CN103642487A - 一种基于1,3,4-噁二唑衍生物的荧光探针及其合成方法和应用 - Google Patents

Abstract

一种基于1,3,4-噁二唑衍生物的荧光探针及其合成方法和应用，结构式如下：

，其具体合成步骤如下：将N-[2-(5-苯基-1,3,4-噁二唑-2-基)苯基]-2-氯乙酰胺、二-(吡啶亚甲基)胺、N,N-二异丙基乙胺和碘化钾,加入乙腈中，在氮气保护下搅拌加热回流；减压蒸除溶剂，将残留物经柱层析分离，得到荧光探针N-[2-(5-苯基-1,3,4-噁二唑-2-基)苯基]-2-二(2-吡啶亚甲氨基)乙酰胺。原料易得，合成方法简单，产物分离提纯过程容易，该荧光探针具有优良的水溶性，可以在水环境体系、生物细胞体系中Zn²⁺的监测分析及示踪中的应用，对Zn²⁺的测定具有良好的灵敏度和较强的抗干扰能力。

Description

一种基于1,3,4-噁二唑衍生物的荧光探针及其合成方法和应用

技术领域

本发明涉及一种基于1,3,4-噁二唑衍生物的荧光探针及其合成方法和应用。

背景技术

锌离子是人体中第二富集的过渡金属离子，在许多基本的生物学过程中，如在细胞代谢、基因表达、细胞凋亡、神经传递、金属酶调节，以及DNA结合与识别过程中具有极其重要的作用。大部分锌离子与酶或蛋白质紧密结合，是人体内数十种酶的主要成分，还与机体的性发育、生殖细胞的生成，大脑发育和智力有关。但是，人体摄入过量的锌离子，能引起某些神经变性疾病，如早老性痴呆病，帕金森氏症，癫痫症以及缺血性中风等疾病。由于锌离子在工业中的广泛应用，使得自然界水遭受锌离子污染也很普遍。因此，锌离子的检测在生命科学和环境学研究等方面都具有重要意义。

目前，用于识别锌离子的荧光探针主要采用探针分子结合锌离子后，在原来发射位置表现为荧光增强或猝灭的荧光探针。但是这类荧光探针容易受到探针浓度、激发光波长和检测环境等外界条件的影响，对测定结果造成干扰，致使检测数据不准确。此外，许多锌离子荧光探针的合成过程较为复杂。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种合成方法简单，水溶性好，灵敏度高，抗干扰能力强且对环境友好的基于1,3,4-噁二唑衍生物的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1,3,4-噁二唑衍生物的荧光探针，该荧光探针是2-(2'-氨基苯基)-5-苯基-1,3,4-噁二唑的衍生物，结构式如下：

一种基于1,3,4-噁二唑衍生物的荧光探针的合成方法，其具体合成步骤如下：

称取300mg的N-[2-(5-苯基-1,3,4-噁二唑-2-基)苯基]-2-氯乙酰胺、573mg的二-(吡啶亚甲基)胺、1.53ml的N,N-二异丙基乙胺和57mg碘化钾, 加入50ml的乙腈中，在氮气保护下搅拌加热回流10h；减压蒸除溶剂，以体积比为3:1的乙酸乙酯和石油醚作为洗脱液将残留物经柱层析分离，得到荧光探针N-[2-(5-苯基-1,3,4-噁二唑-2-基)苯基]-2-二(2-吡啶亚甲氨基)乙酰胺。

一种基于1,3,4-噁二唑衍生物的荧光探针在水环境体系、生物细胞体系中Zn²⁺的监测分析及示踪中的应用。

本发明的有益效果： 

（1）荧光探针的合成反应只需一步，原料易得，合成方法简单，产物分离提纯过程容易。

（2）该荧光探针具有优良的水溶性，可在水溶液中识别Zn²⁺，探针分子与Zn²⁺络合后，抑制了由叔胺氮原子向激发态2,5-二苯基噁二唑部分的光诱导电子转移过程，使探针的荧光发射增强，同时促进了由荧光团向Zn²⁺的分子内电荷转移，使荧光发射产生明显红移；增强并红移的荧光发射有利于荧光信号检测。

（3）该荧光探针属于比率型荧光探针，其自校正作用能够避免一些外部因素的影响，使得探针对目标离子的检测更为准确，对Zn²⁺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Hg²⁺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Cu²⁺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Co²⁺作用前后的荧光发射光谱变化图；

图11是本发明荧光探针分别与Ba²⁺、Mg²⁺、K⁺、Al³⁺、Fe²⁺、Fe³⁺、Ag⁺、Na⁺、Sr²⁺、Cr³⁺、Mn²⁺作用前后的荧光发射光谱变化图；

图12是本发明荧光探针在不同浓度锌离子存在下荧光发射光谱变化图；

图13是本发明荧光探针与Zn²⁺作用后的荧光发射光谱比率变化图；

图14是本发明荧光探针在锌离子及其它金属离子存在下的荧光发射强度变化图；

图15是本发明荧光探针与锌离子的结合比测试图；

图16是本发明荧光探针对锌离子的检测限计算图； 

图17是在不同的pH值条件下，本发明荧光探针在加入Zn²⁺前后的荧光发射强度（440nm）变化图；

图18是本发明荧光探针在实际水样中与1μmol/L～6μmol/L的Zn²⁺作用后的荧光发射光谱变化图。

具体实施方式

实施例1

（1）合成识别Zn²⁺的比率型荧光探针的反应式：

 （2）合成识别Zn²⁺的比率型荧光探针的具体步骤：

 称取300mg的N-[2-(5-苯基-1,3,4-噁二唑-2-基)苯基]-2-氯乙酰胺（化合物1）和573mg的二-(吡啶亚甲基)胺（化合物2），1.53ml的N,N-二异丙基乙胺，57mg碘化钾, 加入50ml的乙腈中，在氮气保护下搅拌加热回流10h；减压蒸除溶剂，以体积比为3:1的乙酸乙酯和石油醚作为洗脱液将残留物经柱层析分离得到荧光探针N-[2-(5-苯基-1,3,4-噁二唑-2-基)苯基]-2-二(2-吡啶亚甲氨基)乙酰胺（化合物L），收率为72%。

本发明荧光探针N-[2-(5-苯基-1,3,4-噁二唑-2-基)苯基]-2-二(2-吡啶亚甲氨基)乙酰胺的基本数据：

熔点：116℃～118℃；

¹H NMR (400 MHz, DMSO-d ₆)δ 11.65 (s, 1H), 8.62 (d, 1H, J = 8.4 Hz), 8.44 (d, 2H, J = 4.8 Hz), 8.22 (d, 2H, J = 7.6 Hz), 8.15 (d, 1H, J = 8.0 Hz), 7.82 (d, 2H, J = 8.0 Hz), 7.73-7.65 (m, 5H), 7.59 (t, 1H, J = 8.4 Hz), 7.32 (t, 1H, J = 8.4 Hz), 7.21 (t, 2H, J = 6.4 Hz), 3.93 (s, 4H)，3.49 (S, 2H). （如图1）；

¹³C NMR (100 MHz, DMSO-d ₆).δ 170.51, 163.73, 163.35, 149.24 , 158.07, 149.16, 137.66, 137.05, 133.07, 132.74, 129.92, 128.95, 127.37, 124.03, 123.96, 123.49, 122.83, 120.85, 111.44, 60.69, 59.13.（如图2）；

高分辨质谱(电喷雾，正模式) 的计算值 C₂₈H₂₅N₆O₂ [L+H⁺]⁺，477.2039，实测值 477.2038.（如图3）。

荧光探针N-[2-(5-苯基-1,3,4-噁二唑-2-基)苯基]-2-二(2-吡啶亚甲氨基)乙酰胺的对Zn²⁺的选择性检测：

10μmol/LN-[2-(5-苯基-1,3,4-噁二唑-2-基)苯基]-2-二(2-吡啶亚甲氨基)乙酰胺（荧光探针）的缓冲溶液（HEPES, 10mmol/L , pH=7.4），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⁺），5min后检测溶液的荧光发射光谱变化，如图5～图11所示。

由图4可知，荧光探针在382nm处具有较弱的发射峰；由图5可知，加入Zn²⁺离子后，探针溶液在382nm处的发射峰强度变弱，同时，在440nm处又出现了一个新的强发射峰；由图6可知，加入Cd²⁺离子后，探针溶液在382nm处发射峰没有明显变化，在 441nm处出现新的弱发射峰；由图7可知，探针溶液在382nm处发射峰没有显著变化，在506nm处出现一个新的弱发射峰；由图8可知，加入Cu²⁺后，探针溶液在382nm处的发射淬灭；由图9可知，加入Ni²⁺后，探针溶液在382nm处的发射峰强度变弱，在440nm处又出现了一个新的弱发射峰；由图10可知，加入Co²⁺后，探针溶液在382nm处的发射被淬灭；由图11可知，加入Ba²⁺，Mg²⁺，K⁺，Al³⁺，Mn²⁺，Pb²⁺，Na⁺，Sr²⁺，Ca²⁺，Cr³⁺，Ag⁺，Fe²⁺，Fe³⁺后，探针溶液在382nm处的发射峰有轻度淬灭或无显著变化；综合以上实验可知，荧光探针N-[2-(5-苯基-1,3,4-噁二唑-2-基)苯基]-2-二(2-吡啶亚甲氨基)乙酰胺对Zn²⁺具有良好的选择性。

荧光探针N-[2-(5-苯基-1,3,4-噁二唑-2-基)苯基]-2-二(2-吡啶亚甲氨基)乙酰胺的对Zn²⁺的荧光滴定实验：

10μmol/L N-[2-(5-苯基-1,3,4-噁二唑-2-基)苯基]-2-二(2-吡啶亚甲氨基)乙酰胺（荧光探针）的缓冲溶液（HEPES 10mmol/L, pH=7.4），逐步增加加入的Zn²⁺的浓度，5min后测试各试样的荧光光谱，结果如图12所示。由图12可以看出，随着加入的Zn²⁺浓度的逐渐增大，探针溶液在382nm处的荧光强度逐渐减弱，新出现的440nm处的发射峰强度逐渐增强；当Zn²⁺的浓度增大到 10μmol/L时，滴定达到饱和，发射光谱不再发生显著变化；这也说明该荧光探针对Zn²⁺具有较好的传感性质。

荧光探针N-[2-(5-苯基-1,3,4-噁二唑-2-基)苯基]-2-二(2-吡啶亚甲氨基)乙酰胺的对Zn²⁺的比率变化：

根据所获得的滴定实验数据，计算F _440nm/F _382nm的数值（如图15所示）；由图13可以看出，F _440nm/F _382nm与所加入的Zn²⁺浓度呈现良好的线性关系（R ²=0.98818）。说明该探针可用于Zn²⁺的比率识别和定量检测。

荧光探针N-[2-(5-苯基-1,3,4-噁二唑-2-基)苯基]-2-二(2-吡啶亚甲氨基)乙酰胺的对Zn²⁺识别的竞争实验：

10μmol/LN-[2-(5-苯基-1,3,4-噁二唑-2-基)苯基]-2-二(2-吡啶亚甲氨基)乙酰胺（荧光探针）的缓冲溶液（HEPES 10mmol/L, pH=7.4）17组，分别加入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⁺），5min后检测溶液的荧光光谱变化；然后向以上各个含有金属离子的溶液中分别加入10μmol/L 的Zn²⁺，放置5min后再分别测试各个溶液的荧光光谱，结果如图14所示。由图14可以看出，共存的其它金属离子对Zn²⁺的荧光识别没有显著干扰。

荧光探针与Zn²⁺的结合比的确定测试：

荧光探针和Zn²⁺的总浓度为10μmol/L，测试不同摩尔分数下溶液的荧光强度，结果如图15所示。由图15可知，在Zn²⁺的摩尔分数为0.5时，溶液的荧光强度最大，表明荧光探针与Zn²⁺的结合比为1:1。

荧光探针N-[2-(5-苯基-1,3,4-噁二唑-2-基)苯基]-2-二(2-吡啶亚甲氨基)乙酰胺对锌离子检测限的计算：

检测限根据荧光光谱滴定数据计算。以归一化的荧光强度(F-F _min)/(F _max-F _min)为纵坐标，Zn²⁺浓度的对数Log[Zn²⁺]为横坐标作图，如图16所示。在锌离子为1μmol/L到6μmol/L的浓度范围内，线性关系较好（R ²=0.99844），直线方程为y=3.45663+0.56971x。该直线与横轴的交点即为检测限值，经计算检测限为8.56×10^-7 mol/L。其中F为各试样的荧光强度，F _min为没有锌离子时探针溶液的荧光强度，F _max是加入饱和倍数锌离子时试样的荧光强度。

pH值对荧光探针N-[2-(5-苯基-1,3,4-噁二唑-2-基)苯基]-2-二(2-吡啶亚甲氨基)乙酰胺对锌离子检测的影响：

10μmol/LN-[2-(5-苯基-1,3,4-噁二唑-2-基)苯基]-2-二(2-吡啶亚甲氨基)乙酰胺（荧光探针）的水溶液，用稀盐酸和稀氢氧化钠溶液调节溶液的pH值，测定在不同pH 值条件下溶液在440nm的荧光发射强度；同样方法测试含10μmol/L锌离子的各试样在不同pH值条件下溶液在440nm的荧光发射强度；所得结果如图17所示。由图17可以看出，在没有锌离子存在时，荧光探针溶液在pH值2～13范围内发射强度均很弱；在有锌离子存在时，溶液在近中性条件下，荧光发射显著增强，表明该荧光探针适用于对于近中性水溶液中的锌离子进行识别与检测。

实际水样的处理和检测：

（1）将实际水样的处理

取湖水水样，先用二氯甲烷萃取，除去其中的有机物；取自来水样，加热煮沸15min 以去除其中的氯，冷却后备用；

（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-(5-苯基-1,3,4-噁二唑-2-基)苯基]-2-二(2-吡啶亚甲氨基)乙酰胺（荧光探针）1μmol/L～6μmol/L的Zn²⁺，5min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～6μmol/L 的Zn²⁺的范围内，荧光发射强度比值F ₄₄₀/F ₃₈₂与加入的锌离子浓度呈现良好的线性关系，说明被检测的水样中Zn²⁺的浓度在1μmol/L～6μmol/L范围内时，可以实现Zn²⁺的定量检测。

Claims (3)

1.一种基于1,3,4-噁二唑衍生物的荧光探针，其特征是：

结构式如下：

。

2.如权利要求1所述的一种基于1,3,4-噁二唑衍生物的荧光探针的合成方法，其特征是：

具体合成步骤如下：

称取300mg的N-[2-(5-苯基-1,3,4-噁二唑-2-基)苯基]-2-氯乙酰胺、573mg的二-(吡啶亚甲基)胺、1.53ml的N,N-二异丙基乙胺和57mg碘化钾, 加入50ml的乙腈中，在氮气保护下搅拌加热回流10h；减压蒸除溶剂，以体积比为3:1的乙酸乙酯和石油醚作为洗脱液将残留物经柱层析分离，得到荧光探针N-[2-(5-苯基-1,3,4-噁二唑-2-基)苯基]-2-二(2-吡啶亚甲氨基)乙酰胺。

3.如利要求1所述的一种基于1,3,4-噁二唑衍生物的荧光探针在水环境体系、生物细胞体系中Zn²⁺的监测分析及示踪中的应用。

Images