CN102659677A - 一种裸眼和荧光比值检测亚硫酸根离子荧光分子探针及合成和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及的是一种裸眼及荧光比值检测亚硫酸根离子荧光分子探针的制备方法以及该荧光分子探针在检测亚硫酸根离子方面的应用。本发明的荧光分子探针以4-羟基萘酰亚胺为原料，在回流的二氯甲烷中与乙酰丙酸缩合而成。合成简便，反应条件温和。本发明所述的探针分子灵敏度较高，荧光性能稳定，合成产率较高，选择性好，响应范围为0-1500μM，检测限为6μM，检测范围宽，检测下限低，并且适合裸眼检测，同时，荧光比率检测避免了单依靠荧光强度的变化来检测离子的off-on型探针因为激发光强度、探针浓度、环境因素所带来的误差，并且探针不受F-，Cl-，Br-，I-，HPO4 2-，SO4 2-，NO3 -，AcO-，ClO4 -，N3 -，HCO3 -等阴离子的影响。即使在干扰离子存在的条件下，探针也对亚硫酸根离子具有很好的响应。使得该荧光分子探针在生物化学，环境科学等领域具有实际的应用价值。
Description
技术领域
本发明涉及的是化学分析检测技术领域，具体涉及一种裸眼及荧光比值检测亚硫酸根离子荧光分子探针的制备方法以及该荧光分子探针在检测亚硫酸根离子方面的应用。
背景技术
在过去的几十年里，亚硫酸盐作为一种重要的添加剂，已经广泛应用在环境工业和食品化学方面。自从1867年，亚硫酸盐碱液已用于造纸行业中生产亚硫酸盐纤维素。在许多食品和饮料产品中，亚硫酸盐作为防腐剂用于抗氧化和抑制细菌生长，从而控制在生产和储存过程中酶或非酶反应的发生。然而，在工业和食品中的亚硫酸盐具有着双重的功效，它既是一种重要的元素，同时它又是一种毒性物质，并且这种潜在的毒性是不容忽视的。亚硫酸盐废水可以强烈地影响污染水体的含氧量，以致损害环境。作为食物添加剂，低含量的亚硫酸盐也可以导致一些人的过敏性反应，如呼吸困难，哮喘，敏感性皮肤和胃肠道反应等症状。同时，过量的亚硫酸盐会破坏食物的味道一些维生素，导致人体慢性健康问题。因此，通过发展高选择性的亚硫酸盐传感技术检测亚硫酸盐浓度来控制摄入量具有十分重要的意义(Cardwell TJ，Christophersen MJ.Determination of sulfur dioxide and ascorbic acid in beveragesusing a dual channel flow injection electrochemical detection system.[J]Analytica Chimica Acta2000；416(1)：105-110.Silva KRB，Raimundo IM，Gimenez IF， Alves OL.Optical sensor for sulfurdioxide determination in wines.[J]Journal of agricultural and food chemistry 2006；54(23)：8697-8701.)。
目前，已经提出的亚硫酸根检测方法包括电化学方法，色谱法，化学发光法，电化学和酶技术联用的方法，但这些传统的方法存在费时，选择性差，处理复杂，仪器昂贵等缺点而不适于检测(Lowinsohn D，Bertotti M.Determination of sulphite in wine by coulometric titration.[J]Food additives and contaminants 2001；18(9)：773-777.Ensafi AA，Karimi-Maleh H.Ferrocenedicarboxylic acid modified multiwall carbon nanotubes paste electrode for voltammetricdetermination of sulfite.[J]International Journal ofElectrochemical Science 2010；5：392-406.)。由于荧光法测定亚硫酸根离子具有操作方便，灵敏度高的特点，荧光探针作为理想的亚硫酸根离子检测方式被人们设计合成出来，Chang等人，报道了一种基于亚硫酸根促进的乙酰丙酸酯脱保护的荧光分子探针(Choi MG，Hwang J，Eor S，Chang SK.Chromogenic and fluorogenicsignaling of sulfite by selective deprotection of resorufin levulinate.[J]Organic Letters 2010；12(24)：5624-5627.)。但是，大部分这些探针设计原理基于荧光强度的增强或减弱，这很大程度上受到探针浓度，激发光强度以及环境的影响，极大的限制了其应用。而基于裸眼检测和荧光比值波长原理设计的亚硫酸根荧光探针还少见报道。
发明内容
对于上述情况，本发明的目的在于提供一种选择性好，灵敏度高，能够裸眼及荧光比值检测亚硫酸根的荧光探针及该荧光探针的应用。
本发明的目的还在于提供一种合成简单、反应条件温和、成本较低的上述荧光探针合成方法。
本发明解决问题采取的技术方案为，一种裸眼检测和荧光比值检测亚硫酸根离子荧光分子探针，具有下列结构通式：
其中：R1为C1-C12的直链烷基或C6-C12芳香基；
本发明使用的裸眼检测和荧光比值检测亚硫酸根离子荧光分子探针，采用乙酰丙酸和4-羟基萘酰亚胺在缩合剂的存在下缩合而成。并且乙酰丙酸酯部分作为识别基团。
本发明代表性的化合物的合成原理，当R1为丁基，其合成路线如上图所示：将4-羟基萘酰亚胺，1，3-二环己基碳二亚胺(DCC)，催化剂4-二甲氨基吡啶，乙酰丙酸加入到二氯甲烷中，回流。然后降温，加入水淬灭反应。二氯甲烷萃取，饱和氯化钠洗涤。无水硫酸钠干燥，柱层析分离得到白色固体即为探针化合物。
本发明的荧光探针还可以采用乙酰丙酸经过和卤代试剂反应生成酰卤后，直接和4-羟基萘酰亚胺反应得到荧光分子探针。反应温度为0℃-30℃；反应中的卤代试剂包括：二氯亚砜、五氯化磷、三氯氧磷、三溴化磷或草酰氯卤代试剂。反应中加入有机碱，包括三乙胺、吡啶、咪唑中一种。
在本说明书的实施例中更详细地说明了该探针的合成和检测方法。本发明的荧光分子探针使用方法没有特殊限制。通常可以将探针分子溶解在乙腈和水溶液(1∶1)中，室温下进行测试。当加入亚硫酸根离子时，由于亚硫酸根离子能选择性的将保护羟基的乙酰丙酸酯基团脱去，变成氧负离子的形式，该探针的分子内电荷转移(ICT)得以恢复，使其在紫外和荧光光谱上产生明显的变化(见下图)。
本发明的裸眼检测和荧光比值检测亚硫酸根离子荧光分子探针的具体特征如下：
该分子荧光探针在乙腈和水(1∶1)中其最大吸收波长在在341nm，荧光光谱波长在414nm，，荧光性能稳定，荧光量子产率较高；当加入亚硫酸根离子时，探针分子在341nm处的吸收峰逐渐下降，同时451nm处出现一个新的吸收峰，探针分子的吸收光谱红移了大约100nm，溶液的颜色由无色变成了黄色；明显的颜色变化也可用于裸眼检测。相应的探针分子在414nm处的发射峰随着亚硫酸根离子的增加逐渐下降，在554nm处出现一个新的发射峰，探针分子的发射光谱红移了大约140nm，其荧光也由蓝色荧光变为黄色荧光。
本发明所述的探针分子灵敏度较高，荧光性能稳定，合成产率较高，选择性好，响应范围为0-1500μM，检测限为6μM，检测范围宽，检测下限低，并且适合裸眼检测，同时，荧光比率检测避免了单依靠荧光强度的变化来检测离子的off-on型探针因为激发光强度、探针浓度、环境因素所带来的误差，并且探针不受F-，Cl-，Br-，I-，HPO4 2-，SO4 2-，NO3 -，AcO-，ClO4 -，N3 -，HCO3 -等阴离子的影响。即使在干扰离子存在的条件下，探针也对亚硫酸根离子具有很好的响应。使得该荧光分子探针在生物化学，环境科学等领域具有实际的应用价值。
附图说明
图1为本发明的荧光探针在50％CH3CN/HEPES体系中，紫外吸收光谱随亚硫酸根离子浓度增加的变化情况，横坐标为波长，纵坐标为吸光度。
图2为本发明的荧光探针在50％CH3CN/HEPES体系中，紫外吸收光谱随加入等浓度不同离子的变化情况，横坐标为波长，纵坐标为吸光度。
图3为本发明的荧光探针在50％CH3CN/HEPES体系中，紫外吸收比值(A451/A341)随加入等浓度不同离子的变化情况，横坐标为离子，纵坐标为吸收比值。
图4为本发明的荧光探针在50％CH3CN/HEPES体系中，紫外吸收光谱随加入亚硫酸根离子与不同共存离子的变化情况，横坐标为波长，纵坐标为吸光度。
图5为本发明的荧光探针在50％CH3CN/HEPES体系中，紫外吸收比值(A1+Na2SO3+anion/A1+Na2SO3)随加入亚硫酸根离子与不同共存离子的变化情况，横坐标为共存离子，纵坐标为加入共存离子前后在451nm处吸收比值。
图6为本发明的荧光探针在50％CH3CN/HEPES体系中，荧光发射光谱随亚硫酸根离子浓度增加的变化情况，横坐标为波长，纵坐标为荧光强度。
图7为本发明的荧光探针在50％CH3CN/HEPES体系中，荧光强度比值(I554/I414)随亚硫酸根离子浓度增加的变化情况，横坐标为亚硫酸根离子的浓度，纵坐标为荧光强度比值。
图8为本发明的荧光探针在50％CH3CN/HEPES体系中，荧光发射光谱随加入等浓度不同离子的变化情况，横坐标为波长，纵坐标为荧光强度。
图9为本发明的荧光探针在50％CH3CN/HEPES体系中，荧光强度比值(I554/I414)随加入等浓度不同离子的变化情况，横坐标为离子，纵坐标为荧光强度比值。
图10为本发明的荧光探针在50％CH3CN/HEPES体系中，荧光发射光谱随加入亚硫酸根离子与不同共存离子的变化情况，横坐标为波长，纵坐标为荧光强度。
图11为本发明的荧光探针在50％CH3CN/HEPES体系中，荧光强度比值(I1+Na2SO3+anion/I1+Na2SO3)随加入亚硫酸根离子与不同共存离子的变化情况，横坐标为共存离子，纵坐标为加入共存离子前后在554nm处荧光强度比值。
图12为本发明的荧光探针的核磁共振氢谱。
具体实施方式
实施例1：分子荧光探针1的制备
4-羟基萘酰亚胺269mg(1mmol)，1，3-二环己基碳二亚胺(DCC)309mg(1.5mmol)，4-二甲氨基吡啶73mg(0.6mmol)，乙酰丙酸150mg(1.3mmol)加入到30mL二氯甲烷中，回流4小时。然后降温，加入20mL水淬灭反应。二氯甲烷萃取三次，饱和氯化钠洗涤。无水硫酸钠干燥，柱层析分离得到白色固体1即为探针化合物165mg(45％)。
1H NMR(400MHz，CDCl3)：δppm＝8.64-8.59(m，2H)，8.37(d，J＝8.8Hz，1H)，7.81(t，J＝7.6Hz，1H)，7.52(d，J＝8.0Hz，1H)，4.18(t，J＝7.6Hz，2H)，3.03-3.01(m，2H)，2.99-2.97(m，2H)，2.27(s，3H)，1.71(s，2H)，1.44(d，J＝7.6Hz，2H)，0.98(t，J＝7.6Hz，3H)
实施例2：分子荧光探针1的制备
4-羟基萘酰亚胺269mg(1mmol)，三乙胺131mg(1.3mmol)，4-二甲氨基吡啶73mg(0.6mmol)，乙酰丙酰氯175mg(1.3mmol)加入到30mL二氯甲烷中，室温搅拌4小时。然后降温，加入20mL水淬灭反应。二氯甲烷萃取三次，饱和氯化钠洗涤。无水硫酸钠干燥，柱层析分离得到白色固体1即为探针化合物158mg(43％)。
1H NMR(400MHz，CDCl3)：δppm＝8.64-8.59(m，2H)，8.37(d，J＝8.8Hz，1H)，7.81(t，J＝7.6Hz，1H)，7.52(d，J＝8.0Hz，1H)，4.18(t，J＝7.6Hz，2H)，3.03-3.01(m，2H)，2.99-2.97(m，2H)，2.27(s，3H)，1.71(s，2H)，1.44(d，J＝7.6Hz，2H)，0.98(t，J＝7.6Hz，3H)
实施例3：裸眼和荧光比值检测亚硫酸根离子荧光探针的应用
将该探针溶于乙腈溶液中，加入相应的阴离子缓冲液，配制成10×10-6M(乙腈∶HEPES缓冲液＝1∶1)的溶液，测试其紫外吸收光谱和荧光光谱变化。图1-图11表明，在紫外光谱和荧光光谱中探针对亚硫酸根离子具有很高的选择性，随着加入亚硫酸根浓度的增加其紫外光谱和荧光光谱明显发生红移，溶液颜色发生改变，明显的颜色变化也适用于裸眼检测，同时荧光由蓝色变为黄色.并且探针不受F-，Cl-，Br-，I-，HPO4 2-，SO4 2-，NO3 -，AcO-，ClO4 -，N3 -，HCO3 -等阴离子的影响。即使在干扰离子存在的条件下，探针也对亚硫酸根离子具有很好的响应。
Claims (10)
1.一种裸眼及荧光比值检测亚硫酸根离子荧光分子探针，其特征是具有下列化学分子结构通式：
其中：R1为C1-C12的直链烷基或C6-C12芳香基。
2.根据权利要求1所述的基于4-羟基萘酰亚胺的裸眼识别和荧光比值检测亚硫酸根离子的荧光分子探针，其特征是：R1为丁基。
3.权利要求1或2所述的荧光分子探针的合成方法，其特征是：以4-羟基萘酰亚胺为原料，在回流的非质子有机溶剂中与乙酰丙酸缩合而成。
4.根据权利要求3所述的荧光分子探针合成方法，其特征在于，缩合过程中所采用的缩合剂包括1，3-二环己基碳二亚胺、N，N’-羰基二咪唑、1-羟基-苯并-三氮唑、1-(3-二甲基氨基丙基)碳化二胺基盐酸盐、2-(7-偶氮-苯并-三氮唑)N，N，N’、或N’-四甲基脲六氟磷酸酯。
5.根据权利要求3所述的荧光分子探针合成方法，其特征在于，所述的非质子有机溶剂包括乙腈、丙酮、二氯甲烷、四氢呋喃、氯仿、二甲基亚砜、或N，N-二甲基甲酰胺。
6.权利要求1或2所述的荧光分子探针合成方法，其特征在于，乙酰丙酸经过和卤代试剂反应生成酰卤后，直接和4-羟基萘酰亚胺反应得到荧光分子探针。
7.根据权利要求6所述的荧光分子探针合成方法，其特征在于，反应温度为0℃-30℃；反应中的卤代试剂包括：二氯亚砜、五氯化磷、三氯氧磷、三溴化磷或草酰氯卤代试剂。
8.根据权利要求6所述的荧光分子探针合成方法，其特征在于，反应中加入有机碱，包括三乙胺、吡啶、咪唑中一种。
9.权利要求2所述的荧光分子探针的合成方法，其特征是：取4-羟基萘酰亚胺，1，3-二环己基碳二亚胺(DCC)，催化剂4-二甲氨基吡啶，乙酰丙酸加入到二氯甲烷中，回流反应完后，降温，加入水淬灭反应；二氯甲烷萃取，饱和氯化钠洗涤。无水硫酸钠干燥，柱层析分离得到白色固体即得荧光分子探针。
10.权利要求1或2所述的荧光分子探针的应用，用于裸眼或荧光比值检测亚硫酸根。
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