CN105949160A - 一种铜离子荧光增强型分子探针及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种铜离子荧光增强型分子探针及其制备方法和应用，所述探针的分子式为，其以4‑甲基‑7‑羟基香豆素为荧光母体，依次通过与六亚甲基次胺反应，在羟基的邻位引入甲酰基，所得到的中间体与邻乙氧基苄胺反应后，引入了氮原子和氧原子，同时使得该化合物的荧光闭合，又可以与铜离子发生专一性反应。通过在反应母体中引入与铜离子进行专一性配位的氮原子和氧原子，检测过程中铜离子传感器能很快地和铜离子发生配位，使荧光迅速的增加，从而实现对铜离子的检测，同时又可以有效地避免其他金属离子的干扰。本发明所制备的荧光探针是一种结构简单，原料廉价易得，易于制备，产率高的高选择性荧光增强型铜离子化学传感器。

Description

一种铜离子荧光增强型分子探针及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于化学分析检测技术领域，具体涉及一种荧光分子探针，尤其涉及一种铜离子荧光增强型分子探针及其制备方法和该荧光分子探针在重金属离子识别和检测中的应用。
背景技术
重金属对环境的污染和对生物体的危害日益严重，引起人们广泛的关注，环境和生物体中重金属的检测显得尤为重要。铜是一种广泛存在于环境和生物体中的常见重金属元素，铜已成为重要的环境污染物之一。由于Cu在电镀、建筑、制造业的广泛应用造成了Cu2+对环境的严重污染。同时，铜离子是维持生物体正常生命活动不可缺少的必须微量元素之一，含量虽低，但它的作用却至关重要。过渡金属元素在人体内有着十分重要的生理作用，参与多种生理活动，而铜离子在人体内的含量仅次于锌和铁，所以铜离子在人体内具有非常重要的作用。但是，人体内含有的铜离子如果超出了正常范围，那么大量聚集的铜离子也会对人的器官产生危害。当人们暴露在高铜离子浓度的环境下，即使是在短期的时间内，铜离子也能快速的分布于人体的消化系统内对人产生一定的危害，如果长期置于高浓度铜离子的环境下，肝脏和肾的将会受到不可逆的损坏。基于以上原因，世界卫生组织(WHO)规定了应用水中铜离子的浓度最大不能超过30μM，同时世界卫生组织还规定成年人每天摄入铜离子的量不应超过10-12mg，铜在人体内的平均浓度是在15.7-23.6μM。因此，寻找一种快速而有效的检测铜离子的方法是十分必要的。
常规检测铜离子的方法是原子吸收光谱法，原子发射光谱法，电感耦合等离子体质谱，但是这些技术需要昂贵的仪器和繁琐的处理方法，化学传感器是近年来发展起来的一种基于光反应的分析方法，这种分析方法具有分析速度快，易于操作，成本廉价等优点而得到了广泛的研究。但是，由于铜具有顺磁性，所以针对铜离子的化学传感器一般都具有低荧光量子产率的缺点，在实际的应用中受到了很大的限制。
因此，基于铜离子易于与希夫碱类化合物形成配位的原理，该发明的目的在于开发一种结构简单，易于制备，对铜离子具有高选择性和灵敏度的荧光增强型化学传感器。即一种铜离子荧光增强型分子探针及其制备方法和应用。
发明内容
1、要解决的问题
针对现有技术中存在的上述问题，本发明提供一种铜离子荧光增强型分子探针及其制备方法和应用，通过由4-甲基-7-羟基香豆素为母体结构，经过进一步的修饰得到的衍生物，此探针对铜离子具有荧光增强的效应、且具有良好的选择性、高灵敏度且易于合成和十分强的抗干扰能力的优点，是一种理想的结构简单，合成方法简单，原料廉价易得，产率高，易于制备的荧光增强型铜离子化学传感器。
2、技术方案
为了解决上述问题，本发明所采用的技术方案如下：
所述的一种铜离子荧光增强型分子探针，所述探针化学式为C19H17NO4，其结构式为：
一种铜离子荧光增强型分子探针的制备方法，其包括如下步骤：
(1)将在真空条件下于35℃干燥4小时的乌洛托品溶于冰醋酸中得混合液一，然后再将4-甲基-7-羟基香豆素溶于所述混合液一中，即得混合液二；
(2)将所述混合液二逐渐升温至120℃，在回流条件下反应4小时后冷却至室温；
(3)将浓度为2mol/L的盐酸逐滴加入到步骤(2)所得反应体系中直至反应液的pH值为3.8-4.2，然后在70℃条件下搅拌反应10分钟；
(4)将步骤(3)所得反应液中加入到与其体积相等的冰水中，然后用与所述反应液同体积的乙酸乙酯分三次依次等体积萃取，萃取后合并三次所得的有机相，并对所合并的有机相用无水硫酸镁干燥1小时，然后过滤干燥后的所合并的有机相；
(5)用旋转蒸发仪将步骤(4)所得过滤后的合并有机相中的溶液蒸掉，然后用柱层析分离，即得到中间体；
(6)将步骤(5)所得的中间体完全溶于无水乙醇中得混合液三，并在不断搅拌条件下再向所述混合液三中加入邻乙氧基苄胺得混合液四，然后向所述混合液四中滴入数滴醋酸，并于90℃条件下回流反应2小时后即停止反应；
(7)利用旋转蒸发仪在30℃条件下将步骤(6)中所得反应混合液中的无水乙醇蒸干，然后再利用硅胶柱层析，分离粗品即得到目标产物纯品。
优选地，步骤(1)中所述乌洛托品与冰醋酸按4g：15mL的重量体积比混合，所述乌洛托品与4-甲基-7-羟基香豆素的质量比为2:1。
优选地，所述4-甲基-7-羟基香豆素分子结构式为：
优选地，步骤(5)中所述柱层析分离方法所采用的洗脱剂为乙酸乙酯和石油醚按体积比为2:1的混合物。
优选地，步骤(5)中所述中间体的化学分子式为C11H8O4，其分子结构式为：
优选地，步骤(6)中所述中间体与无水乙醇的重量体积比为51g：5mL，所述中间体和邻乙氧基苄胺的物质的量比为1:1.2；
优选地，步骤(6)中所述向所述混合液五中滴入的醋酸优选为两滴。
优选地，步骤(7)中所述硅胶柱层析方法所采用的展开剂为乙酸乙酯和二氯甲烷按体积比为1:1的混合物。
一种铜离子荧光增强型分子探针的应用，所述荧光增强型分子探针用于生物组织和环境污水中铜离子的检测。
3、有益效果
相比于现有技术，本发明的有益效果为：
(1)本发明所述铜离子荧光探针是由7-羟基香豆素为母体结构，经过进一步的修饰得到的衍生物，此探针对铜离子具有荧光增强的效应、且具有良好的选择性、高灵敏度且易于合成和十分强的抗干扰能力的优点，是一种理想的结构简单，合成方法简单，原料廉价易得，产率高，易于制备的荧光增强型铜离子化学传感器；
(2)本发明所制备的荧光探针对水样中的铜离子响应灵敏，可实现快速实时检测，并且对温度的要求低，容易控制，产品易于分离、收率高、纯度高；
(3)本发明所述制备的铜离子荧光探针传感器，是以4-甲基-7-羟基香豆素为荧光母体，依次通过与六亚甲基次胺反应，在羟基的邻位引入甲酰基，再将所得到的中间体与邻乙氧基苄胺反应后，引入了氮原子和氧原子，同时使得该化合物的荧光闭合，而且又可以与铜离子发生专一性反应。通过在反应母体中引入与铜离子进行专一性配位的氮原子和氧原子，检测过程中铜离子传感器能很快地和铜离子发生配位，使荧光迅速的增加，增强荧光，从而实现对铜离子的检测，可以有效地避免与其他金属离子的干扰。
附图说明
图1为本发明所制备的铜离子荧光增强型分子探针的合成路线图；
图2为本发明所制备的铜离子荧光增强型分子探针的氢谱和碳谱；
图3为本发明所制备的铜离子荧光增强型分子探针与铜离子反应识别机理示意图；
图4为本发明所制备的铜离子荧光增强型分子探针的荧光强度和铜离子的滴定曲线图；
图5为本发明所制备的铜离子荧光增强型分子探针与其他离子的荧光强度对比图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进一步进行描述。
本发明的一个目的在于提出一种分子结构简单、合成方法简单、产率高、对铜离子具有高选择性和灵敏度的荧光增强型探针式化学传感器。其化学式为C19H17NO4，分子结构式为：
实施例
一种铜离子荧光增强型分子探针的制备方法，如图1所示，其制备方法具体按照下列步骤进行：
(1)将在真空条件下于35℃干燥4小时的10g乌洛托品溶于37.5mL的冰醋酸中得混合液一，然后再将5.00g 4-甲基-7-羟基香豆素溶于此混合液一中得混合液二；
(2)将混合液二逐渐升温至120℃，在回流条件下反应4小时后冷却至室温；
(3)将浓度为2mol/L的盐酸逐滴加入到步骤(2)所得反应体系中直至反应液的pH为4左右，然后在70℃条件下搅拌10分钟；
(4)取步骤(3)所得反应液40mL，并向其中加入40mL的冰水混合物，然后用40mL的乙酸乙酯分三次灯等体积萃取，萃取后合并有机相，然后对合并的有机相用无水硫酸镁干燥；干燥1小时后，过滤，合并有机相用旋转蒸发仪将溶液整掉，柱层析分离，得到中间体，所述柱层析分离采用的洗脱剂为乙酸乙酯和石油醚按体积比为2:1的混合物；
(5)取步骤(4)所得的204mg中间体完全溶于20mL无水乙醇中得混合液三，并在不断搅拌条件下再向所述混合液三中加入164mg的邻乙氧基苄胺得混合液四，然后向所述混合液四中滴入两滴醋酸，并于90℃条件下回流反应2小时后即停止反应；
(7)利用旋转蒸发仪在30℃条件下将步骤(6)中所得反应混合液中的无水乙醇蒸干，然后再利用硅胶柱层析，分离粗品即得到目标产物纯品。所述硅胶柱层析所采用的展开剂为乙酸乙酯和二氯甲烷按体积比为1:1的混合物。
其中，所述4-甲基-7-羟基香豆素分子结构式为
所述中间体的化学分子式为C11H8O4，分子结构式为：
最终目标产物纯品的化学式为C19H17NO4，分子结构式为：
最终产物的氢谱和碳谱如图2所示，本发明提供的铜离子传感器，以4-甲基-7-羟基香豆素为荧光母体，一次通过与刘亚甲基次胺反应，在羟基的邻位引入甲酰基，所得到的中间体与邻乙氧基苄胺反应后，引入了N原子和氧原子，同时使得该化合物的荧光闭合，又可以与铜离子发生专一性反应。通过在反应母体中引入与铜离子进行专一性配位的氮原子和氧原子，检测过程中铜离子传感器能很快地和铜离子发生配位，使荧光迅速的增加，从而实现对铜离子的检测，同时又可以有效地避免与其他金属离子的干扰。
铜离子荧光探针化合物与铜离子识别机理如图3所示。浓度10μM的DMSO溶液于10μMCuCl2Tris缓冲溶液(pH＝7.15)溶液反应，于该溶液中的Cu(II)发生反应，生成了Cu配体化合物得到了配合物。
一种铜离子荧光增强型分子探针的应用，所述荧光增强型分子探针用于生物组织和环境污水中铜离子的检测。该探针应用于水体中铜离子检测实例如下：
首先，配置浓度为1x10-4M的铜离子溶液，溶剂为纯水溶液。不同浓度的铜离子溶液，浓度梯度分别为1,3,5,8,10μM，然后量取3mLtris缓冲溶液(pH＝7.15)于荧光比色皿中，然后再加入3μL的探针溶液(0.1μM)，依次加入一定量的铜离子(依次加入铜离子的量实现铜离子与配体的物质的量比为0.1,0.3,0.8,1.0)，混合均匀后，测定荧光光谱。测量条件：激发波长,330nm，发射光谱范围400-500nm，响应曲线如图所示，从图4的响应曲线可以看出，荧光探针对铜离子有很好的线性响应。
量取3mLtris缓冲溶液(pH＝7.15)于荧光比色皿中，然后再加入3μL的探针溶液(0.1μM)，依次加入一定量的其他常见金属离子(加入到比色皿中的浓度为1μM)，然后再加入3μL(0.1μM)的铜离子，混合均匀后，测定荧光光谱。测量条件：激发波长,330nm，发射光谱范围400-500nm，所得光谱数据的柱状图5可以看出，此传感器具有强的抗干扰能力。
基于上述，本发明所述铜离子荧光探针是由7-羟基香豆素为母体结构，经过进一步的修饰得到的衍生物，此探针对铜离子具有荧光增强的效应、且具有良好的选择性、高灵敏度且易于合成和十分强的抗干扰能力的优点，是一种理想的结构简单，合成方法简单，原料廉价易得，产率高，易于制备的荧光增强型铜离子化学传感器；并且所制备的荧光探针对水样中的铜离子响应灵敏，可实现快速实时检测，并且对温度的要求低，容易控制，产品易于分离、收率高、纯度高。
以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种铜离子荧光增强型分子探针，其特征在于，所述探针化学式为C19H17NO4，其结构式为：
2.一种如权利要求1所述的铜离子荧光增强型分子探针的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：
(1)将在真空条件下于35℃干燥4小时的乌洛托品溶于冰醋酸中得混合液一，然后再将4-甲基-7-羟基香豆素溶于所述混合液一中，即得混合液二；
(2)将所述混合液二逐渐升温至120℃，在回流条件下反应4小时后冷却至室温；
(3)将浓度为2mol/L的盐酸逐滴加入到步骤(2)所得反应体系中直至反应液的pH值为3.8-4.2，然后在70℃条件下搅拌反应10分钟；
(4)将步骤(3)所得反应液中加入到与其体积相等的冰水中，然后用与所述反应液同体积的乙酸乙酯分三次依次等体积萃取，萃取后合并三次所得的有机相，并对所合并的有机相用无水硫酸镁干燥1小时，然后过滤干燥后的所合并的有机相；
(5)用旋转蒸发仪将步骤(4)所得过滤后的合并有机相中的溶液蒸掉，然后用柱层析分离，即得到中间体；
(6)将步骤(5)所得的中间体完全溶于无水乙醇中得混合液三，并在不断搅拌条件下再向所述混合液三中加入邻乙氧基苄胺得混合液四，然后向所述混合液四中滴入数滴醋酸，并于90℃条件下回流反应2小时后即停止反应；
(7)利用旋转蒸发仪在30℃条件下将步骤(6)中所得反应混合液中的无水乙醇蒸干，然后再利用硅胶柱层析，分离粗品即得到目标产物纯品。
3.根据权利要求2所述的一种铜离子荧光增强型分子探针的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述乌洛托品与冰醋酸按4g：15mL的重量体积比混合，所述乌洛托品与4-甲基-7-羟基香豆素的质量比为2:1。
4.根据权利要求2或3所述的一种铜离子荧光增强型分子探针的制备方法，其特征在于，所述4-甲基-7-羟基香豆素分子结构式为：
5.根据权利要求2所述的一种铜离子荧光增强型分子探针的制备方法，其特征在于，步骤(5)中所述柱层析分离方法所采用的洗脱剂为乙酸乙酯和石油醚按体积比为2:1的混合物。
6.根据权利要求2所述的一种铜离子荧光增强型分子探针的制备方法，其特征在于，步骤(5)中所述中间体的化学分子式为C11H8O4，其分子结构式为：
7.根据权利要求2所述的一种铜离子荧光增强型分子探针的制备方法，其特征在于，步骤(6)中所述中间体与无水乙醇的重量体积比为51g：5mL，所述中间体和邻乙氧基苄胺的物质的量比为1:1.2。
8.根据权利要求2所述的一种铜离子荧光增强型分子探针的制备方法，其特征在于，步骤(6)中所述向所述混合液五中滴入的醋酸优选为两滴。
9.根据权利要求2所述的一种铜离子荧光增强型分子探针的制备方法，其特征在于，步骤(7)中所述硅胶柱层析方法所采用的展开剂为乙酸乙酯和二氯甲烷按体积比为1:1的混合物。
10.如权利要求1所述的一种铜离子荧光增强型分子探针的应用，其特征在于，所述荧光增强型分子探针用于生物组织和环境污水中铜离子的检测。
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