CN103387830B - 一种铬离子比率型荧光探针及其制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种铬离子比率型荧光探针及其制备方法和应用，本发明具有如下的技术效果，荧光探针合成步骤简单，目标产物产率高，容易分离提纯；其激发和发射光谱在可见区及红外区，荧光量子产率高，化学稳定性好，具有较好的水溶性，可以使用于中性条件下的水环境体系中Cr³⁺的测定；更重要的是，以两个不同的发射波长处荧光强度的比值I₅₆₁/I₇₅₅为信号参数，显著提高了检测的特异性与灵敏性，在0.1-10μM对Cr³⁺有很好的线性关系；此外，该探针对Cr³⁺具有良好的选择性，与其它的金属离子作用时荧光强度比值I₅₆₁/I₇₅₅基本不变。

Description

一种铬离子比率型荧光探针及其制备方法和应用

技术领域

本发明属于分析化学领域，具体涉及一种定量测定铬离子浓度的比率型荧光探针及其制备方法和应用。 

背景技术

铬(III)是一种生命必需的微量元素，具有多种生理功能。研究表明，铬(III)有生物活性，铬(III)的缺少会导致糖、脂肪等代谢系统紊乱，引起动脉硬化等多种疾病；但含量过高对生物和人类也有害，地面水中最高允许浓度规定为0.5mg/L。目前由于铬及其化合物被广泛应用于、电镀、皮革、颜料、耐火材料、印染、涂料等工业，通过废气、废液排放最终以离子形态进入大自然，铬的污染也逐渐增加，因此，寻找一种简便、快捷检测方法对铬离子的分析检测具有重要意义。传统的铬离子识别和测定方法主要有分光光度法，高效液相分析法，原子吸收法等，这些方法中有些方法的选择性较差；有些用于复杂样品分析时，需要适当的预处理；有些需要成本较高的仪器设备，都不是理想的识别和检测铬(III)浓度的方法。荧光探针作为一种灵敏度高、用样量少、方便快捷且具有实用价值的检测方法是检测重金属离子的有效手段。 

目前已有的铬离子荧光探针多是荧光淬灭或荧光增强型的(文献1：徐基贵，张俊俊，陈志兵，陈玉，张莉.分析实验室，2011，30(1)，26-28；文献2：Z.Chen，L.Wang，G.Zou，M.Teng，J.Yu.Chin.J.Chem.2012，30，2844-2848；文献3：L.Ma，W.Cao，J.Liu，M.Zhang，L.Yang.Sens.Actuators B 2013，181，782-786；文献4：J.Jung，S.Han，J.Chun，C.Lee，J.Yoon.Dyes Pigments 2012，94，423-426.)。这些基于单波长发射的荧光探针易受一些因素的影响，比如：光漂白、探针分子的浓度、探针分子周围的微环境和光照射下的稳定性等。而比率型的测定方法能够克服上述因素的影响。荧光比率法是通过记录两个荧光发射峰的比率来实现对金属离子的检测的，它有利于增 加响应范围，减少环境因素的影响。 

近年来，三碳菁荧光染料越来越受到关注，并且被广泛地用来作为近红外荧光探针标记物应用于生物科学领域。因为三碳菁染料具有以下优点：摩尔吸光系数大，具有很好的刚性平面，荧光量子产率高并且其吸收和发射波长都在650-900nm的范围内，在这个范围内生物分子自身的荧光较弱，可以避免背景干扰而获得较高的分析灵敏度。因此三碳菁染料是性能优异的荧光母体，而基于三碳菁染料测定铬离子的比率型荧光探针尚未报道。由此可见，发明一种基于三碳菁染料的铬离子比率型荧光探针具有非常重要的意义。 

发明内容

本发明的目的是提供一种基于三碳菁荧光染料结构新颖的Cr³⁺比率型荧光探针化合物。 

本发明的技术方案是，一种铬离子比率型荧光探针，其结构式如下： 

一种铬离子比率型荧光探针的制备方法，步骤如下： 

(1)N，N′-二(2-吡啶基甲基)哌嗪的合成：在反应器中，按摩尔比加入1份的无水哌嗪和3份的2-氯甲基吡啶盐酸盐，以无水甲醇作溶剂，在40-60℃下反应6～10h；冷却后加入的5份的氢氧化钠的甲醇溶液，搅拌10～30min后，静置过滤；减压蒸馏除去溶剂后得到粗产品，用硅胶柱色谱提纯，得到N，N′-二(2-吡啶基甲基)哌嗪； 

(2)铬离子比率型荧光探针的制备：在反应器中，按摩尔比加入1份的IR-780碘化物和4份的N，N′-二(2-吡啶基甲基)哌嗪在氮气保护下，以无水DMF作溶剂，室温下反应4～6h；减压蒸馏除去溶剂后得到粗产品后，用硅胶柱色谱提纯，得到铬离子比率型荧光探针。 

一种比率型荧光探针的应用，用于测定体系中Cr³⁺的含量 

本发明具有如下的技术效果，荧光探针合成步骤简单，目标产物产率高，容易分离提纯；其激发和发射光谱在可见区及红外区，荧光量子产率高，化学稳定性好，具有较好的水溶性，可以使用于中性条件下的水环境体系中Cr³⁺的测定；更重要的是，以两个不同的发射波长处荧光强度的比值I₅₆₁/I₇₅₅为信号参数，显著提高了检测的特异性与灵敏性，在0.1-10μM对Cr³⁺有很好的线性关系；此外，该探针对Cr³⁺具有良好的选择性，与其它的金属离子作用时荧光强度比值I₅₆₁/I₇₅₅基本不变。 

附图说明

图1为Cr³⁺比率型荧光探针与不同浓度的Cr³⁺作用后的荧光光谱图。 

横坐标为波长，纵坐标为荧光强度；Cr³⁺荧光探针的浓度均为5μM，Cr³⁺浓度分别为：0，0.1，0.2，0.5，0.8，1，2，5，8，10μM。荧光激发波长为530nm。 

图2为Cr³⁺比率型荧光探针在发射波长为561nm，755nm处的的荧光比率随Cr³⁺浓度(0-10μM)变化的关系曲线图。 

图3为Cr³⁺比率型荧光探针与不同浓度的Cr³⁺作用后的紫外可见吸收光谱图。 

横坐标为波长，纵坐标为吸光度；Cr³⁺荧光探针的浓度均为5μM，Cr³⁺浓度分别为：0，0.5，0.8，1，2，5，8，10μM。 

图4为Cr³⁺比率型荧光探针的选择性图。 

图5为pH对Cr³⁺比率型荧光探针的影响图。 

图6为Cr³⁺比率型荧光探针在体系中含有不同浓度的Cr³⁺(0.1，2，5，8μM)时，溶液在561nm处的荧光强度随时间变化关系曲线图。 

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明，但不限于此。 

实施例1 

1：Cr³⁺比率型荧光探针的合成，基本操作过程如下。 

1).N，N′-二(2-吡啶基甲基)哌嗪的合成 

将0.34g的无水哌嗪(4mmol)溶解在30mL的甲醇中，缓慢滴加到2.0g 2-氯甲基吡啶盐酸盐(12mmol)的甲醇溶液中，滴加完后升温至50℃，反应8h后，加入0.2g的氢氧化钠(20mmol)的甲醇溶液30mL，搅拌10min后，静置过滤，减压旋干，粗产品用硅胶柱色谱提纯，得黄色固体产物，收率为62.5％。 

2).Cr³⁺比率型荧光探针的制备 

将33.4mg的IR-780碘化物(0.05mmol)和35.4mg的N，N′-二(2-吡啶基甲基)哌嗪(0.2mmol)溶于15mL的DMF中，在氮气保护下，以无水DMF作溶剂，室温下反应4h，减压蒸出溶剂。粗产品用硅胶柱层析分离，用20∶1的二氯甲烷-乙醇进行洗脱，得到比率型荧光探针，收率为80.5％。 

¹HNMR(CDCl₃)：δ8.63(s，1H)，7.76(t，J＝6.9Hz，1H)，7.65(d，J＝13.3Hz，1H)，7.53(d，J＝7.0Hz，1H)，7.33(d，J＝6.1Hz，4H)，7.27(s，2H)，7.15(t，J＝7.1Hz，2H)，6.99(d，J＝7.7Hz，2H)，5.83(d，J＝13.2Hz，2H)，3.90(t，J＝7.5Hz，2H)，3.81(s，4H)，3.72(d，J＝6.7Hz，4H)，2.84(s，4H)，2.47(s，4H)，1.74(m，4H)，1.66(s，12H)1.4(d，J＝12.1Hz，2H)，1.05(t，J＝7.0Hz，6H).MS(TOF)m/z680.6结果表明，所得产物结构正确。 

实施例2：荧光探针1与铬离子作用的溶液配制 

10mL的容量瓶中，加入5.0mL浓度为2×10^-5mol·L^-1的铬离子比率型荧光探针的乙醇水溶液(乙醇/水＝1∶4，v/v)，1.0mL1×10^-3-1×10^-7mol·L^-1Cr³⁺的水溶液，用HEPES缓冲溶液定容。这样得到的待测溶液中含有1×10^-5mol·L^-1的荧光探针1和1×10^-3-1×10^-8mol·L^-1的Cr³⁺。待测溶液在4℃下避光保存。荧光探针1的空白溶液在相同的条件下制得，但不加入Cr³⁺。实验 中配制溶液所用水都为二次蒸馏水。 

实施例3： 

荧光探针1与Cr³⁺作用的荧光光谱性质的测定 

用pH值为7.0的0.05mol/L的HEPES缓冲溶液为溶剂测定了荧光探针1与Cr³⁺作用的荧光光谱，结果如图1。荧光探针1的浓度为1.0×10^-5mol/L，Cr³⁺的浓度依次为0、0.1、0.2、0.5、0.8、1、2、5、8、10μM，激发波长为530nm，狭缝宽度为10nm/10nm。从图1可以看出此荧光探针1的一个显著特征是与Cr³⁺结合前后其荧光发射峰表现出了较大位移，随着Cr³⁺浓度的增大，561nm处荧光强度显著增加，而755nm处的荧光强度逐渐减弱，荧光光谱发生了蓝移。荧光探针1与铬离子作用后其在561nm，755nm处的荧光比率I₅₆₁/I₇₅₅随铬离子浓度的增大而增大并在0.1-10μM的范围内呈线性关系，如图2所示。所用的荧光测定仪器为Perkin Elmer LS55荧光分光光度计。 

实施例4： 

荧光探针1与Cr³⁺作用的紫外可见吸收光谱性质的测定 

图3为Cr³⁺比率型荧光探针与不同浓度的Cr³⁺作用后的紫外可见吸收光谱图，Cr³⁺的加入量依次为0、0.5、0.8、1、2、5、8、10μM。从图中3可以看出，在510nm和706nm可以观察到两个吸收峰，随Cr³⁺浓度的增加，其510nm处的吸光度逐渐增加，而706nm处的吸光度逐渐降低，吸收光谱发生了蓝移。荧光探针1与Cr³⁺作用后其吸光度A₅₁₀/A₇₀₆比值随Cr³⁺浓度变化在一定的浓度范围内呈线性变化，因此通过紫外可见光谱在一定范围内也能定量测定Cr³⁺的浓度；紫外可见吸收光谱测定用的仪器为Perkin Elmer Lambda 25型分光光度计。 

实施例4： 

荧光探针1对Cr³⁺测定的选择性 

相同反应条件下，在荧光探针1溶液中分别加入10μM的Cr³⁺以及5mM的其他常见金离子如：Zn²⁺、Hg²⁺、Cu²⁺、Ag⁺、Cd²⁺、Ba²⁺、Al³⁺、Co²⁺、pb²⁺、Mn²⁺、K⁺、Na⁺。测定了不同金属离子对荧光探针1在561，755nm处荧光比率的影响，结果如图4。从图4可以看出，加入Cr³⁺后，溶液的荧光比率明显增大，而加入其它的金属离子如：Zn²⁺、Hg²⁺、Cu²⁺、Ag⁺、Cd²⁺、Ba²⁺、 Co²⁺、pb²⁺、Mn²⁺、K⁺、Na⁺对荧光探针1的荧光强度比率影响很小，但是Al³⁺的加入对荧光探针1的荧光比率有一定的影响。这些结果表明：荧光探针1对Cr³⁺有较好的选择性。 

实施例5： 

溶液pH值对荧光探针1测定Cr³⁺的荧光性质的影响 

我们研究了pH值对荧光探针1和荧光探针1+Cr³⁺的影响，结果如图5。因为在强碱性条件下，Cr³⁺与OH^-作用生成Cr(OH)₃·H₂O沉淀，所以我们只考察了pH值在4.0到8.0之间对荧光比率的影响。在pH(4.0-8.0)范围内，pH对荧光探针1基本无影响。而在Cr³⁺(浓度为5×10^-5mol·L^-1)存在的情况下，当pH值小于6.0时，随着pH值的降低，荧光探针1的荧光比率逐渐减小。当pH值大于7.5时，随pH值的增大，荧光探针1的荧光比率迅速下降。而当pH在6.0至7.5之间，荧光探针1对Cr³⁺的测量不受pH的影响，并且荧光探针1的荧光比率相对较大，这为该探针用于实际样品中Cr³⁺的测定提供了有利条件。 

实施例6： 

荧光探针1与Cr³⁺作用的响应时间的测定 

在荧光探针1溶液中分别加入0.1、2、5、8μM的Cr³⁺，将Perkin Elmer LS 55荧光分光光度计设定在时间模式下，然后分别测得含不同浓度的Cr³⁺溶液在设定的发射波长在561nm处，其荧光强度随时间变化关系，结果如图6。 

实施例7： 

荧光探针1的实际应用 

将所制荧光探针用于自来水中Cr³⁺回收率的测定。将自来水经简单处理后用所制得探针测定得知自来水中不含Cr³⁺，然后分别加入不同浓度的Cr³⁺的样品溶液。结果列于表1。从表中可以看出，探针对自来水中Cr³⁺的回收率的测定结果令人满意，看来所制探针可有效的应用于实际样品中Cr³⁺的分析测定。(表1) 

^a三次测定的平均值，^b标准偏差。 

Claims (3)

1.一种铬离子比率型荧光探针，其结构式如下：

2.根据权利要求1所述的一种铬离子比率型荧光探针的制备方法，步骤如下：

(1)N，N′-二(2-吡啶基甲基)哌嗪的合成：在反应器中，按摩尔比加入1份的无水哌嗪和3份的2-氯甲基吡啶盐酸盐，以无水甲醇作溶剂，在40～60℃下反应6～10h；冷却后加入的5份的氢氧化钠的甲醇溶液，搅拌10～30min后，静置过滤；减压蒸馏除去溶剂后得到粗产品，用硅胶柱色谱提纯，得到N，N′-二(2-吡啶基甲基)哌嗪；

(2)铬离子比率型荧光探针的制备：在反应器中，按摩尔比加入1份的IR-780碘化物和4份的N，N′-二(2-吡啶基甲基)哌嗪在氮气保护下，以无水DMF作溶剂，室温下反应4～6h；减压蒸馏除去溶剂后得到粗产品后，用硅胶柱色谱提纯，得到铬离子比率型荧光探针。

3.一种权利要求1所述一种比率型荧光探针的应用，用于测定体系中Cr³⁺的含量。