CN104327843B - 一种汞离子荧光探针及制备方法和用途 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种汞离子荧光探针及其制备方法和用途，该汞离子荧光探针是在吡啶2位经杂冠醚修饰的衍生物，采用将杂冠醚基团键合到具有辅助配位功能的吡啶发色团上，合成出具有特异性响应的汞离子荧光探针，利用汞作为过渡金属离子与S、N供体之间紧密相互作用的特性来设计新的荧光探针。该荧光探针可应用于水体中汞离子的选择性荧光快速检测，且选择性很好、抗其它金属离子干扰能力强，是一种理想的可应用于汞离子快速检测的传感分子。

Description

一种汞离子荧光探针及制备方法和用途

技术领域

本发明涉及环境分析、生物分析检测领域，主要涉及一种汞离子荧光探针及其制备方法，该探针分子能够高选择性、定性乃至半定量的检测水体中的汞离子。

背景技术

汞及其化合物广泛应用在冶金工业、电子照明工业和医疗卫生产业等领域。每年产生的废弃物中约有2000-3000吨的汞被排放到环境中。作为剧毒污染物，含汞制品的不当处理对生态环境的危害非常严重。一方面，汞单质是一种易于挥发的金属，其产生的汞蒸气易于在空气中传播，通过呼吸系统和破损皮肤被吸收到人体内，造成神经毒性和肾脏毒性，严重危害人体健康。另一方面，无机的汞盐易于在微生物的作用下转化为甲基汞等有机汞。有机汞的特性主要体现在其容易被吸收而难于从体内排除，因此有机汞会在水生动物体内积累，并不断在食物链中富集，对生态链的破坏最大。一般有机汞主要途通过饮食而被摄入人体内的。爆发在日本的水俣病就是由于食用被甲基汞污染的水生鱼类导致的中毒事件。而且甲基汞对孕妇、胎儿、婴幼儿群体的危害性最明显，一般甲基汞可以在母婴间传播。甲基汞会损伤神经系统、心脑血管系统、免疫系统并诱发癌症等。因此，EPA、WHO对于汞的不慎摄入含量都有严格的安全检测标准，一般甲基汞的摄入量小于1.1μg/(kg·d)，饮用水中无机汞盐的含量小于2ppb。基于汞及其化合物的生态环境危害性，相关的监测分析手段重要性不言自明。与传统复杂的仪器分析方法如原子吸收\发射光谱、电感耦合等离子体质谱、电化学方法等相比，荧光探针检测方法以其高灵敏度、生物细胞实验中原位实时示踪检测等优点,在汞离子识别检测中发展迅速。

目前设计汞离子荧光探针还存在不少弊端，如水溶性差、紫外激发及络合能力小等，这也促使人们去解决这些问题。

发明内容

本发明目的在于提供一种汞离子荧光探针及其制备方法和用途，该汞离子荧光探针是在吡啶2位经杂冠醚修饰的衍生物，采用将杂冠醚基团键合到具有辅助配位功能的吡啶发色团上，合成出具有特异性响应的汞离子荧光探针，利用汞作为过渡金属离子与S和N供体之间的紧密相互作用特性来设计新的荧光探针。该荧光探针可应用于水体中汞离子的选择性荧光快速检测，且选择性很好、抗其它金属离子干扰能力强，是一种理想的可应用于汞离子现场检测的传感分子。

本发明所述的一种汞离子荧光探针，该荧光探针是在吡啶2位经杂冠醚修饰的衍生物，其结构为：

所述的汞离子荧光探针的制备方法，按下列步骤进行：

a、称取2-溴甲基-6-吡啶甲酸甲酯溶于20毫升亚磷酸三乙酯，在温度120℃下搅拌12小时，经减压蒸馏除去多余的亚磷酸三乙酯，得到中间体1为6-甲基膦酸二乙酯吡啶甲酸甲酯；

b、取步骤a得到的中间体1为6-甲基膦酸二乙酯吡啶甲酸甲酯与4-二甲胺基苯甲醛溶解于30毫升四氢呋喃中，室温下加入叔丁醇钾，过夜反应后得到中间体2为6-(4-(二甲基氨基)苯乙烯基)吡啶甲酸甲酯；

c、取步骤b得到的中间体2为6-(4-(二甲基氨基)苯乙烯基)吡啶甲酸甲酯溶于10毫升甲苯中，加入二异丁基氢化铝，反应4小时后，以饱和酒石酸钾钠溶液淬灭反应，得到中间体3为6-(4-(二甲基氨基)苯乙烯基)吡啶甲醛；

d、取步骤c得到的中间体3为6-(4-(二甲基氨基)苯乙烯基)吡啶甲醛与杂冠醚，在室温下搅拌10分钟，再分批加入三乙酰氧基硼氢化钠，室温反应过夜；

e、反应结束后，用1N的盐酸酸化至pH＝4-5，然后用1N氢氧化钠溶液中和至pH＝7-8，再用乙酸乙酯萃取3次，收集有机相，用无水硫酸钠干燥，减压蒸馏除去溶剂，经硅胶色谱柱，用溶剂二氯甲烷/25％乙酸乙酯提纯，即可得到汞离子荧光探针为2-(4-(二甲基氨基)苯乙烯基)-6-亚甲基-(1,4二氧-7,13二硫-氮杂15冠5)吡啶。

所述的汞离子荧光探针在水环境体系或生物细胞体系中汞离子快速检测中的用途。

本发明所述的一种汞离子荧光探针及制备方法和用途，该汞离子荧光探针的合成路线如下：

本发明所述的一种汞离子荧光探针及制备方法和用途，该汞离子荧光探针在中性缓冲溶液中，通过简单的荧光变化数值F0/F可以有效检测Hg²⁺，并剔除其他金属离子的影响；荧光探针与汞离子的结合诱导体系荧光淬灭15倍；因此，本发明是一种简单、快速、灵敏的汞离子专一性检测试剂，其性能将在实施例中结合附图基于详细说明。

附图说明

图1为本发明荧光发射光谱图，利用F-7000荧光分光光度计(日本日立公司)，在缓冲溶液体系中(25mMTris，0.1MNaNO₃，pH＝7.3)进行测试。荧光探针分子的浓度为5μM，汞离子浓度依次为0、1、2、3、4、5μM，激发波长为390nm，狭缝宽为5nm\5nm，横坐标为波长、纵坐标为相对荧光强度；

图2为本发明探针选择性光谱图，其中1为加入等当量汞离子；2为加入等当量竞争金属离子，3为加入等当量竞争金属离子与汞离子，配置一定浓度的探针溶液，然后向溶液中分别加入等当量的不同金属离子K⁺、Ca²⁺、Mg²⁺、Mn²⁺、Fe³⁺、Cr³⁺、Co²⁺、Ni²⁺、Cu²⁺、Zn²⁺、Cd²⁺、Pb²⁺，在各金属离子存在条件下，探针分子的荧光发射光谱，随后继续滴加等当量的汞离子，测定在不同金属离子存在下探针检测汞离子的抗干扰能力。

具体实施方式

实施例1

a、称取1g2-溴甲基-6-吡啶甲酸甲酯溶于20ml亚磷酸三乙酯，在温度120℃下搅拌12小时，经减压蒸馏方法除去多余的亚磷酸三乙酯，得到中间体1为6-甲基膦酸二乙酯吡啶甲酸甲酯，产率96％；

核磁共振质子化学位移值：¹HNMR(400MHz,CDCl₃)δ7.95(1H),7.71(1H),7.69–7.52(1H),4.30–4.05(4H),3.99(3H),3.54(2H),1.27(6H)；

b、取800mg中间体1为6-甲基膦酸二乙酯吡啶甲酸甲酯与400mg4-二甲胺基苯甲醛，溶解于30ml四氢呋喃中，室温下加入170mg叔丁醇钾，过夜反应后得到中间体2为6-(4-(二甲基氨基)苯乙烯基)吡啶甲酸甲酯，产率60％；

核磁共振质子化学位移值：¹HNMR(400MHz,CDCl₃)δ7.91(1H),7.76(1H),7.62(1H),7.55(1H),7.49(3H),7.10(1H),6.72(2H),4.02(3H),3.01(6H)；

c、取260mg中间体2为6-(4-(二甲基氨基)苯乙烯基)吡啶甲酸甲酯溶于10ml甲苯，加入0.92ml摩尔浓度为1.1的二异丁基氢化铝甲苯溶液，反应4小时后，以饱和酒石酸钾钠溶液淬灭反应，得到中间体3为6-(4-(二甲基氨基)苯乙烯基)吡啶甲醛，产率80％；

核磁共振质子化学位移值：¹HNMR(400MHz,CDCl₃)δ10.01(1H),7.82–7.66(3H),7.53(3H),7.05(1H),6.73(2H),3.02(6H)；

d、取126mg中间体3为6-(4-(二甲基氨基)苯乙烯基)吡啶甲醛与136mg杂冠醚，在室温下搅拌10分钟，再分批加入149mg三乙酰氧基硼氢化钠，室温反应过夜；

e、反应结束后，用1N的盐酸酸化至pH＝4-5，然后用1N氢氧化钠溶液中和至pH＝7-8，再用乙酸乙酯萃取3次，收集有机相，用无水硫酸钠干燥，减压蒸馏除去溶剂，经硅胶色谱柱，用体积比二氯甲烷∶乙酸乙酯＝100:25的混合溶剂提纯，即可得到汞离子荧光探针为2-(4-(二甲基氨基)苯乙烯基)-6-亚甲基-(1,4二氧-7,13二硫-氮杂15冠5)吡啶，产率60％；

核磁共振质子化学位移值：¹HNMR(400MHz,CDCl₃)δ7.56(1H),7.53–7.42(3H),7.31(1H),7.24(1H),6.98(1H),6.71(2H),3.84(2H),3.78(4H),3.66(4H),3.00(6H),2.87(7H),2.74(4H)。

本发明所述汞离子荧光探针的用途

实施例2

在缓冲溶液中(25mMTris，0.1MNaNO₃，pH＝7.3)，荧光探针的浓度为20μM，汞离子浓度依次为0、2.5、5、8、15、20、30μM，激发波长为390nm，狭缝宽为5nm\5nm；

在缓冲溶液中(25mMTris，0.1MNaNO₃，pH＝7.3)，荧光探针自身的最大吸收峰在358nm，在长波长方向有一宽的吸收带，当向溶液中加入Hg²⁺(0-1.5equiv)后，最大吸收峰稍微红移，这是由于Hg²⁺与杂冠醚的配位作用，当滴加完1.0当量Hg²⁺后继续滴加Hg²⁺，吸收光谱基本无变化，说明荧光探针分子与Hg²⁺络合比为1:1；

在缓冲溶液中，以390nm光激发(激发和发射波长狭缝分别为5nm)，荧光探针分子在405-650nm呈现较强的荧光发射峰，量子产率较高(Ф＝0.22)，当向溶液中滴加Hg²⁺(0-1.6equiv)，体系的荧光强度产生了明显的淬灭，当滴加饱和后形成相应汞离子配合物，其量子产率达到了0.012，很显然，这样的荧光淬灭是由汞离子的d轨道上的电子转移到荧光发色团所导致的。

实施例3

配置5μM荧光探针溶液，然后向溶液中分别加入等当量的不同金属离子K⁺、Ca²⁺、Mg²⁺、Mn²⁺、Fe³⁺、Cr³⁺、Al³⁺、Co²⁺、Ni²⁺、Cu²⁺、Zn²⁺、Cd²⁺、Pb²⁺，测定在各金属离子存在下，荧光探针分子的荧光发射光谱；

参照汞离子对探针分子的荧光光谱滴定实验，本发明通过竞争金属离子滴定实验来判定探针对汞离子的选择性，在溶液中分别加入等当量的Mn²⁺、Fe³⁺、Cr³⁺、Al³⁺、Co²⁺、Ni²⁺、Cu²⁺、Zn²⁺、Cd²⁺、Pb²⁺、K⁺、Ca²⁺、Mg²⁺后，荧光光谱也没有明显变化，只有加入Hg²⁺后，荧光光谱才产生了很大的淬灭，通过对荧光发射强度的比值F0/F监测表明：本发明十分适合作为汞离子荧光探针(图2)。

实施例4

配置5μM荧光探针溶液，然后向溶液中分别加入等当量的不同金属离子K⁺、Ca²⁺、Mg²⁺、Mn²⁺、Fe³⁺、Cr³⁺、Al³⁺、Co²⁺、Ni²⁺、Cu²⁺、Zn²⁺、Cd²⁺、Pb²⁺随后继续滴加等当量的汞离子，测定在不同金属离子存在下探针检测汞离子的抗干扰能力，其结果表明：金属离子如K⁺、Ca²⁺、Mg²⁺、Mn²⁺、Fe³⁺、Cr³⁺、Al³⁺、Co²⁺、Ni²⁺、Cu²⁺、Zn²⁺、Cd²⁺、Pb²⁺对探针识别汞离子的荧光信号变化程度影响很小(图2)。

Claims (3)

1.一种汞离子荧光探针，其特征在于该汞离子荧光探针是在吡啶2位经杂冠醚修饰的衍生物，其结构为：

2.根据权利要求1所述的汞离子荧光探针的制备方法，其特征在于按下列步骤进行：

a、称取1g2-溴甲基-6-吡啶甲酸甲酯溶于20毫升亚磷酸三乙酯，在温度120℃下搅拌12小时，经减压蒸馏除去多余的亚磷酸三乙酯，得到中间体1为6-甲基膦酸二乙酯吡啶甲酸甲酯；

b、取800mg步骤a得到的中间体1为6-甲基膦酸二乙酯吡啶甲酸甲酯与400mg4-二甲胺基苯甲醛溶解于30毫升四氢呋喃中，室温下加入170mg叔丁醇钾，过夜反应后得到中间体2为6-(4-(二甲基氨基)苯乙烯基)吡啶甲酸甲酯；

c、取260mg步骤b得到的中间体2为6-(4-(二甲基氨基)苯乙烯基)吡啶甲酸甲酯溶于10毫升甲苯中，加入摩尔浓度为1.1的二异丁基氢化铝甲苯溶液0.92ml，反应4小时后，以饱和酒石酸钾钠溶液淬灭反应，得到中间体3为6-(4-(二甲基氨基)苯乙烯基)吡啶甲醛；

d、取126mg步骤c得到的中间体3为6-(4-(二甲基氨基)苯乙烯基)吡啶甲醛与杂冠醚，在室温下搅拌10分钟，再分批加入149mg三乙酰氧基硼氢化钠，室温反应过夜；

e、反应结束后，用1N的盐酸酸化至pH＝4-5，然后用1N氢氧化钠溶液中和至pH＝7-8，再用乙酸乙酯萃取3次，收集有机相，用无水硫酸钠干燥，减压蒸馏除去溶剂，经硅胶色谱柱，用溶剂二氯甲烷/25％乙酸乙酯提纯，即可得到汞离子荧光探针为2-(4-(二甲基氨基)苯乙烯基)-6-亚甲基-(1,4二氧-7,13二硫-氮杂15冠5)吡啶。

3.根据权利要求1所述的汞离子荧光探针在水环境体系或生物细胞体系中汞离子快速检测中的用途。