CN106008343A - 基于萘酰亚胺的汞离子荧光探针及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于萘酰亚胺的汞离子荧光探针及其制备方法和应用，所制备的汞离子荧光探针是以1,8‑萘酰亚胺为荧光母体，依次通过与正丁胺反应，得到强荧光性的中间体N‑丁基‑4‑溴‑1,8‑萘酰亚胺，所得中间体与2‑甲氧基苄胺反应引入氮原子和氧原子，增强该化合物和金属离子的配位能力，检测过程中发明的该小分子传感器上的氮原子和氧原子能很快地和汞离子发生配位，使荧光迅速增强，从而实现对汞离子的检测。本发明所制备的汞离子荧光探针是一种结构简单，合成方法简单，原料廉价易得，产率高，易于制备的理想的汞离子化学传感器。

Description

基于萘酰亚胺的汞离子荧光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，具体涉及一种荧光探针，尤其涉及一种基于萘酰亚胺的汞离子荧光探针及其制备方法和该荧光探针在汞离子识别和检测中的应用。
背景技术
在重金属离子中，汞是一种为人所熟知的高毒性和分布广泛的重金属污染物。Hg2+是汞的各种无机化合物中最稳定的存在形式，Hg2+既不能生物降解而且极易发生生物积累。即使在较低的浓度下，Hg2+也能迅速的进入食物链对人类的健康和自然环境产生较大的危害。所以目前汞污染仍是全球范围内亟待解决的问题。而实时有效的检测Hg2+能够预防Hg2+的危害。
近年来，各种检测Hg2+的分析方法被广泛的报道。传统分析汞离子的方法包括原子吸收光谱，电感耦合等离子体光谱，电感耦合等离子体发射光谱法和伏安法，但是这些方法通常需要复杂的操作过程和繁琐的样品处理过程。因此，开发廉价、迅速、高灵敏和在不同环境中稳定可靠的新型有效地Hg2+检测方法是十分有效的。由于荧光光谱技术价格便宜，操作简单，灵敏度高和实时检测，所以其在重金属离子传感和成像方面是一个强有力的工具。所以，Hg2+荧光探针在近年来发展非常迅速，例如罗丹明B、BODIPY、香豆素等化合物经过合适的结构修饰都能够很好的识别Hg2+存在。但是这些探针大都有以下几方面的缺点：(1)合成方法繁琐(2)检测介质大都含有有机溶剂(3)抗干扰能力差。上述几方面的缺点限制了荧光探针的应用。
针对现有技术中检测Hg2+的化学传感器一般需要有机溶剂参与的条件下测定，选择性差，灵敏度低，抗干扰能力不强等缺点，本发明提供了一种在水溶液中能够很好的选择性识别汞离子，抗干扰能力强，灵敏度高，检测限低的基于萘酰亚胺的Hg2+化学传感器及其制备方法，即一种基于萘酰亚胺的汞离子荧光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，本发明提供一种基于萘酰亚胺的汞离子荧光探针及其制备方法和应用，通过以1,8-萘酰亚胺为荧光母体，依次通过与正丁胺反应，得到强荧光性的中间体N-丁基-4-溴-1,8-萘酰亚胺，所得中间体与2-甲氧基苄胺反应引入氮原子和氧原子，增强该化合物和金属离子的配位能力，检测过程中发明的该小分子传感器上的氮原子和氧原子能很快地和汞离子发生配位，使荧光迅速增强，从而实现对汞离子的检测。
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：
所述的一种基于萘酰亚胺的汞离子荧光探针，所述探针为N-丁基-4-[(2-甲氧基-苄基)胺基]-1,8-萘酰亚胺，化学式为C24H24N2O3，结构式为：
一种基于萘酰亚胺的汞离子荧光探针的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：
(1)向单口圆底烧瓶中加入一定量的溶剂一后，再将一定量的苊加入到所述单口圆底烧瓶中，在搅拌状态下至全部溶解得混合液一；
(2)将一定量的NBS和AIBN溶于一定量的溶剂二中得混合液二，在25℃条件下，将混合液二缓慢的加入到步骤(1)所得的混合液一中；继续在25℃条件下搅拌2小时后，倒入30℃的温水中，过滤，水洗，得到白色固体粉末5-溴苊；
(3)取一定量的步骤(2)所得的5-溴苊和重铬酸钾溶于一定体积的冰醋酸中，充分搅拌半小时后，油浴加热至110℃条件下反应2小时，得产物一；
(4)将步骤(3)所得产物一旋蒸掉大部分的醋酸，然后加入沸水，待温度降到50℃时，过滤得到绿色固体，干燥，得4-溴-1,8-萘二甲酸酐粗品；
(5)将步骤(4)所得4-溴-1,8-萘二甲酸酐粗品用二氯甲烷和乙酸乙酯的混合溶液重结晶，得到纯品4-溴-1,8-萘二甲酸酐；
(6)将步骤(5)所得纯品4-溴-1,8-萘二甲酸酐与正丁胺混合至反应瓶中，在惰性气体保护下，加入无水乙醇至4-溴-1,8-萘二甲酸酐全部溶解为止，回流搅拌并于80℃下反应6小时后，冷却至30℃过滤，干燥，得黄色固体N-丁基-4-溴-1,8-萘酰亚胺；
(7)取一定量的步骤(6)所得的N-丁基-4-溴-1,8-萘酰亚胺与2-甲氧基苄胺加入到乙二醇甲醚中，在搅拌条件下加入三乙胺，在惰性气体保护下，回流搅拌并于140℃下反应10小时后，冷却至室温，得混合物；
(8)将冰水加入到步骤(7)所述混合物中，过滤，得粗产品，分离提纯即得纯品N-丁基-4-[(2-甲氧基-苄基)胺基]-1,8-萘酰亚胺。
优选地，步骤(1)中所述溶剂一与苊的重量体积比为3.1g：10mL，且所述溶剂一为经过无水处理的DMF；步骤(1)中所述苊均分成5等份逐次加入到所述溶剂一中，且待每一批次完全溶解后再加入另外一批。
优选地，步骤(1)中所述苊分成5份逐次加入到所述溶剂一中，且待每一批次完全溶解后再加入另外一批，所述5份苊中前四次加入批次的量相同，最后一次加入的苊的量比前四次加入批次的量多1个重量份。
优选地，步骤(2)中所述NBS的物质的量为所述步骤(1)中加入苊的物质的量的1.1倍；所述AIBN的加入量为NBS加入量的1％；所述溶剂二为DMF或CCl4，且所述溶剂二与AIBN的体积重量比为10mL：39mg。
优选地，步骤(3)所述5-溴苊和重铬酸钾的摩尔质量比应为1:1.1,所述5-溴苊与冰醋酸的重量体积比为2.3g：30mL；步骤(5)中所述二氯甲烷和乙酸乙酯的体积比为2:1。
优选地，步骤(6)所述4-溴-1,8-萘二甲酸酐纯品与正丁胺的物质的量之比为1:1.2；所述惰性气体为氩气。
优选地，步骤(7)中所述N-丁基-4-溴-1,8-萘酰亚胺与2-甲氧基苄胺的摩尔质量比为1:1.1；所述乙二醇甲醚的加入量刚好完全溶解所述N-丁基-4-溴-1,8-萘酰亚胺；所述三乙胺的加入量为2-甲氧基苄胺质量的5％。
优选地，步骤(8)中所述分离提纯的方法为重结晶；所述重结晶采用的溶剂为无水乙醇，且所述无水乙醇的加入质量为N-丁基-4-[(2-甲氧基-苄基)胺基]-1,8-萘酰亚胺的10倍。
一种基于萘酰亚胺的汞离子荧光探针的应用，所述荧光探针用于河水、工业废水、饮用水和生命体中汞离子的检测。
3、有益效果
相比于现有技术，本发明的有益效果为：
(1)本发明所制备的汞离子荧光探针是以1,8-萘酰亚胺为荧光母体，依次通过与正丁胺反应，得到强荧光性的中间体N-丁基-4-溴-1,8-萘酰亚胺，所得中间体与2-甲氧基苄胺反应引入氮原子和氧原子，增强该化合物和金属离子的配位能力，检测过程中该发明的小分子传感器上的氮原子和氧原子能很快地和汞离子发生配位，使荧光迅速增强，从而实现对汞离子的检测；
(2)本发明所制备的汞离子荧光探针无需在有机溶剂参与的条件下实现对汞离子的测定，本发明所述的汞离子荧光探针能够在水溶液中很好的选择性识别汞离子，具有抗干扰能力强，选择性好、灵敏度高，检测限低的优点；
(3)本发明所述汞离子荧光探针适用于pH值介于4-12范围内水体中汞离子的检测，所以适用河水、工业废水、饮用水、生命体中汞离子的检测，具有适用范围广的优点；
(4)本发明所述汞离子荧光探针的合成方法简单、产率极高、是一种对汞离子具有高度选择性和灵敏度的化学传感器，实现了对汞离子的高选择性、高灵敏度、宽的线性范围及强的抗干扰能力的检测。
附图说明
图1为本发明所制备的汞离子荧光探针的合成路线图；
图2为本发明所制备的汞离子荧光探针的氢谱和碳谱；
图3为本发明所制备的汞离子荧光探针的选择性荧光图谱；
图4为本发明所制备的汞离子荧光探针在不同pH下配体和加入汞离子后荧光强度对比图；
图5为本发明所制备的汞离子荧光探针的的荧光强度和汞离子的滴定曲线图
图6为本发明提供的汞离子荧光探针化合物的荧光探针和汞离子的线性范围；
图7为本发明提供的汞离子化学传感器与汞离子反应识别机理示意图；
图8为本发明提供的汞离子化学传感器的荧光强度和汞离子与其他离子共存时荧光强度。
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、对汞离子具有高选择性和灵敏度的荧光探针。所述探针为N-丁基-4-[(2-甲氧基-苄基)胺基]-1,8-萘酰亚胺，化学式为C24H24N2O3，结构式为：
实施例
一种基于萘酰亚胺的汞离子荧光探针的制备方法，如图1所示，其制备方法具体按照下列步骤进行：
(1)在25mL单口圆底烧瓶中加入10mL无水DMF,将3.1g苊，每批0.6g，最后一批0.7克，依次分批加入其中，待每一批完全溶解后在加入另外一批，最终得混合液一；
(2)将3.91gNBS和39mg的AIBN溶于10mLCCl4中得混合液二，然后将混合液二缓慢的加入到步骤(1)中所得的混合液一中，在25℃下搅拌2小时后，倒入30℃的温水中，过滤，水洗，得到白色固体粉末5-溴苊，产率97％；
(3)将2.3g的步骤(2)所得的5-溴苊和3.23g的重铬酸钾溶于30mL冰醋酸中，充分搅拌半小时后，于110℃下反应2小时，旋蒸掉大部分的醋酸，然后加入60mL沸水，待温度降到50℃时，过滤，干燥，所得粗品用体积比为2:1的二氯甲烷和乙酸乙酯的混合溶液重结晶，得到纯品4-溴-1,8-萘二甲酸酐，产率87％；
(4)取5g步骤(3)所得的4-溴-1,8-萘二甲酸酐纯品与1.59g正丁胺混合至200mL四口圆底烧瓶中，在氩气保护下，加入无水乙醇至5g的4-溴-1,8-萘二甲酸酐全部溶解为止，在80℃下反应6小时，然后冷却至30℃过滤,干燥，得黄色固体N-丁基-4-溴-1,8-萘酰亚胺纯品，产率97％；
(5)取步骤(4)所得的331mg N-丁基-4-溴-1,8-萘酰亚胺纯品与150mg的2-甲氧基苄胺加入到8mL乙二醇甲醚中，在搅拌条件下加入1滴三乙胺，在氮气保护下于140℃下加热回流10小时后，冷却至室温，将50g冰水加入到该混合物中，过滤，得粗产品，用无水乙醇重结晶得纯品，产率92％。
其中，所述5-溴苊的化学分子式为C12H9Br，分子结构式为
所述4-溴-1,8-萘二甲酸酐的化学分子式为C12H5BrO3，分子结构式为：
所述N-丁基-4-溴-1,8-萘酰亚胺的化学式为C16H14BrNO2，分子结构式为：
最终产物的氢谱和碳谱如图2所示，本发明提供的汞离子荧光探针，以1,8-萘酰亚胺为荧光母体，依次通过与正丁胺反应，得到强荧光性的中间体N-丁基-4-溴-1,8-萘酰亚胺，所得中间体与2-甲氧基苄胺反应引入氮原子和氧原子，增强该化合物和金属离子的配位能力，检测过程中发明的该小分子传感器上的氮原子和氧原子能很快地和汞离子发生配位，使荧光迅速增强，从而实现对汞离子的检测，如图7所示。在pH＝7.34条件下，荧光探针分别与15种常见金属离子混合后荧光图谱如图3所示，从图中可以看出当加入汞离子以后，荧光强度发生了明显的增强，而其他金属离子的加入则对发明的探针的荧光强度影响很小，说明该发明的探针对汞离子的识别具有良好的选择性。
为了进一步研究本发明所述汞离子荧光探针在pH中的荧光强度和加入汞离子以后pH对其识别作用的影响，在不同的pH下做了检测。如图4所示。在pH值为8左右时，该探针对汞离子的识别作用最强。pH值介于4-12之间时探针能够非常有效的识别汞离子，荧光强度增加5倍以上，说明该探针在宽泛的条件下能够较好的识别汞离子的存在。
根据线性范围曲线可以判断该探针和汞离子的配位比为2:1，所以该探针和汞离子的识别机理应该如图7所示。
一种基于萘酰亚胺的汞离子荧光探针的应用，所述汞离子荧光探针用于生物组织和环境污水中汞离子的检测。该探针应用于水体中汞离子的检测实例如下：
首先，依次配置3x10-3、6x10-3、9x10-3、12x10-3、15x10-3mol/L的汞离子溶液。再量取3mLtris缓冲溶液(pH＝7.34)于荧光比色皿中，然后再加入3μL的探针溶液(0.1μM，DMF)，依次加入上述不同浓度的3μL的汞离子溶液，混合均匀后，测定荧光光谱。测量条件：激发波长,386Nm，发射光谱范围490-799Nm，响应曲线如图5所示，从图5的响应曲线可以看出，发明的小分子传感器对Hg2+浓度的变化有很好的选择性，从图6中我们可以看出当发明的传感器的浓度为2x10-6mol/L，汞离子的浓度在0-1x10-6mol/L之间有很好的线性关系，在这个范围之内可以进行定量分析。线性拟合常数为0.99396，同时也能判断传感器和汞离子的配位比为2:1。
量取3mLtris缓冲溶液(pH＝7.34)于荧光比色皿中，然后再加入3μL的探针溶液(0.1μM，DMF)，依次加入15μL的其他常见金属离子(浓度为1μM，纯水)，然后再加入3μL的汞离子，样品混合均匀后，测定荧光光谱。测量条件：激发波长,386Nm，发射光谱范围490-799Nm，所得光谱数据的柱状图如图8所示，说明此传感器在其他金属离子浓度是5倍时仍具有极强的抗干扰能力，同时又由于具有非常好的选择性和宽的线性范围，说明该小分子传感器能够在环境科学、生命科学等领域有较好的应用。
本发明所制备的汞离子荧光探针是以1,8-萘酰亚胺为荧光母体，依次通过与正丁胺反应，得到强荧光性的中间体N-丁基-4-溴-1,8-萘酰亚胺，所得中间体与2-甲氧基苄胺反应引入氮原子和氧原子，增强该化合物和金属离子的配位能力，检测过程中该发明的小分子传感器上的氮原子和氧原子能很快地和汞离子发生配位，使荧光迅速增强，从而实现对汞离子的检测。
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)

1.一种基于萘酰亚胺的汞离子荧光探针，其特征在于，所述探针为N-丁基-4-[(2-甲氧基-苄基)胺基]-1,8-萘酰亚胺，化学式为C24H24N2O3，结构式为：
2.一种如权利要求1所述的一种基于萘酰亚胺的汞离子荧光探针的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：
(1)向单口圆底烧瓶中加入一定量的溶剂一后，再将一定量的苊加入到所述单口圆底烧瓶中，在搅拌状态下至全部溶解得混合液一；
(2)将一定量的NBS和AIBN溶于一定量的溶剂二中得混合液二，在25℃条件下，将混合液二缓慢的加入到步骤(1)所得的混合液一中；继续在25℃条件下搅拌2小时后，倒入30℃的温水中，过滤，水洗，得到白色固体粉末5-溴苊；
(3)取一定量的步骤(2)所得的5-溴苊和重铬酸钾溶于一定体积的冰醋酸中，充分搅拌半小时后，油浴加热至110℃条件下反应2小时，得产物一；
(4)将步骤(3)所得产物一旋蒸掉大部分的醋酸，然后加入沸水，待温度降到50℃时，过滤得到绿色固体，干燥，得4-溴-1,8-萘二甲酸酐粗品；
(5)将步骤(4)所得4-溴-1,8-萘二甲酸酐粗品用二氯甲烷和乙酸乙酯的混合溶液重结晶，得到纯品4-溴-1,8-萘二甲酸酐；
(6)将步骤(5)所得纯品4-溴-1,8-萘二甲酸酐与正丁胺混合至反应瓶中，在惰性气体保护下，加入无水乙醇至4-溴-1,8-萘二甲酸酐全部溶解为止，回流搅拌并于80℃下反应6小时后，冷却至30℃过滤，干燥，得黄色固体N-丁基-4-溴-1,8-萘酰亚胺；
(7)取一定量的步骤(6)所得的N-丁基-4-溴-1,8-萘酰亚胺与2-甲氧基苄胺加入到乙二醇甲醚中，在搅拌条件下加入三乙胺，在惰性气体保护下，回流搅拌并于140℃下反应10小时后，冷却至室温，得混合物；
(8)将冰水加入到步骤(7)所述混合物中，过滤，得粗产品，分离提纯即得纯品N-丁基-4-[(2-甲氧基-苄基)胺基]-1,8-萘酰亚胺。
3.根据权利要求2所述的一种基于萘酰亚胺的汞离子荧光探针的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述溶剂一与苊的重量体积比为3.1g：10mL，且所述溶剂一为经过无水处理的DMF；所述苊均分成5等份逐次加入到所述溶剂一中，且待每一批次完全溶解后再加入另外一批。
4.根据权利要求2所述的一种基于萘酰亚胺的汞离子荧光探针的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述苊分成5份逐次加入到所述溶剂一中，且待每一批次完全溶解后再加入另外一批，所述5份苊中前四次加入批次的量相同，最后一次加入的苊的量比前四次加入批次的量多1个重量份。
5.根据权利要求2所述的一种基于萘酰亚胺的汞离子荧光探针的制备方法，其特征在于，步骤(2)中所述NBS的物质的量为所述步骤(1)中加入苊的物质的量的1.1倍；所述AIBN的加入量为NBS加入量的1％；所述溶剂二为DMF或CCl4，且所述溶剂二与AIBN的体积重量比为10mL：39mg。
6.根据权利要求2所述的一种基于萘酰亚胺的汞离子荧光探针的制备方法，其特征在于，步骤(3)所述5-溴苊和重铬酸钾的摩尔质量比应为1:1.1,所述5-溴苊与冰醋酸的重量体积比为2.3g：30mL；步骤(5)中所述二氯甲烷和乙酸乙酯的体积比为2:1。
7.根据权利要求2所述的一种基于萘酰亚胺的汞离子荧光探针的制备方法，其特征在于，步骤(6)所述4-溴-1,8-萘二甲酸酐纯品与正丁胺的物质的量之比为1:1.2；所述惰性气体为氩气。
8.根据权利要求2所述的一种基于萘酰亚胺的汞离子荧光探针的制备方法，其特征在于，步骤(7)中所述N-丁基-4-溴-1,8-萘酰亚胺与2-甲氧基苄胺的摩尔质量比为1:1.1；所述乙二醇甲醚的加入量刚好完全溶解所述N-丁基-4-溴-1,8-萘酰亚胺；所述三乙胺的加入量为2-甲氧基苄胺质量的5％。
9.根据权利要求2所述的一种基于萘酰亚胺的汞离子荧光探针的制备方法，其特征在于，步骤(8)中所述分离提纯的方法为重结晶；所述重结晶采用的溶剂为无水乙醇，且所述无水乙醇的加入质量为N-丁基-4-[(2-甲氧基-苄基)胺基]-1,8-萘酰亚胺的10倍。
10.如权利要求1所述的一种基于萘酰亚胺的汞离子荧光探针的应用，其特征在于，所述荧光探针用于河水、工业废水、饮用水和生命体中汞离子的检测。
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