CN103131205A

CN103131205A - 罗丹明荧光染料及其制备方法和应用

Info

Publication number: CN103131205A
Application number: CN2013100435831A
Authority: CN
Inventors: 宋锋玲; 折海英; 彭孝军
Original assignee: Dalian University of Technology
Current assignee: Dalian University of Technology
Priority date: 2013-02-04
Filing date: 2013-02-04
Publication date: 2013-06-05
Anticipated expiration: 2033-02-04
Also published as: CN103131205B

Abstract

本发明提供了一种具有通式I的罗丹明荧光染料及其制备方法和应用。

Description

罗丹明荧光染料及其制备方法和应用

技术领域

本发明涉及一类含有硫代酰胺及氮磷杂环戊烷结构的罗丹明荧光染料及其制备方法和用途，该化合物适用于精细化工领域中铜离子的检测。

背景技术

铜在社会生产活动中应用范围非常广泛，例如，以铜作为内芯的导线被广泛应用于电气、轻工、机械、建筑、国防等众多领域。铜的广泛应用导致其在土壤及植物中大量沉积，雨水会把这些沉积的铜带入河流、湖泊及海洋中，进一步造成水系统的污染。其中，自由的二价铜离子被普遍认为是铜对水体环境致毒的主要离子形式，水生生物受Cu²⁺的影响可通过食物链传递进入人体，而当人体内的铜含量过高，就会产生巨大的毒害效应，严重危害人体的健康。因此，对环境中的铜离子进行前期检测具有十分重要的现实意义。

传统的铜检测方法通常有原子吸收光谱法、等离子发射光谱法、固相微萃取-高效液相色谱联用法、X射线荧光法等，但是这些方法往往需要复杂的样品预处理过程，需要经过专门培训的人员进行操作，检测成本较高，因此应用受到很大的限制。

荧光探针具有灵敏度高、选择性好、反应时间快、能够实现可视化检测等特点，受到普遍的重视。虽然用于检测Cu²⁺的荧光分子探针种类繁多，而且也能够达到比较理想的专一选择性，但是其还存在一些亟待解决的问题。首先，Cu²⁺本身具有一定的顺磁性，容易导致荧光的淬灭，所以在设计荧光增强型的荧光探针时会有一定的限制；其次，目前很多的荧光探针都是基于Cu²⁺诱导的罗丹明开环、水解设计的，不能实现可逆循环检测；再次，虽然利用Cu²⁺的氧化还原性质在设计Cu²⁺诱导的氧化还原反应这一方面也是行得通的，且这一类探针基本可以达到专一的选择性，但同样不具有可逆性[J.Fan,X.Liu,et al.Analytica Chimica Acta.2012.735(0):107-113]。所以用于检测Cu²⁺的荧光分子探针在选择性、灵敏度、可逆性、快速响应等几个方面总是无法实现满意的平衡，这就需要更加深入的研究使其各方面的性质更优越，更有利于其在环境检测中的应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一类带有新型识别基团的铜离子探针及其合成方法和应用。

本发明首先提供一种罗丹明荧光染料，该罗丹明荧光染料具有如下通式I：

通式I中：

R₁、R₂、R₃和R₄各自独立地选自H、C_1-6烷基、C_1-6烷基任意取代的苯基、C_1-6烷基任意取代的萘基、卤素、OR₈、N(R₈)₂、氰基、(CH₂CH₂O)_nH、(CH₂)_mCOOM和(CH₂)_mSO₃M；

R₅、R₆和R₇各自独立地选自H、C_1-6烷基、C_1-6烷基任意取代的苯基、C_1-6烷基任意取代的萘基、卤素、巯基、氰基、硝基、杂环基、卤代烷基、烷基氨基、酰氨基、OR₈、N(R₈)₂、(CH₂CH₂O)_nH、(CH₂)_mCOOM和(CH₂)_mSO₃M；

R₈为H、C_1-6烷基、C_1-6烷基任意取代的苯基、C_1-6烷基任意取代的萘基、卤素、氰基、(CH₂CH₂O)_nH、(CH₂)_mCOOM或(CH₂)_mSO₃M；

n为1-6的整数，m为0-6的整数；

M为H、K、Na、Li、NH₄、NH₃R₉、NH₂(R₉)₂、NH(R₉)₃或N(R₉)₄；

R₉为C_1-6烷基或CH₂CH₂OH；

R₁₀为对甲氧基苯基、苯基硫基或甲基硫基；

R₁₁为H或通式II所示基团：

通式II中各取代基的含义同通式I。

另一方面，本发明还提供上述罗丹明荧光染料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

（1）将通式III所示的罗丹明类荧光染料加入醇溶剂中，室温搅拌，使该罗丹明类荧光染料均匀分散于醇溶剂中，再滴加相对于该罗丹明类荧光染料化学计量过量的二乙烯三胺或三乙烯四胺，滴加完毕后，加热，使溶剂回流并反应，直至反应液变为澄清，然后冷却到室温，蒸发去除溶剂，残留物溶于二氯甲烷中，加入少量水进行洗涤或者在残留物中加入少量水，用二氯甲烷萃取，接着无水硫酸钠干燥，过滤，真空干燥后，分离提纯残留物，得到通式IV所示的中间体，

通式III中的R₀为H、甲基或乙基，其它取代基的含义同通式I，

通式IV中的R₁₂为H或通式II’所示基团，通式IV及通式II’中的其它取代基的含义同通式I；

（2）将通式IV所示的中间体、与通式IV所示的中间体等摩尔量的硫化物R₁₀PS₂PS₂R₁₀及甲苯溶剂加入到反应器中，搅拌至固体溶解后，继续搅拌回流12~24小时，蒸去溶剂，分离提纯残留物，得到通式I所示的产物，

硫化物R₁₀PS₂PS₂R₁₀中R₁₀的含义同通式I。

再一方面，本发明还提供上述罗丹明荧光染料在检测土壤铜离子中的应用。

本发明的罗丹明荧光染料的有益效果是：该系列探针化合物检测灵敏度高、选择性好、响应迅速、可逆性好，可用于土壤中铜污染的可视化评估检测。

附图说明

图1是对本发明的荧光探针化合物SRR的紫外吸收强度和荧光发射强度与Cu²⁺浓度的变化关系图。探针化合物SRR的终浓度为10μM，逐渐加入0~200μM的Cu²⁺，测试体系为乙腈溶液。图1a是SRR对Cu²⁺的荧光滴定光谱，图1b是597nm处荧光强度随Cu²⁺浓度增加的变化，激发波长为575nm；图1c是SRR对Cu²⁺的紫外滴定光谱，图1d是575nm处紫外强度随Cu²⁺浓度增加的变化。

图2是用于评价本发明的荧光探针化合物SRR对Cu²⁺选择性的紫外吸收光谱（图2a）及荧光发射光谱（图2b）。荧光探针化合物SRR的终浓度为10μM，Cu²⁺的浓度为50μM，其他常见阳离子的浓度为50μM。

图3是本发明的荧光探针化合物SRR在乙腈溶液中对常见阳离子的抗干扰荧光对比图。荧光探针化合物SRR的终浓度10μM，铜离子和其他常见阳离子的浓度50μM，激发波长为575nm，发射波长为597nm。

图4是本发明的荧光探针化合物SRR在乙腈溶液中对常见阴离子的抗干扰荧光对比图。荧光探针化合物SRR的终浓度10μM，铜离子和其他常见阴离子的浓度50μM，激发波长为575nm，发射波长为597nm。

图5是考察本发明的荧光探针化合物SRR对乙腈溶液中Cu²⁺检测的响应时间。荧光探针化合物SRR的终浓度为10μM，横坐标为加入50μM Cu²⁺后的时间（min），纵坐标为597nm处的荧光强度（激发波长575nm）。

图6是用Cu²⁺及S^2-检验本发明的荧光探针化合物SRR对Cu²⁺识别的可逆过程。荧光探针化合物SRR的浓度为10μM，铜离子浓度为10μM，测试体系为乙腈。淬灭荧光过程是用5μM的Na₂S水溶液漂洗SRR-Cu²⁺的乙腈溶液，重复操作，分别测量体系的紫外吸收强度。

图7是用本发明的荧光探针化合物SRR研究ppb级浓度铜离子与荧光强度的线性关系图。图7a是在SRR（10μM）体系中加入Cu²⁺（0-64ppb）时荧光强度的变化（激发波长575nm，发射波长597nm）；图7b是SRR对Cu²⁺最低检出限的线性拟合。

图8是鉴别本发明的荧光探针化合物SRR在铜离子络合作用下促进“开环”反应的高分辨质谱图，TOF MS:m/z calcd for C₆₉H₇₉CuN₈O₃PS₃ ⁺[M]⁺:1257.45（探针+铜离子的分子量），found:1257.4481。

图9是鉴别本发明的荧光探针化合物SRR和SRR-Cu²⁺的碳核磁共振谱图。

图10是鉴别Cu²⁺和SRR-Cu²⁺的电子顺磁共振谱图。

图11是本发明的荧光探针化合物SRR对铜离子的可视化检测结果。

图12是考察本发明的荧光探针化合物SRR对土壤中铜离子的检测能力。

具体实施方式

本发明所述的罗丹明荧光染料具有如下通式I：

通式I中：

n为1-6的整数，m为0-6的整数；

R₉为C_1-6烷基或CH₂CH₂OH；

R₁₀为对甲氧基苯基、苯基硫基或甲基硫基；

R₁₁为H或通式II所示基团：

通式II中各取代基的含义同通式I。

具体实施方式之一，所述的R₁、R₂、R₃和R₄各自独立地选自氢或乙基，优选乙基。

具体实施方式之二，R₅、R₆和R₇各自独立地选自氢或甲基，优选氢。

进一步优选的具体实施方式，所述的R₁₀为对甲氧基苯基或甲基硫基，优选对甲氧基苯基。

最为优选地，本发明的罗丹明荧光染料为下述化合物SR或化合物SRR：

上述罗丹明荧光染料在其结构中含有的硫代酰胺及磷硫双键结构可特异性识别Cu²⁺，因此该罗丹明荧光染料可作为检测Cu²⁺的优良探针。

本发明进一步提供上述罗丹明荧光染料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤（1）和（2）。

步骤（1）：将通式Ⅲ所示的罗丹明类荧光染料加入醇溶剂中，室温搅拌，使该罗丹明类荧光染料均匀分散于醇溶剂中，再滴加相对于该罗丹明类荧光染料化学计量过量的二乙烯三胺或三乙烯四胺，滴加完毕后，加热，使溶剂回流并反应，直至反应液变为澄清，然后冷却到室温，蒸发去除溶剂，残留物溶于二氯甲烷中，加入少量水进行洗涤或者在残留物中加入少量水，用二氯甲烷萃取，接着无水硫酸钠干燥，过滤，真空干燥后，分离提纯残留物，得到通式IV所示的中间体。

通式III中的R₀为H、甲基或乙基，其它取代基的含义同通式I。

通式IV中的R₁₂为H或通式II’所示基团，通式IV及通式II’中的其它取代基的含义同通式I。

其中III与二乙烯三胺反应时，产物IV的R₁₂为H；而与三乙烯四胺反应时，产物IV的R₁₂为通式II’所示基团。

其中通式III所示的罗丹明类荧光染料优选而不局限于：罗丹明B、罗丹明110、罗丹明6G、罗丹明3GB、罗丹明3GO、罗丹明123等。

所述的胺化合物（二乙烯三胺或三乙烯四胺）可以在市场上直接买到。

所述的醇溶剂优选而不局限于：甲醇、乙醇、丙醇、异丙醇，可以使用其中一种，也可以使用两种以上的混合溶剂。使用这些醇的优点是其沸点不高，回流温度不高，便于进行回流反应，也便于在反应后蒸发脱除。

通式III所示的罗丹明类荧光染料在室温下为固体，当其加入醇溶剂后，需要进行搅拌，优选剧烈搅拌，以使其均匀分散于醇溶剂中，优选完全溶解于醇溶剂中，以利于其与胺化合物的反应。

通式III所述的罗丹明类荧光染料分散或溶解于醇溶剂后，滴加水溶液形式的胺化合物。胺化合物的加入量优选相对于通式III所示的罗丹明类荧光染料过量（摩尔数），以利于反应进行。

胺化合物滴加完毕后，加热使溶剂回流并反应，直至反应液变为几乎澄清。优选加热使溶剂回流并反应的时间为12~24小时。然后将反应液冷却到室温，蒸去溶剂，残留物溶于二氯甲烷中，加入少量水进行3次以上的洗涤或者在残留物中加入少量水，用二氯甲烷萃取，以除去未反应的胺化合物，便于后续提纯。无水硫酸钠干燥后，过滤，真空干燥，所得残留物可通过本领域公知的分离和纯化技术回收，以达到需要的纯度，优选用二氯甲烷/甲醇作为洗脱液进行硅胶柱层析。

步骤（2）：将通式IV所示的中间体、与通式IV所示的中间体等摩尔量的硫化物R₁₀PS₂PS₂R₁₀及甲苯溶剂加入到反应器中，搅拌至固体溶解后，继续搅拌回流12~24小时，蒸去溶剂，分离提纯残留物，得到通式I所示的产物。

硫化物R₁₀PS₂PS₂R₁₀中R₁₀的含义同通式I。

该步骤中的溶剂优选除水甲苯，以利于提高反应产率和减少副产物。

劳森试剂、日本试剂或戴维试剂优选采用市售产品，加入量为与中间体IV等摩尔量，以利于减少副产物。

该步骤优选在惰性气体保护下进行反应，这样可以使产率更高。

反应时间优选24小时。

反应结束后，蒸去溶剂，所得残留物可通过本领域公知的分离和纯化技术回收，以达到需要的纯度，优选用二氯甲烷/甲醇作为洗脱液进行硅胶柱层析。产物通过核磁和高分辨质谱进行表征，R₁₀为对甲氧基苯基时：3.73(s,3H)，其他位置氢的化学位移因罗丹明类染料不同而不同。

劳森试剂、戴维试剂及日本试剂是一类氧硫交换试剂，最常见的应用是将羰基化合物转化为硫羰基化合物，因此常被用作硫代酰胺的制备。此外，早在1995年Shabana,R.等报道了这类试剂与邻苯二胺、邻氨基苯酚反应可用来制备1,3-二氮-2-磷杂环戊烷-2-硫化物（1,3,2-diazaphosphole-2-sulfde）[Shabana,R.and S.S.Atrees,Phosphorus,Sulfur Silicon Relat.Elem.1995.105:57-62.]；2005年Shen,X.-Q.等合成了类似分子，并对其单晶结构进行了详尽的解析[Shen,X.-Q.,H.-L.Liu,et al.Chin.J.Struct.Chem.2005.24:1211-1216.]；2010年Seijas,J.A.等利用微波反应法也同样合成了上述化合物，该方法在微波照射下只需1分钟即可完成，但却要在190度的高温下进行[Seijas,J.A.,M.P.Vazquez-Tato,et al.Tetrahedron.2010.66:8210-8213]。目前这些文献中报道的参与反应的氨基均为邻苯二胺并且都是伯胺，而本发明中采用甲苯为溶剂，用含有酰胺羰基及烷基仲胺的化合物与劳森试剂、戴维试剂或日本试剂反应，在酰胺转化为硫代酰胺的同时生成了1,3-二氮-2-磷杂环戊烷-2-硫化物，此合成方法目前还没有文献报道。

本发明中使用的各种原料均可市售获得，或者可通过本领域技术人员采用公知的方法或现有技术中公开的方法由本领域公知的原料简单地制备得到。

应认识到，本发明荧光染料中的各种取代基有一些可在上述步骤进行之前或刚完成后，通过标准的芳族取代反应来引入或通过常规的官能团修饰来产生，这都包括在本发明的方法中。这种反应和修饰包括例如取代基通过芳族取代反应的引入、取代基的还原、取代基的烷基化和取代基的氧化，用于这些过程的试剂和反应条件是化学领域公知的。芳族取代反应的具体实例包括用浓硝酸引入硝基，用例如酰卤和路易斯酸（如三氯化铝）在Friedel Crafts条件下引入酰基，用烷基卤和路易斯酸（如三氯化铝）在Friedel Crafts条件下引入烷基，和引入卤素基团。修饰的具体实例包括通过例如用镍催化剂进行催化氢化或者用铁在盐酸存在下进行加热处理，将硝基还原成氨基；将烷硫基氧化成烷基亚磺酰基或烷基磺酰基。

除另有说明外，本文中使用的术语具有以下含义。

本文中使用的术语“烷基”包括直链烷基和支链烷基。如提及单个烷基如“丙基”，则只特指直链烷基，如提及单个支链烷基如“异丙基”，则只特指支链烷基。例如，“C_1-6烷基”包括C₆烷基、C₅烷基、甲基、乙基、正丙基、异丙基和叔丁基。类似的规则也适用于本说明书中使用的其它基团。本文中使用的术语“卤素”包括氟、氯、溴和碘。

另一个方面，本发明还提供上述罗丹明荧光染料在检测土壤铜离子中的应用。具体而言，例如可以采用如下方法检测土壤铜离子：将烘干的土壤分散于乙腈中制成分散液，搅拌过夜，滤去不溶物，得到含铜样品；将作为探针化合物的罗丹明荧光染料溶于DMSO配制成浓度为10mM的探针母液，再以10μM的终浓度加入到含铜样品中，检测荧光信号；将得到的荧光信号带入到预先制备的铜离子浓度-荧光信号的标准曲线方程中，即可算出土壤铜离子含量。

本发明的罗丹明荧光染料是我们首次合成的基于硫代酰胺及1,3-二氮-2-磷杂环戊烷-2-硫化物结构络合Cu²⁺的罗丹明类系列荧光增强型分子探针，该分子探针具有如下优点：

（1）该分子探针对铜离子有单一选择性（在识别铜离子的同时可将二价铜还原为一价铜），具有较强的抗干扰能力。

（2）该分子探针的激发和发射光谱在可见区，荧光量子产率高，可用于实现荧光及比色两种可视化方式对铜离子进行检测。

（3）该分子探针的设计是基于铜离子对硫化物强的亲核力而络合诱导探针分子开环，该分子探针本身的荧光强度几乎为零，加入铜离子后，荧光增强可达到600倍左右，即该分子探针络合铜离子前后荧光发射约有600倍的增强。

（4）该分子探针灵敏度高，在ppb级浓度铜离子存在下荧光有明显的增强，最低可以检测到5ppb的铜离子，并且荧光强度增加与铜离子的浓度呈现良好的线性关系。

（5）该基于罗丹明荧光染料分子中螺环的“开-闭”性质设计的分子探针很好地解决了铜离子淬灭荧光的难题，识别过程可逆，在加入铜离子及硫化物反复4次后，紫外强度并未发生明显变化。

（6）该分子探针与铜离子的识别响应非常迅速，可以在5min内完成。

（7）该分子探针对溶剂极性不敏感，并且化学/光稳定性好。

这些特点可以解决通常Cu²⁺探针淬灭荧光、促进水解不可逆及响应时间长的弊端，该探针化合物在土壤中铜污染的前期检测中具有潜在的应用价值。

实施例

下述非限制性实施例可以使本领域的普通技术人员更全面地理解本发明，但不以任何方式限制本发明。

实施例1：荧光探针化合物SRR的合成

（1）中间体RR的合成

在250ml单口烧瓶中，将罗丹明B(9.8g，20.42mmol)溶解于150ml乙醇中。剧烈搅拌下，滴加纯的三乙烯四胺15ml(过量)，氮气保护下回流反应24h。溶液颜色从粉红色变为无色，冷却到室温，减压蒸去溶剂，加入少量水，然后用二氯甲烷萃取，无水NaSO₄干燥，过滤，真空干燥后，硅胶柱色谱分离，洗脱剂为二氯甲烷/甲醇（v/v，300:1），色谱柱分离得到1.456g目标产物。¹HNMR(400MHz,CDCl₃,25°C,TMS),δ:7.73(d,J=7.4Hz,2H),7.51–7.27(m,2H),7.26(m,4H),7.08(d,J=7.5Hz,4H),6.47–6.25(m,8H),3.34(m,J=14.1,7.0Hz,20H),2.85(t,J=14.1,7.0Hz,4H),1.28(t,J=15.5Hz,4H),1.16(t,J=7.0Hz,24H);¹³C NMR(100MHz,CDCl₃),δ:190.37,153.30,150.78,149.13,138.37133.55,132.15,128.61,128.31,124.80,123.21,113.07,108.16,103.64,97.97,77.27,77.01,76.69,73.33,55.13,44.37,12.65ppm;TOF MS:m/z calcd for C₆₂H₇₅N₈O₄ ⁺[M+H]⁺:995.58,found:995.5858。

（2）探针SRR的合成

将中间体RR(1.456g,1.46mmol)和劳森试剂(0.592g,1.47mmol)加入250mL的单口烧瓶中，加入100mL甲苯,剧烈搅拌固体溶解后，在氮气保护下回流反应24h，减压蒸去溶剂。硅胶柱色谱分离，洗脱剂为二氯甲烷/甲醇(v/v，330:1)，得到白色固体SRR(325mg,收率:18.6%)。¹H NMR(400MHz,CDCl₃),δ:8.08(d,2H),7.54(dd,J=13.1,8.5Hz,2H),7.51-7.36(m,4H),7.04(d,J=6.4Hz,2H),6.68(d,J=7.2Hz,2H),6.34(s,4H),6.22(d,J=8.8Hz,4H),6.03(t,J=7.5Hz,4H),3.73(s,3H),3.46(t,4H),3.33(q,18H),3.06(t,2H),2.61(t,2H),2.43(t,2H),1.55(d,J=11.8Hz,H₂O),1.19(t,J=19.9Hz,24H);¹³C NMR(100MHz,CDCl₃),δ:190.37,153.30,150.78,149.13,138.37133.55,132.15,128.61,128.31,124.80,123.21,113.07,108.16,103.64,97.97,77.27,77.01,76.69,73.33,55.13,44.37,12.65ppm;TOF MS:m/z calcd forC₆₉H₈₀N₈O₃PS₃ ⁺[M+H]⁺:1195.52,found:1195.5253。

实施例2：荧光探针化合物SR的合成

（1）中间体R的合成

在250ml单口烧瓶中，将罗丹明6G(9.8g，20.42mmol)溶解于150ml热乙醇中。剧烈搅拌下，滴加纯的二乙烯三胺6.7ml(过量)，氮气保护下回流反应24h。溶液颜色从粉红色变为无色，冷却到室温，减压蒸去溶剂，加入少量水，然后用二氯甲烷萃取，无水NaSO₄干燥，过滤，真空干燥后，硅胶柱色谱分离，洗脱剂为二氯甲烷/甲醇（v/v，15:1），色谱柱分离得到R（2.488g，收率:24.9%）。¹H NMR(400MHz,CDCl₃,25°C,TMS),δ:7.90(t,1H),7.43(t,2H),7.01(t,1H),6.32(s,2H),6.22(s,2H),3.52(t,2H),3.20(t,4H),2.54(t,2H),2.31(m,4H),1.85(s,6H),1.36(t,6H)ppm;¹³C NMR(100MHz,CDCl₃),δ:168.2,153.3,151.4,147.1,132.1,130.7,127.9,127.7,123.4,122.3,117.4,105.6,96.1,64.7,51.3,47.3,41.3,39.9,38.0,16.4,14.3ppm;TOF MS:m/z calcd for C₃₀H₃₇N₅O₂ ⁺[M+H]⁺:500.3020,found:500.3025。

（2）探针化合物SR的合成：

将中间体R(499mg,1mmol)和戴维试剂(284mg,1mmol)加入250mL的单口烧瓶中，加入20mL甲苯,剧烈搅拌固体溶解后，在氮气保护下回流反应24h，减压蒸去溶剂。硅胶柱色谱分离，洗脱剂为二氯甲烷，得到白色固体SR(70mg,收率:11.3%)。¹H NMR(400MHz,CDCl₃),δ:7.15(m,4H),6.68(d,2H),5.85(s,2H),4.03(s,2H),3.13(m,4H),2.77(d,4H)，2.67(t,4H),2.33(s,6H),2.03(s,4H),1.13(t,6H)ppm;¹³C NMR(100MHz,CDCl₃),δ:198.87,153.30,148.93,143.37130.55,125.75,125.61,119.31,113.80,100.21,77.07,48.16,43.24,42.97,38.27,17.37,15.65ppm;TOF MS:m/z calcd for C₃₁H₃₈N₅OPS₃ ⁺[M+H]⁺:624.20,found:624.2。

实施例3：荧光探针化合物SRR与不同浓度Cu²⁺作用后的光谱变化

将探针化合物SRR以10μM的终浓度加入到乙腈溶液中，然后逐渐增大加入的铜离子浓度(0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,20μM)直至达到饱和，记录响应的紫外和荧光强度，测试结果显示于图1a、1b、1c、1d中。从图中可以看出，随着铜离子浓度的增加，575nm处的紫外吸收强度和597nm处的荧光发射强度逐渐增加，在Cu²⁺达到50μM时，紫外吸收和荧光强度达到饱和，再增加Cu²⁺浓度，二者强度均不再增加。

实施例4：荧光探针化合物SRR对常见阳离子的选择性

使用上述合成的化合物SRR评价对铜离子的选择性。以10μM的终浓度将化合物SRR加到含有50μM的铜离子或各种常见阳离子的乙腈溶液中，测试结果显示于图2中（紫外光谱和荧光光谱）。从图中可以看到，荧光探针化合物SRR对铜离子具有很高的选择性，铜离子的加入使得SRR的荧光强度明显增强，而其他常见阳离子的加入则无明显变化。

实施例5：常见阳离子对SRR检测Cu²⁺的干扰研究

以10μM的终浓度将化合物SRR加到含有50μM的Cu²⁺和50μM的各种常见阳离子的乙腈测试溶液中，探针激发波长为575nm，探针发射波长为597nm，测试结果显示于图3中。从图中可以看到，荧光探针化合物SRR对铜离子具有很高的选择识别能力和抗干扰能力，不受常见阳离子的干扰。

实施例6：常见阴离子对SRR检测Cu²⁺的干扰研究

以10μM的终浓度将化合物SRR加到含有50μM的Cu²⁺和50μM的各种常见阴离子乙腈测试溶液中，探针激发波长为575nm，探针发射波长为597nm，测试结果显示于图4中。从图中可以看到，荧光探针化合物探针SRR对铜离子具有很高的选择识别能力和抗干扰能力，不受常见阴离子的干扰。

实施例7：探针化合物SRR对Cu²⁺检测的响应时间测试

在乙腈中加入探针化合物SRR和Cu²⁺，使SRR的终浓度为10μM，Cu²⁺的终浓度为50μM，记录SRR随时间在597nm处的荧光强度，测试结果显示于图5中。从图中可以看出，SRR对铜离子的响应非常迅速，在5分钟之内即可达到平衡。

实施例8：探针化合物SRR对Cu²⁺检测的可逆性测试

荧光探针化合物SRR的浓度为10μM，铜离子浓度为10μM，测试体系为乙腈，淬灭荧光过程是用5μM的Na₂S水溶液漂洗SRR-Cu²⁺的乙腈溶液，测试结果显示于图6中。从图中可以看出，Na₂S可彻底淬灭原紫外强度，而在加入铜离子后，紫外可几乎恢复原强度，反复4次后，发现这种变化仍然存在，说明SRR对Cu²⁺的检测具有很好的可逆性。

实施例9：探针化合物SRR对Cu²⁺检测的灵敏度测试

将化合物SRR（终浓度10μM）加到含有0-64ppb浓度铜离子的乙腈溶液中，记录相应的荧光强度变化（激发波长575nm，发射波长597nm），测试结果显示于图7中。从图7a中可以看出，荧光探针化合物SRR在0-64ppb的范围内荧光强度有明显增强，且荧光强度随铜离子浓度变化呈现很好的线性关系。图7b是SRR检测Cu²⁺最低检出限的测定，横坐标为铜离子浓度的对数值，纵坐标Y=（I-I_min）/（I_max-I_min），其中I_min为铜离子浓度为0ppb时的荧光强度，I_max为铜离子浓度为64ppb时的荧光强度，I为其他浓度下的荧光强度，线性拟合方程为Y=0.4295X-0.3095,R=0.9973，计算得最低检出限为5ppb。

实施例10：探针化合物SRR对Cu²⁺检测的机理

以10μM的终浓度将化合物SRR加到含有50μM Cu(ClO₄)₂的乙腈测试溶液中，做高分辨质谱，测试结果显示于图8中。从图8中可观测到1257.4481（m/z），归属为C₆₉H₇₉CuN₈O₃PS₃ ⁺[SRR+Cu]⁺，表明探针SRR与Cu²⁺以1:1的比例络合，络合物整体表现正一价，说明铜以一价的形式存在。SRR（0.2M,CDCl₃）和SRR-Cu(ClO₄)₂络合物体系（1:1当量，0.2M，CD₃CN），做碳核磁共振，测试结果显示于图9中。从图9中可以看出，硫代酰胺中硫代羰基的信号峰190.37完全消失，由此得出两个罗丹明环中的硫代羰基均被铜离子诱导开环。Cu(ClO₄)₂（4mM）和SRR-Cu(ClO₄)₂络合物体系（1:1当量，4mM）的乙腈溶液，做电子顺磁共振，测试结果显示于图10中。图10的结果显示，SRR与Cu²⁺络合后，无二价铜的顺磁信号峰，进一步辅证了铜由二价转变成了一价。由此推测此探针SRR与Cu²⁺的识别机理如下：

实施例11：可视化检测Cu²⁺和Cu²⁺探针试纸

化合物SRR对Cu²⁺的检测识别过程不仅提供了增强的荧光信号，同时伴随着十分显著的从无色到紫色的变化，肉眼可见。在乙腈溶液中，0.2ppm的Cu²⁺存在就会引起化合物SRR明显的颜色变化，见图11a。另外，我们将化合物SRR负载于滤纸上（将3.0cm×0.5cm的滤纸浸入溶有化合物SRR（5.0×10^-3M）的二氯甲烷溶液中，浸润均匀后取出风干），制成Cu²⁺检测用探针试纸，用于可视化检测乙腈溶液中的痕量Cu²⁺，见图11b，当乙腈溶液中的Cu²⁺达到20ppm时，试纸颜色由白色变为浅紫色。因此，探针SRR可以提供荧光及比色两种可视化方式对Cu²⁺进行检测。

实施例12：探针化合物SRR对土壤中铜离子的检测

将烘干的土壤分散于乙腈中制成10mg/mL的分散液，搅拌过夜，滤去不溶物，然后分别加入不同量的铜离子（0-64ppm，以土壤质量计）得到含铜样品。将荧光探针化合物SRR溶于DMSO配制成浓度为10mM的探针母液，再以10μM的终浓度将荧光探针化合物SRR加入到含铜样品中，检测荧光信号，结果如图12所示。由图可见，铜离子浓度（X）与荧光强度（Y）呈现良好的线性关系，Y=33.2119+0.536X，R=0.9888。

Claims

1.一种具有通式I的罗丹明荧光染料，

通式I中：

n为1-6的整数，m为0-6的整数；

R₉为C_1-6烷基或CH₂CH₂OH；

R₁₀为对甲氧基苯基、苯基硫基或甲基硫基；

R₁₁为H或通式II所示基团：

通式II中各取代基的含义同通式I。

2.根据权利要求1所述的罗丹明荧光染料，其特征在于，所述的R₁、R₂、R₃和R₄各自独立地选自氢或乙基；R₅、R₆和R₇各自独立地选自氢或甲基。

3.根据权利要求1或2所述的罗丹明荧光染料，其特征在于，所述的R₁₀为对甲氧基苯基或甲基硫基。

4.根据权利要求1所述的罗丹明荧光染料，其特征在于，为下述化合物SR或化合物SRR：

5.权利要求1所述的罗丹明荧光染料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

（1）将通式Ⅲ所示的罗丹明类荧光染料加入醇溶剂中，室温搅拌，使该罗丹明类荧光染料均匀分散于醇溶剂中，再滴加相对于该罗丹明类荧光染料化学计量过量的二乙烯三胺或三乙烯四胺，滴加完毕后，加热，使溶剂回流并反应，直至反应液变为澄清，然后冷却到室温，蒸发去除溶剂，残留物溶于二氯甲烷中，加入少量水进行洗涤或者在残留物中加入少量水，用二氯甲烷萃取，接着无水硫酸钠干燥，过滤，真空干燥后，分离提纯残留物，得到通式IV所示的中间体，

硫化物R₁₀PS₂PS₂R₁₀中R₁₀的含义同通式I。

6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤（1）中使用的醇溶剂选自甲醇、乙醇、丙醇和异丙醇中的一种或两种以上。

7.根据权利要求5或6所述的制备方法，其特征在于，步骤（1）中，加热使溶剂回流并反应的时间为12~24小时。

8.权利要求1~4中任意一项所述的罗丹明荧光染料在检测土壤铜离子中的应用。