CN102533255A

CN102533255A - 一种用于Cu2+检测的荧光探针分子及其制备方法与应用

Info

Publication number: CN102533255A
Application number: CN2011104588201A
Authority: CN
Inventors: 易涛; 兰海闯; 刘斌; 余旭东; 刘刻印; 曹新华
Original assignee: Fudan University
Current assignee: Fudan University
Priority date: 2011-12-29
Filing date: 2011-12-29
Publication date: 2012-07-04
Anticipated expiration: 2031-12-29
Also published as: CN102533255B

Abstract

本发明属于金属离子检测的荧光探针技术领域，具体涉及一种用于Cu²⁺检测的荧光离子探针分子及其制备方法与应用。本发明采用在N-正丁基-1，8-萘酰亚胺的4位以席夫碱的形式修饰二氨基马来腈作为探针分子。探针分子在乙腈溶液中没有荧光，探针溶液中加入小于1当量的Cu²⁺水溶液，在360nm光激发下，由于Cu²⁺和探针分子内的氨基和亚氨基作用，光致电子转移(PET)过程被阻断，吸收的能量用于发光，从而发射绿色荧光；当Cu²⁺的浓度大于1当量时，Cu²⁺开始和两个氰基作用，拉电子能力增强，使发射波长蓝移。随着浓度增加，绿光消渐渐失，蓝光渐渐增强。加入其他金属离子没有相应的响应。本发明实现了探针分子对铜离子的专一性识别，并伴随着Cu²⁺浓度的增加，探针有从无荧光-绿色荧光-蓝色荧光相应变化。浓度响应这一独特优势在粒子检测领域具有广阔应用前景。

Description

一种用于Cu2+检测的荧光探针分子及其制备方法与应用

技术领域

本发明属于金属离子检测的荧光探针技术领域，具体涉及一种用于Cu²⁺检测的荧光离子探针分子及其制备方法与应用。

背景技术

荧光探针是在一定的体系内，当一种物质或体系内某一物理性质发生改变时，荧光信号能发生相应改变的分子。金属离子荧光探针提供了一种具有广泛应用价值的检测手段，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不同领域研究者的广泛关注。

荧光离子探针具有其他分析方法如原子吸收光谱、离子选择性电极分析等传统方法无法比拟的优点，即通过荧光强度和颜色的变化直观体现离子的存在和浓度范围，且具有高的灵敏度和选择性。常见的荧光离子探针的识别机理一般包括光诱导电子转移(PET)、分子内电荷转移(ICT)、形成激缔复合物(excimer)和荧光共振能量转移(FRET)等几大类。

萘酰亚胺类化合物具有荧光量子产率高、荧光发射波长适中、斯托克位移大、光稳定好等优点，是荧光分子探针设计中优秀的荧光团。受体部分是为实现对识别客体目标而设计的结构单元，它决定了探针分子识别客体的灵敏度和选择性。二氨基马来腈具有两个配位作用位点且都对铜离子有选择性，只是灵敏度有差异，从而在浓度响应方面具有独特优势。

铜在环境、生物、化学体系中具有重要作用。高浓度的铜短时间会造成胃肠不适，长时间会造成肝肾损坏。因此饮用水中铜的含量的监测尤为重要。铜离子的检测对生命科学、环境化学、化学都有重要意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于Cu²⁺检测的荧光离子探针分子及其制备方法与应用。本发明中所设计的荧光探针分子以二氨基马来腈作为离子受体，萘酰亚胺作为荧光响应基团，通过荧光变化实现了对Cu²⁺的专一性识别和浓度响应。

为实现本发明的目的，本发明公开了一种新型铜离子(Cu²⁺)荧光探针分子，其特征在于：采用在N-正丁基-1，8-萘酰亚胺的4位以席夫碱的形式修饰二氨基马来腈作为探针分子，其化学式：C₂₁H₁₇N₅O₂，结构式为：

本发明还公布了新型铜离子(Cu²⁺)荧光探针分子的制备方法，其特征在于：它的合成路线如下：

新型铜离子(Cu²⁺)荧光探针分子的制备方法包括以下步骤：

1)将4-氰基-氮-正丁基-萘酰亚胺和铝镍合金按摩尔比1∶3混合于甲酸水溶液中。氮气保护下，100-120℃下磁力搅拌3h，冷却后，中和至pH＝6，乙酸乙酯萃取，无水硫酸镁干燥，硅胶柱层析，洗脱液石油醚∶乙酸乙酯＝20∶1，得4-醛基-氮-正丁基-萘酰亚胺；

2)将4-醛基-氮-正丁基-萘酰亚胺和二氨基马来腈按摩尔比1∶1混合与乙腈中，加热回流至全溶，再加入痕量的对甲苯磺酸。待有大量沉淀生成，回流5min冷却后过滤，再用乙腈重结晶后即得最终荧光探针分子。

新型Cu²⁺荧光探针分子在离子检测领域的应用其特征在于采用荧光光谱检测手段，探针分子对Cu²⁺的有专一性识别，并且随Cu²⁺浓度变化，探针发光颜色也有变化。

本发明具体描述如下：将荧光探针分子溶于乙腈中制得0.01mM的溶液，用0至2.8当量的Cu²⁺的水溶液滴定，以360nm光激发，监测425nm和522nm处的荧光光谱变化。0当量探针没有荧光，小于1当量时只有522nm处有荧光，大于1当量时425处有荧光出现，522nm处荧光逐渐消失。检测的机理是：首先探针分子通过与Cu²⁺配位，导致分子内光致电子转移过程(PET)被阻断，522nm发光，随着铜离子浓度增加，又有分子内电荷转移过程(ICT)发生，致使波长蓝移。当向探针溶液中分别加入3当量的其他金属离子时，则变化很小，说明此探针对Cu²⁺有很好的选择性。

本发明中所设计的Cu²⁺荧光探针，打破以前单一的开关型和比率型探针的响应规律，是一种智能型荧光探针。从无荧光到绿色强发射荧光来识别痕量的Cu²⁺的存在，以发射波长的变化来监测Cu²⁺浓度的变化。紫外灯下，肉眼就可以看出其荧光变化，在铜离子检测领域具有领先优势和广阔的应用前景。

附图说明

图1荧光探针分子的乙腈溶液(0.01mM)，滴加0，0.2，0.4，0.6，0.8，1.0当量的Cu²⁺水溶液的荧光光谱图。

图2荧光探针分子的乙腈溶液(0.01mM)，滴加1.0，1.2，1.4，1.6，1.8，2.0，2.2，2.4，2.6，2.8当量的Cu²⁺水溶液的荧光光谱图。

图3荧光探针分子的离子选择性直方图。(探针浓度为0.01mM，离子浓度为探针的3倍)

图4荧光探针分子对不同溶度Cu²⁺响应的荧光照片。(探针浓度为0.01mM)

具体实施方式

下面通过实例进对本发明做一步的说明：

实施例1

本发明涉及的二氨基马来腈和萘酰亚胺组合的探针按下述方法合成：

1)氮气保护下，1.5g 4-氰基-N-正丁基萘酰亚胺，1.6g铝镍合金，15ml甲酸(85％)，5ml去离子水中回流(100℃左右)2.5小时，冷却后，中和至Ph＝6，乙酸乙酯萃取，无水硫酸镁干燥，硅胶柱层析，洗脱液石油醚∶乙酸乙酯＝20∶1，得4-醛基-氮-正丁基-萘酰亚胺，产率50％。HNMR(CDCL3，500HZ，δppm)：10.51(s，1H，)，9.51(d，1H，J＝11.0)，8.75(d，1H，J＝9.0)，8.68(d，1H，J＝9.5)，8.23(d，1H，J＝9.0)，7.94(t，1H，J＝10.5)，4.20(t，2H，J＝9.0)，1.73(m，2H)，1.45(m，2H)，0.99(t，3H，J＝9.0)..¹³CNMR(CDCL3，TMS，500HZ，δppm)：13.8，20.4，30.2，40.5，122.8，127.3，128.6，128.9，129.7，129.9，131.3，131.7，134.7，135.5，163.2，163.8，192.8.ESI-Ms forC₁₇H₁₅NO₃，(M+H⁺)：282.31；found：282.3.

2)0.3g 4-醛基-氮-正丁基-萘酰亚胺，0.1g二氨基马来腈，痕量对甲苯磺酸在30ml乙腈中回流使其全溶，5mine后有大量沉淀生成，冷却后过滤，再用乙腈重结晶后即得最终荧光探针分子，0.35g，产率95％。

¹HNMR(acetone，500HZ，δppm)：9.27(d，1H，J＝10.0)，9.17(s，1H，)，8.67(d，1H，J＝10.0)，8.64(d，1H，J＝0.77)，8.58(d，1H，J＝0.77)，8.01(t，1H，J＝8.41)，7.58(s，2H，)，4.15(t，2H，J＝14.94)，1.72(m，2H，J＝29.98)，1.43(m，2H，J＝29.94)，0.98(t，3H，J＝14.76).¹³CNMR(DMSO，TMS，500HZ，δppm)：14.1，20.2，30.0，40.0，90.0，115.0，123.0，124.2，128.5，128.8，129.1，129.5，130.1，130.8，131.3，136.3，145.0，151.7，160.0，165.0168.0.HRMS for C₂₁H₁₇N₅O₂，(M+Na⁺)：394.1274；Found：394.1294.

实施例2

将荧光探针分子溶于乙腈中制得0.01mM的溶液，用0至2.8当量的Cu²⁺的水溶液滴定，以360nm光激发，监测425nm和522nm处的荧光光谱变化。Cu²⁺离子0量时探针没有荧光，小于1当量时只有522nm处有荧光(图1)，大于1当量时425处有荧光出现，522nm处荧光逐渐消失(图2)。首先探针分子内光致电子转移过程(PET)被阻断，522nm发光，随着铜离子浓度增加，又有分子内电荷转移过程(ICT)，致使波长蓝移425nm。当向探针溶液中分别加入1当量的其他金属离子时，则变化很小(图3)。

以上使用荧光仪监测荧光探针的荧光发射对铜离子浓度的响应变化，达到检测铜离子的目的。利用简易的紫外灯(365nm)，肉眼也可监测到荧光探针的荧光颜色对铜离子浓度的宏观变化。在10个荧光池中将荧光探针分子溶于乙腈中制得0.01mM的溶，再分别加入0，0.25，0.5，0.75，1.0，1.25，1.5，1.75，2.0，2.5当量铜离子。探针分子在乙腈溶液中没有荧光，探针溶液中加入小于1当量的Cu²⁺水溶液，在360nm光激发下，由于Cu²⁺和探针分子内的氨基和亚氨基作用，光致电子转移(PET)过程被阻断，吸收的能量用于发光，从而发射绿色荧光；当Cu²⁺的浓度大于1当量时，Cu²⁺开始和两个氰基作用，拉电子能力增强，使发射波长蓝移。

10个荧光池依次出现了肉眼可辨的无荧光发射，绿色荧光，过渡态，蓝色荧光，从而实现了通过肉眼观察荧光发射的不同来监测铜离子浓度(图4)。

Claims

1.一种用于Cu²⁺检测的荧光探针分子，其特征在于：采用在N-正丁基-1，8-萘酰亚胺的4位以席夫碱的形式修饰二氨基马来腈作为探针分子，其化学式：C₂₁H₁₇N₅O₂，结构式为：

2.一种如权利要求1所述的用于Cu²⁺检测的荧光探针分子的制备方法，其特征在于它的合成路线如下：

3.根据权利要求2所述的新型Cu²⁺荧光探针的制备方法，其特征在于它的具体制备步骤为：

1)将4-氰基-氮-正丁基-萘酰亚胺和铝镍合金按摩尔比1∶3混合于甲酸水溶液中，氮气保护下，100-120℃下磁力搅拌3h，冷却后，中和至pH＝6，乙酸乙酯萃取，无水硫酸镁干燥，硅胶柱层析，洗脱液石油醚∶乙酸乙酯＝20∶1，得4-醛基-氮-正丁基-萘酰亚胺；

2)将4-醛基-氮-正丁基-萘酰亚胺和二氨基马来腈按摩尔比1∶1混合于乙腈中，加热回流至全溶，再加入痕量的对甲苯磺酸，待有大量沉淀生成，再回流5分钟冷却后过滤，再用乙腈重结晶后即得最终荧光探针分子。

4.一种如权利要求1和2所述的荧光探针分子Cu²⁺离子检测领域的应用。

5.根据权利要求4所述的荧光探针分子在Cu²⁺离子检测领域的应用，其特征在于采用荧光光谱检测手段，荧光探针分子对Cu²⁺的有专一性识别，并且随Cu²⁺浓度变化，探针有无荧光发射到绿光发射再到蓝光发射的变化。