CN108084133A - 一种分析汞离子的荧光探针、制备方法及应用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种快速高选择性高灵敏性汞离子荧光探针。具体地，本发明的探针为一类氨基硫代甲酸酯类化合物，其可作为汞离子荧光探针用于汞离子的检测。这类探针可实现如下的技术效果中的至少一个：高选择性地识别汞离子；可以实现对汞离子的高灵敏分析；可以快速对汞离子实现响应；性质稳定，可以长期保存使用；以及具有较强的抗干扰能力。

Description

一种分析汞离子的荧光探针、制备方法及应用
技术领域
本发明涉及氨基硫代甲酸酯类化合物作为分析汞离子的荧光探针及制备方法，能够迅速对汞离子高选择性灵敏识别，或者其可测定样品中汞离子的浓度。
背景技术
汞是一种密度大、银白色、室温下为液态的过渡金属，是地壳中比较稀少的一种元素。汞的用途很广，最常用的应用是制造工业用化学药物以及在电子或电器产品中获得应用；汞还被用在温度计的制造中，尤其是在测量高温的温度计中；除此之外还被于杀虫剂、牙医用的汞齐、防腐剂、在一些电解设备中充当电极、电池和催化剂等。
汞的用途虽然广泛，但作为一种重金属元素，对环境和人体同样会有一定的危害。由于汞的生物毒性具有不可降解性、生物累积性等，因此汞一旦进入人体，很容易被皮肤以及呼吸道和消化道吸收，将会很难通过正常的代谢排出体外，水俣病就是汞中毒的一种。汞不但对口腔、粘膜和牙齿有不良影响，也会对大脑、肝脏及中枢神经系统等造成危害，长时间暴露在高汞环境中可以导致脑损伤和死亡。在过去的十几年间，世界范围内环境中汞的浓度持续上升，已经引起各国政府和环保组织的极大关注，成为继气候变化问题后的又一个全球环境问题。
鉴于此，发展能够快速、灵敏、有效、准确检测汞离子的分析方法是极其重要和有意义的。现有检测汞离子的方法有很多，包括分光光度法、原子吸收光谱法、电感耦合等离子体质谱法及荧光探针检测法等等。荧光探针检测法由于其合成简单、选择性高等优点，在众多检测方法中脱颖而出，成为当下发展最为迅速的一种检测汞离子的方法。虽然当前已报道的检测汞离子的荧光探针有很多，但它们中的大多数仍然存在一些缺点，如选择性差、响度速度慢、灵敏度低等。加之环境中的其他离子如金属离子镁离子、锌离子、锡离子、钙离子、钠离子、三价铁离子、铅离子、镉离子、二价铁离子、钾离子、镍离子，阴离子亚硝酸根离子、硝酸根离子、碳酸氢根离子、磷酸二氢根离子、氟离子、碳酸根离子、氯离子及硫酸根离子等会对汞离子的检测构成潜在的干扰，因此，发展快速，高灵敏度、高选择性、合成简单的汞离子荧光探针是本领域技术人员急需解决的课题。
发明内容
本领域急需一种制备简单的快速高选择性汞离子荧光探针，从而能够有效检测汞离子。为此，本发明合成了一类新颖的汞离子荧光探针，其合成简单、响应快速、灵敏度高、选择性好。本发明还提供上述荧光探针的制备方法，以及在制备用于检测样本中汞离子浓度的制剂中的应用。
具体而言，本发明提供了一种检测汞离子的荧光探针，其为氨基硫代甲酸酯类化合物，其结构如式1所示：
式1
式1中：R1，R2，R3，R4，R5为氢原子，碳原子为1-3的直链或支链烷基，碳原子为1-3的直链或支链烷氧基，磺酸基，酯基，羧基；R1，R2，R3，R4，R5相同或不同。
优选的，本发明的荧光探针，其结构式如式2所示：
式2
本发明还提供了汞离子荧光探针的制备方法，其特征在于采用以下步骤:
将式3所示的七羟基香豆素溶于10 mL的二氯甲烷中，再加入式4所示的二甲氨基硫代甲酰氯，二者摩尔比是1:1，在N,N-二异丙基乙胺(DIPEA)的催化作用下，100℃加热回流12小时，得到粗产品式2。可利用硅胶柱层析法，将粗产品用二氯甲烷体系，进行提纯得到纯品。
式3 式4 式2
优选的，本发明的探针是相应的氨基硫代甲酸酯类化合物。
本发明还提供了检测样本中汞离子浓度的方法，其包括将本发明的探针与待测样本接触的步骤。
本发明还提供了本发明的探针在制备用于检测样本中汞离子浓度的制剂中的应用。
如上所述的应用，首先配制探针储备液：称量5 mg的式2所示的化合物加入到比色管中，加入1mL的二氯甲烷，摇匀，使探针溶解，再用无水乙醇定容到10 mL，配制成2 mM的探针储备液；
然后，在比色管中加入5mL的蒸馏水，移取25 µL的探针储备液(2 mM)放进比色管中，加0.5 mL的4-羟乙基哌嗪乙磺酸（HEPES），然后，再用蒸馏水定容到10mL；加入75µL的H2O2（3mM），然后移取250 µL汞离子溶液(100 μM)加入比色管内，摇匀，10min后，用荧光分光光度计（Horiba FluoroMax-4）测定荧光光谱。
本发明的汞离子荧光探针可与汞离子进行作用，产生荧光光谱的变化，从而实现对汞离子的定量检测。
具体而言，本发明的汞离子荧光探针分别与镁离子、锌离子、锡离子、钙离子、钠离子、三价铁离子、铅离子、镉离子、二价铁离子、钾离子、镍离子、亚硝酸根离子、硝酸根离子、碳酸氢根离子、磷酸二氢根离子、氟离子、碳酸根离子、氯离子及硫酸根离子等其他离子进行作用均不能导致荧光光谱的明显改变，从而实现对汞离子的选择性识别，进而可任选地用于排除这些镁离子、锌离子、镍离子、钙离子、钠离子、钾离子、铅离子、镉离子、铬离子、二价铁离子、三价铁离子、锡离子，阴离子亚硝酸根离子、硝酸根离子、碳酸氢根离子、磷酸二氢根离子、氟离子、碳酸根离子、氯离子及硫酸根离子的存在对汞离子定量测定的干扰。
本发明的汞离子荧光探针与汞离子反应非常灵敏，从而有利于对汞离子的迅速检测。
可选择地，本发明的汞离子荧光探针的稳定性好，进而能够长期保存使用。
进一步的，本发明的汞离子荧光探针是快速、高选择性、高灵敏性汞离子荧光探针，且合成简单，有利于商业化的推广应用。
本发明的有益效果是，本发明涉及一种快速高选择性高灵敏性汞离子荧光探针。具体地，本发明的探针为一类氨基硫代甲酸酯类化合物，其可作为汞离子荧光探针用于汞离子的检测。这类探针可实现如下的技术效果中的至少一个：高选择性地识别汞离子；可以实现对汞离子的高灵敏分析；可以快速对汞离子实现响应；性质稳定，可以长期保存使用；以及具有较强的抗干扰能力。
附图说明
图1是探针(5µ M)加入Hg2+(5 µM)前后的荧光光谱。
图2不同浓度Hg2+ (0-20 µM)对探针(5 µM)荧光光谱的影响。
图3(a、b)为不同金属离子分析物(100 µM)对探针(5 µM)的荧光强度；图3(c、d)为不同阴离子分析物(100 µM)对探针(5 µM)的荧光强度。
具体实施方式：
下面将通过借助以下实施例来更详细地说明本发明。以下实施例仅是说明性的，应该明白，本发明并不受下述实施例的限制。
实施例1
式3 式4 式2
（方案1）将162 mg（1 mmol）式3所示的七羟基香豆素溶于10mL二氯甲烷中，加入124 mg（1 mmol）式4所示的二甲氨基硫代甲酰氯，加入129mg（1 mmol）的DIPEA，100℃加热回流12h，得到式2所示化合物的粗产品。如果要得到较纯的产品，可以将得到的粗产品溶液用二氯甲烷体系，利用硅胶柱层析法得到橙色纯净产品 204.6 mg，产率为82%。
（方案2）将162 mg（1 mmol）式3所示的七羟基香豆素溶于10mL二氯甲烷中，加入248 mg（2 mmol）式4所示的二甲氨基硫代甲酰氯，加入258mg（2 mmol）的DIPEA，100℃加热回流12h，得到式2所示化合物的粗产品。如果要得到较纯的产品，可以将得到的粗产品溶液用二氯甲烷体系，利用硅胶柱层析法得到橙色纯净产品 229.5mg，产率为92%。
（方案3）将162 mg（1 mmol）式3所示的七羟基香豆素溶于10mL二氯甲烷中，加入372 mg（3 mmol）式4所示的二甲氨基硫代甲酰氯，加入387mg（3 mmol）的DIPEA，100℃加热回流12h，得到式2所示化合物的粗产品。如果要得到较纯的产品，可以将得到的粗产品溶液用二氯甲烷体系，利用硅胶柱层析法得到橙色纯净产品 217.1mg，产率为87%。
（方案4）将162 mg（1 mmol）式3所示的七羟基香豆素溶于15mL二氯甲烷中，加入372 mg（3 mmol）式4所示的二甲氨基硫代甲酰氯，加入387mg（3 mmol）的DIPEA，100℃加热回流12h，得到式2所示化合物的粗产品。如果要得到较纯的产品，可以将得到的粗产品溶液用二氯甲烷体系，利用硅胶柱层析法得到橙色纯净产品 219.6mg，产率为88%。
（方案5）将162 mg（1 mmol）式3所示的七羟基香豆素溶于10 mL二氯甲烷中，加入248 mg（2 mmol）式4所示的二甲氨基硫代甲酰氯，加入258mg（2 mmol）的DIPEA，100℃加热回流15h，得到式2所示化合物的粗产品。如果要得到较纯的产品，可以将得到的粗产品溶液用二氯甲烷体系，利用硅胶柱层析法得到橙色纯净产品 232.0 mg，产率为93%。
本发明的汞离子荧光探针的核磁表征（即氢谱、碳谱）数据如下：
1H-NMR (400 MHz, CDCl3) δ (ppm): 3.38 (s, 3H), 3.47 (s, 3H), 6.40 (d, J =12 Hz, 1H), 7.03-7.08 (m, 2H), 7.50 (d, J = 8 Hz, 1H), 7.71 (d, J = 8 Hz,1H); 13C-NMR (100 MHz, DMSO-d 6 ) δ (ppm): 38.96, 43.40, 111.77, 116.07, 116.67,119.95, 128.16, 142.96, 154.59, 156.33, 160.40, 186.67. HRMS (ESI): Calcd forC12H12NO3S [M]+ 250.0538; Found, 250.0539.
实施例2
采用方案5的化合物，制备探针。称量5 mg的式2所示的化合物加入到比色管中，加入1mL的二氯甲烷，摇匀，使探针溶解，再用无水乙醇定容到10 mL，配制成2 mM的探针储备液。
将制成的探针用来检测，荧光检测方法为：在比色管中加入5mL的蒸馏水，移取25µL的探针储备液(2 mM)放进比色管中，加0.5 mL的4-羟乙基哌嗪乙磺酸（HEPES），然后，再用蒸馏水定容到10mL；加入75µL的H2O2（3 mM），然后移取250 µL汞离子溶液(100 μM)加入比色管内，摇匀，10min后，用荧光分光光度计（Horiba FluoroMax-4）测定荧光光谱。
检测结果如图1所示。
图1 是探针（5µM）加入Hg2+（5 µM）前后的荧光光谱，通过插图我们可以看到荧光变化非常明显。
实施例3
采用方案2的化合物制备的探针。称量5 mg的式2所示的化合物加入到比色管中，加入1mL的二氯甲烷，摇匀，使探针溶解，再用无水乙醇定容到10 mL，配制成2 mM的探针储备液。
进行荧光光谱的检测，具体方法为：在比色管中加入5mL的蒸馏水，移取25 µL的探针储备液(2 mM)放进比色管中，加0.5 mL的4-羟乙基哌嗪乙磺酸（HEPES），然后，再用蒸馏水定容到10mL；加入75µL的H2O2（3 mM），然后移取250 µL汞离子溶液(100 μM)加入比色管内，摇匀，10min后，用荧光分光光度计（Horiba FluoroMax-4）测定荧光光谱。
结果如图2所示。
图2不同浓度Hg2+ (0-20 µM)对探针(5 µM)荧光光谱的影响,由图可知，探针(5 µM)对不同浓度Hg2+ (0-16 µM)的响应满足良好的线性关系。
可以看出，伴随着探针溶液中Hg2+浓度的增加，荧光强度逐渐增强，且在(0-2 µM)Hg2+浓度范围内，探针对Hg2+的浓度的响应成线性关系。因此,本发明的探针能较精确地确定待测样本中汞离子的含量。
实施例4
采用方案1的化合物，制备探针。称量5 mg的式2所示的化合物加入到比色管中，加入1mL的二氯甲烷，摇匀，使探针溶解，再用无水乙醇定容到10 mL，配制成2 mM的探针储备液。
将制成的探针用来检测，荧光强度检测方法为：在比色管中加入5mL的蒸馏水，移取25 µL的探针储备液(2 mM)放进比色管中，加0.5 mL的4-羟乙基哌嗪乙磺酸（HEPES），然后，再用蒸馏水定容到10mL；加入75µL的H2O2（3 mM），移取50 µL不同离子分析物(10 mM)加入比色管内。摇匀，10min后，用荧光分光光度计（Horiba FluoroMax-4）测定荧光光谱。
结果如图3所示。
图3(a)为不同金属离子分析物(100 µM)对探针(5 µM)的荧光强度。所有测定都是10min后测定，响应时间比较快。
图3(b)为不同阴离子分析物(100 µM)对探针(5 µM)的荧光强度。所有测定都是10min后测定，响应时间比较快。
分析物包括：镁离子（Mg2+）、锌离子（Zn2+）、锡离子（Sn2+）、钙离子（Ca2+）、钠离子（Na+）、三价铁离子（Fe3+）、铅离子（Pb2+）、镉离子（Cd2+）、二价铁离子（Fe2+）、钾离子（K+）、镍离子（Ni2+）、亚硝酸根离子（NO2 -）、硝酸根离子（NO3 -）、碳酸氢根离子（HCO3 -）、磷酸二氢根离子（H2PO4 2-）、氟离子（F-）、碳酸根离子（CO3 2-）、氯离子（Cl-）及硫酸根离子（SO4 2-），它们的浓度均为100 µM。所有测试条件是蒸馏水、H2O2（3 mM）和4-羟乙基哌嗪乙磺酸（HEPES）中完成，所使用的探针是方案1中所制备的探针，且所有光谱都是在25 ℃下分析物加入后10 min后测得的。具体地，在比色管中加入5mL的蒸馏水，移取25 µL的探针储备液(2 mM)放进比色管中，加0.5 mL的4-羟乙基哌嗪乙磺酸（HEPES），然后，再用蒸馏水定容到10mL；加入75µL的H2O2（3 mM），移取50 µL不同离子分析物(10 mM)加入比色管内。摇匀，10min后，用荧光分光光度计（Horiba FluoroMax-4）测定荧光光谱。结果如图3所示。
从图3可以看出，该探针只对汞离子有响应，且环境中存在的常见阳离子和阴离子均不会明显干扰探针对汞离子的荧光强度，因此探针具有良好的选择性和抗干扰性。
图3（a）中所示，其中的分析储备液中仅含有以下阳离子的荧光强度，图3（b）所示，其中的分析储备液在加入以下阳离子后又加入Hg2+后的荧光强度。(1) Hg2+; (2) Mg2+;(3) Zn2+; (4) Sn2+; (5) Ca2+; (6) Na+; (7) Fe3+; (8) Pb2+; (9) Cd2+; (10) Fe2+;(11) K+; (12) Ni2+。
图3（c）中所示，其中的分析储备液中仅含有以下阴离子的荧光强度，图3（d）所示，其中的分析储备液在加入以下阴离子后又加入Hg2+后的荧光强度。(1) Hg2+; (2) NO2 -;(3) NO3 -; (4) HCO3 -; (5) H2PO4 -; (6) F-; (7) CO3 2-; (8) Cl-; (9) SO4 2-。
虽然用上述实施方式描述了本发明，应当理解的是，在不背离本发明的精神的前提下，本发明可进行进一步的修饰和变动，且这些修饰和变动均属于本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种汞离子荧光探针，其为氨基硫代甲酰氯类化合物，其结构如式1所示：
式1
式1中：R1，R2，R3，R4，R5为氢原子，碳原子为1-3的直链或支链烷基，碳原子为1-3的直链或支链烷氧基，磺酸基，酯基，羧基；R1，R2，R3，R4，R5相同或不同。
2.根据权利要求1所述的荧光探针，其特征在于，结构如式2所示：
式2。
3.一种权利要求2所述的荧光探针的制备方法，其特征在于采用以下步骤：
式3 式4 式2
将式3所示的七羟基香豆素溶于10 mL的二氯甲烷中，再加入式4所示的二甲氨基硫代甲酰氯，二者摩尔比是1:1，在N,N-二异丙基乙胺(DIPEA)的催化作用下，100℃加热回流12小时，得到粗产品式2，可利用硅胶柱层析法，将粗产品用二氯甲烷体系，进行提纯得到纯品。
4.一种权利要求1或2所述荧光探针在制备用于检测样本中汞离子浓度的制剂中的应用。
5.根据权利要求4所述的应用，其特征在于：
首先配制探针储备液：称量5 mg的式2所示的化合物加入到比色管中，加入1mL的二氯甲烷，摇匀，使探针溶解，再用无水乙醇定容到10 mL，配制成2 mM的探针储备液；
然后，在比色管中加入5mL的蒸馏水，移取25 µL的探针储备液(2 mM)放进比色管中，加0.5 mL的4-羟乙基哌嗪乙磺酸（HEPES），然后，再用蒸馏水定容到10mL；加入75µL的H2O2（3mM），然后移取250 µL汞离子溶液(100 μM)加入比色管内，摇匀，10min后，用荧光分光光度计（Horiba FluoroMax-4）测定荧光光谱。
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