CN106866460A - 一种席夫碱类多功能荧光探针及其制备方法与应用 - Google Patents

Abstract

一种席夫碱类多功能荧光探针及其制备方法与应用，该荧光探针的结构如式为其制法为将对二甲氨基丙烯醛与二氨基马来腈溶于醇溶液中，配制成混合溶液，向该混合液中加入浓盐酸，在70～80℃反应5～7h，沉淀过滤、洗涤后，经重结晶得到纯品，即可。优点为该荧光探针为席夫碱类化合物，具有亚胺键和氨基基团，对Cu²⁺和PO₄ ^3‑的识别均有优良的选择性，与其它常见金属离子或阴离子作用荧光信号基本没有变化，抗干扰能力强，具有较好的传感性质，检测限低；同时，该荧光探针的制备工艺简单，可操作性强。

Description

一种席夫碱类多功能荧光探针及其制备方法与应用

技术领域

本发明属于荧光探针领域，尤其涉及一种席夫碱类多功能荧光探针及其制备方法与应用。

背景技术

荧光分子探针在环境化学、分析化学和生命科学领域具有重要应用，它具有好的选择性、高的灵敏度、价格低廉和操作简便，并且能够快速、实时、原位定量检测和分析等优点，引起了化学领域研究者的广泛关注，而席夫碱类探针更是研究的重点。

铜作为人体内必需的微量元素，主要参与体内酶反应、酶转录及一些氧化还原过程等。当人体摄入过量铜会导致一些严重的疾病，例如Menkes综合症，Wilaonm综合症，家族性肌萎缩症，阿尔茨海默氏症等神经性疾病。因此，对铜离子[Cu(Ⅱ)]的检测和识别在环境分析和生命科学中具有重大意义。磷酸根离子在生命、环境及化学过程中起着不可替代的作用，它也是农业和工业生产中重要的资源，但由于工业生产和生活中排放了大量的磷酸根离子到自然界中，导致水体富营养化等环境问题，造成了环境的污染，而报道出来能用于检测PO₄ ^3-的荧光探针却是少之又少。因此合成及运用荧光探针去检测磷酸根离子对环境保护和人体健康具有十分重大的意义。

发明内容

发明目的：本发明的第一目的是提供一种具有良好的灵敏度、较强的抗干扰能力及可在不同溶剂体系中分别识别Cu²⁺和PO₄ ^3-的席夫碱类多功能荧光探针；本发明的第二目的是提供该荧光探针的制备方法；本发明的第三目的是提供该荧光探针的应用。

技术方案：本发明的席夫碱类多功能荧光探针，其化合物化学式为C₁₅N₅H₁₅，结构如式(Ⅰ)所示：

本发明制备席夫碱类多功能荧光探针的方法，包括如下步骤：将对二甲氨基丙烯醛与二氨基马来腈溶于醇溶液中，配制成混合溶液，向该混合液中加入浓盐酸，在70～80℃条件下反应5～7h，沉淀过滤、洗涤后，经重结晶、溶解得到单晶即可，其中，对二甲氨基丙烯醛与二氨基马来腈的摩尔比为1:1～2。

进一步说，本发明采用的醇溶液为无水乙醇或甲醇；浓盐酸采用恒压滴加漏斗滴加2～3滴。

本发明的席夫碱类多功能荧光探针应用于Cu²⁺和PO₄ ^3-离子的检测。

更进一步说，荧光探针检测Cu²⁺采用的溶剂可为纯二甲基亚砜，或者可为体积比为5:5～99:1的二甲基亚砜-Tris-HCl缓冲液。荧光探针检测PO₄ ^3-采用的溶剂为纯二甲基亚砜，或者可为体积比6:4～99:1的二甲基亚砜-水溶液。

有益效果：与现有技术相比，本发明的显著优点为：首先，该荧光探针为席夫碱类化合物，具有亚胺键和氨基基团，既能对Cu²⁺进行检测，又能对PO₄ ^3-离子进行识别，此多功能探针既节约了检测成本，也节省了检测的时间，Cu²⁺易于通过配位键，PO₄ ^3-可通过氢键与其结合，作用之后荧光光谱蓝移，荧光增强，实现了对Cu²⁺和PO₄ ^3-荧光增强识别，检测灵敏度高；其次，该荧光探针对Cu²⁺和PO₄ ^3-的识别都有优良的选择性，而与其它常见金属离子或阴离子作用荧光信号基本没有变化，抗干扰能力强，具有较好的传感性质，检测限低；同时，该荧光探针的制备工艺简单，可操作性强；此外，该荧光探针能够广泛应用于检测Cu²⁺及PO₄ ^3-。

附图说明

图1为本发明荧光探针的质谱谱图；

图2为本发明荧光探针对Cu²⁺选择性识别的紫外吸收光谱图；

图3为本发明荧光探针对Cu²⁺选择性识别的荧光发射光谱图；

图4为本发明荧光探针在不同浓度Cu²⁺存在下荧光发射光谱变化图；

图5为本发明荧光探针对Cu²⁺的检测限计算图；

图6为本发明荧光探针对PO₄ ^3-选择性识别的荧光发射光谱图；

图7为本发明荧光探针在不同浓度PO₄ ^3-存在下荧光发射光谱变化图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明的技术方案作进一步说明。

实施例1

本发明的席夫碱类多功能荧光探针的制备方法包括如下步骤：

称取0.4g(2.283mmol)对二甲氨基丙烯醛，溶于10mL无水乙醇中，室温下剧烈搅拌，另称取0.4935g(4.566mmol)二氨基马来腈溶于10mL无水乙醇，置于恒压滴液漏斗中，缓慢滴加至上述溶液中，加入2滴浓盐酸，于80℃下搅拌反应5h，沉淀过滤，蒸馏水洗涤3次，乙醇洗涤2次，无水乙醚洗涤3次，用体积比为1:4的乙腈:甲醇混合溶剂重结晶得到纯品，产率73～79％，将得到的纯品用体积比为1:2的乙腈:乙醇混合溶剂溶解，置于烧杯中室温下自然挥发，3天后得到单晶，其中，乙醇的加入量只要使得对二甲氨基丙烯醛及二氨基马来腈能够完全溶解即可。经X-射线单晶衍射、红外光谱、质谱、核磁共振氢谱确认其结构式为：

通过高分辨质谱(电喷雾，正模式)表征可知该荧光探针的分子式为C₁₅N₅H₁₅，相对分子质量为265.330；实测值为[M+H]⁺：266.138，如图1所示。

性能检测1：荧光探针对Cu²⁺的选择性检测

将实施例1制备的荧光探针溶解在体积比为7:3的二甲基亚砜-Tris-HCl缓冲液，使得荧光探针最终浓度为20μmol/L，然后分别加入200μmol/L的金属离子(Mg²⁺，Al³⁺，Ca²⁺，Mn²⁺，Fe²⁺，Fe³⁺，Co²⁺，Ni²⁺，Zn²⁺，Ag⁺，Cd²⁺，Hg²⁺，Pb²⁺，Na⁺，Cu²⁺)，0.5h后检测溶液的荧光发射光谱变化及紫外可见吸收光谱变化，结果如图2及3所示。由图2及图3可知，当加入Cu²⁺后，荧光探针溶液在437nm时出现强发射峰，然而其它金属离子，如(Mg²⁺，Al³⁺，Ca²⁺，Mn²⁺，Fe²⁺，Fe^{3 +}，Co²⁺，Ni²⁺，Zn²⁺，Ag⁺，Cd²⁺，Hg²⁺，Pb²⁺，Na⁺)加入后，荧光探针溶液发射峰无明显增强；实验结果表明，只有加入Cu²⁺，才能引起荧光探针溶液的显著荧光增强，该荧光探针在体积比为7:3的二甲基亚砜-Tris-HCl缓冲液中对Cu²⁺具有良好的选择性。

性能检测2：荧光探针对Cu²⁺的荧光滴定实验

将实施例1制备的荧光探针溶解在体积比为7:3的二甲基亚砜-Tris-HCl缓冲液，使得荧光探针最终浓度为20μmol/L，逐步增加加入Cu²⁺的浓度，0.5h后测试各试样的荧光光谱及吸收光谱，结果如图4所示。由图可以看出，随着Cu²⁺浓度的逐渐增大，探针溶液在437nm处的荧光强度逐渐增大，当Cu²⁺的浓度增大到160μmol/L左右时，滴定达到饱和，发射强度不再增大；这也说明该荧光探针对Cu²⁺具有较好的传感性质。

性能检测3：荧光探针对Cu²⁺识别的竞争实验

将实施例1制备的荧光探针溶解在体积比为7:3的二甲基亚砜-Tris-HCl缓冲液，使得荧光探针最终浓度为20μmol/L，再分别加入200μmol/L的其它金属离子(Mg²⁺，Al³⁺，Ca^{2 +}，，Mn²⁺，Fe²⁺，Fe³⁺，Co²⁺，Ni²⁺，Zn²⁺，Ag⁺，Cd²⁺，Hg²⁺，Pb²⁺，Na⁺)，0.5h后测试各溶液的荧光光谱；然后向以上各个含有金属离子的溶液中分别加入200μmol/L的Cu²⁺，放置0.5h后再分别测试各个溶液的荧光光谱和紫外可见吸收光谱。结果显示荧光探针溶液在437nm时仍然出现强发射峰，所以共存的其它金属离子对Cu²⁺的荧光识别别没有显著干扰。

性能检测4：荧光探针对Cu²⁺检测限的计算

检测限根据荧光光谱或紫外可见吸收光谱滴定数据计算。以F/F₀(F为各试样的荧光强度，F₀为不加铜离子时探针溶液的荧光强度)为纵坐标，Cu²⁺浓度为横坐标作图。由图5可以看出铜离子在16μmol/L到120μmol/L的浓度范围内，线性关系较好(R＝0.99829)，直线方程为y＝7.2738*10⁵[Cu2+]+11.2392。利用公式DL＝3σ/S(σ为空白实验标准方差，S为直线斜率)，经计算检测限为72.17nmol/L。探针对Cu²⁺都具有较低的检测限。

在对Cu²⁺进行识别性能检测时，将二甲基亚砜-Tris-HCl缓冲液的体积比调整到5:5～99:1范围内，均可对其进行有效的识别检测，而与其它常见金属离子或阴离子作用荧光信号基本没有变化，抗干扰能力强，具有较好的传感性质。

性能检测5：荧光探针对PO₄ ^3-的选择性检测

将实施例1制备的荧光探针溶解在体积比为9:1的二甲基亚砜-H₂O溶液中，使得最终浓度为20μmol/L，再分别加入400μmol/L的阴离子(S^2-，P₂O₇ ^4-，N^3-，HPO₄ ^2-，Br^-，H₂PO₄ ^-，Cl^-，HSO₃ ^-，F^-，CH₃COO^-，I^-，SCN^-，SO₄ ^2-，NO₃ ^-，NO₂ ^-，HCO₃ ^-，PO₄ ^3-)，0.5h后检测溶液的荧光发射光谱变化变化，结果如图6所示。由图可知，当加入Cu²⁺后，荧光探针溶液在454nm时出现强发射峰，然而其它阴离子，如(S^2-，P₂O₇ ^4-，N^3-，HPO₄ ^2-，Br^-，H₂PO₄ ^-，Cl^-，HSO₃ ^-，F^-，CH₃COO^-，I^-，SCN^-，SO₄ ^2-，NO₃ ^-，NO₂ ^-，HCO₃ ^-)加入后，荧光探针溶液发射峰无明显增强；实验结果表明，只有加入PO₄ ^3-，才能引起荧光探针溶液的显著荧光增强，该荧光探针在DMSO-H₂O(体积比为9:1)溶液中对PO₄ ^3-具有良好的选择性。

性能检测6：荧光探针对PO₄ ^3-的荧光滴定实验

将实施例1制备的荧光探针溶解在体积比为9:1的二甲基亚砜-H₂O溶液中，使得最终浓度为20μmol/L，0.5h后测试各试样的荧光光谱及吸收光谱，结果如图7所示。由图7可以看出，随着PO₄ ^3-浓度的逐渐增大，探针溶液在454nm处的荧光强度逐渐增大，当PO₄ ^3-的浓度增大到360μmol/L左右时，滴定达到饱和，发射强度不再增大；这也说明该荧光探针对PO₄ ^3-具有较好的传感性质。

性能检测7：荧光探针对PO₄ ^3-识别的竞争实验

将实施例1制备的荧光探针溶解在体积比为9:1的二甲基亚砜-H₂O溶液中，使得最终浓度为20μmol/L，然后分别加入400μmol/L的其它阴离子(S^2-，P₂O₇ ^4-，N^3-，HPO₄ ^2-，Br^-，H₂PO₄ ^-，Cl^-，HSO₃ ^-，F^-，CH₃COO^-，I^-，SCN^-，SO₄ ^2-，NO₃ ^-，NO₂ ^-，HCO₃ ^-)，0.5h后测试各溶液的荧光光谱；然后向以上各个含有阴离子的溶液中分别加入400μmol/L的PO₄ ^3-，放置0.5h后再分别测试各个溶液的荧光光谱。结果得到荧光探针溶液在454nm时仍然出现强发射峰，所以共存的其它阴离子对PO₄ ^3-的荧光识别别没有显著干扰。

性能检测8：荧光探针对PO₄ ^3-检测限的计算

检测限根据荧光光谱或紫外可见吸收光谱滴定数据计算。以F/F₀(F为各试样的荧光强度，F₀为不加磷酸根离子时探针溶液的荧光强度为坐标，PO₄ ^3-浓度为横坐标作图。在磷酸根离子0.00012mol/L到0.00028mol/L的浓度范围内，线性关系较好(R＝0.98727)，直线方程为y＝5.43844*10⁵[PO₄ ^3-]-57.6123。利用公式DL＝3σ/S(σ为空白实验标准方差，S为直线斜率)，经计算检测限为96.53nmol/L。探针对PO₄ ^3-都具有较低的检测限。

在对PO₄ ^3-进行识别性能检测时，将二甲基亚砜-Tris-HCl缓冲液的体积比调整到6:4～99:1范围内，均可对其进行有效的识别检测，而与其它常见金属离子或阴离子作用荧光信号基本没有变化，抗干扰能力强，具有较好的传感性质。

实施例2

称取1g(5.71mmol)对二甲氨基丙烯醛，溶于20mL无水乙醇中，室温下剧烈搅拌，另称取0.617g(5.71mmol)二氨基马来腈溶于20mL无水乙醇，置于恒压滴液漏斗中，缓慢滴加至上述溶液中，加入2滴浓盐酸，于70℃条件下搅拌反应7h，沉淀过滤，蒸馏水洗涤3次，乙醇洗涤2次，无水乙醚洗涤3次，用体积比为1:4的乙腈:甲醇混合溶剂重结晶得到纯品，产率73～79％，将得到的纯品用体积比为1:2的乙腈:乙醇混合溶剂溶解，置于烧杯中室温下自然挥发，3天后得到单晶，其中，乙醇的加入量只要使得对二甲氨基丙烯醛及二氨基马来腈能够完全溶解即可。

性能检测9：荧光探针对Cu²⁺的选择性检测

将实施例2制备的荧光探针溶解在纯的二甲基亚砜溶剂中，使得荧光探针最终浓度为20μmol/L，然后分别加入200μmol/L的金属离子(Mg²⁺，Al³⁺，Ca²⁺，Mn²⁺，Fe²⁺，Fe³⁺，Co²⁺，Ni²⁺，Zn²⁺，Ag⁺，Cd²⁺，Hg²⁺，Pb²⁺，Na⁺，Cu²⁺)，0.5h后检测溶液的荧光发射光谱变化及紫外可见吸收光谱变化，由实验结果可知，当加入Cu²⁺后，荧光探针溶液出现强发射峰，然而其它金属离子，如(Mg²⁺，Al³⁺，Ca²⁺，Mn²⁺，Fe²⁺，Fe³⁺，Co²⁺，Ni²⁺，Zn²⁺，Ag⁺，Cd²⁺，Hg²⁺，Pb²⁺，Na⁺)加入后，荧光探针溶液发射峰无明显增强；只有加入Cu²⁺，才能引起荧光探针溶液的显著荧光增强，该荧光探针在体积比纯的二甲基亚砜溶剂中对Cu²⁺具有良好的选择性。

性能检测10：荧光探针对Cu²⁺的荧光滴定实验

将实施例2制备的荧光探针溶解在纯的二甲基亚砜溶剂中，使得荧光探针最终浓度为20μmol/L，逐步增加加入Cu²⁺的浓度，0.5h后测试各试样的荧光光谱及吸收光谱。由实验结果可知，随着Cu²⁺浓度的逐渐增大，探针溶液在437nm处的荧光强度逐渐增大，当Cu²⁺的浓度增大到160μmol/L左右时，滴定达到饱和，发射强度不再增大，这也说明该荧光探针对Cu²⁺具有较好的传感性质。

性能检测11：荧光探针对Cu²⁺识别的竞争实验

将实施例2制备的荧光探针溶解在纯的二甲基亚砜溶剂中，使得荧光探针最终浓度为20μmol/L，再分别加入200μmol/L的其它金属离子(Mg²⁺，Al³⁺，Ca²⁺，，Mn²⁺，Fe²⁺，Fe³⁺，Co^{2 +}，Ni²⁺，Zn²⁺，Ag⁺，Cd²⁺，Hg²⁺，Pb²⁺，Na⁺)，0.5h后测试各溶液的荧光光谱；然后向以上各个含有金属离子的溶液中分别加入200μmol/L的Cu²⁺，放置0.5h后再分别测试各个溶液的荧光光谱和紫外可见吸收光谱。结果显示荧光探针溶液在437nm时仍然出现强发射峰，所以共存的其它金属离子对Cu²⁺的荧光识别没有显著干扰。

性能检测12：荧光探针对Cu²⁺检测限的计算

检测限根据荧光光谱或紫外可见吸收光谱滴定数据计算。以F/F₀(F为各试样的荧光强度，F₀为不加铜离子时探针溶液的荧光强度)为纵坐标，Cu²⁺浓度为横坐标作图。铜离子在10μmol/L到80μmol/L的浓度范围内，线性关系较好(R＝0.99785)，直线方程为y＝8.2648*10⁵[Cu²⁺]-21.4352。利用公式DL＝3σ/S(σ为空白实验标准方差，S为直线斜率)，经计算检测限为34.15nmol/L。探针对Cu²⁺都具有较低的检测限。

性能检测13：荧光探针对PO₄ ^3-的选择性检测

将实施例2制备的荧光探针溶解在纯的二甲基亚砜溶剂中，使得最终浓度为20μmol/L，再分别加入400μmol/L的阴离子(S^2-，P₂O₇ ^4-，N^3-，HPO₄ ^2-，Br^-，H₂PO₄ ^-，Cl^-，HSO₃ ^-，F^-，CH₃COO^-，I^-，SCN^-，SO₄ ^2-，NO₃ ^-，NO₂ ^-，HCO₃ ^-，PO₄ ^3-)，0.5h后检测溶液的荧光发射光谱变化变化，由实验结果得知当加入Cu²⁺后，荧光探针溶液在454nm时出现强发射峰，然而其它阴离子，如(S^2-，P₂O₇ ^4-，N^3-，HPO₄ ^2-，Br^-，H₂PO₄ ^-，Cl^-，HSO₃ ^-，F^-，CH₃COO^-，I^-，SCN^-，SO₄ ^2-，NO₃ ^-，NO₂ ^-，HCO₃ ^-)加入后，荧光探针溶液发射峰无明显增强；实验结果表明，只有加入PO₄ ^3-，才能引起荧光探针溶液的显著荧光增强，该荧光探针在纯的二甲基亚砜溶剂中对PO₄ ^3-具有良好的选择性。

性能检测14：荧光探针对PO₄ ^3-的荧光滴定实验

将实施例2制备的荧光探针溶解在纯的二甲基亚砜溶剂中，使得最终浓度为20μmol/L，0.5h后测试各试样的荧光光谱及吸收光谱。由实验结果得知随着PO₄ ^3-浓度的逐渐增大，探针溶液在454nm处的荧光强度逐渐增大，当PO₄ ^3-的浓度增大到300μmol/L左右时，滴定达到饱和，发射强度不再增大；这也说明该荧光探针对PO₄ ^3-具有较好的传感性质。

性能检测15：荧光探针对PO₄ ^3-识别的竞争实验

将实施例2制备的荧光探针溶解在纯的二甲基亚砜溶剂中，使得最终浓度为20μmol/L，然后分别加入400μmol/L的其它阴离子(S^2-，P₂O₇ ^4-，N^3-，HPO₄ ^2-，Br^-，H₂PO₄ ^-，Cl^-，HSO₃ ^-，F^-，CH₃COO^-，I^-，SCN^-，SO₄ ^2-，NO₃ ^-，NO₂ ^-，HCO₃ ^-)，0.5h后测试各溶液的荧光光谱；然后向以上各个含有阴离子的溶液中分别加入400μmol/L的PO₄ ^3-，放置0.5h后再分别测试各个溶液的荧光光谱。结果得到荧光探针溶液在454nm时仍然出现强发射峰，所以共存的其它阴离子对PO₄ ^3-的荧光识别没有显著干扰。

性能检测16：荧光探针对PO₄ ^3-检测限的计算

检测限根据荧光光谱或紫外可见吸收光谱滴定数据计算。以F/F₀(F为各试样的荧光强度，F₀为不加磷酸根离子时探针溶液的荧光强度为坐标，PO₄ ^3-浓度为横坐标作图。在磷酸根离子60μmol/L到100μmol/L的浓度范围内，线性关系较好(R＝0.99847)，直线方程为y＝6.54673*10⁵[PO₄ ^3-]-13.5196。利用公式DL＝3σ/S(σ为空白实验标准方差，S为直线斜率)，经计算检测限64.35nmol/L。探针对PO₄ ^3-都具有较低的检测限。

实施例3

称取2g(11.42mmol)对二甲氨基丙烯醛，溶于35mL甲醇中，室温下剧烈搅拌，另称取1.85g(17.13mmol)二氨基马来腈溶于35mL甲醇，置于恒压滴液漏斗中，缓慢滴加至上述溶液中，加入3滴浓盐酸，于75℃条件下搅拌反应6h，沉淀过滤，蒸馏水洗涤3次，乙醇洗涤2次，无水乙醚洗涤3次，用体积比为2:3的乙腈:甲醇混合溶剂重结晶得到纯品，产率73～79％，将得到的纯品用体积比为1:2的乙腈:乙醇混合溶剂溶解，置于烧杯中室温下自然挥发，3天后得到单晶，其中，甲醇的加入量只要使得对二甲氨基丙烯醛及二氨基马来腈能够完全溶解即可。

Claims (9)

1.一种席夫碱类多功能荧光探针，其特征在于：该荧光探针化合物化学式为C₁₅N₅H₁₅，结构如式(Ⅰ)所示：

2.一种制备权利要求1所述的席夫碱类多功能荧光探针的方法，其特征在于包括如下步骤：将对二甲氨基丙烯醛与二氨基马来腈溶于醇溶液中，配制成混合溶液，向该混合液中加入浓盐酸，在70～80℃条件下反应5～7h，沉淀过滤、洗涤后，经重结晶、溶解后制得单晶，即可；其中，对二甲氨基丙烯醛与二氨基马来腈的摩尔比为1:1～2。

3.根据权利要求2所述的制备席夫碱类多功能荧光探针的方法，其特征在于：所述醇溶液为无水乙醇或甲醇。

4.根据权利要求2所述的制备席夫碱类多功能荧光探针的方法，其特征在于：所述浓盐酸采用恒压滴加漏斗滴加2～3滴。

5.权利要求1所述的席夫碱类多功能荧光探针在Cu²⁺和PO₄ ^3-离子检测中的应用。

6.根据权利要求5所述的席夫碱类多功能荧光探针的应用，其特征在于：所述荧光探针检测Cu²⁺采用的溶剂为纯二甲基亚砜。

7.根据权利要求5所述的席夫碱类多功能荧光探针的应用，其特征在于：所述荧光探针检测Cu²⁺采用的溶剂为体积比5:5～99:1的二甲基亚砜-Tris-HCl缓冲液。

8.根据权利要求5所述的席夫碱类多功能荧光探针的应用，其特征在于：所述荧光探针检测PO₄ ^3-采用的溶剂为纯二甲基亚砜。

9.根据权利要求5所述的席夫碱类多功能荧光探针的应用，其特征在于：所述荧光探针检测PO₄ ^3-采用的溶剂为体积比6:4～99:1的二甲基亚砜-水溶液。