CN108299396B - 一种用于水环境中金属离子检测的有机化合物及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于水环境中金属离子含量检测的有机化合物，所述化合物以N，N‑二酰胺吡啶烷基胺作为金属离子络合体，在其分子中引入生色基团或荧光基团，生成金属离子特别是铜离子的显色指示剂或荧光指示剂。本发明的化合物还可以被固定在亲水高聚物上，利用生色基团或荧光基团的特性制成可以多次使用的可逆金属离子荧光探针，能够适用于各种环境中的金属离子浓度的连续检测，尤其是对铜离子浓度的连续测定。

Description

一种用于水环境中金属离子检测的有机化合物及其应用

技术领域

本发明属于有机化合物领域，尤其涉及一种可用于检测水环境中金属离子的有机化合物及其相关应用。

背景技术

铜元素是人体必不可少的微量元素之一，有30多种蛋白质和酶含有铜，对造血过程、细胞繁殖、酶的活性以及某些内分泌功能都是不可缺少的[1]。但是含量过高或过低都会对人体健康产生危害，尤其是过量的铜对人体的危害非常大。对人体和水生生物而言，游离态铜离子的危害要比络合态铜大很多。过量的铜离子对许多水生生物有极大的负作用，主要原因在于铜离子与蛋白质中的巯基结合，干扰巯基酶的活性，如在珊瑚、水草等生态缸中若有过量的铜离子，将很快使其毙命[2]。有资料显示，水中Cu²⁺质量浓度为0.001mg·L^-1时，水体的自净过程就会受到阻滞，蓝藻不能顺利发育；Cu²⁺可以破坏鱼体中的盐水平衡，引起鱼体粘液过量地分泌，使鱼鳃严重脱水而死亡；Cu²⁺还可以引起鱼类的饵料-桡足类和硅藻的大量死亡，如其质量浓度为0.0024mg·L^-1时可使桡足类致死[1]。铜是生活饮用水卫生标准中的必测指标，水中Cu²⁺的质量浓度超过5mg·L^-1时，使水有色并产生苦味；超过1mg·L^-1时，无法饮用并可使洗过的衣服有色。

铜的污染主要来源于电镀、冶金、化工等行业。为快速、及时、准确地检测监测水质，确保人们获得安全饮用水，水环境中铜离子的测定就尤为重要。人体摄取铜微量元素主要是从食物、水及环境中获得，因此，食品或水中铜的分析研究，具有实际的意义。

因此，铜离子检测研究成为了科学研究领域中一个重要的科研课题。目前检测铜元素的传统方法常用铜试剂光度法、溶剂萃取光度法、催化光度法、比色法、原子吸收光谱法、火焰离子光度法、极谱仪法等[1]，由于铜离子在水中微量存在，经常要求测定mg·L^-1甚至μg L^-1级的痕量数据，由于分析仪器的灵敏度及检出限的关系，许多仪器在测定这些试样中的痕量组分往往会遇到困难，因此，研发选择性好灵敏度高的铜离子检测方法具有重要的实际意义。

由于上述测试方法的几点劣势(仪器贵重，耗时，步骤复杂，专业性强)，荧光传感器检测金属离子的方法以其独特的优点引起了人们广泛关注和极大兴趣，并在近些年得到了较大的发展。荧光传感器离子检测拥有众多的优点，有望替代此前描述的传统方法。比如，测试过程快捷方便，价格低廉，“裸眼”可视化检测，选择性好，灵敏度高，分子结构易于修饰优化。

目前，虽然文献报道了很多铜离子识别载体，但是目前所用的铜离子识别载体只能用于单次测定，无法连续使用也就无法实现自动化检测。

发明内容

针对现有技术的上述及其他缺陷，本申请的发明人通过大量创造性的研究工作，发明了一种效率高、灵敏度好及重现性好的用于水环境中的金属离子尤其是铜离子含量检测的有机化合物，该化合物可固定在亲水的高聚物上，可制成多次使用的可逆的离子荧光探针，适用于各种环境中的离子浓度的连续检测。

为实现上述及其他目的，本发明提供如下技术方案。

在本发明第一方面，提供一种用于尿液中金属离子含量检测的有机化合物，所述化合物包含取代或未取代的N，N-二酰胺吡啶烷基胺作为金属离子络合体，并在N，N-二酰胺吡啶烷基胺的氨基位引入了生色基团或荧光基团。

一种优选实施方式中，所述化合物具有如下结构式：

其中n独立地选自1至3个碳原子的烷基；R₁～R₈独立地为任意基团，只要这些基团不影响所述化合物的离子络合以及显色或荧光性能；Y为生色基团或荧光基团。

更优选的实施方式中，n独立地选自1至4个碳原子的烷基；R₁～R₈独立地选自氢、1至4个碳原子的烷基、烷氧基、羧基、酯基等。一种优选实施方式中，n为2，R₁～R₈为氢。

另一种优选实施方式中，所述生色基团选自下述结构：

仍然另一种优选实施方式中，所述荧光基团选自下述结构：

一种优选实施方式中，可用本发明化合物检测的金属离子选自铜离子。

在本发明第二方面，提供用于水环境中金属离子含量检测的产品，所述产品包含本发明上述有机化合物和作为载体的亲水高聚物。所述产品可以是检测试剂盒的形式。常见的亲水高聚物均可用于本发明，优选高聚物为氨基纤维素或水凝胶。一种优选实施方式中，将本发明化合物加入水凝胶涂布成薄膜作为荧光探针。另一种优选实施方式中，所述金属离子选自铜离子。

在本发明第三方面，提供本发明化合物在水环境中金属离子含量检测中的应用。一种优选实施方式中，所述金属离子选自铜离子。另一种优选实施方式中，所述检测为荧光检测，连续检测。

本发明的有机化合物作为金属离子探针具有如下突出的技术优势：

1、本发明在N，N-二酰胺吡啶烷基胺中引入生色基团，可以制备出一系列金属离子(尤其是铜离子)显色指示剂。反应条件温和、安全，产品纯度可达到99.0％以上。

2、通过在所述苯胺中引入荧光基团，可以制备出一系列金属离子(尤其是铜离子)荧光指示剂。当金属离子含量改变时，荧光强度随着改变，可从其荧光强度计算出溶液中金属离子的含量。

3、还可利用分子另一端的络合基团，将本发明的探针固定在高聚物表面，实现微量金属离子含量的分析，大大提高了效率、灵敏度和重现性。

附图说明

图1为本发明制备荧光型铜离子染料的反应路线。

图2为本发明铜离子检测荧光探针核磁氢谱谱图。

图3为本发明铜离子检测荧光探针核磁碳谱谱图。

图4为本发明铜离子检测荧光探针对不同离子的荧光光谱图。

图5为本发明铜离子检测荧光探针对不同离子的荧光强度柱形图。

具体实施方式

本发明通过使用N，N-二酰胺吡啶烷基胺结构，可络合多种金属离子，从而可用于实现微量离子含量的分析。申请人在长期的研发过程中对本发明化合物结构可络合的金属离子进行了广泛检测，发现其对Ca²⁺、Cd²⁺、Co²⁺、Cr³⁺、Cu²⁺、Fe²⁺、Fe³⁺、K⁺、Mg²⁺、Mn²⁺、Na⁺、Ni²⁺、Pb²⁺、Zn²⁺等几乎均无结合能力，对铜离子和汞离子具有较好的络合能力，尤其是对铜离子具有显著的、特异性结合的络合能力，可以作为铜离子的有效载体。通过在上述烷基胺结构引入生色或荧光基团，基于光致诱导电子转移原理，当离子含量改变时，其显色或荧光强度随之改变，由此可从紫外吸收值或荧光强度计算出溶液中离子的含量。

本发明化合物中可包含取代或未取代的N，N-二酰胺吡啶烷基胺结构。本领域技术人员不难确定可进行哪些取代而不影响本发明化合物络合金属离子并显色或显示荧光的能力。优选实施方式中，“取代的”是指被选自以下的取代基取代：1至4个碳原子的烷基；1至4个碳原子的烷氧基、羧基、酯基；卤素，包括氟、氯、溴、碘；卤代烷基；氰基；硝基；氨基；和苯基。

在本申请上下文中，“烷基”指1至4个碳原子的直链或支链烷基，例如甲基、乙基、正丙基、异丙基、正丁基、异丁基、仲丁基或叔丁基。“烷氧基”指具有1至4个碳原子的烷氧基，例如甲氧基、乙氧基、丙氧基、丁氧基。

利用显色原理或荧光均可实现对离子浓度的连续检测，尤其是对铜离子浓度的检测。本领域常用的生色基团或荧光基团均可用于本发明。

一方面，在本发明离子载体即胺结构中引入生色基团以后，所生成的一系列分子可对金属离子尤其是铜离子产生颜色响应。此类分子在不同离子浓度的样品中能产生不同颜色，可用光度计或者肉眼检测。申请人在实验中证实了上述效果。数据显示，该分子可以作为铜离子显色指示剂。

另一方面，在本发明的离子载体中引入荧光基团以后，所生成的一系列分子可对金属离子尤其是铜离子产生荧光响应。此类分子在不同的铜离子浓度的样品中能产生不同强度的荧光，可用荧光分光光度计检测。申请人在实验中证实了上述效果，荧光强度随着样品中铜离子浓度的增加而减小，为淬灭效应。

由于络合结构对于不同金属离子的结合能力有差异，考虑到实际的检测应用需要，本发明的有机化合物最适合的检测对象是铜离子。

为便于工业应用，还可将本发明的离子检测化合物结合于亲水高聚物载体制成用于检测尿液中金属离子含量的产品，所述产品例如是试剂盒的形式。常见的亲水高聚物均可用于本发明，优选高聚物为氨基纤维素或水凝胶。一种优选实施方式中，将本发明化合物加入水凝胶涂布成薄膜作为荧光探针。

附图1以具体化合物为例显示了本发明离子载体化合物和荧光指示剂的合成路线。需要注意的是，此处使用具体化合物只是出于方便理解的目的，本领域技术人员可根据这些具体化合物的合成路线进行必要的改动来制备可用于本发明的其他离子载体化合物和指示剂。

参考附图1所示，显示了本发明的一种优选分子结构(亦可称为铜离子载体)即N，N-二酰胺吡啶烷基胺以及铜离子荧光指示剂的合成路线。

本说明书上文中结合具体实施方式对本发明进行了阐释，但应理解，这些描述和阐释只是为了更好地理解本发明，而不构成对本发明的任何限定。本领域技术人员在阅读了本申请说明书之后可对本发明的具体实施方式进行必要的改动而不脱离本发明的精神和范围。本发明的保护范围由所附的权利要求书限定，并且涵盖了权利要求的等同变换。

下面结合实施例对本发明进行进一步的说明。在下述实施例中，提供了具体的化合物结构以说明本发明化合物的结构类型、制备方法、及其作为铜离子浓度检测探针的检测性能。所提供的实施例仅用于说明本发明可如何实施，并不构成特别限定。具有本领域专业知识的一般技术人员，可通过下面所举的具体例子，举一反三，制备出金属离子特别是铜离子的一系列显色剂和荧光指示剂。

除非本申请上下文中另有其他说明，否则本申请中所用技术术语及缩写均具有本领域技术人员所知的常规含义；除非另有说明，否则下述实施例中所用原料化合物均为商购获得。

按照图1所描述的反应过程制备本发明所提到的各种化合物，每个步骤的反应的具体步骤如下：

化合物1的合成

冰浴下，2-氨甲基吡啶(2g，18.49mmol)溶于20mL二氯甲烷中，将氯乙酰氯(2.1g，18.49mmol)的二氯甲烷(10mL)溶液滴加到上述溶液中，室温下反应。TLC检测(DCM∶MeOH＝10∶1)反应完全后，滴加饱和碳酸钠溶液至pH＝7，分液，倾去水相，无水硫酸钠干燥，旋干，粗品经柱层析提纯得到1.5g化合物1。

化合物2的合成

乙二胺(7.1g，118mmol)，4-氯-1，8萘酰亚胺叔丁酯(5g，11.8mmol)，N，N-二异丙基乙胺(DIEA)(2mL)和N-甲基吡咯啉酮(NMP)2mL放入50mL单口茄形瓶中，95℃反应过夜，TLC(DCM∶MeOH＝5∶1)检测反应完全，冷却后倒入水中，析出固体，抽滤，DCM溶解后旋干，粗品经柱层析提纯得到4.9g。

化合物3的合成

称量化合物(1)(663mg，3.59mmol)，化合物(2)(200mg，449μmol)，N，N-二异丙基乙胺(DIEA)(2mL)和碘化钾(298mg，1.8mmol)放入2mL N，N-二甲基甲酰胺(DMF)中，110℃反应过夜，TLC检测反应完全，冷却后倒入水中，析出油状粘稠物，倾去水相，二氯甲烷重新溶解，无水硫酸钠干燥，旋干，粗品经柱层析提纯得到165mg化合物3。¹H NMR(CDCl₃)δ8.60-8.55(m)，8.48-8.44(m)，8.42-8.35(m)，8.21-8.17(m)，7.90(d，J＝8.4Hz)，7.63(s)，7.54(d，J＝8.4Hz)，7.39(ddd，J＝7.7，3.4，1.8Hz)，7.06(d，J＝7.8Hz)，6.93(dd，J＝6.9，5.4Hz)，6.54(d，J＝8.6Hz)，5.38(s)，4.48(d，J＝5.4Hz)，3.46(s)，3.39(s)，3.12(dd，J＝6.2，2.6Hz)，1.53(s).¹³C NMR(CDCl₃)δ170.98，165.69，164.80，164.04，156.22，150.63，148.66，142.67，136.84，136.70，134.92，131.25，130.87，129.93，129.55，129.45，129.22，128.62，128.60，128.42，128.27，124.49，122.55，122.52，122.50，122.28，122.00，121.79，120.69，109.13，103.80，80.82，77.53，77.11，76.68，59.12，54.38，44.10，43.09，42.08，28.21.

化合物4的合成

取35mg化合物3溶于3mL二氯甲烷中，慢慢滴加1mL三氟乙酸，室温搅拌，TLC(DCM∶MeOH＝10∶1)检测反应完全，旋干，得纯品化合物4。

Sensor Cu的合成

取17mg化合物4，加入等物质的量的氢氧化钠溶液，配制成所需浓度的铜离子荧光探针待测样品溶液，备用。

本发明通过对N，N-二酰胺吡啶烷基胺引入生色基团或荧光基团，使得该分子在与金属离子络合时产生颜色变化或荧光强度的变化，从而实现了微量金属离子可视化检测或自动化检测。该分子与金属离子络合后的颜色变化或荧光强度的变化与溶液中金属离子的浓度直接相关，因而可根据该分子的颜色变化或荧光强度而计算出溶液中金属离子的含量，实现对金属离子含量的快速准确检测。

图2及图3显示了显示了铜离子载体荧光探针的核磁氢谱和碳谱图。

图4及图5显示了铜离子载体对不同离子的荧光发射光谱及其柱状图。

本领域技术人员都能根据本说明书所提供的思路和合成方法，制备出具有络合能力的铜离子指示剂，此处不予赘述。

综合上述实验结果可知，本发明的有机化合物对于铜离子浓度的增加有良好的淬灭响应。

参考文献：

[1]陆丽丽，陶贤继，祁海平，环境科技，2010，23(2)，125.

[2]孟圆圆，魏凤，祁海平，广州化工，2015，43(12)，15.

Claims (7)

1.一种用于水环境中金属离子含量检测的有机化合物，所述化合物具有如下结构式：

n独立独立地选自1-3的整数；Y为生色基团或荧光基团；R₁～R₈独立地选自氢、1至4个碳原子的烷基、烷氧基、羧基、酯基，

所述生色基团选自：

所述荧光基团选自：

2.一种用于水环境中铜离子含量检测的化合物，其具有如下结构式：

3.一种用于水环境中铜离子含量检测的产品，该产品包含权利要求1至2中任一项所述的化合物和作为载体的亲水高聚物。

4.根据权利要求3所述的产品，其特征在于所述亲水高聚物选自氨基纤维素或水凝胶。

5.根据权利要求3所述的产品，其特征在于所述产品为试剂盒。

6.非治疗和非诊断目的的权利要求1至2任一项所述的化合物在水环境中检测铜离子含量的应用。

7.根据权利要求6所述的应用，其特征在于所述检测为荧光检测、连续检测。

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