CN107188801A - 基于四苯基乙烯离子络合物的二价铜离子荧光探针及制备方法及用途 - Google Patents

基于四苯基乙烯离子络合物的二价铜离子荧光探针及制备方法及用途 Download PDF

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Abstract

本发明公开了基于四苯基乙烯离子络合物的二价铜离子荧光探针及制备方法及用途，该探针用式(V)所示：本发明的荧光探针化学稳定性好，具有较高的固体荧光量子产率。在检测体系Cu2+的含量中可以表现出较高的选择性、较高的灵敏度，并且可达到瞬时响应。在一定铜离子浓度范围内，荧光强度呈线性变化，计算得到的检测限为12.60nM。本发明中的荧光探针与传统的荧光探针制备方法相比，具有操作简单、产率高、易于提纯、绿色环保等优点，便于大规模生产应用。

Description

基于四苯基乙烯离子络合物的二价铜离子荧光探针及制备方 法及用途
技术领域
本发明属于荧光探针技术领域，具体涉及一种基于四苯基乙烯基离子络合物的Cu2+荧光探针的制备方法及其应用。
背景技术
铜离子作为重金属离子，是动植物生命体系中必要的微量金属离子，是继铁离子和锌离子之后的第三大必要微量元素，在生物体的基本生理过程中具有重要作用。但是，摄入的铜离子过多会对生命系统产生负面作用，成为生物体中的有害物质。根据世界卫生组织和环境保护署规定饮用水中铜离子的含量分别不得超过2.0mg/L和1.3mg/L，如果人体摄入过量的铜离子会导致神经性疾病的发生，如阿尔茨海默病，肌萎缩性脊髓侧索硬化症，门克斯综合征等；植物体内摄入过多的铜离子会影响必要养分的吸收、运输和积累的失调，生理受阻，发育停滞，甚至死亡。因此，研究高效、快速、可实际应用地检测铜离子具有重要价值和意义。
目前检测铜离子的方法最常用的是荧光光谱法，荧光分子探针具有高选择性、高灵敏度、可操作性强等优势，所以荧光分子探针是检测环境或生物体中重金属离子含量的理想工具。但是，大多数的传统有机发光材料在聚集态或固体状态下发光变弱或甚至不发光，这一现象被称为聚集发光猝灭(ACQ)，然而在实际应用中发光材料通常是在薄膜等固体状态下应用，这极大地限制了有机发光材料的应用范围。2001年，唐本忠课题组观察到了一个有趣的现象：一系列硅杂环戊二烯分子在溶液中不发光，而在聚集状态下发光增强，这一现象与传统荧光分子的ACQ现象完全不同，这一独特现象定义为聚集诱导发光(AIE)。
随后，越来越多的新型AIE体系被设计和研究起来，同时AIE分子在荧光分子探针领域得到了广泛研究与应用，如分析检测、生物传感器等。四苯基乙烯衍生物作为典型的AIE效应的荧光分子探针，发光性能良好且化学合成简单，在检测重金属离子、爆炸性气体、过氧化物、生命体中DNA序列等方面得到了深入研究与应用。以AIE体系检测铜离子的研究越来越多，主要机理包括荧光分子与铜离子的协同作用、以铜离子为催化剂的反应催化作用、纳米粒子吸收铜离子等。
然而大部分体系不但对铜离子的选择性和灵敏度未达到理性要求，而且合成方法复杂、繁琐，不适合应用于实际应用中。离子自组装是将具有相反电荷的功能基团通过静电相互作用以离子键的形式连接在一起，与化学合成法相比，离子自组装具有操作简便快捷、产率较高、通用性强等优点，是构建具有优异功能的超分子结构的理想手段。
在目前研究领域，以AIE离子络合物检测铜离子的研究还未报道，因此通过简单的离子自组装的方式构建新型的超分子AIE体系，可以高效快速地检测铜离子在理论研究和实际应用具有重要意义。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种高灵敏度、高选择性的基于四苯基乙烯离子络合物的二价铜离子荧光探针。
本发明的第二个目的是提供一种通过离子自组装的、步骤简单、产率高的基于四苯基乙烯离子络合物的二价铜离子荧光探针的制备方法。
本发明的第三个目的是提供基于四苯基乙烯离子络合物的二价铜离子荧光探针的用途。
本发明的技术方案概述如下：
一种基于四苯基乙烯离子络合物的二价铜离子荧光探针，用式(V)所示：
其中：R1、R2、R3和R4之中的2个或3个相同，选自C1-C18的直链烷基或含环烷基的烷基链。
上述一种基于四苯基乙烯离子络合物的二价铜离子荧光探针的制备方法，包括如下步骤：
(1)将化合物(III)投入氢氧化钾水溶液中，在45-50℃水浴条件下搅拌2-3h，得到化合物(IV)溶液，冷却至室温；
(2)在45-50℃下将化合物N+(R1R2R3R4)X-溶解于乙醇水溶液中，得到N+(R1R2R3R4)X-溶液；
(3)在45-50℃搅拌条件下，将化合物(IV)溶液，滴入步骤(2)获得的溶液中，搅拌，有沉淀生成，用乙醇水溶液洗涤沉淀，真空干燥，得到基于四苯基乙烯离子络合物的Cu2+荧光探针(V)；
反应方程式：
其中：R1、R2、R3和R2之中的2个或3个相同，选自C1-C18的直链烷基或含环烷基的烷基链；X-为Cl-或Br-。
步骤(1)化合物(III)的摩尔浓度为0.004-0.006mol/L，氢氧化钾与化合物(III)的摩尔比为4-5:1。
步骤(2)乙醇水溶液的体积浓度为40％-75％。
步骤(2)N+(R1R2R3R4)X--溶液的摩尔浓度为0.011-0.017mol/L。
步骤(3)乙醇水溶液的体积浓度为40％-75％。
一种基于四苯基乙烯离子络合物的二价铜离子荧光探针检测样品中Cu2+的用途。
本发明的有益效果：
(1)本发明的荧光探针化学稳定性好，具有较高的固体荧光量子产率(66％)。在检测体系Cu2+的含量中可以表现出较高的选择性、较高的灵敏度，并且可达到瞬时响应。在一定铜离子浓度范围内，荧光强度呈线性变化，计算得到的检测限为12.60nM，优于文献报道中检测铜离子的检测限范围。
(2)本发明中的荧光探针采用离子自组装法，通过静电相互作用将四苯基乙烯衍生物和阳离子表面活性剂(如双十八烷基二甲基溴化铵、双十六烷基二甲基溴化铵)以离子键连接起来。与传统的荧光探针制备方法相比，具有操作简单、产率高、易于提纯、绿色环保等优点，便于大规模生产应用。
附图说明
图1为ETTC-DOAB的1H NMR谱图；
图2为ETTC-DHAB的1H NMR谱图；
图3为ETTC-DOAB的红外谱图；
图4为ETTC-DHAB的红外谱图；
图5为荧光探针ETTC-DOAB的光学特性图；
图6为荧光探针ETTC-DOAB在不同水含量的水/乙醇混合溶剂中的荧光发射谱图；
图7为荧光探针ETTC-DOAB在不同Cu2+浓度作用下的荧光光谱图；
图8为荧光探针ETTC-DOAB与不同Cu2+离子浓度作用下荧光变化的线性拟合图；
图9为荧光探针ETTC-DOAB与一定浓度的Cu2+离子以及其他阳离子作用下的荧光强度柱状。
具体实施方式
下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步说明，但不限于此。
下列实施例在于进一步介绍和展示在本发明范围内的具体实施方案。因此，实施例应理解为仅用于更详细地展示本发明，而不以任何方式限制本发明的内容。
下列实施例进一步说明了本发明范围内的优选具体实施方案。这些实施例仅仅是说明性的，而不是限制本发明的范围，因为只要在不背离其实质和范围的条件下，可以对本发明进行许多变化。
采用了瑞士Bruker公司的AVANCE III 400M型液体核磁共振谱仪来检测产物的1HNMR 谱图，溶剂为氘代氯仿(CDCl3)及氘代二甲亚砜(DMSO-d6)，四甲基硅烷(TMS)为内标。
利用美国Hercules公司的Bio-Rad FTS-6000型红外光谱仪，通过KBr压片得到产物的红外光谱。
利用Agilent公司的Cary 300型紫外可见分光光度计来测定产物的紫外吸收光谱，采用 1×1cm的石英比色皿作为样品池。
利用Hitachi公司的F-2500型荧光分光光度计来测定产物的荧光光谱，采用1×1cm的石英比色皿作为样品池，激发波长为365nm，测试收集波长范围为400-700nm，荧光光谱测试中所用的溶剂纯度均为色谱纯。
本实验利用英国爱丁堡公司的FLS 920P型稳态/瞬态荧光光谱仪，以354nm为最佳激发波长测得产物ETTC-DOAB的固体荧光量子产率。
实施例1
化合物(III)的制备，(文献：Zhangwen Wei,Zhi-Yuan Gu,Ravi K.Arvapally,etal. J.Am.Chem.Soc.2014,136,8269-8276.)包括如下步骤：
(1)N2保护下，在500ml的两口瓶中加入250ml干燥的四氢呋喃(THF)，室温搅拌5min，加入4.59g(0.07mol)锌粉，冰浴下缓慢滴加4.21ml(0.035mol)四氯化钛(TiCL4)，75℃下回流2h，冷却至室温，加入20g的4,4'-二溴二苯甲酮，在N2保护中，75℃下反应24h，得到混合物。将混合物、20g的碳酸钾、20ml的去离子水及120ml的二氯甲烷，充分混合均匀后，用硅藻土真空抽滤，将所得的滤液旋蒸去除溶剂后，剩余物用二氯甲烷和甲醇进行重结晶，除去未反应的单体，提纯得到四-(4-溴基苯)乙烯(I)。
(2)N2保护下，在250ml的两口瓶中依次加入四-(4-溴基苯)乙烯(I)1g(1.55mmol)、 4-甲氧基羰基苯基硼酸1.4g(7.8mmol)、氟化铯(CsF)2.5g(16mmol)，加入溶剂二乙醇二甲醚(DME)75ml，室温下搅拌30min。避光条件下加入四(三苯基膦)钯(Pd(PPh3)4)100mg (0.08mmol)回流10h，冷却后加入等量的四(三苯基膦)钯，继续反应48h，得到混合物。反应结束，旋蒸溶剂，剩余物用二氯甲烷充分溶解，真空抽滤除去不溶物。将滤液萃取三次，收集有机相，用无水硫酸钠干燥，将所得的滤液旋蒸去除溶剂后，剩余物用甲苯进行重结晶，抽滤得黄色化合物(II)，真空干燥，产率53.3％
(3)称取化合物(II)80.7146g(0.82mmol)，加热溶解于10mL四氢呋喃，然后加入与四氢呋喃等体积的甲醇(MeOH)，加入氢氧化钠(NaOH)0.56g(10mmol)，加热回流，溶液变得浑浊；缓慢滴加去离子水(H2O)，直至浊液变得透明，继续回流4h；旋蒸去除溶剂四氢呋喃和乙醇，用盐酸(HCL)调节溶液至pH＝2，有黄色沉淀生成，过滤，用去离子水洗涤沉淀，真空干燥，得到化合物(III)，产率87.2％。
实施例2
一种基于四苯基乙烯离子络合物的二价铜离子荧光探针的制备方法，包括如下步骤：
(1)将38mg化合物(III)投入10ml摩尔浓度为0.023mol/L氢氧化钾(KOH)水溶液中，在50℃水浴条件下搅拌2h，得到化合物(IV)溶液，冷却至室温；所述化合物(III)的摩尔浓度为0.0046mol/L，所述氢氧化钾与化合物(III)的摩尔比为5:1；
(2)在50℃下将0.11g化合物双十八烷基二甲基溴化铵(DOAB)溶解于16mL体积浓度为 75％的乙醇水溶液中，得到摩尔浓度为0.011mol/L的DOAB溶液；
(3)在50℃搅拌条件下，将化合物(IV)溶液，滴入步骤(2)获得的溶液中，搅拌，有沉淀生成，用体积浓度为75％的乙醇水溶液洗涤沉淀，真空干燥，得到基于四苯基乙烯离子络合物的Cu2+荧光探针(V-1)，简称ETTC-DOAB，产率97.5％。
实施例1和实施例2的反应方程式：
ETTC-DOAB的分子量为3012，ETTC-DOAB中R1基团为甲基，R2基团为甲基，R3基团为十八烷基直链，R4基团为十八烷基直链。其化学结构通过核磁共振氢谱和红外光谱表征。在ETTC-DOAB的红外光谱中，在3025cm-1出现的新峰是N+O-键的振动峰，证实了ETTC通过离子键与DOAB连接在一起，见图1和图3。
实施例3
一种基于四苯基乙烯离子络合物的二价铜离子荧光探针的制备方法，包括如下步骤：
(1)将55mg化合物(III)投入15ml摩尔浓度为0.018mol/L氢氧化钾水溶液中，在45℃水浴条件下搅拌3h，得到化合物(IV)溶液，冷却至室温；所述化合物(III)的摩尔浓度为0.006mol/L，所述氢氧化钾与化合物(III)的摩尔比为4:1；
(2)在45℃下将0.156g化合物双十六烷基二甲基溴化铵(DHAB)溶解于16mL体积浓度为 40％的乙醇水溶液中，得到摩尔浓度为0.017mol/L的DHAB溶液；
(3)在45℃搅拌条件下，将化合物(IV)溶液，滴入步骤(2)获得的溶液中，搅拌，有沉淀生成，用体积浓度为40％的乙醇水溶液洗涤沉淀，真空干燥，得到基于四苯基乙烯离子络合物的Cu2+荧光探针(V-2)，简称ETTC-DHAB，ETTC-DHAB的分子量为2788，其化学结构通过核磁共振氢谱和红外光谱表征。在ETTC-DHAB的红外光谱中，在3026cm-1出现的新峰是 N+O-键的振动峰，证实了ETTC通过离子键与DHAB连接在一起，见图2和图4。
实施例4
一种基于四苯基乙烯离子络合物的二价铜离子荧光探针的制备方法，包括如下步骤：
(1)将32mg化合物(III)投入10ml摩尔浓度为0.018mol/L氢氧化钾水溶液中，在45℃水浴条件下搅拌3h，得到化合物(IV)溶液，冷却至室温；所述化合物(III)的摩尔浓度为0.004mol/L，所述氢氧化钾与化合物(III)的摩尔比为4.5:1；
(2)、(3)用三辛基甲基氯化铵替代实施例3的化合物双十六烷基二甲基溴化铵(DHAB)，其余同实施例3步骤(2)、(3)，制备出化合物(V-3)。该化合物的分子量为2283。
实施例5
一种基于四苯基乙烯离子络合物的二价铜离子荧光探针的制备方法，包括如下步骤：
(1)同实施例3步骤(1)；
(2)、(3)用三(十二烷基)甲基氯化铵替代实施例3的化合物双十六烷基二甲基溴化铵 (DHAB)，其余同实施例3步骤(2)、(3)，制备出化合物(V-4)。该化合物的分子量为2956。
实施例6
一种基于四苯基乙烯离子络合物的二价铜离子荧光探针的制备方法，包括如下步骤：
(1)同实施例3步骤(1)；
(2)、(3)用十八烷基苄基二甲基氯化铵
替代实施例3的化合物双十六烷基二甲基溴化铵(DHAB)，其余同实施例3步骤(2)、(3)，制备出化合物(V-5)。该化合物的分子量为2956，该化合物的分子量为2363。
实施例7
基于四苯基乙烯离子络合物的二价铜离子荧光探针(V-1)，简称ETTC-DOAB的光学特性的测定
将ETTC-DOAB溶解在无水乙醇中，得到浓度为1.0×10-5M的溶液，测量探针在无水乙醇和水混合比例中的紫外-可见吸收光谱和荧光发射光谱(激发波长为365nm)，其结果如图5 所示。从图5中可以看出，ETTC-DOAB的斯托克位移为213nm。斯托克位移越大，激发光对实验结果的影响越小，因此激发光对实施例2制备的ETTC-DOAB在检测过程中影响很小。
实施例8
ETTC-DOAB在不同水含量的水/乙醇混合溶剂中的荧光发射谱光学特性的测定
将一定量的ETTC-DOAB溶解在无水乙醇中，得到浓度为1.0×10-4M的母液，用移液枪量分别取不同体积的无水乙醇、蒸馏水和母液，得到浓度为1.0×10-5M，且不同含水量的溶液，测量其荧光发射光谱。从图6中可以看出，荧光发射强度与水/乙醇混合溶剂中的水的体积分数(fw)之间有一定的关系。当fw＝0％增加至40％，即不良溶剂水加入量较少时，大部分ETTC-DOAB 分子仍以单分子状态存在混合溶剂中，导致溶液荧光信号极弱，发光强度低；当fw≥60％时，随着不良溶剂水含量提高后，ETTC-DOAB在混合溶剂中开始发生聚集，此时分子发光强度明显增强，表明ETTC-DOAB具有明显的聚集诱导发光效应。此外，荧光探针ETTC-DOAB在固体薄膜状态下的荧光量子产率为66％，接近于目前文献报道中液晶聚集诱导发光材料的最高量子产率，量子产率越高发光性能越好，进一步表明了该荧光探针的发光性能优异，利于探针在实际生活中的应用。
实施例9
ETTC-DOAB在不同Cu2+浓度作用下的荧光光谱性质的测定
以无水乙醇和蒸馏水体积1:1的混合溶液为溶剂，荧光探针的浓度为10μM，Cu2+的浓度依次为0，2，5，7，10，12，15，17，20μM，将不同浓度的铜离子加入荧光探针的溶液中，测定结果如图7所示。未加入Cu2+之前，荧光探针荧光较强，加入Cu2+之后，荧光强度减弱，并且随着Cu2+浓度的增大，荧光探针的强度不断减弱，表现较高的灵敏度。如图8所示，荧光强度与Cu2+浓度呈较好的线性关系，通过公式计算得到检测限是12.6nM，这一检测限远远低于美国环境保护署规定的自来水中铜离子的最低含量标准(20μM)。
实施例10
ETTC-DOAB对Cu2+测定的选择性和干扰性的表征
以无水乙醇和蒸馏水体积1:1的混合溶液为溶剂，荧光探针的浓度为10μM，金属阳离子浓度为30μM，其他金属离子包括K+、Mg2+、Ca2+、Co2+、Hg2+、Ni2+、Fe3+、Fe2+、Ag+、Cr3+、 Pb2+、Zn2+、Na+、Cs2+、Cd2+、Al3+、Mn2+、Sr2+、Ba2+。如图9所示，当加入Cu2+时，荧光探针的荧光强度显著降低，当加入其他金属阳离子时，整个体系的荧光强度并不会有明显降低。这一现象表明荧光探针对Cu2+的测定表现出良好的选择性。在荧光探针体系中分别加入一定体积的金属离子，之后再往上述荧光探针测试体系中加入30μM的Cu2+，测定探针的荧光强度的前后变化。荧光探针在加入铜离子之后，发光强度显著减弱，不受之前体系中加入的其他金属离子影响。这一实验结果表明该荧光探针在检测铜离子过程中有较好的抗干扰能力。
实验证明，实施例3、4、5、6制备的基于四苯基乙烯离子络合物的Cu2+荧光探针的性质与实施例2制备的基于四苯基乙烯离子络合物的Cu2+荧光探针的性质相似，可以用于检测铜离子。
综上，本发明采用离子自组装法通过静电相互作用制备的基于四苯基乙烯离子络合物的 Cu2+荧光探针，制备方法简单易操作，产率较高，能够推广进行大规模生产应用。最为重要的是，本发明所述的荧光探针具有明显的聚集诱导发光效应，固体荧光量子产率在50％以上，发光性能优异，在检测铜离子可以表现出高选择性、高灵敏度、瞬时响应的优良特性。因此，本发明所述荧光探针可以用于检测铜离子。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征以及本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (7)

1.一种基于四苯基乙烯离子络合物的二价铜离子荧光探针，其特征是用式(V)所示：
其中：R1、R2、R3和R4之中的2个或3个相同，选自C1-C18的直链烷基或含环烷基的烷基链。
2.权利要求1的一种基于四苯基乙烯离子络合物的二价铜离子荧光探针的制备方法，其特征是包括如下步骤：
(1)将化合物(III)投入氢氧化钾水溶液中，在45-50℃水浴条件下搅拌2-3h，得到化合物(IV)溶液，冷却至室温；
(2)在45-50℃下将化合物N+(R1R2R3R4)X-溶解于乙醇水溶液中，得到N+(R1R2R3R4)X-溶液；
(3)在45-50℃搅拌条件下，将化合物(IV)溶液，滴入步骤(2)获得的溶液中，搅拌，有沉淀生成，用乙醇水溶液洗涤沉淀，真空干燥，得到基于四苯基乙烯离子络合物的Cu2+荧光探针(V)；
反应方程式：
其中：R1、R2、R3和R2之中的2个或3个相同，选自C1-C18的直链烷基或含环烷基的烷基链；X-为Cl-或Br-。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征是所述步骤(1)化合物(III)的摩尔浓度为0.004-0.006mol/L，氢氧化钾与化合物(III)的摩尔比为4-5:1。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征是所述步骤(2)乙醇水溶液的体积浓度为40％-75％。
5.根据权利要求2所述的方法，其特征是所述步骤(2)N+(R1R2R3R4)X--溶液的摩尔浓度为0.011-0.017mol/L。
6.根据权利要求2所述的方法，其特征是所述步骤(3)乙醇水溶液的体积浓度为40％-75％。
7.权利要求1的一种基于四苯基乙烯离子络合物的二价铜离子荧光探针检测样品中二价铜离子的用途。
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