CN105062468A - 一种检测汞离子的荧光探针及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种检测汞离子的荧光探针的制备方法，包括：(1)将1-芘甲醛与85％的水合肼按照大于1：1.5的比例加入有机溶剂中，室温下回流反应4-10h后，提纯得到1-芘甲醛缩水合肼；(2)将得到的1-芘甲醛缩水合肼溶解在无水甲醇中，加入4-N,N-二甲基水杨醛，室温下回流反应10h后，提纯得到荧光探针粗产物；(3)将得到的荧光探针粗产物用体积比为1：10的甲醇THF进行重结晶后得到荧光探针。该荧光探针的合成路线短，使得合成过程更便捷、较短的合成路线还减少了合成材料对荧光探针的影响，提高了荧光探针的准确性以及节约了制备过程中的材料耗费。

Description

一种检测汞离子的荧光探针及其制备方法

技术领域

本申请涉及荧光探针技术领域，具体地说，是涉及一种检测汞离子的荧光探针及其制备方法。

背景技术

汞是广泛存在于环境中的有毒金属元素，汞富于流动性，且易在常温下蒸发，在自然界中主要以无机汞、零价汞和有机汞3种形态存在。短时间(＞3～5小时)吸入高浓度汞蒸气(＞1.0mg/m3)及口入一定量的无机汞可致急性汞中毒；服用或涂抹含汞偏方可致亚急性汞中毒；接触汞蒸气常引起慢性汞中毒。汞中毒以慢性为多见，主要由长期吸入汞蒸气和汞化合物粉尘所致。而食物链对于汞具有很强的富集作用，环境中的汞被动植物富集，经生物转化作用转变成毒性更大的有机汞，使之成为对人类最有害、最危险的重金属元素之一。

长时间暴露在高汞环境中，可以导致脑损伤和死亡。长期暴露在含汞离子的环境中会导致中枢神经系统以及其它器官的永久性的伤害(Anal.Chem.，2011，83(24)：9702-9708)。如20世纪发生在日本的水俣病，就是有机汞富集造成中枢神经损伤导致的。因此，环境中的痕量汞检测极为重要。

近年来，我国采取了多种方法来减少工业上汞的使用，但即使是环境中微量的汞离子也会危害人体的健康，尤其是通过富集作用对人体带来的不易觉察的慢性危害，因此，汞离子定性识别以及建立可用于环境生命体系中简便快速的汞离子检测方法具有十分重要的意义(Chem.Rev.，2008，108(9)：3443-3480)。目前，在该领域一般使用荧光探针法进行汞离子检测，因为荧光探针法具有简单、快速、较高灵敏度、较好的选择性和易于实现自动化与可视化成像等特点，便于实现汞离子的工业化检测。

近年来，基于小分子荧光探针法检测汞离子已有大量报道(Chem.Rev.2008，108，3443-3480)，但是一般设计的荧光探针均是基于荧光猝灭机理，由于汞离子固有的猝灭荧光发射的性质，因此通过发展荧光增强型荧光探针提高荧光探针检测准确性和灵敏度实现起来比较困难。并且对于应用于生理环境的荧光探针，不仅要求其水溶性好及在生理酸度条件下工作，而且还需要其利于可见光激发以防止紫外光对细胞造成损伤。

芘类(Pyrene)染料是一种多苯环芳香类物质，有较好的荧光性质，通常其α位是反应活性位点，可通过一系列的修饰来调节芘的光学性质。通过空间的位置变化能够调控芘单体/缔合物之间的荧光变化(Anal.Chem.2006，76(24)：7336-7345)。因此，基于较好的荧光性质及与缔合物之间的荧光变化的灵活调控，芘类(Pyrene)染料已广泛地应用于离子(AngewandteChemieInternationalEdition，2005，44(32)：5067-5070)、小分子(Analyst，2009，134(4)：653-656；BiosensorsandBioelectronics，2010，25(10)：2232-2237)、核酸(NucleicAcidsResearch，2006，34(10)：3161-3168；JournaloftheAmericanChemicalSociety，2008，130(1)：336-342)和蛋白质(ChemBioChem，2008，9(3)：355-359)的检测。

荧光化学传感器通过由分子识别单元和基质材料组成的敏感层与分析对象发生作用后产生荧光效应来实现检测。而现有技术中的检测汞离子的荧光探针合成路线长并且反应条件要求高，需要耗费较大成本、并且制得的荧光探针检测灵敏度不高。

发明内容

为了解决在上述现有技术中出现的问题，本发明的目的是提供检测汞离子的荧光探针及其制备方法，以解决现有技术中检测汞离子的荧光探针合成路线长并且反应条件要求高的问题。

本发明提供了一种检测汞离子的荧光探针，所述检测汞离子的荧光探针的结构式为：

一种检测汞离子的荧光探针的制备方法，包括：

(1)将1-芘甲醛与85％的水合肼按照大于1∶1.5的比例加入有机溶剂中，室温下回流反应4-10h后，提纯得到1-芘甲醛缩水合肼；

(2)将得到的1-芘甲醛缩水合肼溶解在无水甲醇中，加入4-N，N-二甲基水杨醛，室温下回流反应10h后，提纯得到荧光探针粗产物；

(3)将得到的荧光探针粗产物用体积比为1∶10的甲醇THF进行重结晶后得到荧光探针。

进一步地，其中，所述步骤(1)中的有机溶剂为四氢呋喃。

进一步地，其中，所述步骤(1)中的有机溶剂为甲醇。

进一步地，其中，所述提纯为抽滤，用无水乙醚洗涤后干燥。

进一步地，其中，所述用无水乙醚洗涤进一步为：用无水乙醚洗涤三次后干燥。

进一步地，其中，所述步骤(2)进一步为：

将得到的1-芘甲醛缩水合肼溶解在无水甲醇中，加入与1-芘甲醛缩水合肼等摩尔量的4-N，N-二甲基水杨醛，室温下回流反应10h后，抽滤，用无水乙醚洗涤后干燥得到荧光探针粗产物。

进一步地，其中，所述步骤(1)中加入1-芘甲醛与85％的水合肼质量体积比为0.575g∶11.5ml。

进一步地，其中，所述步骤(2)中1-芘甲醛缩水合肼、无水甲醇、4-N，N-二甲基水杨醛的质量体积比为0.122g∶50ml∶0.048g。

与现有技术相比，本申请所述的一种检测汞离子的荧光探针及其制备方法，具有以下优点：

(1)本发明使用荧光性质、可以灵活调节光学性质的芘类荧光探针检测汞离子，该芘类荧光探针的合成路线短，使得合成过程更便捷、较短的合成路线还减少了合成材料对芘类荧光探针的影响，提高了芘类荧光探针的准确性以及节约了制备过程中的材料耗费。

(2)本发明用荧光性质、可以灵活调节光学性质的芘类荧光探针检测汞离子，该芘类荧光探针的合成条件温和，不需要高温加热，进而避免了高温对合成荧光探针材料的损害，并且节约了资源。

(3)本发明中制备的芘类荧光探针对汞离子具有高度选择性，而其它常见离子都无明显干扰，增强了对汞离子检测的准确性。

(4)本发明中制备芘类荧光探针的原料容易获得、合成步骤简便、合成条件温和，可以进行规模化生产。

当然，实施本申请的任一产品必不一定需要同时达到以上所述的所有技术效果。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1是本发明的检测汞离子的芘类荧光探针合成路线图示意图；

图2是本发明的检测汞离子的芘类荧光探针制备步骤流程图；

图3是本发明的检测汞离子的芘类荧光探针制备步骤的一个具体实施例的流程图；

图4是本发明的1-芘甲醛与水合肼反应生成中间产物1-芘甲醛缩水合肼的核磁共振图谱1HNMR；

图5是本发明的检测汞离子的芘类荧光探针的核磁共振图1HNMR；

图6是本发明所述的芘类荧光探针在水溶液中对汞离子的选择性响应荧光光谱图及相应荧光发射的照片；

图7是本发明所述的芘类荧光探针随汞离子浓度变化的荧光光谱图；

图8是本发明所述的芘类荧光探针加入汞离子后在不同干扰金属离子存在下的荧光强度变化柱状图；

图9是本发明所述的芘类荧光探针体系中Hg²⁺的摩尔分率x与芘类荧光探针荧光强度变化与之间的线性关系图。

具体实施方式

如在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可理解，硬件制造商可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名称的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。“大致”是指在可接收的误差范围内，本领域技术人员能够在一定误差范围内解决所述技术问题，基本达到所述技术效果。此外，“耦接”一词在此包含任何直接及间接的电性耦接手段。因此，若文中描述一第一装置耦接于一第二装置，则代表所述第一装置可直接电性耦接于所述第二装置，或通过其他装置或耦接手段间接地电性耦接至所述第二装置。说明书后续描述为实施本申请的较佳实施方式，然所述描述乃以说明本申请的一般原则为目的，并非用以限定本申请的范围。本申请的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。

以下结合附图对本申请作进一步详细说明，但不作为对本申请的限定。

实施例1

如图1和2所示，图1为本发明实施例1所述的一种检测汞离子的荧光探针合成路线图，图2是本发明的检测汞离子的荧光探针制备步骤流程图，本实施例中的检测汞离子的荧光探针制备步骤包括：

步骤101，将1-芘甲醛与85％的水合肼按照大于1∶1.5的比例加入有机溶剂中，室温下回流反应4-10h后，提纯得到1-芘甲醛缩水合肼；

该步骤使用原料1-芘甲醛的结构式II获得中间体1-芘甲醛缩水合肼III的结构式分别为：

步骤102，将得到的1-芘甲醛缩水合肼溶解在无水甲醇中，加入4-N，N-二甲基水杨醛，室温下回流反应10h后，提纯得到荧光探针粗产物；

本发明可以简单地、一步合成芘类中间体，进而再通过一步与4-N，N-二甲基水杨醛反应合成荧光探针。其中合成原料都是常用物质，容易获取、合成步骤简单、合成过程中不需要高温加热，反应条件温和，有利于规模化生产。

步骤103，将得到的荧光探针粗产物用体积比为1∶10的甲醇THF进行重结晶后得到荧光探针。

实施例2

如图1和3所示，图1为本发明实施例1所述的一种检测汞离子的荧光探针合成路线图，图3是本发明的检测汞离子的荧光探针制备步骤具体实施例的流程图，本实施例中的检测汞离子的荧光探针制备步骤包括：

步骤201，将0.575g(2.5mmol)1-芘甲醛与大于1∶1.5的水合肼，优选地，与11.5ml的水合肼在有机溶剂中，室温反应4-10h，抽滤，无水乙醚洗涤三次，干燥，得到中间体1-芘甲醛缩水合肼。

该步骤使用原料1-芘甲醛的结构式II获得中间体1-芘甲醛缩水合肼III的结构式分别为：

步骤201中使用的有机溶剂优选地为四氢呋喃或甲醇THF，更优选地该有机溶剂为无水甲醇。该合成步骤通过筛选不同的有机溶剂可以简单地、一步合成芘类中间体，并通过不同有机溶剂的调节，相应地合成一系统不同结构的芘类衍生物中间体。该过程使用的原料都是常见容易获得的，合成步骤简单，有利于实现规模化生产。

步骤202，将0.122g(0.5mmol)1-芘甲醛缩水合肼溶解在50mL无水甲醇中，加入0.048g(0.25mmol)4-N，N-二甲基水杨醛回流反应10h，得到黄色沉淀后，抽滤，用无水甲醇洗涤三次，干燥，得到芘类荧光探针粗产物。

步骤202中获得芘类荧光探针的结构式如下：

步骤203，将得到的芘类荧光探针粗产物用体积比为1∶10的甲醇进行重结晶后得到芘类荧光探针。

步骤203通过1∶10的甲醇对芘类荧光探针粗产物进行重结晶，进一步纯化得到纯净的芘类荧光探针。该方法整个制备过程不需要高温加热，反应条件温和，使用原料也都是常用原料，适合规模化生产检测汞离子的芘类荧光探针。

实施例3

在实施例1的基础上，获得的芘类荧光探针对汞离子荧光检测的选择性：

采用pH＝7.4体积比为10∶1的乙腈/水的缓冲溶液进行选择性实验。

在体积比为10∶1的乙腈/水缓冲溶液(pH7.4)中加入10μM芘类荧光探针后，再分别加入10倍当前量的Mn²⁺、Fe³⁺、Co²⁺、Ni²⁺、Cu²⁺、Zn²、Cd²⁺、Pb²⁺和Hg²⁺离子，使用缓冲液定容至相同容积后，以波长为0-600的激发光测定加入离子前后的荧光光谱，优选地，以波长为350nm的激发光测定加入离子前后的荧光光谱，其测定结果如图6所示。

从图6的结果中可以发现，只有Hg²⁺可使芘类荧光探针的荧光显著增强，其他常见的金属离子(Mn²⁺、Fe³⁺、Co²⁺、Ni²⁺、Cu²⁺、Zn²、Cd²⁺、Pb²⁺)对芘类荧光探针的荧光光谱影响很小。该结果表明：在体积比为10∶1的乙腈/水缓冲溶液(pH7.4)中，10μM的芘类荧光探针对Hg²⁺有较高的选择性和灵敏度。

实施例4

芘类荧光探针对不同浓度Hg²⁺的荧光检测：

采用pH＝7.4体积比为10∶1的乙腈/水的缓冲溶液进行不同浓度Hg²⁺的荧光检测实验。

在体积比为10∶1的乙腈/水缓冲溶液(pH7.4)中加入10μM芘类荧光探针后，再分别按照浓度为0μM、10μM、20μM、30μM、40μM、50μM、60μM、80μM及100μM加入Hg²⁺，使用缓冲液定容至相同容积后，以波长为0-600nm的激发光，测定加入Hg²⁺离子前后芘类荧光探针的荧光光谱，优选地，以波长为350nm的激发光，测定加入Hg²⁺离子前后芘类荧光探针的荧光光谱，结果如图7所示。

从图7中可以看出，随着Hg²⁺离子浓度的增加，芘类荧光探针的荧光强度逐渐增强。在Hg²⁺浓度范围在0～100μM内时，该芘类荧光探针的最大荧光强度与Hg²⁺浓度呈较好的线性关系。据此计算得到芘类荧光探针检测Hg²⁺的检测界限为2.12×10^-7mol/L，由于芘类荧光探针的最大荧光强度与Hg²⁺浓度呈较好的线性关系，该芘类荧光探针可以用于定量检测Hg²⁺，有利于根据实际需求设定来进行Hg²⁺定量检测，保证检查更准确、操作更便捷。

实施例5

其它常见金属离子对芘类荧光探针检测汞离子的干扰实验。

采用pH＝7.4体积比为10∶1的乙腈/水的缓冲溶液进行其它常见金属离子对芘类荧光探针检测汞离子的干扰实验。

在体积比为10∶1的乙腈/水缓冲溶液(pH7.4)中加入10μM芘类荧光探针后，分别按照10倍当前溶液量加入Hg²⁺后，再分别加入等摩尔量的Mn²⁺、Fe³⁺、Co²⁺、Ni²⁺、Cu²⁺、Zn²⁺、Cd²⁺及Pb²⁺离子，使用缓冲液定容至相同容积后，放置一段时间，以波长为350nm的激发光，测定加入Hg²⁺离子前后芘类荧光探针的荧光光谱，将记录的荧光强度与不同金属离子作柱状图，如图8所示。图8中横坐标中1-8分别为在Mn²⁺、Fe³⁺、Co²⁺、Ni²⁺、Cu²⁺、Zn²⁺、Cd²⁺及Pb²⁺离子存在下的实验组，纵坐标为其对应的荧光强度与未加除Hg²⁺外的这些金属离子的荧光强度比值。

从图8中可以看出，除了Cu²⁺离子之外，荧光强度与未加除Hg²⁺外的这些金属离子的荧光强度比值都接近1.0，由此标明了其他金属离子对体系荧光影响很小。而Cu²⁺离子荧光强度与未加除Hg²⁺外的这些金属离子的荧光强度比值变化较大，是因为Cu²⁺破坏了芘类荧光探针与Hg²⁺的配位结构，对体系荧光造成了影响，使得荧光强度减弱造成的。所以从该检测试验中可以看出芘类荧光探针检测Hg²⁺还是具有较强的抗干扰性，同时也从侧面证明了芘类荧光探针检测Hg²⁺的选择性较高。

实施例6

芘类荧光探针与Hg²⁺的结合比分析：

采用pH＝7.4，体积比为10∶1的乙腈/水的缓冲溶液，通过Job’s实验进行芘类荧光探针与Hg²⁺结合比的检测试验。

控制芘类荧光探针与Hg²⁺体系物质总浓度为100μM，从0-1以固定梯度调整Hg²⁺的摩尔分率，以波长为350nm的激发光，测定芘类荧光探针与Hg²⁺溶液的荧光光谱，根据测定结果以Hg²⁺的摩尔分率x为横坐标，以当前Hg²⁺的摩尔分率x下的荧光强度与无Hg²⁺条件下芘类荧光探针溶液的荧光强度的差值与Hg²⁺的摩尔分率x的乘积为纵坐标绘制Job’s-Plot曲线，如图9所示。

由图9可以得知，当体系中Hg²⁺的摩尔分率x(x＝[芘类荧光探针摩尔量]/[芘类荧光探针摩尔量]+[Hg²⁺摩尔量])为0.5时，芘类荧光探针Hg²⁺体系的荧光增强最大，根据计算公式n＝x/(1-x)计算芘类荧光探针与Hg²⁺分子量的比值，计算得到n＝1，表明芘类荧光探针与Hg²⁺的结合比为1∶1，即一个芘类荧光探针分子刚好结合上一个Hg²⁺，由此能够更准确地反应出待检测溶液中Hg²⁺的情况，提高了荧光探针对Hg²⁺的选择性和灵敏度。

与现有技术相比，本申请所述的一种对移动终端中非支持格式的视频进行转换的方法及系统，具有以下优点：

(1)本发明使用荧光性质、可以灵活调节光学性质的芘类荧光探针检测汞离子，该芘类荧光探针的合成路线短，使得合成过程更便捷、较短的合成路线还减少了合成材料对芘类荧光探针的影响，提高了芘类荧光探针的准确性以及节约了制备过程中的材料耗费，

(2)本发明用荧光性质、可以灵活调节光学性质的芘类荧光探针检测汞离子，该芘类荧光探针的合成条件温和，不需要高温加热，进而避免了高温对合成荧光探针材料的损害，并且节约了资源。

(3)本发明中制备的芘类荧光探针对汞离子具有高度选择性，而其它常见离子都无明显干扰，增强了对汞离子检测的准确性。

(4)本发明中制备芘类荧光探针的原料容易获得、合成步骤简便、合成条件温和，可以进行规模化生产。

上述说明示出并描述了本申请的若干优选实施例，但如前所述，应当理解本申请并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述申请构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本申请的精神和范围，则都应在本申请所附权利要求的保护范围内。

Claims (9)

1.一种检测汞离子的荧光探针，其特征在于，所述检测汞离子的荧光探针的结构式为：

2.一种检测汞离子的荧光探针的制备方法，其特征在于，包括：

(1)将1-芘甲醛与85％的水合肼按照大于1∶1.5的比例加入有机溶剂中，室温下回流反应4-10h后，提纯得到1-芘甲醛缩水合肼；

(2)将得到的1-芘甲醛缩水合肼溶解在无水甲醇中，加入4-N，N-二甲基水杨醛，室温下回流反应10h后，提纯得到荧光探针粗产物；

(3)将得到的荧光探针粗产物用体积比为1∶10的甲醇THF进行重结晶后得到荧光探针。

3.根据权利要求2所述的检测汞离子的荧光探针的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中的有机溶剂为四氢呋喃。

4.根据权利要求2所述的检测汞离子的荧光探针的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中的有机溶剂为甲醇。

5.根据权利要求2所述的检测汞离子的荧光探针的制备方法，其特征在于，所述提纯为抽滤，用无水乙醚洗涤后干燥。

6.根据权利要求5所述的检测汞离子的荧光探针的制备方法，其特征在于，所述用无水乙醚洗涤进一步为：用无水乙醚洗涤三次后干燥。

7.根据权利要求2所述的检测汞离子的荧光探针的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)进一步为：

将得到的1-芘甲醛缩水合肼溶解在无水甲醇中，加入与1-芘甲醛缩水合肼等摩尔量的4-N，N-二甲基水杨醛，室温下回流反应10h后，抽滤，用无水乙醚洗涤后干燥得到荧光探针粗产物。

8.根据权利要求2所述的检测汞离子的荧光探针的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中加入1-芘甲醛与85％的水合肼质量体积比为0.575g∶11.5ml。

9.根据权利要求2所述的检测汞离子的荧光探针的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中1-芘甲醛缩水合肼、无水甲醇、4-N，N-二甲基水杨醛的质量体积比为0.122g∶50ml∶0.048g。