CN103772280A - 一种检测氰根离子的分子探针及其合成和应用方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种检测氰根离子的分子探针及其合成和应用方法。本发明的探针由4-氨基-1,8-萘酰亚胺骨架经过重氮化后与水杨醛或其衍生物缩合得到。此探针的生色团为萘酰亚胺偶氮苯的结构，对氰根离子的响应基团为水杨醛单元。单独的探针在溶液中的吸收峰位置在407nm，呈现黄色。随氰根离子的加入，波长在407nm处的吸光度不断减小，同时波长在497nm处的吸光度不断增大，溶液颜色由黄色变为红色。该探针分子对氰根离子的选择性和灵敏度高，响应速度快，响应范围为2–45μmol·L-1，检测限为0.4μmol·L-1。该探针可用于水体、土壤以及生物体内氰根离子的检测。

Description

一种检测氰根离子的分子探针及其合成和应用方法
技术领域
本发明属于化学分析检测技术领域，具体涉及一种裸眼及比色法检测氰根离子的分子探针及其制备和在检测氰根离子方面的应用。
背景技术
氰化物是一种剧毒物质，受到人类的关注已有一百多年的历史，至今仍然受到高度重视。氰化物对人的饮入半数致死量(LD50)为1.0mg/kg，世界卫生组织规定的饮用水中氰化物的最高含量为1.9μmol·L-1。氰化物能严重影响人体的许多生理器官与功能，如血管，视觉，中枢神经，心脏，内分泌，代谢系统等。最熟知的是氰根离子能与血红素蛋白中的铁离子结合，从而导致其能抑制动物体的呼吸作用。但尽管氰化物有剧毒，但另一方面它在广泛应用于石化、冶金、电镀工业及钢铁炼造等领域。氰化物的广泛应用也就导致了其不可避免地在环境中排放物和污染。所以开发高灵敏、高选择检测氰化物的方法对环境保护是非常必要的。
目前传统的检测氰根离子的方法有滴定法（Suzuki T.,Hiolki A.,Kurahashi M.Anal.Chim.Acta2003,476,159.）、伏安法（Safavi A.,Maleki N.,Shahbaazi H.R.Anal.Chim.Acta2004,503,213.）、电位分析法（Shan D.,Mousty C.,Cosnier S.Anal.Chem.2004,76,178.）以及离子色谱法（Christison T.T.,Rohrer,J.S.J.Chromatogr.,A2007,1155,31.）等。但是这些方法都需要复杂的耗时处理，并设计到复杂仪器的使用。光学分子探针在检测氰根离子时具有样品处理简洁、成本低廉及操作简便快速等优点，近年来得到了发展与利用（郭媛.香豆素类衍生物及其制备方法和在检测氰根离子中的应用:中国,CN201210510755.7[P].2013-04-17.）。
氰根离子的具有较强的亲核反应特性，而水杨醛由于分子内氢键的存在，其醛基中碳原子被激活并能选择性地与氰根离子亲核加成。另一方面萘酰亚胺偶氮苯染料具有较高的吸光系数，呈现出较深色泽，且具有很好的热稳定性和色牢度。因此，我们设计了一种以选用水杨醛作为氰根离子的识别基团，萘酰亚胺偶氮苯作为发光基团的比色法分子探针。
发明内容
对于上述情况，本发明的目的是提供一种新的易于制备、性能稳定的比色法分子探针，并提供该探针的合成方法，还在此基础开发出对氰根离子进行高选择性和高灵敏度的检测方法。
一种检测氰根离子的分子探针，结构通式如下：
Figure BDA0000461203420000021
其中R1选自具有1至18个碳原子的烷基链中的任一种，优选1-6个碳原子的任一种；R2、R3、R4各自独立选自H或1至4个碳原子的烷基链中的任一种，R2、R3、R4各自独立优选自H或1至2个碳原子的烷基链中的任一种。进一步优选为：
Figure BDA0000461203420000022
一种检测氰根离子的分子探针的合成方法，具体如下：
将4-氨基-1,8-萘酰亚胺骨架与亚硝酸盐和无机强酸在有机酸溶剂中冰浴反应，生成中间产物萘酰亚胺偶氮盐，然后加入水杨醛或其衍生物的溶液，用有机弱碱调节溶液pH，反应后将得到的沉淀洗涤后分离纯化得到探针分子化合物。
4-氨基-1,8-萘酰亚胺骨架中的酰亚胺N取代基选自1至18个碳原子的烷基链中的任一种，优选1-6个碳原子的任一种。
水杨醛的衍生物为：
Figure BDA0000461203420000031
其中：R2、R3、R4各自独立选自H或1至4个碳原子的烷基链中的任一种；R2、R3、R4各自独立优选自H或1至2个碳原子的烷基链中的任一种。
亚硝酸盐选自亚硝酸钠、亚硝酸钾或其它亚硝酸碱金属盐。
无机强酸选自浓硫酸、浓盐酸或浓氢溴酸。
有机酸溶剂选自乙酸、甲酸或常温下为液体的烷基羧酸。
溶解水杨醛或其衍生物的有机溶剂选自甲醇、乙醇或四氢呋喃。
调节pH的有机弱碱选自饱和醋酸钠或饱和醋酸钾。
上述方法中浓硫酸质量浓度不低于98%。浓盐酸质量浓度不低于37%。浓氢溴酸质量浓度不低于48%。
上述方法中冰浴反应时间3-5h。
上述方法中水杨醛或其衍生物的溶液浓度为20-50mM。
上述方法中用饱和醋酸钠溶液调节反应液pH至3-6，优选5。
上述方法中调节反应液pH后将反应移置室温反应2-5h。
上述方法反应流程如下：
Figure BDA0000461203420000032
其中R1选自具有1至18个碳原子的烷基链中的任一种；R2、R3、R4各自独立选自H或1至4个碳原子的烷基链中的任一种。
更进一步优选如下：
将N-丁基-4-氨基-1,8-萘酰亚胺与亚硝酸钠和浓硫酸在乙酸中冰浴反应，生成中间产物萘酰亚胺偶氮盐，然后加入水杨醛的甲醇溶液，用饱和醋酸钠调节溶液pH，反应后将得到的沉淀洗涤后分离纯化得到探针分子化合物。反应流程如下：
Figure BDA0000461203420000041
一种检测氰根离子的分子探针的应用方法，利用该分子探针对氰根离子进行定性和定量测定，所述的分子探针由上述的方法合成。
所述的探针分子用于水体、土壤或生物体系中氰根离子的检测。
采用比色法检测时，分子探针溶解于水与二甲基亚砜的混合溶液中，对氰根离子进行测试。
采用比色法检测时，所述比色法分子探针的检测使用浓度为2–45μmol·L-1，检测限为0.4μmol·L-1。
所述的检测氰根离子的分子探针另一种应用方式是通过将滤纸在含分子探针的二氯甲烷溶液中浸泡后干燥，制备得到CN-监测试纸。
本发明使用的裸眼检测和比色法检测氰根离子的分子探针，优选采用N-丁基-4-氨基-1,8-萘酰亚胺经过重氮化后与水杨醛偶联合成，水杨醛部分作为识别基团；萘酰亚胺偶氮苯作为发光基团。
其步骤如下：
(1)将亚硝酸钠和浓硫酸混合加热形成澄清溶液后冰浴冷却，然后加入N-丁基-4-氨-1,8-萘酰亚胺和醋酸冰浴反应4h。用薄层色谱监测反应进程，待原料反应完毕，生成中间产物萘酰亚胺偶氮盐。
(2)继续冰浴条件，在上述反应液中缓慢滴加含有水杨醛的甲醇溶液。用饱和醋酸钠溶液调节反应溶液的pH至5后，反应移至室温条件下继续反应3h，用薄层色谱监测反应进程，待原料反应完毕。过滤得到的沉淀，用热水洗涤沉淀后，用柱层析分离得到纯的探针化合物。
其中，亚硝酸钠用量70mg（1mmol）。98%浓硫酸用量1.5mL。N-丁基-4-氨-1,8-萘酰亚胺（0.27g，1mmol）。醋酸用量1mL。水杨醛用量80mg（1.1mmol）。甲醇用量30mL。待反应结束将固体过滤用热水洗涤三次，后加入二氯甲烷溶解，用无水硫酸钠干燥，蒸馏除去溶剂，柱层析分离(洗脱剂为二氯甲烷)得到产物黄色固体。
在本说明书的实施例中更详细地说明了该探针的合成和检测方法。将本发明的比色法分子探针使用溶解于水与二甲基亚砜(DMSO)的混合溶液中，室温下便可以对氰根离子进行测试。当加入氰根离子时，氰根离子能亲核进攻水杨醛基团的羰基，而后伴随着分子内质子转移，形成苯酚阴离子。反应后探针分子的酰亚胺为大π共轭的吸电子基团，反应生成的苯酚阴离子为给电子基团。从而产生强烈的分子内电荷转移(ICT)效应，使反应溶液呈现出显著地颜色从黄到红的变化。
本发明的裸眼检测和比色法检测氰根离子的探针的具体特征如下：
该比色法探针分子具有良好的稳定性和光学性质，反应前最大吸收波长为407nm，呈现出黄色；随着氰根离子的加入，探针分子在407nm处的最大吸收值逐渐下降，同时497nm处出现一个逐渐增强的新的吸收峰，吸收光谱红移约为90nm，溶液的颜色由黄色变为红色。
本发明所述的探针分子原料易得，合成产率较高，光学性能稳定，灵敏度较高，对氰根离子识别能力强，响应速度较快，响应范围为2–45μmol·L-1，检测限低（0.4μM），因此该类型探针可用于水体、土壤以及生物体系中氰根离子的检测。
附图说明
图1为本发明合成的分子探针的核磁共振氢谱；
图2为本发明的25μmol·L-1分子探针在加入不同浓度CN-后紫外吸收光谱图，从a至n，CN-浓度分别为0、2、5、10、15、20、25、30、35、40、45、50、60、70μmol·L-1，溶液体系为DMSO和水混合溶液(H2O/DMSO=7/3,v/v)，横坐标为波长，纵坐标为吸光度；
图3为氰根离子的浓度的标准曲线图，即25μmol·L-1分子探针，反应前后在497nm和407nm处紫外吸收强度比值(A497/A407)和氰根离子浓度的线性关系；横坐标为氰根离子的浓度，纵坐标为A497/A407；
图4为探针对氰根离子选择性；即25μM分子探针，加入50μmol·L-1不同阴离子(AcO-,F-,Cl-,Br-,I-,N3 -,S2-,SCN-,NO3 -,H2PO3 -)后，497nm和407nm处紫外吸收强度比值(A497/A407)的变化；横坐标为共存测试阴离子，纵坐标为A497/A407；
图5为条带试纸实验图；即制备的试纸在不同浓度氰根离子处理后的光学照片，从左至右氰根离子的浓度分别为：空白、20、40、60和80μmol·L-1。（图5）
具体实施方式：
以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
实施例1：比色法分子探针的合成
将亚硝酸钠(70mg,1mmol)冰浴条件下用10min缓慢加入到浓硫酸(1.5mL,98%)中，继续搅拌10min后。溶液加热至60℃搅拌直到固体全部溶解。再将反应置于冰浴中，将N-丁基-4-氨-1,8-萘酰亚胺（0.27g，1mmol）分30min加入到反应液中，然后加入1mL醋酸，继续冰浴反应4h后。将含有水杨醛(80mg,1.1mmol)的甲醇(30mL)溶液滴入到上述反应液中，用饱和醋酸钠溶液调节反应液pH至5后，将反应移至室温反应3h。待反应结束将固体过滤用热水洗涤三次，后加入二氯甲烷溶解用无水硫酸钠干燥，蒸馏除去溶剂，柱层析分离(洗脱剂为二氯甲烷)得到产物黄色固体220mg(收率：66%)。产物结构式如下：
Figure BDA0000461203420000061
1H NMR(400Hz,CDCl3):δ=11.52(s,1H),10.11(s,1H),9.20(dd,J=8.5,1.0Hz,1H),8.70(dd,J=10.0,4.4Hz,2H),8.39(d,J=2.3Hz,1H),8.34(dd,J=8.9,2.4Hz,1H),8.00(d,J=8.0Hz,1H),7.91(dd,J=8.4,7.4Hz,1H),7.22(d,J=8.9Hz,1H),4.25–4.17(m,2H),1.48(dq,J=14.8,7.3Hz,4H),1.00(t,J=7.4Hz,3H)(图1).HRMS[ESI]:m/z,calcd for[M-H]-400.1297;found400.1306.
实施例2：探针在裸眼和比色法检测氰根离子
将上述制得的比色法分子探针溶解于H2O:DMSO为7:3的混合溶剂中，配制成25μmol·L-1的探针溶液。在3mL的比色皿中加入2mL配制的25μmol·L-1的探针溶液，然后分别加入不同浓度的CN-(四丁基铵盐)后均匀混合，测试其紫外光谱，结果如图2所示,。以溶液在497nm和407nm处吸收值的比值对CN-浓度作图，CN-浓度在2–45μmol·L-1范围内时，两者之间呈现良好的线性关系(图3)，能实现改浓度范围内CN-的定量检测，而且溶液的颜色发生显著变化，也适用于裸眼检测。并且此探针不受其它一些常见阴离子的影响，如：AcO-,F-,Cl-,Br-,I-,N3 -,S2-,SCN-,NO3 -,H2PO3 -。在上述干扰离子存在的条件下，探针对含氰根离子仍具有良好的选择性和灵敏度(图4)。
通过将滤纸在含0.1mmol·L-1探针的二氯甲烷溶液中浸泡后干燥，制备得到了CN-监测试纸。将试纸分别浸泡在含不同氰根离子的水溶液中后取出，可以明显地观测到试纸由浅黄色变为红色。该试纸可视化检测CN-的最低浓度能达到20μmol·L-1。

Claims (10)

1.一种检测氰根离子的分子探针，其特征在于，结构通式如下：
Figure FDA0000461203410000011
其中R1选自具有1至18个碳原子的烷基链中的任一种；R2、R3、R4各自独立选自H或1至4个碳原子的烷基链中的任一种。
2.一种检测氰根离子的分子探针的合成方法，其特征在于，具体如下：
将4-氨基-1,8-萘酰亚胺骨架与亚硝酸盐和无机强酸在有机酸溶剂中冰浴反应，生成中间产物萘酰亚胺偶氮盐，然后加入水杨醛或其衍生物的溶液，用有机弱碱调节溶液pH，反应后将得到的沉淀洗涤后分离纯化得到探针分子化合物。
3.根据权利要求2所述的检测氰根离子的分子探针的合成方法，其特征在于，具体如下：
4-氨基-1,8-萘酰亚胺骨架中的酰亚胺N取代基选自1至18个碳原子的烷基链中的任一种；水杨醛的衍生物为:
Figure FDA0000461203410000012
其中：R2、R3、R4各自独立选自H或1至4个碳原子的烷基链中的任一种；亚硝酸盐选自亚硝酸钠、亚硝酸钾或其它亚硝酸碱金属盐；无机强酸选自浓硫酸、浓盐酸或浓氢溴酸；有机酸溶剂选自乙酸、甲酸或常温下为液体的烷基羧酸；溶解水杨醛或其衍生物的有机溶剂选自甲醇、乙醇或四氢呋喃；调节pH的有机弱碱选自饱和醋酸钠或饱和醋酸钾。
4.根据权利要求3所述的检测氰根离子的分子探针的合成方法，其特征在于，反应流程如下：
Figure FDA0000461203410000021
其中R1选自具有1至18个碳原子的烷基链中的任一种；R2、R3、R4各自独立选自H或1至4个碳原子的烷基链中的任一种。
5.根据权利要求4所述的检测氰根离子的分子探针的合成方法，其特征在于，
将N-丁基-4-氨基-1,8-萘酰亚胺与亚硝酸钠和浓硫酸在乙酸中冰浴反应，生成中间产物萘酰亚胺偶氮盐，然后加入水杨醛的甲醇溶液，用饱和醋酸钠调节溶液pH，反应后将得到的沉淀洗涤后分离纯化得到探针分子化合物。
6.一种检测氰根离子的分子探针的应用方法，其特征在于，利用该分子探针对氰根离子进行定性和定量测定，所述的分子探针由权利要求2-5任一项所述的方法合成。
7.根据权利要求6所述的检测氰根离子的分子探针的应用方法，其特征在于，所述的探针分子用于水体、土壤或生物体系中氰根离子的检测。
8.根据权利要求6所述的检测氰根离子的分子探针的应用方法，其特征在于，采用比色法检测时，分子探针溶解于水与二甲基亚砜的混合溶液中，对氰根离子进行测试。
9.根据权利要求6所述的检测氰根离子的分子探针的应用方法，其特征在于，采用比色法检测时，所述比色法分子探针的检测使用浓度为2–45μmol·L-1，检测限为0.4μmol·L-1。
10.根据权利要求6所述的检测氰根离子的分子探针的应用方法，其特征在于，通过将滤纸在含分子探针的二氯甲烷溶液中浸泡后干燥，制备得到CN-监测试纸。
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