CN107840833A - 一种可视化检测锌离子的呋喃类荧光增强型探针及其制备方法和用途 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种可视化检测锌离子的呋喃类荧光增强型探针ZY10及其制备方法和用途。这种荧光探针的化学分子式为C₁₆H₁₅N₆O₃Cl，可通过盐酸胍先后与水合肼和糠醛按照一定的比例反应得到，合成和后处理简单，成本低廉，产率高，易于规模化生产；本发明的探针是一种荧光增强型探针，它对锌离子具有较高的选择性和灵敏度，抗干扰能力强，响应快，最低检测限为0.12μmol/L，能够通过荧光颜色的明显变化实现对锌离子的可视化检测。另外，该探针试纸可简便地检测一定浓度水溶液中的锌离子，检测过程简单快捷，无需大型检测仪器，具有成本低廉，易于操作等优点，在环境监测领域将具有潜在的应用价值。

Description

一种可视化检测锌离子的呋喃类荧光增强型探针及其制备方 法和用途

【技术领域】

本发明涉及环境分析与检测领域，具体涉及一种可视化检测锌离子的呋喃 类荧光增强型探针及其制备方法和用途。

【背景技术】

锌在元素周期表中位于第四周期，IIB族，是在人体中含量仅次于铁的重要微 量元素。目前，含锌的金属酶的数量超过了1000种，六大酶类中均存在Zn²⁺， 它直接参与体内细胞的发育、生殖和组织修复等生理过程，在生物体的大脑活 动、基因转录和免疫功能等过程中也扮演着重要角色。一定含量Zn²⁺的摄入有益 于人的身体健康，而Zn²⁺在体内的代谢紊乱将会引起老年痴呆症、帕金森氏病和 癫痫症等疾病。此外，随着当代社会工业的迅速发展，超标含锌废水的排放也 造成了一些区域的水体污染。因此，检测环境和生物体系中的Zn²⁺就显得尤为重 要。然而，Zn²⁺具有稳定的d¹⁰电子构型，不具有常见过渡金属离子的d-d电子跃 迁，也不显示任何波谱和磁信号，很多常用的光谱和电化学分析方法，如紫外-可见光谱、核磁共振和循环伏安法等均不适用于锌离子的测定。荧光探针检测 法简便快捷，在灵敏度、选择性和实时原位等检测方面均有突出优点。因此， 开发研制成本低，响应快，具有高灵敏度和选择性的Zn²⁺荧光探针是一项挑战性 的研究课题。

目前，虽报道了不少锌离子荧光探针，但很多存在合成步骤复杂，水溶性 差，难区分Cd²⁺，受探针本身光谱及仪器干扰等缺陷，真正实用的低成本探针很 少。

【发明内容】

本发明的目的是克服现有技术的上述缺陷，提供一种合成步骤简单、水溶 性好、灵敏度高、使用方便、抗干扰能力强、响应快、低成本的可视化检测锌 离子的呋喃类荧光增强型探针及其制备方法和用途。

为实现上述目的，本发明提供了一种可视化检测锌离子的呋喃类荧光增强 型探针ZY10，其特征在于其分子式为C₁₆H₁₅N₆O₃Cl，结构式如下：

本发明还提供了所述探针ZY10的制备方法，其特征在于包括如下步骤：

(A)以1，4-二氧六环为溶剂，将盐酸胍和水合肼混合，回流反应2～4小 时后，将所得粗产品用乙醇重结晶后得到中间体1,即氨基胍盐酸盐；

(B)将中间体1溶于水，糠醛溶于乙醇中，混合回流反应4～6小时后，向 反应液中加入乙醚，析出黄色固体，减压抽滤，所得固体再用乙醚淋洗2～3次， 即得目标探针ZY10化合物。

优选地，步骤(A)中所述盐酸胍和水合肼的摩尔比为1:3～1:5，所述回流反 应温度为100～110℃。

优选地，步骤(B)中所述中间体1与糠醛的摩尔比为1:3～1:4，所述回流反 应温度为80～90℃。

所述探针ZY10的合成路线如下：

本发明还提供了所述探针ZY10在Zn²⁺检测中的用途。

优选地，用所述探针ZY10可视化检测水环境中一定浓度的锌离子。

优选地，所述的检测是荧光强度检测。

本发明的有益效果是：

1.本发明提供的探针ZY10通过与Zn²⁺配位，探针ZY10的荧光强度明显增 强，而且其荧光颜色由无色变为黄色，它对Zn²⁺具有较好的选择性和灵敏度，抗 干扰能力强，响应快，最低检测限为0.12μmol/L；

2.探针ZY10的合成和后处理简单，成本低廉，产率高，易于规模化生产； 检测过程方便快捷，无需大型检测仪器，能实现Zn²⁺的可视化检测，在环境例如 水环境监测领域将具有巨大的应用价值；

3.探针ZY10的稳定性好，可长期保存使用。

【附图说明】

图1为实施例2中探针ZY10对各种金属离子的荧光响应图；

图2为实施例3中不同金属离子对探针ZY10识别金属离子的干扰的荧光 数据图；

图3为实施例4中探针ZY10与不同当量的金属离子反应的荧光光谱变化 图；

图4为实施例4中探针ZY10对Zn²⁺荧光强度的工作曲线图；

图5为实施例5中探针ZY10在加入Zn²⁺后荧光光谱随时间的变化图；

图6为实施例5中探针ZY10在加入Zn²⁺前后荧光强度随pH的变化图；

图7为实施例6中探针ZY10在加入Zn²⁺4分钟前(左)后(右)的荧光颜色变 化图(365nm紫外灯照射)；

图8为实施例7中浸泡过探针ZY10的试纸在紫外灯(365nm)下接触不同浓 度Zn²⁺后的荧光变化图(从左至右Zn²⁺浓度依次为0mol/L，10^-3mol/L，10^-2mol/L)。

【具体实施方式】

现结合附图和实施例详细说明本发明的技术方案。应理解，以下实施例仅 用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。在不背离本发明精神和实质的情 况下，对本发明步骤或条件所作的修改或替换，均属于本发明的范围。

若未特别指明，实施例中所用的技术手段为本领域技术人员所熟知的常规 手段。

实施例1探针ZY10的合成

探针ZY10的合成路线如下：

具体步骤如下：

(1)在圆底烧瓶中分别加入胍盐酸盐3.34g(0.035mol)，水合肼5.256g(0.105mol)和20mL 1,4-二氧六环，电磁搅拌，待固体反应物完全溶解后，在 105℃条件下回流4h。反应结束后，将反应液冷却至室温，减压抽滤得紫红 色固体，再用无水乙醇20mL重结晶可得白色晶体，得到中间体1即氨基胍盐 酸盐3.16克，产率82％，m.p.215-216℃。

(2)将中间体1即氨基胍盐酸盐1.4g(0.010mol)溶于3mL水，再向其 中加入3.36g(0.035mol)糠醛和15mL乙醇，在85℃条件下回流4h。反应 完成后，冷却至室温，向反应液中加入10mL乙醚，此时溶液中的黄色固体完全 析出。减压抽滤，并用乙醚5mL洗涤2～3次，即得2.84克探针ZY10。产率76％； m.p.165-167℃；ESI-MS:m/z 374(M⁺)；¹H NMR(300MHz,CDCl₃,ppm):δ6.87 (s,3H),7.06(d,J＝3.0Hz,4H),7.26–7.31(m,4H),8.78(d,4H)；¹³C NMR(75 MHz,CDCl₃):δ145.7,137.3,131.9,129.4,127.6。

实施例2探针ZY10对不同金属离子的选择性研究

取实施例1制备的探针ZY10溶于乙醇中，配制成浓度为1mmol/L的探针 母液；用蒸馏水作溶剂，配制各种浓度同样为1mmol/L的检测物种(K⁺,Ca²⁺,Na⁺, Mg²⁺,Zn²⁺,Cr³⁺,Fe³⁺,Fe²⁺,Ni²⁺,Co²⁺,Mn²⁺,Cu²⁺,Pb²⁺,Hg²⁺,Ag⁺,Cd²⁺)储备液。用 移液枪分别加入物质的量比为1：4比例的探针和金属离子，然后用乙醇和二次 蒸馏水稀释(V_EtOH:V_H2O＝1:19)，使得探针和金属离子在荧光比色皿中的最终浓 度分别为10μmol/L和40μmol/L。将配制好的溶液摇匀，反应30min，采用探 针的激发波长为294nm,然后测试它们的荧光光谱。由图1可看出，探针ZY10 自身的荧光较弱，Zn²⁺与探针ZY10作用后，荧光强度显著增强(增强13倍左右)， 除了Cd²⁺稍微使探针ZY10的荧光增强外，其它的金属离子对其荧光几乎没有影 响。因此，探针ZY10对Zn²⁺具有良好的选择性。

实施例3不同检测物种对探针ZY10识别Zn²⁺的干扰研究

向实施例1制备的探针ZY10溶液(1mmol/L)中加入10倍体积1mmol/L的 各种竞争物种(K⁺,Ca²⁺,Na⁺,Mg²⁺,Cr³⁺,Fe³⁺,Fe²⁺,Ni²⁺,Co²⁺,Mn²⁺,Cu²⁺,Pb²⁺, Hg²⁺,Ag⁺,Cd²⁺)，然后用乙醇和二次蒸馏水稀释(V_EtOH:V_H2O＝1:19)，使得探针 和竞争物种在荧光比色皿中的最终浓度分别为10μmol/L和100μmol/L。将配制 好的溶液混合均匀，然后振荡30min，进行荧光强度测试。再加入与竞争物种 相同浓度的Zn²⁺，检测竞争反应后的荧光强度。如图2所示，相对于空白测试 液(不加竞争物种)，各种竞争物种不会明显影响探针对Zn²⁺的检测，表明探针ZY10对Zn²⁺的识别具有良好的抗干扰能力。

实施例4探针ZY10与不同当量的Zn²⁺反应的荧光光谱变化

向实施例1制备的探针ZY10溶液(30μmol/L)中加入不同当量(0～4equiv)的 Zn²⁺溶液，混合均匀，然后振荡30min，进行荧光滴定测试。由图3可见，随着 Zn²⁺的逐渐加入，探针ZY10在410nm处的荧光峰值逐渐增强。当荧光强度达到 最大值时，比探针空白液的荧光强度增强约13倍。此外，探针对Zn²⁺的定量检 测可通过荧光滴定实验的线性校准曲线来研究。如图4所示，当锌离子的浓度 在1-50μmol/L的范围内，它与探针的荧光强度具有良好的线性关系，线性方程 为：y＝371.4517x+226.9009,校正相关系数为R²＝0.9893,最低检测限为0.12 μmol/L，这表明探针ZY10可以定量检测Zn²⁺，并有较好的灵敏度。

实施例5探针ZY10对Zn²⁺的响应时间测试

向实施例1制备的探针ZY10溶液(1mmol/L)中加入4倍量的Zn²⁺溶液(1 mmol/L)，然后用乙醇和二次蒸馏水稀释(V_EtOH:V_H2O＝1:19)，使得探针和Zn²⁺溶 液在荧光比色皿中的最终浓度分别为10μmol/L和40μmol/L。将配制好的溶液 混合均匀，并开始计时。每30s测一次溶液的荧光强度，一直测到第450s，荧 光谱图见图5。实验结果表明，探针ZY10与Zn²⁺反应4分钟后其荧光强度就已 经趋于稳定。将此时的反应液放在365nm紫外灯下照射，溶液由无色变为黄色 (图6)，这种荧光颜色变化的快速与明显性说明此探针可用于Zn²⁺的即时可视化 检测。

实施例6不同pH值对探针ZY10荧光强度的影响

向探针ZY10(20μmol/L)的Tris-HCl缓冲溶液(pH 7)中分别加入不同浓度的 盐酸或者氢氧化钠，用pH计调节pH为2～10的溶液，测量每组对应pH值溶液的 荧光发射光谱；另外用同样方法测量探针ZY10与Zn²⁺形成配合物(二者物质的量 之比为1:3)所对应的pH响应，如图7所示。结果表明：探针ZY10在pH为4～8 的范围内荧光变化稳定，而其与Zn²⁺形成配合物在pH为7～8的范围内荧光达到 最大值，说明此探针适合应用到生物体系中。

实施例7探针ZY10试纸对Zn²⁺的可视化检测

用剪刀将滤纸剪成长为5cm，宽为1cm的纸条，用浓度为1mmol/L的探针 ZY10母液浸泡，再取出，自然风干。然后将这些纸条放入不同浓度的Zn²⁺溶液 (0mol/L,0.001mol/L,0.01mol/L)中，置于紫外灯下(365nm)观察纸条的荧光颜色 变化。如图8所示，紫外灯下纸条的颜色由白色逐渐变为浅黄色和黄色。因此， 探针ZY10可以像pH试纸一样很方便地检测溶液中的Zn²⁺，非常具有实用性。

实施例8探针ZY10对水体样品中Zn²⁺的检测

选择两种水体样本，其中一种是实验室常用的自来水(pH 6.68)，另一种湖水 (pH6.45)取自于湖北黄石市磁湖。测试时，自来水和湖水没有作任何处理，以这 些水样代替荧光测试所用的蒸馏水，进行Zn²⁺的恢复性实验时，选用配制好的 ZY10乙醇储备液，加入所选取的水体样品稀释，使得最终反应体系V_EtOH:V_H2O＝ 1:19。由表1可看出，ZY10不能检测自来水和磁湖水中低浓度的Zn²⁺，而向 这两种水体中加入外源的Zn²⁺，测试结果的相对标准偏差(RSD)分别为3.41％和 4.84％，Zn²⁺恢复率范围在在95.0％～104.2％之间，这表明ZY10可以应用于这 些实际样品的定量测定，有潜在的应用价值。

表1探针ZY10检测水体样品中Zn²⁺的恢复性试验

Claims (7)

1.一种可视化检测锌离子的呋喃类荧光增强型探针，其特征在于其分子式为C₁₆H₁₅N₆O₃Cl，结构式如下：

。

2.一种如权利要求1所述的可视化检测锌离子的呋喃类荧光增强型探针的制备方法，其特征在于包括如下步骤：

(A)以1，4-二氧六环为溶剂，将盐酸胍和水合肼混合，回流反应2～4小时后，将所得粗产品用乙醇重结晶后得到中间体1,即氨基胍盐酸盐；

(B)将中间体1溶于水，糠醛溶于乙醇中，混合回流反应4～6小时后，向反应液中加入乙醚，析出黄色固体，减压抽滤，所得固体再用乙醚淋洗2～3次，即得目标探针化合物。

3.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于：步骤(A)中所述盐酸胍和水合肼的摩尔比为1:3～1:5，所述回流反应温度为100～110℃。

4.如权利要求2或3所述的制备方法，其特征在于：步骤(B)中所述中间体1与糠醛的摩尔比为1:3～1:4，所述回流反应温度为80～90℃。

5.如权利要求1所述的可视化检测锌离子的呋喃类荧光增强型探针在Zn²⁺检测中的用途。

6.如权利要求5所述的用途，其特征在于：用所述探针可视化检测水环境中一定浓度的锌离子。

7.如权利要求6所述的用途，其特征在于：所述的检测是荧光强度检测。