CN103333679B - 一种基于激发态分子内质子转移调控的荧光探针及其合成方法和应用 - Google Patents
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Abstract
一种基于激发态分子内质子转移调控的荧光探针及其合成方法和应用，结构式如下：；其具体合成步骤是：以DMF为溶剂，原料N-(2-(1H-苯并咪唑基)苯基)-2-氯乙酰胺和氨甲基吡啶的摩尔比为1:1.5~1:3，室温搅拌反应5h~10h；加入蒸馏水稀释，用稀盐酸调节pH6.5~7.5，过滤，收集产生的沉淀，用乙腈重结晶，得到荧光探针N-(2-(1H-苯并咪唑基)苯基)-2-(2-氨甲基吡啶基)乙酰胺。优点是：合成简单，水溶性好且对环境友好，可用于水环境体系、生物细胞体系中Zn2+和S2-的监测分析及示踪，灵敏度高，抗干扰能力强。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于激发态分子内质子转移调控的荧光探针及其合成方法和应用。
背景技术
锌离子在人体中的含量仅次于铁离子，是人体必需的营养物质，它在生物体的许多生理过程和病理过程中起着非常重要的作用。它既是人体内数十种酶的主要成分，也是人脑发育必不可少的微量元素；同时，锌还能够影响淋巴细胞增殖和活动。缺少锌会引起味觉和嗅觉失常、肝脾肿大、肠病性肢端皮炎等，而过量的锌又会引起前列腺癌、糖尿病以及脑部疾病等。由于锌在人体生长发育中扮演着非常重要的角色，因此，锌离子的识别、检测对生物科学和医学都有着重要意义。
负二价硫离子在造纸、化妆品、染料生产等领域具有重要用途，因而负二价硫离子常被带入了江河湖泊甚至饮用水中。负二价硫离子不但会污染环境，而且会刺激粘膜影响呼吸系统，严重时会引起昏厥。因此，鉴别和定量检测负二价硫离子具有重要的意义。
目前，用于识别锌离子的荧光探针，在荧光光谱上一般表现为在原有荧光发射位置的荧光增强或猝灭。而且，大部分的锌离子荧光探针都不能在纯水体系中使用，这就大大限制了该类探针在生物医药等领域的应用。同时，很多荧光探针容易受到探针浓度、激发光波长和检测环境的影响，对测定结果的造成干扰，检测数据不准确。此外，由于锌和镉在元素周期表中位于同一主族，二者具有相似的化学性质，使得在锌离子在识别过程中容易受到镉离子的干扰。
在识别负二价硫离子的荧光探针设计合成中，应用较多的室通过荧光探针与金属离子（如Cu2+或Hg2+）形成的络合物，基于金属离子置换的方法识别S2-。但是这些方法一般都是在原来发射位置表现为荧光增强或猝灭，并且使用了对环境有害的铜离子或汞离子。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种具有激发态分子内质子转移性质，水溶性好，灵敏度高，抗干扰能力强且对环境友好的可接力识别Zn2+和S2-的比率型荧光探针及其合成方法和应用。
本发明的技术解决方案是：
一种基于激发态分子内质子转移调控的荧光探针，该荧光探针是2-(2'-氨基苯基)苯并咪唑的衍生物，结构式如下：
一种基于激发态分子内质子转移调控的荧光探针的合成方法，其反应式是：
其具体合成步骤如下：
以DMF为溶剂，原料N-(2-(1H-苯并咪唑基)苯基)-2-氯乙酰胺和氨甲基吡啶的摩尔比为1:1.5～1:3，室温搅拌反应5h～10h；加入蒸馏水稀释，用稀盐酸调节pH 6.5～7.5，过滤，收集产生的沉淀，用乙腈重结晶，得到荧光探针N-(2-(1H-苯并咪唑基)苯基)-2-(2-氨甲基吡啶基)乙酰胺。
所述N-(2-(1H-苯并咪唑基)苯基)-2-氯乙酰胺与氨甲基吡啶的摩尔比为1:1.5。
一种基于激发态分子内质子转移调控的荧光探针在水环境体系、生物细胞体系中Zn2+和S2-的监测分析及示踪中的应用。
一种基于激发态分子内质子转移调控的荧光探针在水环境体系中Zn2+和S2-的监测分析及示踪中的应用。
本发明的有益效果：
（1）原料简单易得，荧光探针的合成反应只需一步，产物分离提纯过程简单；
（2）该荧光探针具有优良的水溶性，能在水溶液中接力识别Zn2+和S2-，通过对探针分子的激发态分子内质子转移的调控，即Zn2+与探针络合后，抑制了激发态分子内质子转移过程，当加入S2-后，S2-将Zn2+从络合物中夺取出来，使探针的激发态分子内质子转移过程得到恢复，从而实现了荧光探针分子的多功能化；并且使用Zn2+络合物检测S2-，对环境友好；
（3）该荧光探针属于比率型荧光探针，具有自校正作用，能避免一些外部因素的影响，更准确地检测目标离子，对Zn2+和S2-的测定具有良好的灵敏度和较强的抗干扰能力。
附图说明
图1是本发明荧光探针的1H NMR谱图 ；
图2是本发明荧光探针的13C NMR谱图；
图3是本发明荧光探针的质谱谱图；
图4是本发明荧光探针的荧光发射光谱图；
图5是本发明荧光探针与Zn2+作用前后的荧光发射光谱变化图；
图6是本发明荧光探针与Cd2+作用前后的荧光发射光谱变化图；
图7是本发明荧光探针与Cu2+作用前后的荧光发射光谱变化图；
图8是本发明荧光探针与Co2+作用前后的荧光发射光谱变化图；
图9是本发明荧光探针与Ni2+作用前后的荧光发射光谱变化图；
图10是本发明荧光探针与Hg2+作用前后的荧光发射光谱变化图；
图11是本发明荧光探针与Fe2+作用前后的荧光发射光谱变化图；
图12是本发明荧光探针分别与Ba2+、Mg2+、Ag+、K+、Al3+、Mn2+、Pb2、Na+、Sr2+、Cr3+、Fe3+作用前后的荧光发射光谱变化图；
图13是本发明荧光探针对Zn2+识别时抗其它金属离子干扰的检测图；
图14是本发明荧光探针-Zn2+与其它阴离子及含巯基的氨基酸作用前后的荧光发射光谱变化图；
图15是本发明荧光探针-Zn2+对S2-离子识别抗其它阴离子及含巯基的氨基酸干扰的检测图；
图16是本发明荧光探针与0μmol/L～10μmol/L的Zn2+作用后的荧光发射光谱变化图；
图17是本发明荧光探针-Zn2+与0μmol/L～25μmol/L的S2-作用后的荧光发射光谱变化图；
图18是本发明荧光探针在实际水样中与1μmol/L～8μmol/L的Zn2+作用后F 430nm/F 495nm的变化图；
图19是本发明荧光探针-Zn2+在实际水样中与5μmol/L～20μmol/L的S2-作用后F 430nm/F 495nm的变化图。
具体实施方式
实施例1
（1）合成接力识别Zn2+和S2-的比率型荧光探针的反应式：
（2）合成接力识别Zn2+和S2-的比率型荧光探针的具体步骤：
称取300mg的中间体N-(2-(1H-苯并咪唑基)苯基)-2-氯乙酰胺（化合物1）和170mg 2-氨甲基吡啶，溶于10ml N,N-二甲基甲酰胺（DMF）中，在室温搅拌反应5h，加入200ml蒸馏水稀释，用稀盐酸调节pH值至7.5，过滤收集产生的沉淀，用乙腈重结晶，得到荧光探针N-(2-(1H-苯并咪唑基)苯基)-2-(2-氨甲基吡啶基)乙酰胺（化合物L），收率为65%。
实施例2
称取400mg的中间体N-(2-(1H-苯并咪唑基)苯基)-2-氯乙酰胺（化合物1）和300mg 2-氨甲基吡啶，溶于13ml的N,N-二甲基甲酰胺（DMF）中，在室温下搅拌反应8h，加入200ml蒸馏水稀释，用稀盐酸调节pH值至7，过滤收集产生的沉淀，用乙腈重结晶，得到荧光探针N-(2-(1H-苯并咪唑基)苯基)-2-(2-氨甲基吡啶基)乙酰胺，收率为71%。
实施例3
称取500mg的中间体N-(2-(1H-苯并咪唑基)苯基)-2-氯乙酰胺（化合物1）和560mg的2-氨甲基吡啶，溶于15ml的DMF中，在室温下，搅拌反应10h，加入250ml蒸馏水稀释，用稀盐酸调节pH值至6.5，过滤收集产生的沉淀，用乙腈重结晶，得到荧光探针N-(2-(1H-苯并咪唑基)苯基)-2-(2-氨甲基吡啶基)乙酰胺，收率为76%。
实施例1～实施例3的荧光探针N-(2-(1H-苯并咪唑基)苯基)-2-(2-氨甲基吡啶基)乙酰胺的基本数据：
熔点：179℃～180℃；
1H NMR (400 MHz, DMSO-d 6)δ 13.39 (s, 1H), 13.05 (s, 1H), 8.81 (d, J = 8.3 Hz, 1H), 8.51 (d, J = 3.3 Hz, 1H), 8.06 (d, J = 7.7 Hz, 1H), 7.63 (t, J = 7.3 Hz, 1H), 7.54-7.46 (m, 3H), 7.35 (s, 1H), 7.35 –7.25 (m, 3H), 7.14 (s, 1H), 3.97 (s, 2H), 3.45 (s, 2H). （如图1）。
13C NMR (100 MHz, DMSO-d 6).δ 172.01, 160.12, 150.90, 138.31, 136.86, 130.83, 128.02, 123.30, 122.44, 122.41, 120.67, 119.08, 116.86, 111.73, 54.92, 53.61. （如图2）。
高分辨质谱(电喷雾，正模式) 的计算值C21H20N5O [M+H]+, 358.1668; 实测值358.1668.（如图3）。
荧光探针N-(2-(1H-苯并咪唑基)苯基)-2-(2-氨甲基吡啶基)乙酰胺的对Zn2+的选择性检测：
10μmol/L N-(2-(1H-苯并咪唑基)苯基)-2-(2-氨甲基吡啶基)乙酰胺（荧光探针）的HEPES缓冲（10mmol/L, pH=7.4）溶液，该荧光探针的荧光发射光谱如图4所示，分别加入10μmol/L的金属离子（Ni2+, Hg2+, Ba2+, Mg2+, K+, Al3+, Mn2+, Pb2+, Na+, Sr2+, Co2+, Cr3+, Ag+, Fe2+, Fe3+, Cu2+, Zn2+, Cd2+），15min后检测溶液的荧光发射光谱变化，如图5～图12所示。
由图4可知，荧光探针在495nm处具有发射峰；由图5可知，加入Zn2+离子后，探针溶液在495nm处的发射峰逐渐消失，同时，在430nm处又出现了一个新的发射峰，且逐渐增强； 由图6可知，加入Cd2+离子后，探针溶液在495nm处发射峰的少量蓝移；由图7～图12可知，加入Ni2+，Hg2+，Ba2+，Mg2+，K+，Al3+，Mn2+，Pb2+，Na+，Sr2+，Co2+，Cr3+，Ag+，Fe2+，Fe3+，Cu2+后，探针溶液在495nm处的发射峰无明显位移；因此，荧光探针N-(2-(1H-苯并咪唑基)苯基)-2-(2-氨甲基吡啶基)乙酰胺对Zn2+有良好的选择性。
荧光探针N-(2-(1H-苯并咪唑基)苯基)-2-(2-氨甲基吡啶基)乙酰胺的对Zn2+和其它金属离子的选择性检测：
10μmol/L N-(2-(1H-苯并咪唑基)苯基)-2- (2-氨甲基吡啶基)乙酰胺（荧光探针）的HEPES缓冲（10mM, pH=7.4）溶液，同时加入10μmol/L 的其它金属离子（Ni2+，Hg2+， Ba2+， Mg2+， K+，Al3+，Mn2+，Pb2+，Na+，Sr2+，Co2+，Cr3+，Ag+，Fe2+， Fe3+，Cu2+，Cd2+）和Zn2+，15min后检测溶液的荧光光谱变化，计算F 430nm/F 495nm的数值（如图13所示）；由图13可以看出，其它金属离子（Ni2+，Hg2+， Ba2+， Mg2+， K+，Al3+，Mn2+，Pb2+，Na+，Sr2+，Co2+，Cr3+，Ag+，Fe2+， Fe3+，Cu2+，Cd2+）对Zn2+的荧光识别几乎没有影响。
荧光探针N-(2-(1H-苯并咪唑基)苯基)-2-(2-氨甲基吡啶基)乙酰胺的接力识别S2-的选择性检测：
10μmol/L N-(2-(1H-苯并咪唑基)苯基)-2-(2-氨甲基吡啶基)乙酰胺与Zn2+作用后形成的配合物（荧光探针-Zn2+）的HEPES缓冲（10mM, pH=7.4）溶液，分别加入25μmol/L 的阴离子后（F-，Cl-，Br-，I-，SCN-，PO4 3-，S2O3 2-，S2O8 2-，H2PO4 -，HPO4 2-，NO2 -，NO3 -，C2O4 2-，AcO-，ClO4 -，SO4 2-，P2O7 4-，HSO4 -，CO3 2-，HCO3 -，半胱氨酸，高半胱氨酸，还原型谷胱甘肽，S2-），15min后检测出的荧光图谱变化情况（如图14所示）；由图14可以看出，只有S2-可以使荧光探针-Zn2+荧光恢复到荧光探针自身的状态，而P2O7 4-只能引起轻微的荧光恢复，说明该荧光探针-Zn2+体系对S2-的高度选择性。
10μmol/L N-(2-(1H-苯并咪唑基)苯基)-2-(2-氨甲基吡啶基)乙酰胺与Zn2+作用后形成的配合物（荧光探针-Zn2+）的HEPES缓冲（10mM, pH=7.4）溶液，同时加入25μmol/L 的阴离子（F-，Cl-，Br-，I-，SCN-，PO4 3-，S2O3 2-，S2O8 2-，H2PO4 -，HPO4 2-，NO2 -，NO3 -，AcO-，ClO4 -，C2O4 2-，SO4 2-，P2O7 4-，HSO4 -，CO3 2-，HCO3 -，半胱氨酸，高半胱氨酸，还原型谷胱甘肽）和S2-，15min后检测溶液的荧光光谱变化，计算F 430nm/F 495nm的数值（如图15所示图2），由图15可以看出，其它阴离子（F-，Cl-，Br-，I-，SCN-，PO4 3-，S2O3 2-，S2O8 2-，H2PO4 -，HPO4 2-，NO2 -，NO3 -，AcO-，ClO4 -，C2O4 2-，SO4 2-，P2O7 4-，HSO4 -，CO3 2-，HCO3 -，半胱氨酸，高半胱氨酸，还原型谷胱甘肽对S2-的选择性几乎没有影响。
10μmol/L N-(2-(1H-苯并咪唑基)苯基)-2-(2-氨甲基吡啶基)乙酰胺（荧光探针）的HEPES缓冲（10mmol/L, pH=7.4）溶液，加入0μmol/L～10μmol/L 的Zn2+，测试出的荧光图谱变化情况（如图16所示）；由图16可以看出，随着Zn2+的量的不断加入，495nm处的发射峰荧光强度不断减弱，而在430nm处出现新的发射峰，且荧光强度不断增强，在加入10μmol/L 的Zn2+时达到饱和。
10μmol/L N-(2-(1H-苯并咪唑基)苯基)-2-(2-氨甲基吡啶基)乙酰胺与Zn2+作用后形成的配合物（荧光探针-Zn2+）的HEPES缓冲（10mmol/L, pH=7.4）溶液，加入0μmol/L～25μmol/L 的S2-后，测试出的荧光图谱变化情况（如图17所示）；由图17可以看出，随着S2-的量的不断加入，495nm处的发射峰荧光强度不断增强，而在430nm处的发射峰不断减弱，在加入24μmol/L 的S2-时达到饱和。
实际水样的处理和检测：
（1）实际水样的处理
取河水及湖水水样，先过滤除去其中的不溶性杂质，然后用二氯甲烷萃取以除去其中的有机物，萃取后的水样既可用于水样测试；取自来水样，加热煮沸15min 以去除其中的氯，冷却备用，用于后续的水样测试。
（2）实际水样中Zn2+的检测
用处理后的实际水样制备10μmol/L荧光探针的水溶液，加入N-(2-(1H-苯并咪唑基)苯基)-2-(2-氨甲基吡啶基)乙酰胺（荧光探针）0μmol/L～8μmol/L的Zn2+，15min后检测溶液的荧光发射光谱变化（如图18所示）；由图18可以看出，在加入1μmol/L～8μmol/L 的Zn2+的范围内，F 430nm/F 495nm的数值呈线性关系，说明被检测的水样中Zn2+的浓度在1μmol/L~8μmol/L范围内时，可以实现Zn2+的定量检测。
（3）实际水样中S2-的检测：
用处理后的实际水样制备10μmol/LN-(2-(1H-苯并咪唑基)苯基)-2-(2-氨甲基吡啶基)乙酰胺与Zn2+作用后形成的配合物（荧光探针-Zn2+）的水溶液，加入0μmol/L～25μmol/L的S2-，15min后检测溶液的荧光发射光谱变化（如图19所示）。由图19可以看出，在加入5μmol/L～20μmol/L 的S2-范围内，F 430nm/F 495nm的数值呈线性关系，说明被检测的水样中S2-的浓度在5~20μmol/L范围内时，可以实现S2-的定量检测。
Claims (2)
1.一种基于激发态分子内质子转移调控的荧光探针的合成方法，其特征是：
反应式是：
其具体合成步骤如下：
以DMF为溶剂，原料N-(2-(1H-苯并咪唑基)苯基)-2-氯乙酰胺和氨甲基吡啶的摩尔比为1:1.5～1:3，室温搅拌反应5h～10h；加入蒸馏水稀释，用稀盐酸调节pH 6.5～7.5，过滤，收集产生的沉淀，用乙腈重结晶，得到荧光探针N-(2-(1H-苯并咪唑基)苯基)-2-(2-氨甲基吡啶基)乙酰胺。
2.根据权利要求1所述的基于激发态分子内质子转移调控的荧光探针的合成方法，其特征是：所述N-(2-(1H-苯并咪唑基)苯基)-2-氯乙酰胺与氨甲基吡啶的摩尔比为1:1.5。
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