CN107602576B - 一种金属响应型荧光传感材料的制备方法和用途 - Google Patents

Abstract

本发明属于化学荧光传感材料技术领域，涉及一种金属响应型荧光传感材料的制备方法和用途。本发明提供一种金属响应型荧光传感材料，所述材料是由罗丹明B酰肼与2‑醛基噻唑作为基础原料，甲醇作为溶剂，乙酸作为催化剂，经亲核反应制备荧光化学传感材料。本发明制备的荧光传感材料，水溶性和生物相容性良好，制备的荧光传感材料能对Fe³⁺具有灵敏的选择性识别性能，其他常见金属离子干扰性小，荧光传感材料与Fe³⁺形成了有效的络合，成功实现了生物细胞中目标离子的成像。

Description

一种金属响应型荧光传感材料的制备方法和用途

技术领域

本发明属于化学荧光传感材料技术领域，涉及一种化学荧光传感材料的制备方法和用途，特别涉及一种金属响应型荧光传感材料的制备方法和用途。

背景技术

重金属离子污染一直是人们关注的焦点。由于人们对自然界中重金属进行了无节制、不合理的开采、冶炼、加工及商业制造，造成了严重的重金属离子污染，极大地影响了生态环境和人类的生产生活。国内很多大型生产企业往往会产生大量含重金属离子的废水，但这些重金属离子不能够被微生物降解，一旦进入环境或者生态系统中就会长期存留、蓄积，并且极易被生物体所吸收，通过生物的迁徙、富集等方式经食物链进入人体从而危害人体健康。

在生命科学、环境分析和疾病诊断等方面，开发能选择性识别重金属离子的荧光传感材料至关重要。Fe³⁺离子是诸多重金属离子中最重要的重金属离子之一，在生命系统中起关键作用并能影响人体健康。Fe³⁺离子过量或不足可引起一系列严重的疾病，如核酸和蛋白质损伤、贫血、低血压和免疫力下降等；此外，由于铁离子在人体中具有富集作用，病原微生物可通过合成对铁离子具有特异性亲和力的铁载体，将三价铁离子还原成二价铁离子，在人体内形成高毒性病原菌，病原菌的不断繁殖会造成人体的感染乃至病变。不仅如此，重金属Fe³⁺大量存在也会导致严重的环境污染，例如工业废水中含有的大量的Fe³⁺，会造成生化池活性污泥中毒，水体颜色异常，水质污染。

通过有效的监测分析，能减少重金属含量对人类和生态环境的危害。传统的检测方法如等离子体质谱法、离子选择性电极法及原子吸收分光光度法通常需要繁琐的预处理和大型仪器设备，这限制了其应用，因此我们需要开发一种能够方便、实用、高效地检测目标离子的技术。而荧光传感材料就能很好地满足我们的这种需求，因为其具有操作方便、灵敏度高、选择性好和设备依赖小等优点。

发明内容

本发明旨在克服传统检测技术的限制，目的在于提供一种金属响应型荧光传感材料的制备方法和用途，本发明涉及的传感材料能够很好的实现生物细胞中痕量Fe³⁺离子的有效检测，具有成本低廉、操作便捷和高的灵敏度等特点。

研究发现该传感材料中的O和N原子提供了与Fe³⁺离子的结合位点，并研究其配位机理。噻唑的引入增强了传感材料整体的水溶性和生物相容性，可以实现在水溶液介质中对目标离子进行检测应用，也为生物细胞中目标离子的成像分析提供了前提。

本发明采用的技术方案是：

本发明提供一种金属响应型荧光传感材料，所述材料是由罗丹明酰肼和2-醛基噻唑为基础原料，采用乙酸作为催化剂，甲醇作为溶剂，经亲核反应制备荧光传感材料。

本发明还提供一种金属响应型荧光传感材料的制备方法，包括如下步骤：

(1)将罗丹明B酰肼和2-醛基噻唑置于圆底烧瓶中，加入一定量的甲醇溶解，加入一定量的乙酸催化，调节pH值至5～6；

(2)步骤(1)所得的混合溶液，在一定温度下回流加热反应，待反应结束后冷却至室温，粗产物重结晶，抽滤，用与步骤(1)等量的甲醇洗涤三次，烘干得到黄色粉末，即得金属响应型荧光传感材料。

步骤(1)中，所述罗丹明B酰肼、2-醛基噻唑、甲醇和乙酸的用量比例为：0.5～1.5g：0.452～0.678g：10～30mL：50～150μL。

步骤(2)中，所述回流加热反应温度为70～90℃，反应时间为4～6h。

步骤(2)中，所述重结晶的时间为7～9h。

将本发明制备的金属响应型荧光传感材料用于Fe³⁺选择性识别的用途。

本发明还提供一种金属响应型荧光传感材料用于生物体细胞中Fe³⁺的成像分析检测。

本发明与现有技术相比较，有益效果为：

(1)由于罗丹明类的荧光染料具有高的荧光量子产率、良好的光稳定性、较高的摩尔消光系数、以及较长的激发与发射波长等优异的光物理和光化学性能，罗丹明类的荧光染料已成为分子荧光探针设计的最理想的荧光团之一。本发明采用罗丹明酰肼作为基础原料，酰肼的氨基是强供电子基团，与2-醛基噻唑上的羰基发生亲核反应制备荧光传感材料。

(2)在制备金属响应型荧光传感材料过程中，采用乙酸作为催化剂大大的缩短了反应时间。

(3)本发明制备的荧光传感材料具有强响应，对金属Fe³⁺离子有灵敏的选择性识别性能，表现出显著的荧光发射，在紫外灯下荧光信号的变化肉眼可见，其他常见金属离子干扰性小。

(4)本发明制备的荧光传感材料检测条件更为温和，采用含有HEPES的水溶液作为检测介质，避免了大量有机溶剂引入而造成的二次污染。

附图说明

图1为实施例3所制备的金属响应型荧光传感材料的合成过程示意图。

图2为实施例3所制备荧光传感材料的红外光谱图。

图3为实施例3所制备荧光传感材料的¹H NMR图，其中溶剂为CDCl₃

图4为实施例3所制备荧光传感材料的¹³C NMR图，其中溶剂为CDCl₃。

图5为实施例3所制备荧光传感材料的EI-MS图。

图6为实施例3所制备荧光传感材料在不同金属离子存在时的荧光光谱图。图中的1表示的是本发明制备的荧光传感材料。

图7为实施例3所制备荧光传感材料在不同金属离子存在时的紫外光谱图。图中的1表示的是本发明制备的荧光传感材料。

图8为实施例3所制备荧光传感材料的荧光滴定实验的荧光发射光谱。

图9为实施例3所制备荧光传感材料在紫外可见滴定实验的荧光发射光谱。

图10为实施例3所制备荧光传感材料的荧光强度与Fe³⁺浓度的线性关系图。

图11为实施例3所制备荧光传感材料的1/(I-I₀)与{1/[Fe³⁺]}^1/2的线性关系图。

图12为实施例3所制备荧光传感材料与Fe³⁺离子的Job’s曲线。

图13为实施例3所制备荧光传感材料与Fe³⁺配位前后的HOMO和LUMO轨道的电子分布和能量图。图中的1表示的是本发明制备的荧光传感材料。

图14为实施例3所制备荧光传感材料用于生物体活细胞中Fe³⁺的成像图；图中a为加入荧光传感材料培养后的细胞在明场下的成像，b为加入荧光传感材料培养后的细胞在荧光场下的成像，c为加入荧光传感材料和Fe³⁺培养后的细胞在明场下的成像，d为加入荧光传感材料和Fe³⁺培养后的细胞在荧光场下的成像。

具体实施方式：

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图说明对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。下面结合具体实施实例对本发明作进一步说明：

实施例1：

将0.5g罗丹明B酰肼和0.452g 2-醛基噻唑置于圆底烧瓶中，加入10mL甲醇溶解，加入50μL乙酸催化，调节pH值为5，在70℃下加热回流反应4h，待反应结束后冷却至室温，粗产物重结晶7h，抽滤，用10mL甲醇洗涤三次，烘干得到黄色粉末。

实施例2：

将1.5g罗丹明B酰肼和0.678g 2-醛基噻唑置于圆底烧瓶中，加入30mL甲醇溶解，加入150μL乙酸催化，调节pH值为6，在90℃下加热回流反应6h，待反应结束后冷却至室温，粗产物重结晶9h，抽滤，用30mL甲醇洗涤三次，烘干得到黄色粉末。

实施例3：

将1.0g罗丹明B酰肼和0.565g 2-醛基噻唑置于圆底烧瓶中，加入20mL甲醇溶解，加入100μL乙酸催化，调节pH值为5.5，在80℃下加热回流反应5h，待反应结束后冷却至室温，粗产物重结晶8h，抽滤，用20mL甲醇洗涤三次，烘干得到黄色粉末。

如图1所示是金属响应型荧光传感材料的合成过程示意图。

如图2所示是荧光传感材料的红外光谱图。IR(KBr,cm^-1)：2972，1721，1691，1632，1613，1546，1516，1467，1427，1356，1336，1303，1261，1232，1218，1118，789。通过红外光谱图可以确定荧光传感材料的官能团。

如图3和图4所示是荧光传感材料的¹H NMR和¹³C NMR图。¹H NMR(400MHz，CDCl₃)δ8.52(s，1H)，8.03(d，J＝7.2Hz，1H)，7.75(d，J＝3.1Hz，1H)，7.51(dd，J＝11.8，7.8Hz，2H)，7.27(dd，J＝3.2，0.8Hz，1H)，7.15(d，J＝7.4Hz，1H)，6.55(d，J＝8.8Hz，2H)，6.46(s，2H)，6.26(d，J＝7.9Hz，2H)，3.34(q，J＝6.9Hz，8H)，1.17(t，J＝7.0Hz，12H)。¹³C NMR(101MHz，CDCl₃)δ166.86，165.11，153.00，152.19，149.10，143.37，139.56，133.91，128.39，128.03，127.62，123.85，123.66，120.34，108.06，105.13，98.23，66.04，44.32，12.62。通过核磁谱图可以确定荧光传感材料的化学结构。

如图5所示为荧光传感材料(C₃₂H₃₃N₅O₂S，551.24[M]⁺)的质谱图，其中，552.54为[M+H]对应的分子量,进一步证实了该荧光传感材料的结构。

实施例4：本发明制备的荧光传感材料对Fe³⁺选择性的检测

将实施例3中制备的荧光传感材料制备成1mM的储备液待用。取0.5mL上述储备液用纯水定容到100mL配制成5μM荧光传感材料溶液。分别移取4mL上述5μM的待用溶液，分别加入50μM不同的金属离子(Fe³⁺,Li⁺,Ni²⁺,Hg²⁺,Co²⁺,Fe²⁺,Sr²⁺,Cu²⁺,Pb²⁺,Cd²⁺,Ca²⁺,Mg²⁺,Zn^{2 +},Cr³⁺和Al³⁺)，采用荧光光谱仪分别对各自的荧光光谱进行测定，其中激发波长为560nm，如图6所示。

取40μL储备液和800μL各种不同的金属离子储备液于4mL在纯水溶液中，得到10μM浓度的待用溶液和200μM浓度的各种不同的金属离子，测量吸光度的变化，如图7所示。

实施例5：本发明制备的荧光传感材料对Fe³⁺灵敏性的检测

移取实施例3中的5μM的待用溶液，对Fe³⁺进行荧光滴定实验，即加入0～50μM的Fe^{3 +}进行荧光光谱。本实施例中用到的金属离子浓度分别为：0.1×10^-5M、0.2×10^-5M、0.3×10^-5M、0.4×10^-5M、0.5×10^-5M、0.6×10^-5M、0.7×10^-5M、0.8×10^-5M、0.9×10^-5M、1.0×10^-5M、1.5×10^-5M、2×10^-5M、2.5×10^-5M、3×10^-5M、4×10^-5M、5×10^-5M。

荧光滴定实验的荧光发射光谱如图8所示，从图中可以看出，随着金属Fe³⁺浓度的增加，588nm处的荧光发射峰逐渐增强。

取40μL储备液于4mL纯水中，得到10μM浓度的待用溶液，并加入0～150μM的Fe³⁺储备液，通过紫外滴定测得吸光度随Fe³⁺浓度的变化值。紫外可见滴定实验的荧光发射光谱如图9所示，从图中可以看出，荧光传感材料在567nm处显示出强烈的紫外可见吸收带。

图10表明在一定的浓度范围内相应的荧光强度与Fe³⁺离子的浓度呈现良好的线性关系。线性方程的斜率(slope)为27.3，根据方程LOD＝3σ/slope(20次空白样的标准偏差σ＝0.0837)计算得最低检出限可低达9.2×10^-8M。结果表明该荧光传感材料对一定浓度范围内的Fe³⁺可进行定量检测并具有高的灵敏性。

图11为1/(I-I₀)与{1/[Fe³⁺]}^1/2之间的线性关系，可以看出两者成线性，根据Benesi-Hildebrand方程计算荧光传感材料与Fe³⁺的结合常数K为2.8813×10⁵M^-1；其中，I₀表示单独传感材料溶液的荧光强度，I表示加入不同浓度的金属离子后的荧光强度，Ic表示饱和时的荧光强度，K表示传感材料与金属离子之间的结合常数，[M]表示对应的Fe³⁺离子的浓度。

实施例6：本发明制备的荧光传感材料对Fe³⁺结合比例验证

配制10μM的Fe³⁺离子溶液，将实施例3中配制的10μM荧光传感材料的待用溶液与10μM的金属Fe³⁺溶液按不同体积比(0:10～10:0)混合，使得两者混合物的总浓度为10μM，对一系列的混合物进行荧光光谱测定，制备Job’s曲线确定结合比例。本实施例中用到的体积比分别为：0:10、1:9、2:8、3:7、4:6、5:5、6:4、7:3、8:2、9:1、10:0。

图12为荧光传感材料与金属离子的Job’s曲线，从图中可以看出，当金属离子浓度为体系总浓度的1/3时，荧光强度达到了最高，这说明荧光传感材料与金属离子均以2:1化学计量比进行结合。

实施例7：本发明制备的荧光传感材料对Fe³⁺配位机理

对于制备的荧光传感材料，HOMO的电子主要分布在呫吨部分上，而LUMO转移到取代的噻唑环和苯环单元。荧光传感材料与Fe³⁺形成的络合物，其电子在整个分子上扩散用于HOMO和LUMO，因此在激发时没有电子转移，并且络合物显示强荧光。图13为荧光传感材料与Fe³⁺配位前后的HOMO和LUMO轨道的电子分布和能量图。

从能量角度来看，金属络合物的HOMO和LUMO之间的能隙计算为0.471eV，远远低于荧光传感材料本身(3.075eV)。结果表明，Fe³⁺离子与荧光传感材料的螯合降低了络合物的HOMO-LUMO能隙并使体系稳定。因此，其结果显示Fe³⁺与荧光传感材料之间有利的络合作用。

实施例8：本发明制备的荧光传感材料对细胞的成像分析

将人结肠癌细胞SW480接种到含有10％小牛胎血清的DMEM培养液培养中，在温度为37℃的培养箱中培养24小时。第一组是加入5μM的实施例3制备的荧光传感材料培养30分钟，用HEPES缓冲溶液洗涤三次移除残余的荧光传感材料；第二组是先加入5μM的实施例3制备的荧光传感材料培养30分钟，用HEPES缓冲溶液洗涤三次移除残余的荧光传感材料，再加入10μM Fe³⁺后继续培养30分钟，然后再次用HEPES洗涤细胞三次，采用倒置荧光显微镜对加入Fe³⁺前后的细胞进行成像分析。

荧光传感材料对生物细胞中Fe³⁺的成像结果如图14所示，图14(a)和图14(b)分别为加入荧光传感材料培养后的细胞在明场和荧光场下的成像情况。图14(c)和图14(d)分别为加入荧光传感材料和Fe³⁺培养后的细胞在明场和荧光场下的成像情况，图14(a)表明该传感材料具有低的生理毒性，并没有对生物细胞造成破坏，图14(b)表明用荧光传感材料培养过的细胞并无荧光。从图中可以看出，细胞中Fe³⁺的存在会引起细胞内部呈现出强的荧光发射。这一结果充分的表明荧光传感材料具有良好的生物膜透过性并已成功进入细胞到内部，同时也证实了荧光传感材料可用于生物体细胞中Fe³⁺荧光成像检测分析。

Claims (6)

1.一种金属响应型荧光传感材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)将罗丹明B酰肼和2-醛基噻唑置于圆底烧瓶中，加入一定量的甲醇溶解，加入一定量的乙酸催化，调节pH值至5～6；

(2)步骤(1)所得的混合溶液，在一定温度下回流加热反应，待反应结束后冷却至室温，粗产物重结晶，抽滤，用与步骤(1)等量的甲醇洗涤三次，烘干得到黄色粉末，即得金属响应型荧光传感材料，结构式为：

2.根据权利要求1所述的一种金属响应型荧光传感材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述罗丹明B酰肼、2-醛基噻唑、甲醇和乙酸的用量比例为：0.5～1.5g：0.452～0.678g：10～30mL：50～150μL。

3.根据权利要求1所述的一种金属响应型荧光传感材料的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述回流加热反应温度为70～90℃，反应时间为4～6h。

4.根据权利要求1所述的一种金属响应型荧光传感材料的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述重结晶的时间为7～9h。

5.将权利要求1-4任一项所述的制备方法制备的金属响应型荧光传感材料用于非诊断和非治疗目的的Fe³⁺选择性识别的用途。

6.根据权利要求5所述的用途，将金属响应型荧光传感材料用于非诊断和非治疗目的的生物体细胞中Fe³⁺的成像分析检测。