧酸和酰胺基团用于提高分子的水溶性，同时起到与铅离子产生配位的作用。

氮、氮’-二芘丁酰基赖氨酸作为铅离子荧光探针的应用。

一种铅离子浓度的检测方法，包括如下步骤：

制作标准曲线：将标准浓度的铅离子溶液加入到氮、氮’-二芘丁酰基赖氨酸溶液中，记录铅离子溶液加入量与氮、氮’-二芘丁酰基赖氨酸溶液的荧光变化量；

将待测液加入氮、氮’-二芘丁酰基赖氨酸溶液中，记录氮、氮’-二芘丁酰基赖氨酸溶液的荧光变化量；

计算得到待测液中铅离子的浓度。

一种铅离子浓度的检测方法，包括将待测液逐步加入已知浓度的氮、氮’-二芘丁酰基赖氨酸溶液中，直至氮、氮’-二芘丁酰基赖氨酸溶液的荧光淬灭量达最大值，根据待测液的加入量及氮、氮’-二芘丁酰基赖氨酸溶液的浓度，计算待测液中铅离子的浓度。

氮、氮’-二芘丁酰基赖氨酸作为铅离子沉淀剂的应用，步骤如下：将氮、氮’-二芘丁酰基赖氨酸溶液加入到含有铅离子的溶液中，搅拌至沉淀完全，将悬浊液进行固液分离，分离出来的固体为氮、氮’-二芘丁酰基赖氨酸与铅离子配合物的沉淀，所得液体为去除了铅离子的溶液。

一种氮、氮’-二芘丁酰基赖氨酸的回收方法，包括将氮、氮’-二芘丁酰基赖氨酸与铅离子配合物的沉淀加入到含有硫化钠的水溶液中，搅拌混合均匀，利用有机溶剂萃取此水溶液，收集有机溶剂层并蒸馏去除有机溶剂，得到氮、氮’-二芘丁酰基赖氨酸。

优选的，上述氮、氮’-二芘丁酰基赖氨酸的回收方法，所述有机溶剂为乙酸乙酯、二氯甲烷、三氯甲烷、苯中的任一种。

本发明的有益效果是：

氮、氮’-二芘丁酰基赖氨酸可以方便地配制成水溶液，用于铅离子浓度检测时，操作更为方便。

铅离子可以使氮、氮’-二芘丁酰基赖氨酸表现出强烈的荧光淬灭，而其他常见重金属离子对氮、氮’-二芘丁酰基赖氨酸的荧光发射强度几乎没有影响，这样可以更为准确的检测出溶液中铅离子含量。

氮、氮’-二芘丁酰基赖氨酸还可以与铅离子在水溶液中发生配位作用，共同产生沉淀，这样可以实现铅离子的分离，减小其危害。

利用硫化钠即可对氮、氮’-二芘丁酰基赖氨酸进行回收，有利于荧光探针的重复利用，环保节能，不会对环境造成影响，对氮、氮’-二芘丁酰基赖氨酸的推广应用具有重要意义。

附图说明

图1是加入不同量的铅离子时氮、氮’-二芘丁酰基赖氨酸(浓度为2.0×10^-5mol/L)的荧光光谱图(激发波长为350nm)；

图2是加入等量的铅离子时氮、氮’-二芘丁酰基赖氨酸溶液(浓度为2.0×10^-5mol/L)产生沉淀的照片；

图3是不同种重金属离子在不同的浓度与氮、氮’-二芘丁酰基赖氨酸(浓度为2.0×10^-5mol/L)作用显示的荧光光谱变化(激发波长为350nm)；

图4是氮、氮’-二芘丁酰基赖氨酸(浓度为2.0×10^-5mol/L)与铅离子产生沉淀前后以及产生沉淀后再加入硫化钠的荧光光谱图(激发波长为350nm)。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明作进一步的说明，但并不局限于此。

实施例1

氮、氮’-二芘丁酰基赖氨酸的合成

氮、氮′-二芘丁酰基赖氨酸的合成路线如式(II)所示，具体合成步骤如下：

(1)赖氨酸甲酯盐酸盐的合成

在圆底烧瓶中加入5.0mL无水甲醇，冰盐浴中冷却5min，向其中缓慢滴加1.0mL二氯亚砜。滴加完毕后，将赖氨酸固体1.0g(6.85mmol)一次性加入到上述二氯甲烷溶液中。此混合体系先在冰盐浴中搅拌10.0min，然后室温下搅拌2h。此后，混合溶液在70-80℃水浴加热下回流30min后冷却至室温。蒸干此溶液中大部分甲醇后，体系中加入40.0mL无水乙醚，有固体物质析出。此混合溶液置于4℃下冷却2h小时，有大量沉淀析出。过滤出沉淀经干燥后得到米白色固体——赖氨酸甲酯盐酸盐，产率96.0％。

赖氨酸甲酯盐酸盐的¹H NMR谱(400MHz，D₂O)中化学位移和对应的质子类型归属为：3.938(t，1H，-CH-)，3.616(s，3H，-OCH₃)，2.774(t，2H，-NHCH₂CH₂-)，1.775(m，2H，CHCH₂-)，1.487(m，2H，-NHCH₂CH₂-)，1.273ppm(m，2H，CHCH₂CH₂-)。

(2)氮、氮′-二芘丁酰基赖氨酸甲酯的合成

取0.10g(0.46mmol)的赖氨酸甲酯盐酸盐加入到30.0mL二氯甲烷中，在此悬浊液中先后加入0.24mL三乙胺(NEt₃)和0.27(0.94mmol)芘丁酸，然后将此混合物在氮气保护下搅拌5min。将此混合物冷却至0℃后向其中同时加入DCC(0.38g，1.8mmol)和HOSu(0.21g，1.8mmol)，而后混合体系置于室温下搅拌16h。使用薄层色谱监测反应进程，待反应完毕后过滤去除掉溶液中的固体。滤液用饱和碳酸氢钠洗涤3次，再用水洗至中性。得到的二氯甲烷溶液用无水硫酸镁干燥后，抽滤并蒸干溶剂得到粗产物用二氯甲烷和乙酸乙酯做展开剂进行硅胶柱色谱分离提纯，得到0.15g棕褐色固体——氮、氮’-二芘丁酰基赖氨酸甲酯，产率约为46.5％。

氮、氮’-二芘丁酰基赖氨酸甲酯的¹H NMR谱(400MHz，DMSO-d₆)中化学位移和对应的质子类型归属为：8.359-7.847(m，18H，pyrenyl(H))，4.236(m，1H，-CH-)，3.598(s，3H，-OCH₃)，3.270(m，4H，PyCH₂-)，3.047(m，2H，-NHCH₂-)，2.263-2.194(m，4H，-NHCOCH₂-)，1.974(m，4H，PyCH₂CH₂CH₂-)，1.726-1.558(m，2H，CHCH₂-)，1.438-1.279(m，4H，-NHCH₂CH₂-+CHCH₂CH₂-).

(3)氮、氮′-二芘丁酰基赖氨酸的合成

取0.1g(0.14mmol)氮、氮’-二芘丁酰基赖氨酸甲酯溶于40.0mL 1.0M的NaOH溶液中，室温搅拌3h。待其全部溶解后，此溶液用乙酸乙酯洗涤多次，用以除去没有完全反应的原料和一些副产物。在水相中加入盐酸至弱酸性(pH约为5.5)，溶液中有白色絮状物产生。再用乙酸乙酯萃取水溶液多次至乙酸乙酯层没有荧光为止，此时水溶液中的产物基本被萃取干净。收集乙酸乙酯层用无水硫酸镁干燥，抽滤并蒸干溶剂，得到的粗产物用乙酸乙酯和甲醇做展开剂进行硅胶柱色谱分离提纯，得到0.047g棕褐色固体——氮、氮’-二芘丁酰基赖氨酸，产率为48.0％。

实施例2

铅离子浓度检测方法

将铅离子的浓溶液滴定到浓度为2.0×10^-5mol/L的氮、氮’-二芘丁酰基赖氨酸水溶液中使得铅离子的浓度分别为0.0、0.1、0.25、0.5、1.0、2.0、3.0、4.0、8.0、12.0、16.0、20.0、40.0μM(×10^-6mol/L)，并分别检测它们在激发波长为350nm下的荧光强度，绘制荧光光谱图，得到的荧光光谱图如图1所示。

随着铅离子的加入，氮、氮’-二芘丁酰基赖氨酸的荧光发射峰逐渐减弱并逐渐有白色的絮状沉淀析出(如图2所示)。当两者浓度比为1∶1时，荧光可以达到最大猝灭，约为94.3％。从图1中可以看出，氮、氮’-二芘丁酰基赖氨酸对铅离子表现了很高的灵敏度，检测限约为0.10μM(×10^-6mol/L)。

重复上述铅离子荧光测定实验，对14种常见重金属离子按类似的方法进行荧光测试，取不同浓度重金属离子存在时氮、氮’-二芘丁酰基赖氨酸荧光发射峰峰值的变化值(I-I₀)/I₀作图，结果如图3所示，其中I₀代表金属离子浓度为0.0μM时氮、氮’-二芘丁酰基赖氨酸的荧光发射峰的强度值，I代表不同浓度的金属离子存在时氮、氮’-二芘丁酰基赖氨酸的荧光发射峰的强度值。

由图3可知，Cd²⁺、Cu²⁺、Hg²⁺等14种重金属离子对氮、氮’-二芘丁酰基赖氨酸的荧光发射性质没有任何影响，只有Pb²⁺可以使氮、氮’-二芘丁酰基赖氨酸表现出强烈的荧光淬灭效应，氮、氮’-二芘丁酰基赖氨酸对铅离子表现出非常高的选择性识别作用。

准确性试验

为了探究以上荧光实验的准确性，将其与等离子体发射光谱(简称ICP)实验结果进行比较，结果如表1和表2所示。

表1氮、氮’-二芘丁酰基赖氨酸与Pb²⁺作用后的ICP实验结果

配置两个标准溶液，其中Pb²⁺含量均为1.00ppm(mg/L)，向其中一个加入1倍量的氮、氮’-二芘丁酰基赖氨酸后此溶液产生白色沉淀，将上述两个标准溶液放置到离心机上做离心处理，取离心后的上层澄清溶液测定ICP实验。由表1可以看出，在加入1倍量的氮、氮’-二芘丁酰基赖氨酸的溶液中测定的Pb²⁺的含量为0.0717ppm。这说明大约93％的Pb²⁺已经和为氮、氮’-二芘丁酰基赖氨酸发生配位作用而被沉淀除去了。而当氮、氮’-二芘丁酰基赖氨酸的浓度增加到2倍时，Pb²⁺浓度只有微弱的下降，说明两者浓度比1∶1已经基本达到了饱和。这与荧光实验测得的结果基本相符。

同样配置两个标准溶液，溶液中Pb²⁺、Cu²⁺和Cd²⁺的含量均为1.00ppm(mg/L)，类似于上述实验操作，实验结果列于表2中，从实验结果可以看出，即使有其他竞争金属离子存在的情况下，氮、氮’-二芘丁酰基赖氨酸仍然对Pb²⁺表现出很高的选择性、仍然能够将Pb²⁺沉淀除去，其他离子几乎没有对氮、氮’-二芘丁酰基赖氨酸高效识别Pb²⁺产生干扰，这大大提高了环境中有害的Pb²⁺的检测以及分离除去的实用性。

表2氮、氮’-二芘丁酰基赖氨酸与Pb²⁺、Cd²⁺、Cu²⁺同时作用的ICP实验结果

实施例3

基于氮、氮’-二芘丁酰基赖氨酸的铅离子沉淀方法

将氮、氮’-二芘丁酰基赖氨酸溶液加入到含有铅离子的溶液中，搅拌至不再有白色絮状沉淀生成，即表明沉淀完全，将悬浊液在10000r/min下离心5min，进行固液分离，分离出来的固体为氮、氮’-二芘丁酰基赖氨酸与铅离子配合物的沉淀，所得液体即为去除了铅离子的溶液。ICP实验结果表明，氮、氮’-二芘丁酰基赖氨酸对溶液中铅离子的去除率达到94％以上。上述操作中，氮、氮’-二芘丁酰基赖氨酸溶液的添加量以能够使溶液中的铅离子沉淀完全为止。

当然，以上固液分离步骤，除了可以离心技术外，在本领域技术人员的理解范围内，还可以采用其他的方法，如过滤。

实施例4

氮、氮’-二芘丁酰基赖氨酸的回收

经过不断地实验探究，发现氮、氮’-二芘丁酰基赖氨酸与Pb²⁺作用后的体系中加入一定量的硫化钠，氮、氮’-二芘丁酰基赖氨酸的荧光强度可以得到很大程度上的恢复，如图4所示，其中(a)代表氮、氮’-二芘丁酰基赖氨酸溶液的荧光光谱，(b)代表氮、氮’-二芘丁酰基赖氨酸溶液中加入1倍量(物质的量的倍数)Pb²⁺的荧光光谱，(c)代表在(b)溶液中再加入100倍(物质的量的倍数)硫化钠以后的荧光光谱。

从图4可以看出，当加入100倍量的硫化钠时，氮、氮’-二芘丁酰基赖氨酸的荧光强度可以恢复到初始状态的82.1％。这说明氮、氮’-二芘丁酰基赖氨酸作为Pb²⁺的荧光探针有着较好的可逆性，这对于荧光探针的回收利用是非常有益处的，也更加有利于实际应用。

具体操作为：

取氮、氮’-二芘丁酰基赖氨酸与铅离子配合物的沉淀，加入到硫化钠水溶液中，搅拌混合均匀，利用10倍体积的乙酸乙酯萃取此水溶液，收集乙酸乙酯层并蒸馏去除乙酸乙酯，得到固体，经过质谱分析，证明即为本发明的氮、氮’-二芘丁酰基赖氨酸。

在本实施例中，氮、氮’-二芘丁酰基赖氨酸与铅离子配合物的沉淀与硫化钠的质量比为1∶8.7，当然，在实际操作中，硫化钠的用量以使得溶液中氮、氮’-二芘丁酰基赖氨酸的荧光强度恢复到最大值为准，或作适当调整，均可实现对氮、氮’-二芘丁酰基赖氨酸的回收。另外，除了可用乙酸乙酯作为萃取剂外，还可采用其他的有机溶剂，如二氯甲烷、三氯甲烷、苯等进行萃取，有机溶剂的用量亦可做适当调整，均可以对氮、氮’-二芘丁酰基赖氨酸进行有效的回收。

以上实施例仅为介绍本发明的优选案例，对于本领域技术人员来说，在不背离本发明精神的范围内所进行的任何显而易见的变化和改进，都应视为本发明的一部分。

Claims

1.氮、氮’-二芘丁酰基赖氨酸作为铅离子荧光探针的应用，所述氮、氮’-二芘丁酰基赖氨酸的化学式如式Ⅰ所示：

Figure 2011103311526100001DEST_PATH_IMAGE002

。

2.一种铅离子浓度的检测方法，包括如下步骤：

制作标准曲线：将标准浓度的铅离子溶液加入到权利要求1所述的氮、氮’-二芘丁酰基赖氨酸溶液中，记录铅离子溶液加入量与氮、氮’-二芘丁酰基赖氨酸溶液的荧光变化量；

计算得到待测液中铅离子的浓度。

3.一种铅离子浓度的检测方法，包括将待测液逐步加入已知浓度的权利要求1所述的氮、氮’-二芘丁酰基赖氨酸溶液中，直至氮、氮’-二芘丁酰基赖氨酸溶液的荧光淬灭量达最大值，根据待测液的加入量及氮、氮’-二芘丁酰基赖氨酸溶液的浓度，计算待测液中铅离子的浓度。

4.权利要求1所述的氮、氮’-二芘丁酰基赖氨酸作为铅离子沉淀剂的应用，步骤如下：将氮、氮’-二芘丁酰基赖氨酸溶液加入到含有铅离子的溶液中，搅拌至沉淀完全，将悬浊液进行固液分离，分离出来的固体为氮、氮’-二芘丁酰基赖氨酸与铅离子配合物的沉淀，所得液体为去除了铅离子的溶液。

5.一种权利要求1所述的氮、氮’-二芘丁酰基赖氨酸的回收方法，包括将氮、氮’-二芘丁酰基赖氨酸与铅离子配合物的沉淀加入到含有硫化钠的水溶液中，搅拌混合均匀，利用有机溶剂萃取此水溶液，收集有机溶剂层并蒸馏去除有机溶剂，得到氮、氮’-二芘丁酰基赖氨酸。

6.根据权利要求5所述一种氮、氮’-二芘丁酰基赖氨酸的回收方法，其特征在于，所述有机溶剂为乙酸乙酯、二氯甲烷、三氯甲烷、苯中的任一种。