CN104418874A - 一种水溶液中检测氟离子荧光分子探针及其合成与应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及的是一种水溶液中荧光增强检测氟离子荧光分子探针的制备方法以及该荧光分子探针在检测氟离子方面的应用。本发明的荧光分子探针以1,4-二乙基-1,2,3,4-四氢-7羟基喹喔啉-6-醛为原料，经硅烷保护，再与丙二腈缩合而成。合成简便，反应条件温和。本发明所述的探针分子光学性能稳定，合成产率较高；在水溶中对氟离子检测灵敏度高，检测下限低，检测限为5.4μM；响应范围为0-1mM，检测范围宽；选择性好，对氯离子，溴离子，碘离子，四丁基氰化胺，硝酸根，硫酸氢根，高氯酸根，醋酸根，硫氰酸跟，叠氮根，半胱氨酸，牛血清蛋白，碳酸根，硫酸根，还原性谷胱甘肽等阴离子无响应；该荧光分子探针在生物化学，环境科学等领域具有实际的应用价值。

Description

一种水溶液中检测氟离子荧光分子探针及其合成与应用

技术领域

本发明涉及的是化学分析检测技术领域，具体涉及一种水溶液中荧光增强检测氟离子荧光分子探针的制备方法以及该荧光分子探针在检测氟离子方面的应用。 

  

背景技术

在生命过程中，分子识别起着十分重要的作用。氟离子作为最小的阴离子，具有独特的化学性质，在生命过程中，氟离子作为一种人体必需的元素发挥着重要的作用。医学研究证实，氟离子能够有效地预防龋齿和治疗骨质疏松。氟离子广泛存在于自然水体中，在地表水中的含量过高时，此时的水则不适宜饮用，并且，当人体内氟含量超出自身所需范围，则会引起氟中毒，导致氟骨病。因此，研究快速灵敏识别氟离子探针对于环境保护和生命科学都是十分重要的研究课题。（Matsui H, Morimoto M, Horimoto K, Nishimura Y. Some characteristics of fluoride-induced cell death in rat thymocytes: Cytotoxicity of sodium fluoride. [J] Toxicology in Vitro 2007; 21: 1113-1120. Barbier O, Arreola-Mendoza L, Del Razo L M. Molecular mechanisms of fluoride toxicity. [J] Chemico-Biological Interactions 2010; 188: 319-333. Hu R, Feng J, Hu D, Wang S, Li S, Li Y, Yang G. A rapid aqueous fluoride ion sensor with dual output modes. [J] Angewandte Chemie International Edition 2010; 49: 4915-4918.）。 

迄今为止，针对氟离子探针方面研究的报道还非常有限。由于这类离子具有较小的体积和较大的电荷密度，在水中非常容易形成强的氢键结构，所以对在生理状态下实时检测造成很大的难度。现已报道的检测方法主要有电化学法、核磁共振法和荧光传感器法等。在大多数分析方法操作中，存在灵敏度低、成本高和处理及检测样品过程繁杂等缺点，从而限制了实用性。相比之下，荧光探针技术由于具有操作简单、灵敏度高等优点，受到越来越多的重视。近年来许多研究小组，取得了许多有意义的成就。但是，由于氟离子的水合能较大，有关在水溶液中检测氟离子的荧光探针却鲜有报道，并且，测试体系的发射波长较短，容易受到组织细胞中内源性荧光物质的干扰，因此，开发快速灵敏识别氟离子探针具有重大的现实意义。（Kim T H, Swager T M. A fluorescent self-amplifing wavelength-responsive sensory polymer for fluoride ions. [J] Angewandte Chemie International Edition 2003; 42: 4803-4806. Zhu B, Yuan F, Li R, Li Y, Wei Q, Ma Z, Du B, Zhang X. A highly selective colorimetric and ratiometric fluorescent chemodosimeter for imaging fluoride ions in living cells. [J] Chemical Communications 2011; 47: 7098-7100.31. Yuan L, Lin W, Zheng K, He L, Huang W. Far-red to near infrared analyte-responsive fluorescent probes based on organic fluorophore platforms for fluorescence imaging. [J] Chemical Society Reviews 2013; 42: 622-661. Maity D, Govindaraju T. A turn-on NIR fluorescence and colourimetric cyanine probe for monitoring the thiol content in serum and the glutathione reductase assisted glutathione redox process. [J] Orgnia & Biomolecular Chemistry 2013; 11: 2098-2104.） 

发明内容

针对以上问题，本发明的目的之一提供一种合成简单、反应条件温和、成本低廉的荧光探针的合成方法；目的之二是提供一种选择性好，灵敏度高，能够在水溶液中荧光增强检测氟离子的荧光探针。 

本发明使用的裸眼检测和荧光增强检测氟离子的荧光分子探针，采用1,4-二乙基-1,2,3,4-四氢-7羟基喹喔啉-6-醛为原料，经保护，再与丙二腈缩合下合成，并且硅烷醚部分作为识别基团。 

本发明解决问题采取的技术方案为，一种荧光增强检测水溶液中氟离子的荧光分子探针，具有下列结构式： 

该荧光探针的合成反应方程式如下：

具体制备方法包括以下步骤：

1）将1,4-二乙基-1,2,3,4-四氢-7羟基喹喔啉-6-醛和三乙胺溶解在二氯甲烷中，搅拌，将叔丁基二甲基氯硅烷加入到上述反应液中，室温搅拌。反应完成后，将反应液倒入水中，二氯甲烷萃取，饱和氯化钠洗涤，无水硫酸钠干燥。蒸馏除去溶剂，得到产物即为化合物2。

2）将化合物2 和丙二腈溶于乙醇中，加入1滴哌啶，室温搅拌。反应完成后，倒入水中，二氯甲烷萃取，无水硫酸钠干燥，柱层析分离得到产品即为探针化合物。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。 

本发明的荧光分子探针使用方法没有特殊限制。通常可以将探针分子溶解30%的乙腈和水中，室温下进行测试。本发明的荧光分子探针对氟离子的检测原理如下式所示： 

当加入氟离子时，由于氟离子可以使硅烷保护的羟基脱去保护，促使羟基和丙二腈可以合环，生成具有荧光的化合物分子，从而使得探针的荧光增强。

本发明的荧光增强检测氟离子荧光分子探针的具体特征如下： 

该分子荧光探针在乙腈中最大吸收波长在492 nm, 当加入氟离子后，探针分子在492 nm处的吸收峰逐渐下降，同时473 nm处出现一个新的吸收峰，探针分子的吸收光谱蓝移了大约19 nm，荧光光谱波长在616 nm处荧光峰增强，在紫外灯照射下，溶液颜色由无色变为红色。本发明所述的探针分子灵敏度较高，在水溶液中与氟离子反应后生成物荧光性能稳定，合成产率较高，选择性好，检测范围宽，检测下限低，因此，该荧光分子探针在生物化学，环境科学等领域具有实际的应用价值。

  

附图说明

图1 为本发明的荧光分子探针在30%乙腈：水溶液中，加入氟离子，紫外吸收光谱的变化情况，横坐标为波长，纵坐标为吸光度。 

图2 为本发明的荧光分子探针在30%乙腈：水溶液中，加入不同浓度的氟离子，荧光发射光谱的变化情况，横坐标为波长，纵坐标为荧光强度。 

图3 为本发明的荧光分子探针在30%乙腈：水溶液中，加入不同浓度的氟离子，最大发射波长处的荧光强度的变化情况，横坐标为氟离子的浓度，纵坐标为荧光强度；插入图片为加入小浓度氟离子，最大发射波长处的荧光强度的变化情况，横坐标为氟离子的浓度，纵坐标为荧光强度。 

图4 为本发明的荧光分子探针在30%乙腈：水溶液中，加入等浓度不同测试物，荧光发射光谱的变化情况，横坐标为波长，纵坐标为荧光强度。 

图5 为本发明的荧光分子探针在30%乙腈：水溶液中，在共存物质存在下，加入氟离子后最大发射波长处的荧光强度的变化情况，横坐标为共存物质，纵坐标为荧光强度比值（I_{1+comprtitor+F-}/I_1 +F-）。 

图 6 为本发明的荧光分子探针在30%乙腈：水溶液中，加入氟离子前后，荧光强度随时间的变化情况，横坐标为时间，纵坐标为荧光强度。 

图7 为本发明的化合物2的核磁共振氢谱。 

图8 为本发明的荧光分子探针的核磁共振氢谱。 

  

具体实施方式

实施例1：化合物2的制备

在50 mL单颈圆底烧瓶中，加入1,4-二乙基-1,2,3,4-四氢-7羟基喹喔啉-6-醛（23.4 mg，0.1 mmol）,4-二甲氨基吡啶（16 mg，0.13 mmol）和一滴三乙胺溶于10 mL二氯甲烷中，室温搅拌5分钟。 将叔丁基二甲基氯硅烷（20 mg，0.13 mmol）加入到上述反应体系中，之后室温搅拌1小时。将反应液倒入30 mL水中淬灭反应。用30mL二氯甲烷萃取，分离得到有机相用无水硫酸钠干燥，蒸馏除去溶剂, 柱层析纯化（石油醚：乙酸乙酯=3:1）得到黄色液体即为产物30 mg（收率:86 %）。

¹H NMR (400 MHz, CDCl₃) δ 10.14 (d, J = 7.2 Hz, 1H), 6.99 (d, J = 27.2 Hz, 1H), 5.91 (d, J = 15.7 Hz, 1H), 3.35 (t, J = 65.5 Hz, 8H), 1.20 (dt, J = 15.9, 7.1 Hz, 6H), 1.03 (s, 9H), 0.25 (s, 6H)。 

实施例2：分子荧光探针的制备

在50 mL单颈烧瓶中，将化合物 2（34.8 mg，0.1 mmol）和丙二腈（6.6 mg，0.1 mmol）溶于5 mL乙醇中，加入1滴哌啶，室温反应30分钟。将反应液倒入水中，用二氯甲烷萃取，无水硫酸钠干燥，柱层析分离（石油醚/二氯甲烷=1:1）得到产品21 mg（收率：53 %）即为探针化合物。

¹H NMR (400 MHz, CDCl₃) δ 7.84 (s, 1H), 7.43 (s, 1H), 5.92 (s, 1H), 3.59 – 3.52 (m, 2H), 3.35 (dq, J = 25.8, 7.1 Hz, 4H), 3.23 – 3.17 (m, 2H), 1.35 – 1.13 (m, 6H), 1.01 (s, 9H), 0.24 (s, 6H)。 

实施例3：检测氟离子荧光分子探针的应用

 将该探针溶于30%乙腈：水溶液中，浓度为10 μM，加入1 mM氟化钠溶液，测试紫外吸收光谱；将该探针溶于30%乙腈：水溶液中，浓度为10 μM，首先，加入不同浓度的氟化钠溶液，另外，向10 μM的探针溶液中加入不同的测试物质（1 mM氯离子，溴离子，碘离子，四丁基氰化胺，硝酸根，硫酸氢根，高氯酸根，醋酸根，硫氰酸跟，叠氮根，半胱氨酸，牛血清蛋白，碳酸根，硫酸根，还原性谷胱甘肽），最后，在1 mM共存物质（氯离子，溴离子，碘离子，四丁基氰化胺，硝酸根，硫酸氢根，高氯酸根，醋酸根，硫氰酸跟，叠氮根，半胱氨酸，牛血清蛋白，碳酸根，硫酸根，还原性谷胱甘肽）的存在下，向10 μM的探针溶液中加入1 mM氟化钠溶液，分别测试反应体系的荧光发射光谱。图1-图6表明，在紫外吸收光谱和荧光发射光谱中荧光分子探针对氟离子具有很高的灵敏度，加入氟离子后，紫外吸收光谱由492 nm轻微蓝移至473 nm，在470 nm激发时，反应体系在616 nm处的荧光强度显著增强，在紫外灯下照射下，探针分子在加入氟离子后显现出红色荧光，并且不受氯离子，溴离子，碘离子，四丁基氰化胺，硝酸根，硫酸氢根，高氯酸根，醋酸根，硫氰酸跟，叠氮根，半胱氨酸，牛血清蛋白，碳酸根，硫酸根，还原性谷胱甘肽的影响，在模拟的生理条件下，探针对氟离子具有很好的选择性。

Claims (3)

1.本发明涉及一种水溶液中荧光增强检测氟离子荧光分子探针的制备方法以及该荧光分子探针检测氟离子的应用，其特征是具有式Ⅰ中的化学结构式： 

式Ⅰ

所述检测氟离子的荧光探针以香豆素衍生物为荧光团，硅烷醚为氟离子识别基团的化合物。

2.根据权利要求1所述的水溶液中荧光增强检测含氟离子的荧光分子探针，其特征在于该化合物合成方法按如下步骤进行：

1) 将1,4-二乙基-1,2,3,4-四氢-7羟基喹喔啉-6-醛和三乙胺溶解在二氯甲烷中，搅拌，将叔丁基二甲基氯硅烷加入到上述反应液中，室温搅拌；反应完成后，将反应液倒入水中，二氯甲烷萃取，饱和氯化钠洗涤，无水硫酸钠干燥；蒸馏除去溶剂，得到具有式Ⅱ中化学分子结构的化合物；

式Ⅱ

2）将式Ⅱ中的化合物和丙二腈溶于乙醇中，加入1滴哌啶，室温搅拌；反应完成后，倒入水中，二氯甲烷萃取，无水硫酸钠干燥，柱层析分离得到产品即为探针化合物。

3.根据权利要求1所述的水溶液中荧光增强检测氟离子荧光分子探针的应用，其特征是用于氟离子含量的测定，具体方法如下：

配置本发明分子探针的30%乙腈：水溶液，浓度为10 μM，然后加入氟化钠溶液配置成氟离子浓度分别为0、0.01、0.03、0.05、0.07、0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9和1 mM的氟离子标准溶液，放置10分钟后，在激发波长470 nm，发射波长为616 nm处分别测定不同氟离子浓度时的荧光强度，做成标准曲线，拟合确定荧光强度与氟离子浓度的函数关系。