CN104498022A - 一种用于Cr3+检测与识别的含有咔唑-苯并咪唑基比率荧光探针化合物及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于Cr³⁺检测与识别的含有咔唑-苯并咪唑基比率荧光探针化合物及其制备方法。其结构通式如式(L)所示。其中R表示含2～8个碳原子的烷基。本发明合成的咔唑-苯并咪唑基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Cr³⁺离子的识别、定量检测，可以通过明显的颜色变化作为识别Cr³⁺离子的比色探针，也可作为Cr³⁺离子比率荧光探针，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Cr3+检测与识别的含有咔唑-苯并咪唑基比率荧光探针化合物及其制备方法

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Cr³⁺检测与识别的含有咪唑基团的咔唑衍生物比率荧光探针分子的合成及其离子识别性能的研究。

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、生命科学、环境科学和医学等诸多学科领域的研究对象，对溶液中金属离子的识别和检测是分析化学的热点问题。荧光分子探针技术因具有选择性好、灵敏度高、简单快速并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。利用紫外/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。

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。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，对铬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。目前已有多种可用于金属离子检测的荧光探针被报道，但用于Cr³⁺探针相对较少，而且报道的Cr³⁺探针大多是荧光猝灭型，这是因为Cr³⁺的顺磁性会引起荧光猝灭；由于利用荧光强度的简单变化，探针的浓度与样品的容易被环境干扰，这一特点限制了测量灵敏度的提高。荧光比率法是通过测量两个不同波长处的荧光强度，以其比值作为信号参量，从而来测定目标物的分析方法。荧光比值信号不受光源强度和仪器灵敏度的影响，因此与传统的荧光探针相比，比率荧光探针因可以有效消除探针自身浓度、光源强度波动及仪器灵敏性等因素引起的数据失真，从而能够得到更准确的结果。因此，开发能识别Cr³⁺的比率荧光探针，并将它应用于分析化学和生命医药科学等生物技术领域，具有非常重要的理论和实际意义。

发明内容

由于荧光探针的识别性能与探针分子的识别位点及空间结构等因素有关，所以本发明以咔唑为荧光发色团，本发明设计并合成了一种新型比率荧光探针化合物。本发明提供一种新型多功能离子检测探针化合物，分子中含有两个N原子，可以与一些金属离子配位，形成配位分子，产生特定的紫外及荧光现象。

本发明采用的技术方案如下：

一种用于Cr³⁺检测与识别的含有咔唑-苯并咪唑基比率荧光探针化合物，其特征在于：该化合物是由基于咔唑的醛基与邻苯二胺缩合反应得到的产物，其分子特征是化合物结构中含有N-取代咔唑基团和苯并咪唑基团，苯并咪唑中的两个氮原子具有不同的酸碱性，可以与不同的金属离子形成配合物，产生特定的紫外、荧光现象；所述的探针化合物L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。

本发明比率荧光探针化合物的合成路线和化学结构式如下：

在上述苯并咪唑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。该化合物可用于Cr³⁺离子识别与检测，而且对多种金属离子有较强的抗干扰能力，并且化合物与Cr³⁺离子混合溶液在紫外灯照射下可以看到明显的颜色变化，可以实现比色识别和比率荧光分析。

本发明的用于Cr³⁺检测与识别的含有咔唑-苯并咪唑基荧光探针化合物的制备方法，包括以下步骤：将3-甲酰基-N-正己基咔唑溶于少量乙醇中，缓慢加入邻苯二胺的乙醇溶液，滴入催化剂量的冰乙酸，升温80℃回流反应2h，停止加热冷却至室温，有淡黄色固体析出，抽滤，用乙醇重结晶，得米黄色固体。

所述的3-甲酰基-N-正己基咔唑、邻苯二胺和冰乙酸的摩尔比为100:100:1。

所述化合物的乙腈溶液可以通过紫外-可见光谱法实现对Cr³⁺离子检测与识别。

所述化合物的乙腈溶液可以通过荧光光谱法实现对Cr³⁺离子检测与识别。

本发明的有益效果：

本发明合成的苯并咪唑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Cr³⁺离子的识别；该化合物合成路线简单、反应条件温和、后处理简单方便且产率较高，便于应用；该化合物可用于Cr³⁺离子快速识别、定量检测，而且对其它离子识别具有较高的选择性和较好的抗干扰能力，并且可以实现比率荧光分析。

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Cr³⁺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Cr³⁺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＝298nm)。

图4为化合物L乙腈溶液中Cr³⁺的荧光滴定光谱(λex＝298nm)；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；L代+i表on在sL乙腈溶液中加入不同金属离子和Fe³⁺离子的荧光强度；代表在L中加入不同金属离子和Cr³⁺离子的荧光强度(λex＝298nm)。

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：目标化合物L的合成

将2.80g(5mmol)3-甲酰基-N-正己基咔唑溶于少量乙醇中，缓慢加入0.54g(5mmol)邻苯二胺的乙醇溶液，滴入催化剂量的冰乙酸，升温80℃回流反应2h，停止加热冷却至室温，有淡黄色固体析出，抽滤，用乙醇重结晶，得米黄色固体1.23g，产率78.25％。¹H-NMR(DMSO-d⁶,400Hz):δ(ppm):8.61(s,1H),8.07(d,J＝8.0Hz,1H),7.91(s,3H),7.74(d,J＝8.0Hz,2H),7.63(t,2H),7.55(d,J＝8.0Hz,1H),7.51-7.46(m,2H),7.42(t,J＝7.8Hz,1H),7.25(m,2H),7.15-7.09(m,3H),5.82(d,2H),4.42(t,2H),4.31(t,2H),1.77(m,2H),1.69(m,2H),1.19(m,12H),0.76(m,6H).FT-IR(KBr,cm^-1):3442(＝C-H),2856-2953(-CH₂,-CH₃),1629,1600(Ar-H),1455(-CH₃),1424(-C＝C-),1331和1238(-C＝N-),746和733(Ar-H)；HRMS(ESI):m/z calcd for C₄₄H₄₆N₄[M+H]⁺:631.3714；

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6.33mg，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。分别测定它们的紫外-可见光谱和荧光光谱。

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⁺，Zn²⁺，Cd²⁺，Cr³⁺，Cu²⁺，Ni²⁺，Co²⁺，Fe³⁺，Fe²⁺，Hg²⁺)的水溶液，摇匀，1min后测定溶液的紫外-可见吸收光谱(如附图1所示)。加入金属离子前，L的紫外-可见吸收光谱显示在267nm和297nm有两个明确的吸收峰，当加入Cr³⁺离子之后，在336nm处出现一个新的吸收峰；而在相同条件下，其他金属离子的加入对L的紫外-可见吸收光谱均无明显影响。

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3μL浓度为1.0×10^-3mol/L的Cr³⁺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2所示，插图为加入Cr³⁺后L在336nm处的吸光度变化)。随着Cr³⁺离子的逐渐加入，化合物L在267nm和297nm处的吸收峰值减弱，而在336nm处的吸光度逐渐增强，在306nm处出现明显的等吸收点，表明化合物L与Cu²⁺形成了稳定的配合物。在c(Cr³⁺)∶c(L)＞0.9后，吸光度不再变化，在1.0×10^-6～1.3×10^-5mol/L范围内，Cr³⁺离子浓度与吸光度变化量呈较好的线性关系(R²＝0.968)，通过计算得化合物L对Cr³⁺离子的检测限为3.00×10^-6mol/L。

实施例4：化合物L的荧光光谱测定

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⁺，Zn²⁺，Cd²⁺，Cr³⁺，Cu²⁺，Ni²⁺，Co²⁺，Fe³⁺，Fe²⁺，Hg²⁺)溶液，摇匀，1min后在λex＝298nm的激发波长下测定其荧光发射光谱(如附图3所示)，结果显示没有加入金属离子时，L在361nm和378nm处各有一个发射峰，当加入除Cr³⁺的其他金属离子时荧光发射强度有不同程度的增强或减弱，唯有加入Cr³⁺后，在361nm和378nm处发射峰完全猝灭，在445nm处出现新的峰，呈现出比率荧光的特征。同时，在紫外灯下(365nm)，能观察到Cr³⁺加入L的乙腈中能使溶液的颜色发生明显变化，由无色变为蓝色，可以通过肉眼识别，而其它离子没有发生类似的变化。

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Cr³⁺离子乙腈溶液，摇匀，平衡后测定溶液的荧光光谱(如附图4所示)，随着Cr³⁺离子的加入，化合物L在λ_ex＝298nm激发下在361nm和378nm处的发射峰的荧光强度逐渐减弱，而在445nm荧光强度逐渐增加且当c(Cr³⁺)∶c(L)＞0.9时，荧光强度基本不变。通过离子浓度与荧光强度的关系曲线可知，在2×10^-6-7×10^-6mol/L的范围内，Cr³⁺浓度与荧光强度差值呈现良好的线性关系(R²＝0.975)，同时可计算出Cr³⁺的检测线为1.935×10^-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，1min后在λ＝298nm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Cr³⁺离子识别具有较高的选择性和较好的抗干扰能力。

Claims (5)

1.一种用于Cr³⁺检测与识别的含有咔唑-苯并咪唑基比率荧光探针化合物，其特征在于：该化合物是由基于咔唑的醛基与邻苯二胺缩合反应得到的产物，其分子特征是化合物结构中含有N-取代咔唑基团和苯并咪唑基团，苯并咪唑中的两个氮原子具有不同的酸碱性，可以与不同的金属离子形成配合物，产生特定的紫外、荧光现象；所述的探针化合物L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。

2.一种如权利要求1所述的用于Cr³⁺检测与识别的含有咔唑-苯并咪唑基比率荧光探针化合物的制备方法，其特征在于包括以下步骤：将3-甲酰基-N-正己基咔唑溶于少量乙醇中，缓慢加入邻苯二胺的乙醇溶液，滴入催化剂量的冰乙酸，升温80℃回流反应2h，停止加热冷却至室温，有淡黄色固体析出，抽滤，用乙醇重结晶，得米黄色固体。

3.根据权利要求2所述的用于Cr³⁺检测与识别的含有咔唑-苯并咪唑基比率荧光探针化合物的制备方法，其特征在于，合成步骤中所述3-甲酰基-N-正己基咔唑、邻苯二胺和冰乙酸的摩尔比为100:100:1。

4.根据权利要求1所述的用于Cr³⁺检测与识别的含有咔唑-苯并咪唑基比率荧光探针化合物，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Cr³⁺离子检测与识别。

5.根据权利要求1所述的用于Cr³⁺检测与识别的含有咔唑-苯并咪唑基比率荧光探针化合物，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Cr³⁺离子检测与识别。