CN103666451A - 一种用于Fe3+、Cr3+检测与识别的含有咔唑-噻吩基席夫碱荧光探针化合物 - Google Patents

Abstract

本发明一种用于Fe³⁺、Cr³⁺检测与识别的含有咔唑-噻吩基席夫碱荧光探针化合物，其结构通式如式（I）所示。其中R表示含2～10个碳原子的烷基。本发明合成的席夫碱衍生物具有多功能性，可以通过紫外-可见分光光度法和荧光光谱法实现对Fe³⁺、Cr³⁺离子的识别、定量检测，可以通过明显的颜色变化作为裸眼识别Fe³⁺离子的比色探针，也可作为Fe³⁺和Cr³⁺离子荧光探针，而且在其它离子存在的情况下有很好的抗干扰性、高选择性和灵敏性。

Description

一种用于Fe3+、Cr3+检测与识别的含有咔唑-噻吩基席夫碱荧光探针化合物

技术领域

本发明涉及金属离子检测和荧光分子探针领域，具体是一种用于Fe³⁺、Cr³⁺检测与识别的含有噻吩基咔唑-席夫碱荧光探针分子衍生物的合成及其离子识别的应用。 

背景技术

近年来，随着化学传感器的迅速发展，荧光探针研究在化学、生物、医学、环境等诸多领域受到了人们越来越多的关注，成为目前的一大研究热点。金属离子是化学、环境科学、生命科学和医学等诸多学科领域的研究对象，因此溶液中金属离子的识别和检测也成为了分析化学研究的热点问题。荧光分子/离子探针技术因具有选择性好、灵敏度高、简单快速且不需要借助昂贵仪器的优点而被广泛地应用于各种金属离子的检测。利用荧光性能与离子浓度的关系可以对离子进行定量或定性的分析，方便、快捷，具有较高的选择性和灵敏性，非常适用于重金属离子的实时或原位检测。 

铁是人体中至关重要的、不可缺少的微量元素之一，无论在重要性上还是在数量上都居于首位。铁元素不仅是血红蛋白的重要组成部分，还是构成多种酶和免疫系统化合物的成分。人体铁失衡会引起新陈代谢絮乱，导致贫血、肝损伤、肾衰竭等疾病，尽管铁对生命体很重要，但用于Fe³⁺探针较少是因为Fe³⁺的顺磁性会引起荧光猝灭，这一特点限制了测量灵敏度的提高，而且报道的Fe(Ⅲ)探针大多是荧光猝灭型。 

铬及其化合物被广泛应用于冶金、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。铬的毒性与其存在的价态有关，六价铬比三价铬毒性高100倍，并易被人体吸收且在体内蓄积，铬的污染源有含铬矿石的加工、金属表面处理、皮革鞣制、印染等排放的污水。Cr⁶⁺离子对人体有毒，而Cr³⁺离子是人体必需的微量元素之一，它在维持人体健康方面起关键作用。铬是正常生长发育和调节血糖的重要元素，还是葡萄糖耐量因子的组成成分，可促进胰岛素在体内充分地发挥作用。当缺乏时，就很容易表现出糖代谢失调，如不及时补充，就会患糖尿病，诱发冠状动脉硬化导致心血管病，严重的会导致白内障、失明、尿毒症等并发症。 

一直以来，对Fe³⁺、Cr³⁺离子的识别和测定方法主要有分光光度法,电化学分析法,高效液相分析法,原子吸收法等，但上述方法中，有的试剂选择性较差，用于某些复杂样品分析时，常需借助适当的预处理，有的仪器设备复杂，成本较高，都不是理想的识别和检测生物体内Fe³⁺、Cr³⁺离子的方法，荧光分析法作为一种简单、有效而又经济的方法，具有高灵敏度和能通过荧光成像，使被测细胞的损害达到最小，目前正成为生物界应用最广泛的方法之一。 

发明内容

由于荧光探针的识别性能与探针分子的空间结构有关，所以本发明基于C=N异构化机理，以咔唑-噻吩醛为荧光发色团母体，设计并合成了一种新型分子结构的探针化合物。本发明提供一种新型多功能离子检测探针化合物，具有C=N结构的席夫碱衍生物，同时分子中含有O、S和N等配位原子，可以与一些金属离子形成配位分子，产生特定的紫外、荧光现象。 

本发明采用的技术方案如下： 

一种用于Fe³⁺、Cr³⁺检测与识别的含有咔唑-噻吩基席夫碱荧光探针化合物，其特征在于：将噻吩基团引入到咔唑母体上，该化合物是由基于咔唑基的噻吩醛与4-硝基-2-羟基苯胺缩合反应N-取代咔唑基团、噻吩基团和硝基苯酚基团；该探针化合物具有C=N结得到的产物，含有取代咔唑基团的噻吩席夫碱衍生物，其分子结构特征是席夫碱化合物结构中含有构的席夫碱衍生物，同时分子中含有O、S和N等配位原子，可以与一些金属离子形成配位分子，产生特定的紫外、荧光现象。该席夫碱衍生物的合成路线和化学结构式如下： 

在席夫碱衍生物的化学结构式中R是碳原子数目为n=2-8烷基取代基。该化合物的用于Fe³⁺、Cr³⁺离子识别、检测，而且对多种金属离子有较强的抗干扰能力， 还可以识别Fe³⁺和Fe²⁺离子，并且化合物与Fe³⁺离子混合产生明显的颜色变化现象可以实现裸眼识别和比色分析。 

本发明的优点： 

本发明合成的席夫碱衍生物具有多功能性，可以通过紫外-可见分光光度法和荧光光谱法分别实现对Fe³⁺、Cr³⁺离子的识别。利用紫外-可见分光光度法选择性识别Fe³⁺离子，利用荧光光谱法可以选择识别Fe³⁺、Cr³⁺离子。该化合物可用于Fe³⁺、Cr³⁺离子快速识别、定量检测，而且对Fe³⁺/Cr³⁺离子识别具有较高的选择性和较好的抗干扰能力，并且明显的颜色变化现象可以实现裸眼识别和比色分析。 

附图说明

图1为化合物L乙腈溶液中加入不同金属离子的紫外吸收光谱。 

图2为加入Fe³⁺离子的化合物L乙腈溶液紫外-可见吸收光谱滴定图，插图为加入Fe³⁺离子后，溶液在314nm处的吸光度变化。 

图3为化合物L乙腈溶液中加入不同金属离子的荧光光谱(λex=380nm)。 

图4中(a)为化合物L乙腈溶液中Fe³⁺的荧光滴定光谱(λex=380nm)，插图为加入不同量Fe³⁺发光峰502nm处的荧光强度变化；(b)为化合物L乙腈溶液中Cr³⁺的荧光滴定光谱(λex=380nm)，插图为加入不同量Cr³⁺发光峰502nm处的荧光强度变化。 

图5为化合物L乙腈溶液中的金属离子选择性和抗干扰柱状图；黑色代表L乙腈溶液中加入不同金属离子的荧光强度；红色代表在L乙腈溶液中加入不同金属离子和Fe³⁺离子的荧光强度；蓝色代表在L3中加入不同金属离子和Cr³⁺离子的荧光强度(λex=380nm)。 

具体实施案例 

本发明可以通过以下的实施例进一步说明，但不仅仅局限于实施例。 

实施例1：席夫碱化合物（L）的合成 

在100mL圆底烧瓶中，加入2.5g(10mmol)3-甲酰基-9H-己基咔唑和1.78g(10mmol)NBS,0.05gBPO，用20mL DMF溶解，室温避光回流48h，用大量水清洗，呈乳白色且有深黄色油状液体，用二氯甲烷萃取，合并有机相并用无水MgSO₄干燥，次日抽滤，旋干有机相，用少量二氯甲烷溶解产物，并加入少量硅胶，经硅胶柱分离（石油醚:乙酸乙酯=10:1），得到3-溴-9H-己基咔唑(1)，产物为2.53g黄色液体，产率约76.67%。 

称取2-甲酰基5-硼酸基噻吩0.94g(6mmol)和0.04g四三苯基膦钯于三口烧瓶中，抽真空，充N₂保护，用针管分别取2.0mL3-溴-9H-己基咔唑(1)，40mL DME，6mL饱和Na₂CO₃溶液于烧瓶中，搅拌，80℃回流24h。向产物中加入等体积的水，呈深褐色油状液体，乙酸乙酯萃取，饱和食盐水洗涤，无水MgSO4干燥，静置过夜，次日抽滤并旋干有机相，用少量二氯甲烷溶解产物，并加入适量硅胶，经硅胶柱层析分离(淋洗剂：石油醚:乙酸乙酯=10:1），得到5-(2-甲酰基)噻吩基-9H-己基咔唑(2)，产物为0.61g黄色固体，产率约28%。 

0.36g(1mmol)3-[(2-甲酰基）噻吩基]-9H-己基咔唑，0.15g(1mmol)2-羟基-4-硝基苯胺，溶于2mL乙醇中，室温回流2h，抽滤，乙醇洗涤，氯仿和乙醇混合（氯仿/乙醇=9/1）溶剂重结晶，得到席夫碱化合物（L），0.31g固体，产率约61%。 

实施例2：化合物L的紫外-可见吸收光谱测定 

准确称量化合物L质量2.5mg，溶解、配制成浓度为0.5×10^-3mol/L的乙腈储备溶液，准确移取储备液稀释成浓度为1.0×10^-5mol/L的待测试溶液。取3mL浓度为1.0×10^-5mol/L的待测样品于石英比色皿中（石英比色皿的厚度为1cm），然后分别加入30μL浓度为1.0×10-³mol/L的各种金属离子（Na⁺，K⁺，Ag⁺，Ca²⁺，Mg²⁺，Mn²⁺，Cd²⁺，Cr³⁺，Cu²⁺，Ni²⁺，Co²⁺，Fe³⁺，Fe²⁺，Hg²⁺）溶液，摇匀，30秒后测定溶液的紫外-可见吸收光谱（如附图图1所示）。加入金属离子前，L的紫外-可见吸收光谱显示在293nm和410nm有两个明确的吸收峰，当加入Fe³⁺离子之后，化合物L在293nm处的吸收峰增强并稍有蓝移（从293nm蓝移到288nm），在410nm处的吸收峰强度减弱并有蓝移（从410nm蓝移到379nm），而且在313nm处出现一个新的吸收峰，其溶液颜色也由黄绿色变为无色，肉眼即可观察出，具有“裸眼识别”功能，L可以作为紫外识别和裸眼识别Fe³⁺离子的比色探针；而在相同条件下，其他金属离子如：Na⁺，K⁺，Ag⁺，Ca²⁺，Mg²⁺，Mn²⁺，Cd²⁺，Cr³⁺，Zn²⁺，Cu²⁺，Ni²⁺，Co²⁺，Fe²⁺，Hg²⁺的加入对L大的紫外-可见吸收光谱均无明显影响，溶液颜色基本不变。 

实施例3：化合物L的紫外-可见吸收光谱滴定实验及检测限的测定 

取3mL浓度为1.0×10^-5mol/L的化合物L的乙腈溶液于石英比色皿中，每次加入每次加3μL浓度为1.0×10^-3mol/L的Fe³⁺离子乙腈溶液，摇匀，平衡后测定溶液的紫外-可见吸收光谱（如附图图2所示）。随着Fe³⁺离子的加入，化合物L 在293nm处的吸光度逐渐增强，吸收峰逐渐蓝移，而在410nm处的吸收度逐渐减弱并且逐渐蓝移，直到410nm处的吸收峰蓝移至376nm处。在乙腈溶液中化合物L能与Fe³⁺离子形成了稳定的配合物，在314nm处出现新的吸收峰，Fe³⁺离子在1.0×10^-6～1.3×10^-5mol/L范围内，Fe³⁺离子浓度与314nm吸光度变化量呈较好的线性关系（R²=0.992），通过计算探针化合物L对Fe³⁺离子的检测限为6.16×10^-7mol/L。 

实施例4：化合物L的荧光光谱测定（测定时衰减1%，狭缝15nm） 

取3mL浓度为1.0×10^-5mol/L的化合物L乙腈溶液于石英比色皿中，然后分别加入30μL浓度为1.0×10_- ³mol/L的各种金属离子（Na⁺，K⁺，Ag⁺，Ca²⁺，Mg²⁺，Mn²⁺，Cd²⁺，Cr³⁺，Cu²⁺，Ni²⁺，Co²⁺，Fe³⁺，Fe²⁺，Hg²⁺）溶液，摇匀，30秒后在λ=380nm的激发波长下测定其荧光发射光谱（如附图图3所示），结果显示没有加入金属离子时，L在λ=495nm处有个较弱的荧光峰，Fe³⁺和Cr³⁺离子的加入对化合物L在502nm处荧光发光峰具有明显荧光增强效应。加入Fe³⁺后，L的荧光峰强度增加了13倍；当加入Cr³⁺后，L的荧光强度增加了11倍。而在相同的条件下，除了Cu²⁺有一定的荧光增强（3倍），其它金属离子如：Na⁺，K⁺，Ag⁺，Ca²⁺，Cu²⁺，Mg²⁺，Mn²⁺，Zn²⁺，Cd²⁺，Ni²⁺，Co²⁺，Fe²⁺，Hg²⁺均无荧光增强。 

实施例5：化合物L的荧光光谱滴定实验及检测限的测定 

取3mL浓度为1.0×10^-5mol/L的化合物L的乙腈溶液于石英比色皿中，每次加入3μL浓度为1.0×10^-3mol/L的Fe³⁺、Cr³⁺离子乙腈溶液，摇匀，平衡后测定溶液的荧光光谱（如附图图4所示），随着Fe³⁺、Cr³⁺离子的加入，化合物L在λ_ex=380nm激发下的荧光强度逐渐增加。通过离子浓度与荧光强度的关系曲线可知，在4.5×10^-6～1.5×10^-5mol/L范围内，Fe³⁺离子浓度与荧光强度呈较好的线性关系（R²=0.99），化合物L对Fe³⁺离子的检测限为3.74×10^-6mol/L；在3.0×10^-6～1.2×10^-5mol/L范围内，Cr³⁺离子浓度与荧光强度呈很好的线性关系（R²=0.99），化合物L对Cr³⁺离子的检测限为2.56×10^-6mol/L。 

实施例6：化合物L对Fe³⁺、Cr³⁺离子识别的选择性和抗干扰性取3mL浓度为1.0×10^-5mol/L的化合物L乙腈溶液于石英比色皿中，加入30μL浓度为1.0×10^-3mol/L的Fe³⁺或Cr³⁺离子后，再分别加入30μL浓度为1.0×10^-3mol/L的各种金属离子（Na⁺，K⁺，Ag⁺，Ca²⁺，Mg²⁺，Mn²⁺，Cd²⁺，Cu²⁺，Ni²⁺，Co²⁺，Fe²⁺，Hg²⁺）溶液，摇匀，30秒后在λ=380nm的激发波长下测定其荧光发射光谱（如附图图5所示），结果显示加入其它金属离子如：Na⁺，K⁺，Ag⁺，Ca²⁺，Mg²⁺， Mn²⁺，Zn²⁺，Cd²⁺，Cr³⁺，Ni²⁺，Co²⁺，Fe²⁺，Hg²⁺均对化合物L的荧光强度几乎没有影响，这就表明了化合物L对Fe³⁺/Cr³⁺离子识别具有较高的选择性和较好的抗干扰能力。 

Claims (3)

1.一种用于Fe³⁺、Cr³⁺检测与识别的含有咔唑-噻吩基席夫碱荧光探针化合物，其特征在于：将噻吩基团引入到咔唑母体上，该化合物是由基于咔唑基的噻吩醛与4-硝基-2-羟基苯胺缩合反应得到的产物，含有取代咔唑基团的噻吩席夫碱衍生物，其分子特征是席夫碱化合物结构中含有N-取代咔唑基团、噻吩基团和硝基苯酚基团，该探针化合物具有C=N 结构的席夫碱衍生物，同时分子中含有O、S 和 N 等配位原子，可以与一些金属离子形成配位分子，产生特定的紫外、荧光现象；所述的探针化合物的化学结构式如下：

其中，R是碳原子数目为n=2-8烷基取代基。

2.根据权利要求1所述的用于Fe³⁺、Cr³⁺检测与识别的含有咔唑-噻吩基席夫碱荧光探针化合物，其特征在于，所述化合物的乙腈溶液可以通过紫外-可见光谱法实现对Fe³⁺离子检测、识别。

3.根据权利要求1所述的用于Fe³⁺、Cr³⁺检测与识别的含有咔唑-噻吩基席夫碱荧光探针化合物，其特征在于，所述化合物的乙腈溶液可以通过荧光光谱法实现对Fe³⁺和Cr³⁺离子检测、识别。

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