CN108191760A - 用于检测Cu(Ⅱ)的荧光探针及其制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于检测Cu²⁺的荧光探针及其制备方法和应用，其中该探针以1,8‑萘酰亚胺为荧光团，以羟乙基哌嗪为识别基团，并用核磁和质谱对其结构进行了表征。该探针Probe 1在CH₃CN‑H₂O(4:1,v/v)溶液中，荧光较弱，加入Li⁺、Na⁺、K⁺、Ca²⁺、Mg²⁺、Ba²⁺、Mn²⁺、Co²⁺、Ag⁺的金属盐溶液，荧光基本无变化；而加入Cu²⁺时，荧光明显增强，发射出亮黄绿色荧光，通过裸眼可以直接辨别检测Cu²⁺。当Cu²⁺浓度在5‑15μM范围内时，Probe 1可以定量检测Cu²⁺，检测限低至13.5nM。

Description

用于检测Cu(Ⅱ)的荧光探针及其制备方法和应用

技术领域

本发明属于金属离子检测的荧光探针技术领域，具体涉及一种用于裸眼检测Cu²⁺的荧光探针及其制备方法和应用。

背景技术

铜是生物体中基本的微量元素之一，作为人体中含量处于第三位的过渡金属离子，在生物进程中扮演重要的角色。在不同的生理过程如线粒体的呼吸、铁的吸收及大量酶的氧化还原过程(包括超氧化歧化酶和酪氨酸酶等)中作为催化辅助因子起着重要作用。Cu²⁺在体内的适量存在有益于维持机体的正常工作，但是过量的Cu²⁺对人体会产生毒性，引起胃肠道功能紊乱和神经性疾病，如Wilson's和Alzheimer's综合征。美国环境保护局(EPA)规定饮用水中Cu²⁺的最高含量为20μM。综上，检测Cu²⁺具有非常重要的意义。

目前已经建立的测定金属离子的方法有很多种。传统的方法主要包括:原子吸收(AAS)/发射光谱法(AES)、分光光度法、高效液相色谱法(HPLC)、电感耦合等离子体质谱法(ICPMS)、化学发光法、电化学法等，然而这些方法有着各种各样的缺点，如测定难熔元素的灵敏度不高、测定方法的选择性差、所需要的仪器昂贵、样品需要复杂的预处理、操作繁琐等。以此在很多重要的应用场合，快速灵敏地检测Cu²⁺，尤其跟踪其在化学反应、生命活动以及工业生产进程有着重要意义。

利用荧光分析法发展的荧光探针，设计合成简单、成本低廉、具有较高的灵敏度和选择性。荧光探针是一种分子器件，其大小多为分子级别尺寸。当它与被分析物相互作用时会给出一些实时信号，如荧光的增强、猝灭或者迁移(发射波长的移动)等，故具有方便实用的优势。1,8-萘酰亚胺的吸收波长和荧光发射波长都在“紫外-可见”光区，stocks位移大，量子产率高，而且其光物理性质容易通过合理修饰其结构得以调节。以1,8-萘酰亚胺为荧光团可以制备性质优异的荧光探针。

发明内容

本发明旨在提供一种用于检测Cu²⁺的荧光探针分子及其制备方法和应用，所要解决的技术问题是通过分子遴选合适的荧光探针结构，以实现高选择性、高灵敏度的Cu²⁺荧光探针。

为了达到上述目的，本发明采用如下的技术方案解决：

检测Cu²⁺的双光子荧光探针，结构式如下：

一种检测Cu²⁺的双光子荧光探针的制备方法，包括以下步骤：

步骤1)，在冰醋酸中，加入4-溴-1,8-萘酐和正丁胺，按物质的量计正丁胺过量，在118-120℃温度下，搅拌回流反应至结束；将反应体系用二氯甲烷和水萃取，收集有机相，加入干燥剂，过滤并蒸除滤液中的溶剂，得到中间产物；

步骤2)，将中间产物和羟乙基哌嗪混合，再加入乙二醇甲醚至化合物溶解，在120-128℃温度下，搅拌回流反应至结束，将反应体系冷却至室温，减压蒸馏除去体系中的乙二醇甲醚；再用二氯甲烷和甲醇体积比为(100:1)～(10:1)的淋洗剂柱层分离，得到基于萘酰亚胺的Cu²⁺双光子荧光探针。

步骤1)中，4-溴-1,8-萘酐和正丁胺的物质的量比为1:5。

步骤1)中，回流反应4-6小时。

步骤1)中，干燥剂为无水硫酸钠。

步骤1)中，中间产物的结构式如下：

步骤2)中，中间产物和羟乙基哌嗪的物质的量比为1:1。

步骤2)中，搅拌回流反应20-24小时。

所述的检测Cu²⁺的双光子荧光探针在裸眼辨别Cu²⁺中的应用。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明提供的基于萘酰亚胺的用于检测Cu²⁺的双光子荧光探针(Probe 1)对Cu²⁺有高灵敏、高选择性的荧光开关型(Off-On)的选择性识别，而且在365nm紫外灯照射下，可以裸眼识别Cu²⁺。而且产生的荧光强度与Cu²⁺的浓度在5μM到30μM范围内时呈良好的线性关系，即该探针在此范围内能很好的定量检测Cu²⁺。

本发明的制备方法4-溴-1,8-萘酐和正丁胺反应制备中间体，再加入羟乙基哌嗪反应制得，该探针以1,8-萘酰亚胺为荧光团，以羟乙基哌嗪为识别基团，整个过程采用油浴回流装置进行反应，设备简单，反应时间较短。

附图说明

图1为基于萘酰亚胺的Cu²⁺荧光探针分子的合成路线图。

图2为Probe 1的激发和发射光谱图。

图3为在Probe 1中滴加不同浓度Cu²⁺时的荧光光谱图。

图4为在Probe 1中滴加不同浓度Cu²⁺时526nm处荧光强度与Cu²⁺浓度的关系曲线图。

图5为Cu²⁺浓度在5-30μM的范围内时，526nm处荧光强度与Cu²⁺的浓度的线性拟合关系图。

图6为Probe 1对于不同金属离子的选择性识别的荧光光谱图。

图7为Probe 1及Probe 1在不同金属离子存在时在紫外灯激发下拍摄的图片。

具体实施方式

本发明中所设计的荧光探针分子是以1,8-萘酰亚胺为荧光团，利用1,8-萘酰亚胺良好的光物理性质；以羟乙基哌嗪为识别基团与Cu²⁺的特异性结合，选择性识别Cu²⁺。

本发明的基于萘酰亚胺的Cu²⁺荧光探针(Probe 1)结构式如下所示：

上述基于萘酰亚胺的Cu²⁺荧光探针的制备方法包括以下步骤：

在圆底烧瓶中加入冰醋酸，再加入物质的量比为1:5的4-溴-1,8-萘酐、正丁胺。在118-120℃油浴中，磁力搅拌器搅拌回流4-6小时。将反应体系用二氯甲烷和水萃取，收集有机相，加入无水硫酸钠干燥，过滤并用旋转蒸发仪蒸除滤液中的溶剂，得到化合物3，结构式如下：

将物质的量比为1:1的化合物3和羟乙基哌嗪加入圆底烧瓶中，再加入乙二醇甲醚至化合物溶解，在120-128℃油浴中，磁力搅拌器搅拌回流20-24小时，将反应体系冷却至室温，减压蒸馏除去体系中的乙二醇甲醚。用二氯甲烷和甲醇体积比为100:1-10:1的淋洗剂柱层分离，得到基于萘酰亚胺的Cu²⁺双光子荧光探针。

上述基于萘酰亚胺的Cu²⁺荧光探针(Probe 1)对Cu²⁺有高灵敏、高选择性的荧光开关型(Off-On)的选择性识别，而且在365nm紫外灯照射下，可以裸眼识别Cu²⁺。

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

实施例1

荧光探针Probe 1的合成：

合成路线如附图1，向100mL圆底烧瓶中加入冰醋酸、4-溴-1,8-萘酐(2.77g，0.01mol)、正丁胺(4.93mL，0.05mol)。在119℃油浴中，磁力搅拌器搅拌回流4-6小时；向100mL圆底烧瓶中加入(1.0132g，3.06mmol)化合物3、(0.39mL，3.06mmol)羟乙基哌嗪和乙二醇甲醚，在125℃下搅拌回流24小时。将反应体系冷却至室温，减压蒸馏除乙二醇甲醚。用二氯甲烷和甲醇体积比为100:1-10:1的淋洗剂柱层分离得到Probe 1(黄色粉末)，0.71g，产率：61.11％。

¹H NMR(CDCl₃,400MHz,ppm):δ8.63–8.56(m,1H),8.53(d,J＝8.1Hz,1H),8.42(d,J＝8.4Hz,1H),8.04(s,1H),7.82–7.60(m,1H),7.22(d,J＝8.0Hz,1H),4.44(t,J＝5.6Hz,2H),3.86(t,J＝5.6Hz,2H),3.79–3.62(m,6H),3.33(s,4H),2.87(s,4H),2.80–2.66(m,2H),1.25(s,6H)；¹³C NMR(d₆-DMSO,100MHz,ppm):δ163.58,163.03,160.74,155.73,132.27,130.70,129.11,125.98,125.21,122.43,115.30,114.95,72.14,66.97,60.27,60.21,58.62,58.53,53.75,53.20,52.69,44.84。

实施例2

荧光探针Probe 1的合成：

合成路线如附图1，向100mL圆底烧瓶中加入冰醋酸、4-溴-1,8-萘酐(2.77g，0.01mol)、正丁胺(4.93mL，0.05mol)。在118℃油浴中，磁力搅拌器搅拌回流6小时；向100mL圆底烧瓶中加入(1.0132g，3.06mmol)化合物3、(0.39mL，3.06mmol)羟乙基哌嗪和乙二醇甲醚，在120℃下搅拌回流22小时。将反应体系冷却至室温，减压蒸馏除乙二醇甲醚。用二氯甲烷和甲醇体积比为100:1-10:1的淋洗剂柱层分离得到Probe 1(黄色粉末)，0.72g，产率：62.11％。

实施例3

荧光探针Probe 1的合成：

合成路线如附图1，向100mL圆底烧瓶中加入冰醋酸、4-溴-1,8-萘酐(2.77g，0.01mol)、正丁胺(4.93mL，0.05mol)。在119℃油浴中，磁力搅拌器搅拌回流4-6小时；向100mL圆底烧瓶中加入(1.0132g，3.06mmol)化合物3、(0.39mL，3.06mmol)羟乙基哌嗪和乙二醇甲醚，在128℃下搅拌回流20小时。将反应体系冷却至室温，减压蒸馏除乙二醇甲醚。用二氯甲烷和甲醇体积比为100:1-10:1的淋洗剂柱层分离得到Probe 1(黄色粉末)，0.71.4g，产率：61.5％。

荧光探针的荧光光谱测试：

将此发明的荧光探针溶于CH₃CN-H₂O(4:1,v/v)的溶液中，浓度为10μM，用荧光光谱仪检测其激发以及发射光谱，如图2：本发明的荧光探针的最大激发波长在386nm处，最大发射波长在526nm处。

荧光探针对Cu²⁺的响应测试：

如图3，向含有10μM的本发明荧光探针的溶液中5-40μM Cu²⁺时，荧光不断增强。526nm处荧光强度随Cu²⁺浓度的变化如图4所示。当Cu²⁺浓度在5-15μM的范围内时，526nm处的荧光强度与Cu²⁺的浓度呈良好的线性关系，如图5，即本发明荧光探针在此范围内能很好的定量检测Cu²⁺。

荧光探针的荧光选择性测试：

在CH₃CN-H₂O(4:1,v/v)的溶液中，加入Probe 1(10μM)，再分别加入40μMLi⁺、Na⁺、K⁺、Ca²⁺、Mg²⁺、Ba²⁺、Mn²⁺、Co²⁺、Ni²⁺、Ag⁺及Cu²⁺的金属盐溶液，后将荧光比色皿置于FS5荧光光谱仪进行测试，以研究Probe 1对于金属离子的选择性识别，测试结果如图6：加入其他金属离子时，荧光光谱基本无变化，而加入40μM Cu²⁺时，荧光增强约23倍。

荧光探针的荧光性质测试：

在CH₃CN-H₂O(4:1,v/v)的溶液中，加入Probe 1(10μM)，再分别加入40μMLi⁺、Na⁺、K⁺、Ca²⁺、Mg²⁺、Ba²⁺、Ni²⁺、Mn²⁺、Co²⁺、Ag⁺及Cu²⁺的金属盐溶液，在365nm紫外灯照射下，加入其他金属离子时，荧光基本无变化，而加入40μMCu²⁺时，荧光增强，发射出亮黄绿色荧光，通过裸眼可以直接辨别，如图7。

上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.检测Cu²⁺的双光子荧光探针，其特征在于，结构式如下：

2.一种检测Cu²⁺的双光子荧光探针的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1)，在冰醋酸中，加入4-溴-1,8-萘酐和正丁胺，按物质的量计正丁胺过量，在118-120℃温度下，搅拌回流反应至结束；将反应体系用二氯甲烷和水萃取，收集有机相，加入干燥剂，过滤并蒸除滤液中的溶剂，得到中间产物；

步骤2)，将中间产物和羟乙基哌嗪混合，再加入乙二醇甲醚至化合物溶解，在120-128℃温度下，搅拌回流反应至结束，将反应体系冷却至室温，减压蒸馏除去体系中的乙二醇甲醚；再用二氯甲烷和甲醇体积比为(100:1)～(10:1)的淋洗剂柱层分离，得到基于萘酰亚胺的Cu²⁺双光子荧光探针。

3.根据权利要求2所述的检测Cu²⁺的双光子荧光探针的制备方法，其特征在于，步骤1)中，4-溴-1,8-萘酐和正丁胺的物质的量比为1:5。

4.根据权利要求2所述的检测Cu²⁺的双光子荧光探针的制备方法，其特征在于，步骤1)中，回流反应4-6小时。

5.根据权利要求2所述的检测Cu²⁺的双光子荧光探针的制备方法，其特征在于，步骤1)中，干燥剂为无水硫酸钠。

6.根据权利要求2所述的检测Cu²⁺的双光子荧光探针的制备方法，其特征在于，步骤1)中，中间产物的结构式如下：

7.根据权利要求2所述的检测Cu²⁺的双光子荧光探针的制备方法，其特征在于，步骤2)中，中间产物和羟乙基哌嗪的物质的量比为1:1。

8.根据权利要求2所述的检测Cu²⁺的双光子荧光探针的制备方法，其特征在于，步骤2)中，搅拌回流反应20-24小时。

9.一种如权利要求1所述的检测Cu²⁺的双光子荧光探针的应用，其特征在于，在裸眼辨别Cu²⁺中的应用。