CN106008971A - 荧光探针聚酰亚胺的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种荧光探针聚酰亚胺的制备方法，包括：(1)、准备苝四酸二酐和三聚氰胺；(2)、将准备好的苝四酸二酐和三聚氰胺按摩尔比1～2:1分散到熔化的咪唑中，搅拌2～4小时，温度设定为150～200摄氏度，得到悬浊液；(3)、将获得的悬浊液升温至210～250摄氏度，搅拌6～8小时，得到反应缩聚液；以及(4)、制备好的反应缩聚液冷却至120℃～160℃后，加入甲醇冷却至室温后过滤，得到荧光探针聚酰亚胺。在步骤(2)中，采用恒温磁力搅拌，三聚氰胺和苝四酸二酐的总质量与咪唑的质量比为1～3:50。本发明制得的荧光探针聚酰亚胺特异选择性强、灵敏度高、可用于复杂环境下探测钴离子。

Description

荧光探针聚酰亚胺的制备方法

技术领域

本发明涉及溶液中离子探测领域，尤其涉及一种用于钴离子探测的荧光探针的制备方法。

背景技术

在分子识别领域中，具有分子器件性质的荧光探针通过与目标物质选择性键合，使结合前后的荧光增强或猝灭、荧光偏振、波长及峰形、荧光寿命等参数变化，将微观领域的作用通过光信息表现出来，从而实现在分子水平上的原位实时检测，达到对金属离子、有机分子、生物分子等的有效识别。利用探针分子与非荧光或弱荧光物质以共价或其它形式结合形成发荧光的配合物、超分子或聚集体进行测定，即所谓“荧光探针”技术。由于荧光分析的高灵敏和高选择性，实时原位检测，设备简单，并能提供丰富的光谱信息，在分析化学、生物化学、环境科学、医药学等领域中各种离子检测、DNA及蛋白质分子标记、细胞成像、免疫分析等方面发挥着重要作用。

钴是一种毒性较强的过渡金属，微量存在于所有多细胞生物体的氰钴胺素和金属蛋白中。钴也是人体必需的微量元素，在新陈代谢和血色素的合成中，主要以维生素B₁₂及B₁₂辅酶形式发挥其生物学作用和生理功能。Co²⁺的缺乏可引起心血管疾病，而Co²⁺过量存在于环境中，会导致人体肺部损伤、支气管敏感和肺纤维化等疾病。但是，一旦生物体细胞内的钴离子含量过高可导致严重的钴离子中毒，主要涉及的损害机制包括细胞的氧化应激和缺氧性损害以及损害引起的细胞凋亡。此外钴中毒还可以降低许多酶的活性，降低机体的抵抗力甚至激发癌变，因此国际癌变机构将钴及其化合物列为人类可能致癌物质的2A级。

海水中的钴含量可达0.5μg/L～1.2μg/L，人们在硬质金属工业、金刚石研磨和瓷器、化学及制药工业中都会接触到钴。由于钴在工业生产中的应用领域十分广泛，常用于有色玻璃制造、颜料生产、有色金属冶炼等。这也意味着钴离子更容易进入环境，危害环境和人体健康。因此，实现对检测环境中钴离子的探测具有重要意义。

采用荧光探针法探测金属离子因其具有灵敏度高、选择性好、操作简便以及便于观察的特点而受到广泛关注。但是目前对于钴离子的探测报道较少，少数用于钴离子探测的荧光探针(基于苯并噻唑和三联吡啶荧光探针的设计合成及功能研究-谭轶群)合成过程需要加入有毒催化剂等，在成本上极大的制约了钴离子探针的应用，大多数对钴离子响应的荧光基团需要在氧化剂的存在下或碱性条件下才能作用，或者一些荧光探针选择性差，背景干扰严重。

如中国专利申请第201510969475.6号揭示的一种识别钴离子荧光探针，合成步骤是：以乙腈为溶剂，将原料8-(2-(2-甲氧基乙氧基)乙氧基)喹啉-2-甲醛和吡啶-2-甲酰肼，加热回流反应后，减压旋出乙腈，得到的粗产物用硅胶柱色谱法进行纯化，用乙酸乙酯和石油醚作为洗脱剂进行分离，得到荧光探针L。然而，该方法制备的识别钴离子荧光探针在PH值为7～11的碱性条件下对钴离子进行检测，推广条件受到限制。

又如中国专利申请第201210389131.4号揭示的一种合成钴离子探针的方法，包括以下步骤：在室温条件下，取氟硼二吡咯荧光染料和N，N‘-间苯撑双马来酰亚胺溶解在乙苯和N，N-二甲基甲酰胺的混合溶液中，然后加入二盐基亚磷酸铅做催化剂，加热回流，点板跟踪至原料反应完全后，减压蒸发溶剂后，柱层析，减压蒸馏除去溶剂后，得到红棕色产物，即为钴离子探针本发明以氟硼二吡咯为荧光母体、4-N，N-二乙酰胺醇苯甲醛为受体合成了一种新型钴离子探针。然而，该方法制备的钴离子探针不适用于对钴离子在复杂情况下的探测。

再如中国专利申请第201210202305.1号揭示的一种钴离子的高灵敏、高选择荧光猝灭光谱分析法，方法中在含H₂O量为60％的DMF/H2O混合液中，用Tris-HCl缓冲溶液控制pH～8，Co²⁺可将化合物二[(1-羟基，2-萘基)-次甲基]腙的荧光猝灭，测定溶液荧光强度的降低可以确定溶液中Co²⁺的含量。设计了特定的介质条件，使化合物成为检测钴离子的荧光猝灭型探针，实施对不同样品中钴离子的高灵敏、高选择识别检测。然而，该专利申请没有提供与荧光猝灭光谱分析法适用的钴离子荧光探针。

因此，提供一种合成方法简单、特异选择性强、灵敏度高、可用于复杂环境下探测钴离子且适合推广应用的钴离子荧光探针是及其制备方法成为业内急需解决的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种特异选择性强、灵敏度高、可用于复杂环境下探测钴离子的荧光探针。

本发明基于电荷转移机理制备荧光探针，将廉价的三聚氰胺和苝四酸二酐作为单体合成聚酰亚胺。在光激发下，产生较强荧光峰，当与钴离子结合时，造成体系的偶极矩发生变化出现荧光发射峰强度明显变化，实现对钴离子的探测。

根据本发明的一个方面，提供一种荧光探针聚酰亚胺的制备方法，包括：(1)、准备苝四酸二酐(CAS号128-69-8)和三聚氰胺(CAS号108-78-1)；(2)、将准备好的苝四酸二酐和三聚氰胺按摩尔比1～2:1分散到熔化的咪唑中，搅拌2～4小时，温度设定为150～200摄氏度，得到悬浊液；(3)、将获得的悬浊液升温至210～250摄氏度，搅拌6～8小时，得到反应缩聚液；以及(4)、制备好的反应缩聚液冷却至120℃～160℃后，加入甲醇冷却至室温后过滤，得到荧光探针聚酰亚胺。

优选地，在步骤(2)中，采用恒温磁力搅拌，三聚氰胺和苝四酸二酐的总质量与咪唑的质量比为1～3:50。

可选择地，在步骤(3)中，采用恒温磁力搅拌，温度设定为220～230摄氏度。

可选择地，在步骤(4)中，将甲醇加入反应缩聚液中，甲醇与反应缩聚液的质量比为1:1～1.5。可选择地，将甲醇分多次加入反应缩聚液中，比如分三次或五次。

可选择地，在步骤(4)中，制备好的荧光探针聚酰亚胺经过洗涤后，真空干燥5～12小时。

可选择地，依次采用甲醇和四氢呋喃洗涤得到的荧光探针聚酰亚胺各3～5次，真空干燥温度设定为130～180摄氏度。

可选择地，可以采用99％体积乙醇溶液代替甲醇洗涤得到的荧光探针聚酰亚胺。

可选择地，步骤(2)、步骤(3)中的恒温磁力搅拌是在恒温磁力搅拌器中进行的。

根据本发明的第二方面，提供一种根据本发明制备方法获得的荧光探针聚酰亚胺，其结构式为：

可选择地，荧光探针聚酰亚胺是以苝四酸二酐和三聚氰胺为聚合单体缩聚得到。

苝四酸二酐和三聚氰胺合成反应式如下：

根据本发明的第三方面，提供一种荧光探针聚酰亚胺在钴离子探测中的应用，将聚酰亚胺溶液按体积比1:2～20加入到待测溶液中，分散均匀后测试待测溶液的荧光光谱，根据荧光发射峰强度变化来确定在待测溶液中是否含有钴离子。比如，取待测溶液3～10ml，将0.5～1.5ml的聚酰亚胺溶液加入到待测溶液中，摇匀后测试待测溶液的荧光光谱，确定在待测溶液中是否含有钴离子。

优选地，荧光探针聚酰亚胺探测钴离子时，加入到待测溶液中的聚酰亚胺溶液是浓度为0.1～0.5g/L的聚酰亚胺四氢呋喃分散液。

具体的，使用荧光探针聚酰亚胺探测钴离子时，用波长为300nm～360nm的激发光激发待测溶液，测定待测溶液的荧光发射光谱，确定待测溶液中是否含有钴离子。

荧光发射光谱：使激发光的波长和强度保持不变，而让荧光物质所发出的荧光通过发射单色器照射于检测器上，亦即进行扫描，以荧光波长为横坐标，以荧光强度为纵坐标作图，即为荧光光谱，又称荧光发射光谱。

本发明的制备方法，采用三聚氰胺与苝四酸二酐为反应单体，在溶液条件下氮原子与羧基碳之间的亲核加成，形成环状四面体的中间体，接着是从四面体中间体进行羧酸分子内异构形成酰胺酸，经脱水反应形成环状酰亚胺，即亲核加成-异构两步机理的亲核酰基置换反应。上述聚合过程，三聚氰胺作为亲核试剂，在高温下完成热酰亚胺化，形成荧光探针聚酰亚胺。

其中，根据本发明的制备方法得到的荧光探针聚酰亚胺，在光激发下会产生较强荧光峰，当与钴离子结合时，造成体系的偶极矩发生变化出现荧光发射峰强度明显变化，实现对钴离子的探测。

其中，钴离子与荧光探针聚酰亚胺的酰亚胺形成络合物，使得荧光探针聚酰亚胺的荧光峰出现强烈的猝灭作用，因此荧光探针聚酰亚胺在含有钴离子的溶液中荧光发射峰的强度会有明显的变弱，可以实现溶液环境中钴离子的探测，即，若荧光发射峰强度明显变弱则可确定在待测溶液中含有钴离子，若荧光发射峰强度无明显变化则可确定在待测溶液中不含钴离子。

本发明的有益效果是：(1)、本发明制得的荧光探针聚酰亚胺分子具有较大的共轭平面，发光强度高，稳定性好；(2)、选用碱性咪唑作为溶剂提高苝四酸二酐的反应体系的溶解度，使反应可以更加容易进行；(3)、本发明制备的荧光探针聚酰亚胺的制备工艺简单，合成单体价格低廉易得，制备成本较低；(4)、荧光探针聚酰亚胺探测钴离子时，钴离子可以与荧光探针聚酰亚胺形成络合作用，使聚酰亚胺的电荷转移作用受到抑制，造成荧光猝灭，实现钴离子的探测，因此对钴离子具有良好的选择性；(5)、当该荧光探针的酰亚胺结构与钴离子配位，使其吸电子效应有大幅度增加，抑制了分子间电荷转移，荧光发射峰强度会有大幅度衰减，可以将钴离子区分出来；(6)、本发明制备的荧光探针聚酰亚胺以电荷转移机理实现钴离子探测，对待测溶液的环境要求低，该荧光探针可用于探测复杂干扰环境下的钴离子的探测，适用于工业废水监测，生态环境的检测及排污检验。

附图说明

图1为本发明制备得到的荧光探针聚酰亚胺的红外光谱图。

图2为本发明的荧光探针聚酰亚胺对不同离子溶液的待测液在激发波长为330nm时的荧光发射光谱。

图3为本发明的荧光探针聚酰亚胺在加入干扰离子前后的荧光发射光谱的强度对比图。

图4为本发明的荧光探针聚酰亚胺制备方法的流程示意图。

具体实施方式

根据本发明的一种非限制性实施方式，提供一种荧光探针聚酰亚胺的制备方法，该方法包括以下步骤：(1)、准备苝四酸二酐和三聚氰胺；(2)、将准备好的苝四酸二酐和三聚氰胺按摩尔比1.5:1分散到熔化的咪唑热溶液中，三聚氰胺和苝四酸二酐的总质量与咪唑的质量比为1:34，搅拌3小时，温度设定为180摄氏度，得到悬浊液；(3)、将获得的悬浊液升温至220摄氏度，搅拌6小时，得到反应缩聚液；以及(4)、制备好的反应缩聚液冷却至150℃后，将甲醇加入反应缩聚液后冷却至室温后过滤，甲醇与反应缩聚液的质量比为1:1.15得到荧光探针聚酰亚胺。

在步骤(4)中，制备好的荧光探针聚酰亚胺依次采用甲醇和四氢呋喃洗涤得到的荧光探针聚酰亚胺各3次，经过洗涤后，真空干燥小时，真空干燥温度设定为150摄氏度，得到荧光探针聚酰亚胺。

如图1所示，其中三聚氰胺中的氨基在3400cm^-1附近的吸收峰在反应后几乎已经消失，苝四酸二酐在1872cm^-1和1749cm^-1处的羰基吸收峰在聚合后相低波数移动，1350cm^-1处的吸收峰为C-N-C键吸收，表明聚合后产物为聚酰亚胺，并且转化比较完全。

根据本发明的制备方法得到的荧光探针聚酰亚胺可应用在钴离子探测中，将聚酰亚胺溶液按体积比约1:5加入到待测溶液中，分散均匀后用波长约为330nm的激发光激发待测溶液，测定待测溶液的荧光发射光谱，确定待测溶液中是否含有钴离子。

荧光探针聚酰亚胺探测钴离子时，加入到待测溶液中的聚酰亚胺溶液是浓度约为0.2g/L的聚酰亚胺四氢呋喃分散液。

如图2所示，分别配置浓度为5mmol/L的钴离子(Co2⁺)、钠离子(Na⁺)、锌离子(Zn^{2 +})、铁离子(Fe³⁺)、铅离子(Pb²⁺)、铜离子(Cu²⁺)的溶液，分别取不同离子溶液5ml，分别加入浓度为0.2g/L的聚酰亚胺四氢呋喃分散液1ml，摇晃均匀后测试其荧光光谱。测试条件为：激发波长330nm，狭缝宽度6nm/6nm。荧光探针378nm处有荧光发射峰，强度较强。当加入不同的离子之后，钠离子、锌离子、铁离子、铅离子、铜离子使荧光聚酰亚胺的发射峰的强度有略微下降，其中所有离子对聚酰亚胺的荧光响应不相同，除了钴离子以外的其它离子的荧光强度比较大并且相差不大，而钴离子存在明显的荧光强度的衰减，可以明显的区别钴离子，主要由于钴离子具有很好的配位作用，造成电荷转移受限荧光猝灭。说明所述荧光探针聚酰亚胺具对钴离子具有明显的荧光探测响应，可以作为钴离子的荧光探针。

如图3所示，分别配置浓度为5mmol/L的Zn²⁺、Pb²⁺、Cu²⁺、Na⁺和Fe³⁺离子水溶液，并各取4mL分别向其中加入浓度为0.2g/L的聚酰亚胺四氢呋喃分散液1ml，再分别加入1ml浓度为5mmol/L Co²⁺摇晃均匀后测试其荧光光谱。测试条件为：激发波长330nm，狭缝宽度6nm/6nm。可以看出在加入钴离子前后聚酰亚胺的荧光峰的强度出现了大幅度下降，强度下一个数量级，表明聚酰亚胺对钴离子具有明显探针作用，在上述常见的干扰离子存在的情况下仍然具有良好的探测性能。

下面结合具体实施例和对比例对本发明作出进一步详细阐述，但实施例和对比例不应理解为对本发明保护范围的限制。

实施例1

请参照图4，一种荧光探针聚酰亚胺的制备方法，包括以下步骤S1-S5。

在步骤S1中，准备苝四酸二酐和三聚氰胺。

接下来，在步骤S2中，称取三聚氰胺0.21克和苝四酸二酐0.98克依次加入140摄氏度溶化后的40克咪唑热溶液中，磁力搅拌下形成分散液，并将体系温度升高到180摄氏度，恒温磁力搅拌3小时，得到悬浊液。

在步骤S3中，将获得的悬浊液升温至220摄氏度，恒温磁力搅拌6小时，得到反应缩聚液。

在步骤S4中，制备好的反应缩聚液冷却至140℃后，将45ml甲醇分五次缓慢加入反应缩聚液后冷却至室温，用砂芯漏斗将反应缩聚液抽滤得到荧光探针聚酰亚胺。

在步骤S5中，将抽滤得到的荧光探针聚酰亚胺依次采用甲醇、四氢呋喃分别洗涤3次，然后将所得荧光探针聚酰亚胺真空干燥5小时，真空干燥温度设定为150摄氏度，即可得到荧光探针聚酰亚胺，产率62％。

实施例2

除了步骤S2中，除称取三聚氰胺0.21克和苝四酸二酐0.5克之外，其它条件同实施例1。

实施例3

除了步骤S2中，除咪唑用量为30克之外，其它条件同实施例1。

实施例4

除了步骤S4中，除甲醇用量为50ml之外，其它条件同实施例1。

对比例1

除了步骤S3中，将获得的悬浊液升温至200摄氏度之外，其它条件同实施例1，所得产物的红外光谱测试表明苝四酸二酐与三聚氰胺并没有发生反应。

尽管在此已详细描述本发明的优选实施方式，但要理解的是本发明并不局限于这里详细描述和示出的具体结构和步骤，在不偏离本发明的实质和范围的情况下可由本领域的技术人员实现其它的变型和变体。此外，本发明中的温度、浓度或时间等参数可以根据具体使用条件在本发明所公开的范围内适当选取。

Claims (10)

1.一种荧光探针聚酰亚胺的制备方法，包括：

(1)、准备苝四酸二酐和三聚氰胺；

(2)、将准备好的苝四酸二酐和三聚氰胺按摩尔比1～2:1分散到熔化的咪唑中，搅拌2～4小时，温度设定为150～200摄氏度，得到悬浊液；

(3)、将获得的悬浊液升温至210～250摄氏度，搅拌6～8小时，得到反应缩聚液；以及

(4)、制备好的反应缩聚液冷却至120℃～160℃后，加入甲醇冷却至室温后过滤，得到荧光探针聚酰亚胺。

2.如权利要求1所述的荧光探针聚酰亚胺的制备方法，其特征在于，在步骤(2)中，采用恒温磁力搅拌，三聚氰胺和苝四酸二酐的总质量与咪唑的质量比为1～3:50。

3.如权利要求2所述的荧光探针聚酰亚胺的制备方法，其特征在于，在步骤(3)中，采用恒温磁力搅拌，温度设定为220～230摄氏度。

4.如权利要求3所述的荧光探针聚酰亚胺的制备方法，其特征在于，在步骤(4)中，将甲醇加入反应缩聚液中，甲醇与反应缩聚液的质量比为1:1～1.5。

5.如权利要求4所述的荧光探针聚酰亚胺的制备方法，其特征在于，在步骤(4)中，制备好的荧光探针聚酰亚胺经过洗涤后，真空干燥5～12小时。

6.如权利要求5所述的荧光探针聚酰亚胺的制备方法，其特征在于，依次采用甲醇和四氢呋喃洗涤得到的荧光探针聚酰亚胺各3～5次，真空干燥温度设定为130～180摄氏度。

7.一种如权利要求1～6中任一项所述的方法制备的荧光探针聚酰亚胺，其特征在于，荧光探针聚酰亚胺的结构式为：

。

8.如权利要求7所述的荧光探针聚酰亚胺，其特征在于，所述荧光探针聚酰亚胺是以苝四酸二酐和三聚氰胺为聚合单体缩聚得到。

9.一种如权利要求7或8所述的荧光探针聚酰亚胺在钴离子探测中的应用，其特征在于，将聚酰亚胺溶液按体积比1:2～20加入到待测溶液中，分散均匀后测试待测溶液的荧光光谱，根据荧光发射峰强度变化来确定在待测溶液中是否含有钴离子。

10.如权利要求9所述的荧光探针聚酰亚胺在钴离子探测中的应用，其特征在于，荧光探针聚酰亚胺探测钴离子时，加入到待测溶液中的聚酰亚胺溶液是浓度为0.1～0.5g/L的聚酰亚胺四氢呋喃分散液。