CN104087288A - 一种基于罗丹明b的铝离子传感器、制备及应用 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于罗丹明B的铝离子传感器、制备及应用。采用紫外-可见分光光度计以及荧光分光光度计测定水相中罗丹明类探针的特征峰的强度变化，今儿确定Al³⁺的存在。本发明以罗丹明B(RhodanmineB)为前体合成目标产物N1-(2-(3'，6'-二(二乙基氨基)-3-氧代螺[异二氢吲哚1,9'-呫吨]-2-基)乙基)-N4，N4-双(吡啶-2-甲基)琥珀酰胺。本发明提供了目标产物在重金属离子检测中的应用，发现其对Al³⁺有很好的检测效果，与现有技术相比，本发明采用的原料易得，合成步骤简单，后处理亦很方便，较易实现大规模生产，在检测生物活体以及环境中的Al³⁺方面有很大的应用前景。

Description

一种基于罗丹明B的铝离子传感器、制备及应用

技术领域

本发明属于生物化学领域，具体涉及一种基于罗丹明B的铝离子荧光传感器、制备及应用。

背景技术

铝元素在地壳中的含量仅次于氧和硅，居第三位，是地壳中含量最丰富的金属元素，铝元素与人类有十分密切的关系，研究表明，铝在一定程度上对人体是有益的，可以缓解铅对人体的毒害，但是过量的铝会对人体造成极大的危害，铝离子能够通过食物链在生物体内富集，进而对人们的骨骼，脑以及神经系统造成严重的损伤，因此研究出一种能够快速方便检测Al³⁺的方法具有十分重要的意义。

目前，检测重金属离子的方法主要有：原子吸收光谱法、原子荧光光度法、电感耦合等离子质谱法等，但是这些方法所需仪器价格较为昂贵费时，且携带不便。荧光探针技术是一种利用探针化合物与弱荧光物质或非荧光物质以共价或其他形式结合从而形成能发出荧光的配合物、超分子或者是聚集体，进而实现在分子水平的实时监测离子、有机或无机小分子及生物大分子一项技术，由于荧光分析的高灵敏度、高选择性，同时检测方法简单，能提供较为丰富的光谱信息，目前已经被广泛应用于分析化学、生物化学、医学等领域。

罗丹明类染料由于其摩尔吸光系数较大，荧光量子产率高、光谱性能优越、结构简单、易于修饰，已经被广泛应用与分子探针设计，目前，罗丹明类分子探针多用于检测Fe³⁺，Cr³⁺，Zn²⁺等。

文献1(Li Y P,Liu X M,Zhang Y H,et al.A fluorescent and colorimetric sensor for Al³⁺based on a dibenzo-18-crown-6derivative[J].Inorganic Chemistry Communications,2013,33:6-9.)报道了一种以二苯并-18-冠醚-6为原料，在CH₂Cl₂经HNO₃/H₂SO₄硝化，然后在乙醇中经Pd/C，肼催化还原之后，再与联苯甲酰反应，最终合成一种基于二苯并-18-冠醚-6的铝离子传感器，产率为30％。

文献2(Azadbakht R,Almasi T,Keypour H,et al.A new asymmetric Schiff base systemas fluorescent chemosensor for Al³⁺ion[J].Inorganic Chemistry Communications,2013,33:63-67.)报道了一种以N1-(吡啶-2-基甲基)-N1-(2-(吡啶-2-基甲基氨基)乙基)乙烷-1,2-二胺和2-羟基-1-萘甲醛为原料，经醛胺缩合，最终合成一种结构稳定，基于不对称希夫碱的铝离子传感器，产率为80％。

文献3(Azadbakht R,Khanabadi J.A highly sensitive and selective off–on fluorescentchemosensor for Al³⁺based on naphthalene derivative[J].Inorganic ChemistryCommunications,2013,30:21-25.)报道了一种以1,2-双(溴甲基)苯：2-羟基-1-萘甲醛＝1：2为原料，合成一种二醛7,7'-((1,2-亚苯基双(亚甲基))二(氧基))双(1-萘)，然后该二醛与1，2-二氨基丙烷在甲醇/DMF(7:3，V/V)中进行缩合，并经NaBH₄还原，最终合成一种基于萘衍生物的铝离子传感器。

上述文献所报道的合成方法存在以下缺陷：

(1)如文献1中Al³⁺探针原料二苯并-18-冠醚-6价格昂贵，不宜批量生产。

(2)如文献3中，Al³⁺的探针荧光强度低，灵敏度不高，且选择性亦较差。

(3)如文献1、2、3中，Al³⁺的探针量子产率低，灵敏度不高。

上述缺陷造成至今为止，应用现有工艺方法难以得到生产成本低、荧光强度高，选择性较好的铝离子传感器制备方法。

发明内容

本发明目的是提供一种基于罗丹明B的铝离子荧光传感器、制备及应用。

实现本发明目的的技术解决方案是：

一种基于罗丹明B的铝离子荧光传感器，该Al³⁺荧光传感器的结构如下：

本发明中基于罗丹明B的铝离子荧光传感器的制备方法，包括以下步骤：

第一步，将化合物2与丁二酸酐在常温下混合，反应完成之后，减压除去溶剂，萃取，硅胶柱分离，除去溶剂最后得化合物3；

化合物2的结构式如下：

化合物3的结构式如下：

第二步，将化合物3与N,N'-二环己基碳二亚胺、1-羟基苯并三唑、N,N-二乙基乙胺常温混合，然后加入过量的二甲基吡啶胺，反应完成之后，减压除去溶剂，萃取，硅胶柱分离，除去溶剂得到化合物4即为所述Al³⁺荧光传感器。

本发明中化合物2的制备是将罗丹明B与过量的乙二胺在无水乙醇中加热回流过夜，反应完成之后，减压除去溶剂，萃取，硅胶柱分离，除去溶剂得到最后得到化合物2。

本发明中罗丹明B与乙二胺的摩尔比为1：5，反应时间为12h。

本发明中反应得到的粗产物使用硅胶柱进行分离纯化，洗脱液为MeOH：CH₂Cl₂＝1：50。

本发明中第一步反应中所用罗丹明B：丁二酸酐＝1：1，反应时间为10min。

本发明中第一步反应得到的粗产物使用硅胶柱进行分离纯化，洗脱液为MeOH：CH₂Cl₂＝1：50。

本发明中第二步反应中所得产物为1eq，N,N'-二环己基碳二亚胺：1-羟基苯并三唑：N,N-二乙基乙胺＝1.2eq：1.2eq：1.5eq，反应时间为4-6h。

本发明中第二步反应得到的粗产物使用硅胶柱进行分离纯化，洗脱液为MeOH：CH₂Cl₂＝1：20。

本发明中所述的基于罗丹明B的铝离子荧光传感器用于检测铝离子。

本发明与现有技术相比，其显著优点是：

(1)本发明以罗丹明为主体合成了一种新型Al³⁺荧光传感器，具有良好的光稳定性，长波长发射以及量子产率高等优点。

(2)本发明所选用原料成本低，合成步骤简单，后处理亦很方便，较易实现大规模生产。

(3)本发明采用酸铵缩合反应方式，合成方法简单，反应条件温和，且产率较高。

(4)本发明所涉及传感器能选择性检测铝离子，且敏感度较高，在检测生物活体以及环境中的Al³⁺方面具有很大的应用前景。

附图说明

图1为本发明的化合物2¹HNMR。

图2为本发明的化合物3¹HNMR。

图3为本发明的化合物4¹HNMR。

图4为本发明的化合物4的紫外选择性曲线。

图5为本发明的化合物4的荧光选择性曲线。

图6为本发明的化合物4的荧光稳定性曲线。

图7为本发明的化合物4的荧光滴定曲线，其中内插图为不同浓度Al³⁺对应的荧光强度(582nm)曲线。

具体实施方式

(一)传感器化合物的合成

本发明提供了目标产物在重金属离子检测中的应用，发现其对Al³⁺有很好的检测效果。本发明合成路线如下：

(二)紫外可见吸收性能测试

将CdCl₂·2.5H₂O,CuCl₂·2H₂O,AlCl₃,KCl,FeCl₃·6H₂O,PbCl₂,AgNO₃,HgCl₂,NiCl₂·6H₂O,FeCl₂·4H₂O,MgCl₂·6H₂O,NaCl,ZnCl₂,CrCl₃·6H₂O,Ba(NO₃)₂,CuCl,LiCl·H₂O,MnCl₂·4H₂O,CoCl₂·6H₂O,CaCl₂等不同金属离子加入化合物4的溶液中，进行紫外吸收性能测试。

(三)荧光性能测试

将CdCl₂·2.5H₂O,CuCl₂·2H₂O,AlCl₃,KCl,FeCl₃·6H₂O,PbCl₂,AgNO₃,HgCl₂,NiCl₂·6H₂O,FeCl₂·4H₂O,MgCl₂·6H₂O,NaCl,ZnCl₂,CrCl₃·6H₂O,Ba(NO₃)₂,CuCl,LiCl·H₂O,MnCl₂·4H₂O,CoCl₂·6H₂O,CaCl₂等不同重金属离子加入化合物4的溶液中，进行荧光响应测试。

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。

实施例1

荧光化学传感器的合成

1.化合物2的合成

将罗丹明B(1.912g，4mmol)与乙二胺(2.6ml，40mmol)在无水乙醇(50ml)中，控制反应温度在80℃，反应时间为12h，反应完成之后，减压除去溶剂，萃取，经硅胶柱分离得到淡黄色固体1.76g，产率为92％。化合物2¹HNMR如图1所示。

2.化合物3的合成

将化合物2(242mg，0.5mmol)溶于二氯甲烷(10ml)中，加入丁二酸酐(60mg，0.6mmol)，常温搅拌十分钟，减压除去溶剂，萃取，经硅胶柱分离得到紫红色固体265mg，产率为96％。化合物3¹HNMR如图2所示。

3.Al³⁺荧光传感器(化合物4)的制备

将化合物3(139mg，0.25mmol)溶解于二氯甲烷(5ml)中，加入DCC(N,N'-二环己基碳二亚胺，62mg，0.3mmol)、HOBT(1-羟基苯并三唑，40mg，0.3mmol)、TEA(N,N-二乙基乙胺，52uL，0.375mmol)，然后加入二甲基吡啶胺(90ul，0.5mmol)，待反应完成之后，减压除去溶剂，萃取，经柱分离之后最终得到淡红色固体150mg，产率为80％。化合物4¹HNMR分别为图3所示。

实施例2

紫外可见吸收性能测试

Al³⁺荧光传感器4在无水乙醇中具有很好的溶解性，经验证，化合物4可以溶解在EtOH：HEPES(100uM，pH＝7.3)＝1：1混合液中，配制500ml该溶液作为储备液(pH＝7.3)。

精确配置Al³⁺荧光传感器4为2×10^-5mol/L乙醇-H₂O混合液(1：1，V：V)，金属离子Cr³⁺，Ca²⁺，Ag⁺，Mg²⁺，Na⁺，K⁺，Ba²⁺，Co²⁺，Zn²⁺，Li⁺，Cd²⁺，Fe²⁺，Cu²⁺，Cu⁺，Mn²⁺，Pb²⁺，Hg²⁺，Cs²⁺，Al³⁺，Ni²⁺，Fe³⁺等浓度为1×10^-4mol/L水溶液。

化合物4紫外选择性实验如图4所示，取3ml储备液置于液体池中，加入30uLAl³⁺荧光传感器4溶液，测其初始紫外可见吸收强度值，然后分别加入配置好的各种金属离子溶液30uL，测量其稳定时的紫外可见吸收强度。观察图4可知，化合物4仅对Al³⁺有响应，并且在582nm处紫外吸收达到最大值，也即化合物4对Al³⁺有很好的选择性。

实施例3

荧光性能测试

Al³⁺荧光传感器4在无水乙醇中具有很好的溶解性，经验证，化合物4可以溶解在EtOH：HEPES(100uM，pH＝7.3)＝1：1混合液中，配制500ml该溶液作为储备液(pH＝7.3)。

精确配置Al³⁺荧光传感器4为2×10^-5mol/L乙醇-H₂O混合液(1：1，V：V)，金属离子Cr³⁺，Ca²⁺，Ag⁺，Mg²⁺，Na⁺，K⁺，Ba²⁺，Co²⁺，Zn²⁺，Li⁺，Cd²⁺，Fe²⁺，Cu²⁺，Cu⁺，Mn²⁺，Pb²⁺，Hg²⁺，Cs²⁺，Al³⁺，Ni²⁺，Fe³⁺等浓度为1×10^-4mol/L水溶液。

1.Al³⁺荧光传感器荧光选择性测试

荧光选择性实验如图5所示，取3ml储备液置于液体池中，加入30uLAl³⁺荧光传感器4溶液，测其初始荧光强度值，然后分别加入配置好的各种金属离子溶液30uL，测量其稳定时的荧光强度。观察图5可知，化合物4仅对Al³⁺有响应，并且在582nm处荧光强度达到最大值，也即化合物4对Al³⁺有很好的选择性。

2.Al³⁺荧光传感器荧光稳定性测试

荧光稳定性实验如图6所示，取3ml储备液置于液体池中，加入30uLAl³⁺荧光传感器4溶液，测其初始荧光强度值，然后加入配置好的Al³⁺溶液30uL，每隔2min测量其荧光强度。观察图6可知，化合物4与Al³⁺混合之后，随时间的增加，荧光强度也随之增加，约30分钟之后，荧光强度趋于不变，也即化合物4与Al³⁺在混合反应30分钟之后达到饱和。

3.Al³⁺荧光传感器荧光滴定测试

荧光滴定实验如图7所示，取3ml储备液置于液体池中，加入30uLAl³⁺荧光传感器4溶液，测其初始荧光强度值，然后逐步滴加配置好的Al³⁺溶液，分别测定其稳定时荧光强度，直至其荧光强度不随Al³⁺浓度增大而增加。对不同浓度Al³⁺对应的荧光强度峰值(582nm)作曲线图，可得图7内插图，观察可知，化合物4与Al³⁺混合之后，随Al³⁺浓度的增加，荧光强度也随之增加，当铝离子浓度大于10eq时，荧光强度趋于不变，也即化合物4与Al³⁺在铝离子浓度大于10eq时达到饱和。

Claims (10)

1.一种基于罗丹明B的铝离子荧光传感器，其特征在于，该Al³⁺荧光传感器的结构如下：

2.一种基于罗丹明B的铝离子荧光传感器的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

第一步，将化合物2与丁二酸酐在常温下混合，反应完成之后，减压除去溶剂，萃取，硅胶柱分离，除去溶剂最后得化合物3；

化合物2的结构式如下：

化合物3的结构式如下：

第二步，将化合物3与N,N'-二环己基碳二亚胺、1-羟基苯并三唑、N,N-二乙基乙胺常温混合，然后加入过量的二甲基吡啶胺，反应完成之后，减压除去溶剂，萃取，硅胶柱分离，除去溶剂得到化合物4即为所述Al³⁺荧光传感器。

3.如权利要求2所述的铝离子荧光传感器的制备方法，化合物2的制备是将罗丹明B与过量的乙二胺在无水乙醇中加热回流过夜，反应完成之后，减压除去溶剂，萃取，硅胶柱分离，除去溶剂得到最后得到化合物2。

4.如权利要求3所述的铝离子荧光传感器的制备方法，其特征在于，罗丹明B与乙二胺的摩尔比为1：5，反应时间为12h。

5.如权利要求3所述的铝离子荧光传感器的制备方法，其特征在于，反应得到的粗产物使用硅胶柱进行分离纯化，洗脱液为MeOH：CH₂Cl₂＝1：50。

6.如权利要求2所述的铝离子荧光传感器的制备方法，第一步反应中所用罗丹明B：丁二酸酐＝1：1，反应时间为10min。

7.如权利要求2所述的铝离子荧光传感器的制备方法，其特征在于，第一步反应得到的粗产物使用硅胶柱进行分离纯化，洗脱液为MeOH：CH₂Cl₂＝1：50。

8.如权利要求2所述的铝离子荧光传感器的制备方法，第二步反应中所得产物为1eq，N,N'-二环己基碳二亚胺：1-羟基苯并三唑：N,N-二乙基乙胺＝1.2eq：1.2eq：1.5eq，反应时间为4-6h。

9.如权利要求2所述的铝离子荧光传感器的制备方法，第二步反应得到的粗产物使用硅胶柱进行分离纯化，洗脱液为MeOH：CH₂Cl₂＝1：20。

10.一种权利要求1所述的基于罗丹明B的铝离子荧光传感器用于检测铝离子。