CN102660257A - 吩噻嗪基喹唑啉类荧光离子探针及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及吩噻嗪基喹唑啉类荧光离子探针及其应用，其荧光化学传感器是基于一种吩噻嗪基取代的喹唑啉衍生物，其结构通式如式（I）所示。其中R₁表示氢原子，含1～10个碳原子的烃基、醚、氨基、脂肪类酰胺、酰亚胺或酯基，芳香取代基或杂化芳香取代基。本发明所述的荧光离子探针与其它的大分子荧光探针分子相比具有解雇简单、易于合成等特点，其不但对Cu²⁺有较好的响应和识别效果，而且在有Cu²⁺存在下对Hg²⁺也有很好的识别效果，在不同的条件下能对Hg²⁺和Cu²⁺产生不同的荧光响应，本身具有对离子检测的多功能性，因此还能够设计成离子开光和荧光INH逻辑门。

Description

吩噻嗪基喹唑啉类荧光离子探针及其应用

技术领域

本发明属于荧光离子探针技术领域，具体涉及一类吩噻嗪基喹唑啉类荧光离子探针及其在金属离子检测方面的应用，其在荧光离子开关和逻辑门方面的研究也有着重要的作用。

背景技术

金属离子参与生命活动的诸多过程，能与许多生物分子络合参与生命的代谢过程，对于维持正常的生命活动起着非常重要的作用。例如Cu²⁺，人体里缺了Cu²⁺造血机能就会受到影响，也会造成贫血现象。在人体中，有许多生物化学反应，都要靠酶的催化，人体内至少有11种氧化酶，都含有Cu²⁺。近几年科学家研究结果表明，人体里的铜元素，对人体骨架的形成，有十分重要的作用。铜元素在机体组织发生癌变过程中还起着抑制作用。营养生物学研究证实，人体内微量元素铜的含量为100--150mg。目前人们膳食中铜元素偏低，对身体健康很不利。但是人体对铜的需求量与中毒量十分接近，因此，切不可擅自滥服铜制剂，以预防过量中毒。主要是由重金属离子铜带来的危害。当人体内残存了大量的重金属之后，急易对身体内的脏器造成负担，特别是肝和胆，当这两种器官出现问题后，维持人体内的新陈代谢就会出现紊乱，肝硬化，肝腹水甚至更为严重。印制电路板工业的出产全进程都是离不开“铜”的，在一切的水溶液(或湿法)处置中或多或少都存在着Cu²⁺含量的。因而，在印制电路板出产中的“污染物”的处置，实践上是Cu²⁺含量的处置问题，真正要完全到达Cu²⁺含量≤1.0mg／L的排放要求是很难的。还有一些金属离子对于人体属于有害物质，如Hg²⁺是对人体和环境最具威胁和毒害作用的金属元素之一，这是由于其具有持久性、易迁移性和高度的生物富集性；而且汞及汞盐在工业中使用很广，基于上述原因，环境中汞的检测引起人们的广泛关注，开发研制一种成本低、响应快、易实现、能应用于自然环境和生物体系的新型Cu²⁺和Hg²⁺检测手段显得尤为重要。迄今对于Cu²⁺和Hg²⁺的检测己经发展出多种方法，如原子吸收光谱、原子发射光谱等。然而这些方法有着很多缺点，如样品需要处理、检测不够快速、检测价格昂贵等。在许多重要的应用场合，人们迫切需要快速、准确、低成本并能选择性地分析检测汞的方法，而荧光离子探针技术能较好地满足以上要求。

荧光离子探针技术是近年发展起来的一种新型微量和痕量分析技术。它是把特定的化学物质的种类和浓度变成检测信号来表示。主要是利用光敏感材料与被测物质中的分子、离子或生物物质相互接触时直接或间接地引起光信号的变化，使得很少的化学物质加入体系后，会有放大了许多倍的信号被检出，借此可以获得某种化学物质的浓度。

对荧光离子探针的正确设计与合成，将对荧光离子探针的识别能力和灵敏度起到重要的作用。在荧光离子探针中，在信息输出上采用的发光形式可包括荧光强度的增强或减弱以及荧光峰值波长的位移等。从目前的情况看，作为荧光离子探针的化学物种数量非常有限。这大大妨碍了探针灵敏度的提高，急待发展新的品种。

发明内容

技术问题： 本发明的目的是开发出一种吩噻嗪基喹唑啉类荧光离子探针及其应用主要应在用于Cu²⁺和Hg²⁺分段检测的荧光离子探针，具有高灵敏度、高选择性、重复使用、裸眼识别的Cu²⁺和Hg²⁺荧光离子探针的效果；提供上述荧光离子探针在荧光离子开关和逻辑门方面的研究也有着重要的作用。

技术方案：本发明的吩噻嗪基喹唑啉类荧光离子探针是基于一类用于Cu²⁺和Hg²⁺检测的荧光离子探针，该荧光离子探针的结构通式如式(Ⅰ)表示：

在式(Ⅰ)中所述的R₁可以是氢原子，含1～10个碳原子的烃基、醚、氨基、脂肪类酰胺、酰亚胺或酯基，芳基或杂化芳基。所述的芳基是苯、联苯、萘、苊、蒽、菲、芘、苝、芴或螺芴中的一种；杂环芳基是吡咯、呋喃、噻吩、咔唑、硅芴、磷芴、吖啶或吖啶酮中的一种。

该类荧光离子探针用于Cu²⁺和Hg²⁺的分段检测，而且对多种金属离子有较强的选择性和抗干扰能力，并能实现裸眼识别。

所述的吩噻嗪基喹唑啉类荧光离子探针还可在荧光离子开光和逻辑门方面应用。

有益效果：与现有Cu²⁺和Hg²⁺的荧光离子探针相比，这类荧光离子探针有以下优点：

本发明的基于一类吩噻嗪基喹唑啉类荧光离子探针通过Cu²⁺和Hg²⁺对吩噻嗪基喹唑啉类衍生物光物理、电化学和溶液颜色的影响，实现对Cu²⁺和Hg²⁺的高灵敏度、高选择性、快速响应，并可通过明显的颜色变化实现裸眼识别。该荧光离子探针在荧光离子开关和逻辑门方面的研究也有着重要的作用。

附图说明

图1. 实施例2中，0-1eq Cu²⁺乙腈溶液的加入，ECQP的吸收光谱滴定变化图。

图2. 实施例2中，1-3eq Cu²⁺乙腈溶液的加入， ECQP的吸收光谱滴定变化图。

图3. 实施例3中，随着0-3eq Cu²⁺的乙腈溶液的加入，ECQP的发射光谱滴定变化图(λ_ex=335 nm)。

图4. 实施例5中，ECQP的二氯甲烷溶液对不同金属离子的荧光发射的选择性柱状图。

图5. 实施例7中，Hg²⁺的乙腈溶液的加入，ECQPO的吸收光谱滴定变化图。

图6. 实施例7中，Hg²⁺的乙腈溶液的加入，ECQPO的荧光发射光谱滴定变化图。

图7. 实施例8中，ECQPO对不同金属离子的荧光发射的选择性和抗干扰柱状图。

图8. 实施例10中， ECQP对Cu²⁺和Hg²⁺检测的INH逻辑现象。

具体实施方式

为了更好地理解本发明专利的内容，下面通过具体的实例和图例来进一步说明本发明的技术方案，具体包括合成、性质测定，滴定实验等。这些实施实例只是对本发明的说明，并不限制本发明。

实施例1、化合物ECQP的制备：

称取2.85 g (14.6 mmol) 9-乙基咔唑于三口瓶中，N₂保护下加入16 mL DMF和20 mL 1,2-二氯乙烷，搅拌下自恒压漏斗逐滴滴入16 mL (175 mmol, ρ=1.675) POCl₃，滴加完毕，升温至80 ℃反应8 h，冷却，将反应液倒入水中，稀氨水中和至弱酸性，二氯甲烷萃取，硅胶层析柱纯化，乙醇重结晶得9-乙基-3-甲酰-9H-咔唑2.82 g，为淡黄色固体。Yield: 86.6%. m.p.: 84-85 ^oC. ¹H NMR (CDCl₃, 400MHz) δ (ppm): 1.43-1.47 (t, 3H), 4.34-4.40 (m, 2H), 7.31-7.34 (t, 1H), 7.43-7.46 (d, 2H), 8.52-7.56 (t, 1H), 7.98-8.08 (d, 1H), 8.13-8.15 (d, 1H), 8.58 (s, 1H), 10.08 (s, 1H). GC MS (m/z): 223 (M⁺).

称取1.56 g (7 mmol) 9-乙基-3-甲酰-9H-咔唑，0.95 g (7 mmol) 邻氨基苯甲酰胺和1.46 g (14 mmol) NaHSO₃加入到两口瓶中，N₂保护下加入7 mL N,N-二甲基乙酰胺，升温至150 ^oC搅拌过夜，冷却，将反应液倒入水中，有白色固体析出，抽虑，固体用水洗涤，干燥得2-(9-乙基-9H-咔唑-3-基)喹唑啉-4(3H)-酮。Yield: 99.9%. m.p.: 275-276 ^oC.¹H NMR (CDCl₃, 400 MHz) δ (ppm): 1.46-1.50 (t, 3H), 4.38-4.44 (m, 2H), 7.31-7.34 (t, 1H), 7.43-7.47 (t, 2H), 7.52-7.56 (t, 2H), 7.77-7.81 (t, 1H), 7.85-7.87 (d, 1H), 8.27-8.29 (d, 1H), 8.38-8.43 (t, 2H), 9.07 (s, 1H). GC MS (m/z): 339 (M⁺).

称取6.8 g (20 mmol) 2-(9-乙基-9H-咔唑-3-基)喹唑啉-4(3H)-酮加入两口瓶中，加入60 mL CHCl₃，室温搅拌下加入18 mL (200 mmol, ρ=1.675) POCl₃，升温至60 ^oC搅拌过夜，冷却至室温，减压蒸出CHCl₃，将剩余物倒入水中，稀氨水调节至弱碱性，有淡黄色固体析出，抽虑，用水洗涤固体，干燥得白色3-(4-氯喹唑啉-2-基)-9-乙基-9H-咔唑。Yield: 86.9%. m.p.: 201-202 ^oC. ¹H NMR (CDCl₃, 400 MHz) δ (ppm): 1.47-1.50 (t, 3H), 4.38-4.43 (m, 2H) 7.29-7.33 (t, 1H), 7.42-7.45 (d, 1H), 7.49-7.53 (t, 2H), 7.58-7.62 (d, 1H), 7.88-7.93 (t, 1H), 8.08-8.11 (d, 1H), 8.22-8.24 (d, 1H), 8.27-8.29 (d, 1H), 8.75-8.77 (d, 1H), 9.36 (s, 1H). GC MS (m/z): 357 (M⁺).

称取1.2 g (6 mmol) 吩噻嗪和0.26 g (7 mmol) 65%的NaH与两口瓶，N₂保护下注入5 mL无水DMF，室温搅拌1 h，将1.79 g (5 mmol) 3-(4-氯喹唑啉-2-基)-9-乙基-9H-咔唑溶于30 mL无水DMF中，缓慢滴入反应瓶，滴加完毕，继续室温搅拌过夜。将反应液倒入大量水中，有灰褐色沉淀产生，乙酸乙酯萃取，干燥有机相，浓缩，过柱纯化，浓缩洗脱液得黄色固体0.8g。Yield: 30.8%. ¹H NMR (CDCl₃, 400 MHz) δ (ppm): 1.497-1.533 (t, 3H), 4.433-4.487 (m, 2H), 7.108-7.200 (m, 4H), 7.246-7.261 (t, 1H), 7.305-7.342 (t, 1H), 7.399-7.422 (d, 2H), 7.461-7.481 (d, 1H), 7.511-7.549 (t, 1H), 7.573-7.594 (d, 1H), 7.677-7.700 (d, 2H), 7.722-7.760 (t, 2H), 8.074-8.095 (d, 1H), 8.282-8.301 (d, 1H), 8.858-8.884 (d, 1H), 9.473-9.476 (d, 1H). EI MS (m/z): 521 (M⁺).

实施例2、ECQP紫外吸收光谱滴定实验：

将化合物ECQP配制成2×10^-5 mol/L的二氯甲烷溶液，移取2.5 mL配制的化合物ECQP溶液于荧光比色皿中，每次向比色皿中滴加5μL 1×10^-3 mol/L的 Cu²⁺乙腈溶液，直至达到平衡（即吸收光谱不再明显变化）。未滴加Cu²⁺时，ECQP的吸收光谱中有三个吸收峰，其中245 nm吸收峰属于喹唑啉的特征吸收，而300 nm和344 nm左右的吸收分别属于咔唑和吩噻嗪的特征吸收。当加入0~1 eq Cu²⁺时在410 nm处出现新的吸收峰，且随着Cu²⁺的加入逐渐增强，说明加入的Cu²⁺与ECQP形成了配合物(如附图中图1所示)。当继续滴加Cu²⁺到3 eq时410 nm逐渐减弱，最后消失不见，说明Cu²⁺与ECQP形成了配合物是不稳定的，加入的过量Cu²⁺可以破坏此配合物；同时归属于吩噻嗪的吸收峰(344 nm)逐渐减弱，并且在306 nm处逐渐产生一个新的弱吸收峰，此吸收峰可能属于氧化后的吩噻嗪的吸收(如附图中图2所示)。

实施例3、ECQP荧光光谱滴定实验：

将化合物ECQP配制成2×10^-5 mol/L的二氯甲烷溶液，移取2.5 mL配制的化合物ECQP溶液于荧光比色皿中，每次向比色皿中滴加5μL 1×10^-3 mol/L的 Cu²⁺乙腈溶液，直至达到平衡（即光谱不再明显变化）。未滴加Cu²⁺时，ECQP在二氯甲烷溶液中不发光，随Cu²⁺(0~3 eq)的乙腈溶液的加入，在504 nm处出现一个发射峰，且随着Cu²⁺的加入逐渐增强。可以观察到加入0~1 eq Cu²⁺时，发射峰强度增加缓慢，而加入1~3 eq Cu²⁺时，强度则增加较快，3 eq时达到最大(如附图中图3所示)。

实施例4、ECQP检测极限

检测极限是根据荧光光谱数据计算的。将化合物ECQP配制成2×10^-5 mol/L的二氯甲烷溶液，移取2.5 mL配制的化合物ECQP溶液于荧光比色皿中，不加任何离子，测试该浓度下的样品的荧光强度，并计算该浓度下的标准偏差σ；每次向比色皿中滴加5μL 1×10^-3 mol/L的 Cu²⁺乙腈溶液，测试其滴定图，选择线性较好的浓度范围，以强度为纵坐标，浓度为横坐标作图，线性拟合，Cu²⁺浓度在2×10^-6 M～14×10^-6 M范围内，浓度与荧光强度有较好的线性关系(R=0.995)，直线方程是y=0.00176+0.0054x。根据公式Detection limit=3σ/K ，计算得ECQP对Cu²⁺识别的检测极限是7.85 nM。其中， σ 是空白样品的标准偏差，K是荧光强度与Cu²⁺浓度的直线斜率。

实施例5、ECQP对不同金属离子的选择性实验：

将化合物ECQP配制成2×10^-5 mol/L的二氯甲烷溶液，移取2.5 mL配制的化合物ECQP溶液于样品瓶中。测试化合物ECQP在二氯甲烷溶液(2.0×10^-5mol/L)中对13种金属离子(Ag⁺、Cd²⁺、Co²⁺、Cr³⁺、Cu²⁺、Fe³⁺、Hg²⁺、K⁺、Mg²⁺、Na⁺、Ni²⁺、Pb²⁺、Zn²⁺)的荧光光谱。只有Cu²⁺的加入能够导致504 nm荧光强度大幅度增强，Cr³⁺、Hg²⁺和Fe³⁺只有稍微增强，而加入其它离子时，荧光几乎没有变化。根据荧光光谱504 nm发射峰的相对强度作的ECQP对各种金属离子的选择性柱状图(如附图中图4所示)，可以看到未加入金属离子的溶液几乎不发光加入Cu²⁺后，峰的强度发生了很大的变化，几乎是原来峰强的360倍。说明Cu²⁺的加入对ECQP的溶液光物理性质作用明显，即ECQP对Cu²⁺有较好的识别能力。

实施例6、ECQP对Cu²⁺的识别机理

通过紫外和荧光光谱的实验可以看出，Cu²⁺的加入能够明显改变ECQP的光物理性质。化合物ECQP的光物理性质的显著改变也是由Cu²⁺将吩噻嗪基团上的硫氧化为亚砜所致。我们测试了ECQP加入过量Cu²⁺的核磁和质谱，发现其核磁和质谱都与化合物ECQPO一致。其反应机理如下：ECQP先与少量Cu²⁺反应生成阳离子自由基ECQP^●+，而Cu²⁺则被还原为Cu⁺，测试显示此过程反应迅速，短时间(3 min)内即可反应完全，随后ECQP^●+又与过量Cu²⁺反应生成二价离子ECQP²⁺，在有少量水存在下水解为氧化产物ECQPO。

实施例7、ECQPO对Hg²⁺光谱滴定实验和检测极限的计算：

将化合物ECQPO配制成2×10^-5 mol/L的二氯甲烷溶液，移取2.5 mL配制的化合物ECQPO溶液于荧光比色皿中，每次向比色皿中滴加5μL 1×10^-3 mol/L的Hg²⁺乙腈溶液，直至达到平衡（即吸收光谱和发射光谱不再明显变化）。随着Hg²⁺乙腈溶液的加入，ECQPO二氯甲烷溶液的紫外-可见吸光谱在425 nm处出现新的吸收峰，且随着Hg²⁺的增加逐渐增强，同时284 nm的吸收峰增强而321 nm的吸收峰减弱（如附图中图5所示）。未滴加Hg²⁺时，ECQPO的二氯甲烷溶液在504 nm有一个强的发射，随着Hg²⁺(0~2 eq)的乙腈溶液的加入，峰强度逐渐减弱（如附图中图6所示）。在Hg²⁺浓度为8 μM~20 μM范围内，504 nm处荧光强度符合线性关系，直线方程为y = -23.66x+ 630.89(R= -0.997)，测试空白样品得出三倍标准偏差3σ为3.319，所以检测极限为0.14 μM。

实施例8、ECQPO对不同金属离子的选择和抗干扰性实验以及裸眼识别

将化合物ECQPO配制成2×10^-5 mol/L的二氯甲烷溶液，移取2.5 mL配制的化合物ECQPO溶液于样品瓶中。测试化合物ECQPO在二氯甲烷溶液(2.0×10^-5mol/L)中对13种金属离子(Ag⁺、Cd²⁺、Co²⁺、Cr³⁺、Cu²⁺、Fe³⁺、Hg²⁺、K⁺、Mg²⁺、Na⁺、Ni²⁺、Pb²⁺、Zn²⁺)的荧光发射光谱。根据荧光光谱504 nm发射峰的相对强度作的ECQPO对各种金属离子的选择性和干扰性柱状图(如附图中图7所示)，可以看到未加入金属离子的溶液具有很强的荧光发射；加入Ag⁺、Cd²⁺、Co²⁺、Cr³⁺、Cu²⁺、Fe³⁺、K⁺、Mg²⁺、Na⁺、Ni²⁺、Pb²⁺、Zn²⁺等离子后，峰的位置没有改变，而且峰的强度变化也很小；加入Hg²⁺后，504 nm被完全淬灭。未加入任何离子的空白溶液和加入两倍量的Ag⁺、Cd²⁺、Co²⁺、Cu²⁺、K⁺、Mg²⁺、Na⁺、Ni²⁺、Pb²⁺、Zn²⁺等金属离子时，溶液颜色不发生变化，溶液为无色；加入两倍量的Cr³⁺和Hg²⁺离子后溶液颜色出现明显的变化，由无色变为了黄色。加入两倍量的Fe³⁺离子时，由于离子本身具有颜色，因此溶液颜色微弱变化，显示为两色的叠加。测试加入不同离子在荧光灯(365nm)下的荧光光谱，空白和加入其它除Hg²⁺外的其他离子，溶液都发绿光，只有加入Hg²⁺溶液才不发光。

实施例9、ECQPO对Hg²⁺的识别机理

通过紫外和荧光光谱的实验可以看出，Hg²⁺的加入能够明显改变ECQPO的光物理性质。由紫外吸收曲线和荧光光谱可以看出Hg²⁺与ECQPO形成了一种配合物。通过滴定曲线，确定ECQPO与Hg²⁺的配位数为1:1。为了确定ECQPO 与Hg²⁺配位的位置，我们用核磁滴定推测ECQPO检测Hg²⁺机理是喹唑啉1号氮原子络合了一个汞离子。

实施例10、ECQP对Cu²⁺和Hg²⁺检测的INH逻辑现象

ECQP对Cu²⁺的识别机理的研究发现，ECQP被Cu²⁺氧化为ECQPO，不仅溶液颜色发生较大变化，荧光发射强度也得到了提高，是一个“Turn-on”型化学传感器。该传感器利用ECQP的荧光发射对Cu²⁺和Hg²⁺的这种特殊响应，对实验条件规定阈值,把Cu²⁺和Hg²⁺分别作为两个输入(Input)，504 nm荧光发射强度作为输出(Output)，通过组合可以构成简单的INH逻辑门（如附图中图8所示），实现化学物质控制的逻辑开关。

Claims (5)

1.一种吩噻嗪基喹唑啉类荧光离子探针，其特征在于该荧光离子探针具体是基于吩噻嗪基取代的喹唑啉衍生物，该荧光离子探针的结构通式如式(Ⅰ)表示：

其中，R₁是氢原子，含1～10个碳原子的烃基、醚、氨基、脂肪类酰胺、酰亚胺或酯基，芳基或杂化芳基。

2.根据权利要求1所述的吩噻嗪基喹唑啉类荧光离子探针，其特征在于所述的芳基是苯、联苯、萘、苊、蒽、菲、芘、苝、芴或螺芴中的一种；杂环芳基是吡咯、呋喃、噻吩、咔唑、硅芴、磷芴、吖啶或吖啶酮中的一种。

3.一种如权利要求1或2所述的吩噻嗪基喹唑啉类荧光离子探针在检测金属离子方面的应用。

4.根据权利要求3所述的吩噻嗪基喹唑啉类荧光离子探针在检测金属离子方面的应用，其特征是，所述金属离子为Cu²⁺和Hg²⁺。

5.一种如权利要求1或2所述的吩噻嗪基喹唑啉类荧光离子探针在荧光离子开光和逻辑门方面的应用。

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