CN108675990B

CN108675990B - 一种检测Cu2+的荧光探针、制备方法及荧光试纸条的制备和使用方法

Info

Publication number: CN108675990B
Application number: CN201810613048.8A
Authority: CN
Inventors: 阚伟; 尹浩纯; 卜凡强; 赵冰; 何玉倩; 阚宏泽; 宋波; 荆涛
Original assignee: Qiqihar University
Current assignee: Qiqihar University
Priority date: 2018-06-14
Filing date: 2018-06-14
Publication date: 2020-11-06
Anticipated expiration: 2038-06-14
Also published as: CN108675990A

Abstract

一种检测Cu²⁺的荧光探针、制备方法及荧光试纸条的制备和使用方法，它涉及检测Cu²⁺荧光探针及其制备和使用方法。它是要解决现有的Cu²⁺检测因仪器限制且成本较高而不能做到实时现场检测的技术问题；使用荧光探针法检测Cu²⁺时主体对金属离子的抗干扰能力较差的技术问题。该荧光探针的结构式为：

它是利用2‑(2‑氨基苯基)菲并咪唑和吡啶‑2‑甲醛反应得到。可将检测Cu²⁺的荧光探针制备成溶液，然后将定性滤纸剪成条状，在该溶液中浸泡，干燥后得到检测Cu²⁺的荧光试纸条。通过试纸条的颜色是否由深紫色变为明亮的浅紫色来判定样品中是否含有Cu²⁺。该Cu²⁺荧光探针合成方法简单，成本低，步骤简单，产率高达70～98％。可用于检测水体系环境中的Cu²⁺。

Description

一种检测Cu2+的荧光探针、制备方法及荧光试纸条的制备和使用方法

技术领域

本发明属于检测Cu²⁺的技术领域，涉及检测Cu²⁺荧光探针的制备和检测Cu²⁺荧光试纸条的制备及其使用方法。

背景技术

铜是人体健康不可缺少的微量营养元素，是人体内血蓝蛋白的组成元素，对于血液、中枢神经和免疫系统，头发、皮肤和骨骼组织以及大脑、肝脏、心脏等器官的发育和功能有着非常重要的影响。然而，过量存在的Cu²⁺对生物体和环境均有不利影响，如维持人体内的新陈代谢出现紊乱，肝硬化，肝腹水等，因此对Cu²⁺进行定性和定量检测具有非常重要的意义。传统的Cu²⁺检测方法包括离子体质谱法、原子吸收光谱法、原子发射光谱法、质谱法和荧光探针法。这些方法均需要依托实验室大型仪器进行检测，存在仪器价格昂贵、操作繁琐、需要专业人员完成等缺点。

近年来，采用荧光探针对Cu²⁺进行定量和定性检测的研究方法受到了研究者的关注。曾晞、吴翀、董蕾等人在《中国科学》2009年第39卷第4期350～356页的文章《一种新型三角架罗丹明B荧光探针对Cu²⁺识别性能研究》公开了一种罗丹明B衍生物，当Ni²⁺或Co²⁺与Cu²⁺在溶液中共存时，会使荧光探针对Cu²⁺的识别进行干扰。2014年，樊江莉、徐群利等人在《有机化学》2014年34期第1623～1629页的文章《可检测Zn²⁺，Cd²⁺和 Cu²⁺的氮杂香豆素荧光探针的合成及性能研究》公开的是通过3-甲酰基-7-N,N-二甲基氮杂香豆素与氨甲基吡啶的缩合反应，生成一个缩醛胺结构化合物。通过不同的紫外-可见吸收光谱和荧光光谱变化，实现对Zn²⁺、Cd²⁺和Cu²⁺识别。上述两种荧光探针除了可以识别Cu²⁺外，还分别对其他金属离子具有识别性能，表明对其他金属离子的抗干扰能力不强。

目前，报道了类似于pH试纸的荧光检测试纸。2017年11月14日，在公开号为CN107345910 A的专利《一种用于可视化检测铜离子的荧光宽色度试纸及其制备方法和应用》中公开了一种新型检测Cu²⁺的方法，使用荧光宽色度试纸检测Cu²⁺。该方法通过使用紫外灯照射荧光试纸可实时现场检测待测样品中是否含有Cu²⁺，但是该荧光宽色度试纸需要配置多种溶液并且使用打印机喷墨进行制备，且制作过程复杂繁琐、成本较高。

根据目前报道的检测Cu²⁺的方法，主要存在以下几个缺陷：

1.使用实验室传统方法检测Cu²⁺因仪器限制不能做到实时现场检测；

2.使用荧光探针法检测Cu²⁺时，主体溶液对其他金属离子也具有识别性能，抗干扰能力不强，识别不具有专一性；

3.目前可用于检测Cu²⁺的荧光试纸较少，且制作过程复杂繁琐，成本较高。

发明内容

本发明是要解决现有实验室传统方法检测Cu²⁺因仪器限制且成本较高不能做到实时现场检测的技术问题；使用荧光探针法检测Cu²⁺时主体对金属离子的识别不具有专一性，抗干扰能力较差的技术问题；制作Cu²⁺荧光试纸过程复杂繁琐，成本较高的技术问题。而提供一种检测Cu²⁺的荧光探针、制备方法及荧光试纸条的制备和使用方法。该荧光探针对Cu²⁺具有专一识别性能，同时利用它制备的荧光试纸条可做到实时现场检测。

本发明的检测Cu²⁺的荧光探针的结构式为：

上述的检测Cu²⁺的荧光探针是采用2-(2-氨基苯基)菲并咪唑和吡啶-2-甲醛反应得到，反应式如下:

检测Cu²⁺的荧光探针的制备方法，按以下步骤进行：

一、按照2-(2-氨基苯基)菲并咪唑和吡啶-2-甲醛的物质的量比为1:(1～3)的比例，将 2-(2-氨基苯基)菲并咪唑和吡啶-2-甲醛加入到醇类溶剂中，搅拌反应1～5h，反应结束后有固体析出；

二、将析出的固体抽滤，再将滤饼用醇类溶剂和蒸馏水洗涤干净，收集滤饼并干燥，得到粗产物；

三、将粗产物用有机溶剂重结晶，得到检测Cu²⁺的荧光探针。

利用上述的检测Cu²⁺的荧光探针制备荧光试纸条的方法，按以下步骤进行：

一、按检测Cu²⁺的荧光探针的浓度为0.5～1mmol/L将检测Cu²⁺的荧光探针溶解于乙醇中，得到探针储备液；

二、以浓度为10mmol/L、pH＝7.4的HEPES缓冲溶液为稀释剂，将检测Cu²⁺的荧光探针稀释至浓度为50～100μmol/L，得到探针溶液；

三、将定性滤纸剪成条状，将滤纸条放入探针溶液中浸泡1～2h，取出干燥后，得到检测Cu²⁺的荧光试纸条。

上述的检测Cu²⁺的荧光试纸条的使用方法，按以下步骤进行：

向检测Cu²⁺的荧光试纸条上滴加含有金属离子的待测样品，室温下干燥8～10min后，紫外灯照射下观察试纸条的荧光颜色变化，若荧光试纸条的颜色由深紫色变为明亮的浅紫色，则可判定待测样品中含有Cu²⁺。

本发明的Cu²⁺荧光探针合成方法简单，成本低，步骤简单，反应条件温和，产率高达70～98％。利用该荧光探针制备的试纸条可实现对水环境体系中的Cu²⁺检测，不受水溶液中其他金属离子的干扰，具有较强的抗干扰能力。且制备和使用方法简单，可实时实地进行Cu²⁺检测。该荧光试纸条在pH值为3～11范围内均可实现对Cu²⁺进行检测，该荧光试纸条检测Cu²⁺的方法简单，响应迅速、效果明显，具有检测水体系环境中的Cu²⁺能力。

附图说明

图1是实施例1制备的荧光探针及其与5μmol/L的不同阳离子(Fe³⁺、Al³⁺、Cr³⁺、 Zn² ⁺、Ag⁺、Mg²⁺、Cu²⁺、Hg²⁺、Pb²⁺、Na⁺、Ba²⁺、K⁺、Co²⁺、Cd²⁺、Ca²⁺或Ni²⁺)共存时的荧光发射光谱图，横坐标为波长，纵坐标为荧光强度；

图2是实施例1制备的荧光探针检测Cu²⁺后的抗金属阳离子干扰(Al³⁺、Zn²⁺、Ag⁺、Mg²⁺、Fe³⁺、Hg²⁺、Pb²⁺、Na⁺、Ba²⁺、Ni²⁺、K⁺、Ca²⁺、Cr³⁺、Co²⁺或Cd²⁺)的荧光发射光谱图，横坐标为波长，纵坐标为荧光强度。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式的检测Cu²⁺的荧光探针的结构式为：

具体实施方式二：具体实施方式一的用于检测Cu²⁺荧光探针的制备方法，按以下步骤进行：

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式二不同的是步骤一中所述的醇类溶剂为甲醇、乙醇、丙醇、异丙醇或丁醇；其它与具体实施方式二相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式二或三不同的是步骤二中洗涤滤饼的醇类溶剂为甲醇、乙醇、丙醇、异丙醇或丁醇；其它与具体实施方式二或三相同。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式二至四之一不同的是粗产物重结晶溶剂为乙酸乙酯，或者是乙酸乙酯和石油醚按体积比为1：(1～5)的混合物，或者是乙酸乙酯和正己烷按体积比为1：(1～5)的混合物，或乙酸乙酯与二氯甲烷按体积比为1：(1～5)的混合物；其它与具体实施方式二至四之一相同。

具体实施方式六：利用具体实施方式一所述的检测Cu²⁺的荧光探针制备荧光试纸条的方法，按以下步骤进行：

具体实施方式七：具体实施方式六所述的检测Cu²⁺的荧光试纸条的使用方法，按以下步骤进行：

用以下实例验证本发明的有益效果：

实施例1：本实施例的用于检测Cu²⁺荧光探针的制备按以下方法进行：

一、将0.62g(2.0mmol)2-(2-氨基苯基)菲并咪唑和0.19mL(2.0mmol)吡啶-2-甲醛加入到5mL乙醇中，搅拌反应2h，反应结束后有固体析出；

二、将析出的固体抽滤，再将滤饼用乙醇洗涤五次，再用80℃的蒸馏水洗涤五次，收集滤饼并干燥，得到粗产物；

三、将粗产物用用乙酸乙酯重结晶，得到用于检测Cu²⁺荧光探针，该化合物的产率为90％。

用红外光谱及核磁共振谱进行表征本实施例得到的检测Cu²⁺荧光探针，得到的结果如下：

IR(KBr cm^–1):3276,1613,1589,1573,1459,745,716.¹H NMR(600MHz,DMSO-d₆)δ:6.856(t,J＝7.80Hz,1H,ArH),6.920(d,J＝8.40Hz,1H,ArH),7.157(d,J＝7.80Hz,1H,ArH),7.200(t,J＝7.20Hz,1H,ArH),7.235(t,J＝6.00Hz,1H,ArH),7.572(d,J＝4.20Hz,2H,ArH),7.651-7.702(m,2H,ArH),7.762(t,J＝7.80Hz,1H,ArH),7.818(s,1H,NH),7.822(s,1H,N＝CH),8.899(d,J＝4.80Hz,1H,ArH),8.045(d,J＝7.80Hz,1H,ArH),8.270(d,J＝4.80Hz,H,ArH),8.417(d,J＝4.820Hz,1H,ArH),8.683(d,J＝7.80Hz,1H,ArH),8.841(d, J＝8.40Hz,1H,ArH),8.899(d,J＝4.80Hz,1H,ArH).¹³C NMR(150MHz,DMSO-d₆)δ: 158.68,149.94,146.16,141.80,138.04,131.40,128.49,128.13,127.81,127.58,126.91,126.18,125.47,125.02,124.83,124.61,124.22,124.06,122.80,122.63,121.74,120.41,119.12,115.52, 133.88,70.17.

从以上的表征结果可知，本实施例制备的检测Cu²⁺荧光探针的结构式为：

将本实施例制备的检测Cu²⁺荧光探针进行光谱性能测试，步骤如下：

一、储备液的配置

按检测Cu²⁺的荧光探针的浓度为0.1mmol/L将检测Cu²⁺的荧光探针溶解于乙醇中，得到探针储备液；

HEPES缓冲溶液的配置：秤取0.60g的N-2-羟乙基哌嗪-N’-2-乙磺酸加入250mL的容量瓶中，用蒸馏水定容，配成0.01mol/L的溶液并摇匀，静止3h后，用氢氧化钠溶液调pH值为7.4，得到HEPES缓冲溶液，备用。

再以pH＝7.4的HEPES缓冲溶液为溶剂，用金属氯化盐和硝酸盐配制成浓度为0.10mol/L的金属阳离子储备液，备用；

二、光谱性能测试

本实施例1制备的检测Cu²⁺的荧光探针以及该荧光探针与不同金属离子混合液的荧光光谱测定方法如下：

以浓度为10mmol/L、pH＝7.4的HEPES缓冲溶液为稀释剂，将浓度为0.1mmol/L 探针储备液和HEPES缓冲溶液稀释剂等体积混合，得到浓度为1.0×10^–5mol/L的检测Cu²⁺的荧光探针溶液；分别向探针溶液中加入浓度为0.10mol/L的Fe³⁺、Al³⁺、Cr³⁺、Zn²⁺、 Ag⁺、Mg²⁺、Cu² ⁺、Hg²⁺、Pb²⁺、Na⁺、Ba²⁺、K⁺、Co²⁺、Cd²⁺、Ca²⁺或Ni²⁺待测金属阳离子，探针与待测金属阳离子的物质的量比为1:5，恒温2h后，以310nm为激发波长，在激发狭缝宽度为10nm的情况下，并分别测定荧光探针和荧光探针加入金属离子后荧光发射光谱，结果如图1所示。从图1中可知，探针的荧光发射波长为420nm，荧光强度为344.88a.u.。加入不同阳离子后(Fe³⁺、Al³⁺、Cr³⁺、Zn²⁺、Ag⁺、Mg²⁺、Hg²⁺、Pb²⁺、 Na⁺、Ba²⁺、K⁺、Co²⁺、Cd²⁺、Ca²⁺或Ni²⁺)，探针的荧光强度变化不大，强度均在350.00a.u. 左右。而加入Cu²⁺时，荧光强度明显增强，增强到947.28a.u.，增强程度为探针荧光强度的2.7倍。因此，从荧光发射光谱可以初步推测，探针化合物对Cu²⁺具有选择识别检测的特性。

本实施例制备的用于检测检测Cu²⁺荧光探针在Cu²⁺检测时抗金属离子干扰能力的测试方法如下：以浓度为10mmol/L、pH＝7.4的HEPES缓冲溶液为稀释剂，将浓度为0.1mmol/L探针储备液和HEPES缓冲溶液稀释剂等体积混合，得到浓度为1.0×10^–5mol/L的检测Cu²⁺的荧光探针溶液；分别向浓探针溶液中加入浓度为0.10mol/L的Fe³⁺、Al³⁺、Cr³⁺、 Zn²⁺、Ag⁺、Mg²⁺、Hg²⁺、Pb²⁺、Na⁺、Ba²⁺、K⁺、Co²⁺、Cd²⁺、Ca²⁺和Ni²⁺离子溶液充分混合后静置5min，再分别加入0.10mol/LCu²⁺的后混合均匀。此时，探针、其他金属离子、Cu²⁺三者的物质的量比为1:5:5。恒温2h后，在激发波长为310nm，激发狭缝宽度为10nm的情况下，对其进行荧光发射光谱的测试，结果如图2所示。在其他阳离子 (Fe³⁺、Al³⁺、Ca²⁺、Zn²⁺、Ag⁺、Mg²⁺、Hg²⁺、Pb²⁺、Na⁺、Ba²⁺、Ni²⁺、K⁺、Cr³⁺、Co²⁺或Cd²⁺)存在的情况下，Cu²⁺与其他阳离子共存时，探针与Cu²⁺作用后的荧光强度并不受其他阳离子的影响。荧光强度的增强倍数仍维持在探针强度的2.7倍左右，即探针对 Cu²⁺的检测不受其他金属离子的干扰。

利用本实施例1制备的检测Cu²⁺的荧光探针制备荧光试纸条的方法，按以下步骤进行：

一、按检测Cu²⁺的荧光探针的浓度为0.5mmol/L将检测Cu²⁺的荧光探针溶解于乙醇中，得到探针储备液；

二、以浓度为10mmol/L、pH＝7.4的HEPES缓冲溶液为稀释剂，将检测Cu²⁺的荧光探针稀释至浓度为50μmol/L，得到探针溶液；

三、将定性滤纸剪成10cm×10cm条状，将滤纸条放入探针溶液中浸泡2h，取出干燥后，再剪为1cm×2cm的窄条，得到检测Cu²⁺的荧光试纸条。

向检测Cu²⁺的荧光试纸条上滴加金属离子溶液，室温下干燥10min后，用手持紫外灯的照射，观察荧光试纸条的颜色情况，发现金属离子为Fe³⁺、Al³⁺、Cr³⁺、Zn²⁺、Ag⁺、 Mg²⁺、Hg² ⁺、Pb²⁺、Na⁺、Ba²⁺、K⁺、Co²⁺、Cd²⁺、Ca²⁺或Ni²⁺离子时，荧光试纸条的颜色为深紫色且无变化，而金属离子为Cu²⁺时，荧光试纸条的颜色由深紫色变为明亮的浅紫色，从而可实时实地通过观察荧光试纸条的颜色是否由深紫色变为明亮的浅紫色来判断待测样品中是否含有Cu²⁺。

实施例2：本实施例与实施例1与不同的是检测Cu²⁺的荧光探针制备方法用以下步骤进行：

一、按照2-(2-氨基苯基)菲并咪唑和吡啶-2-甲醛的物质的量比为1:(1～3)的比例，将 0.62g(2.0mmol)2-(2-氨基苯基)菲并咪唑和0.19mL(2.0mmol)吡啶-2-甲醛加入到5mL 甲醇中，搅拌反应4h，反应结束后有固体析出；

二、将析出的固体抽滤，再将滤饼用甲醇洗涤五次，再用80℃的蒸馏水洗涤五次，收集滤饼并干燥，得到粗产物；

三、将粗产物用乙酸乙酯与石油醚的体积比为1：1的混合物重结晶，得到检测Cu²⁺的荧光探针。该化合物的产率为87％。

实施例3：本实施例的检测Cu²⁺的荧光探针制备方法用以下步骤进行：

一、将0.62g(2.0mmol)2-(2-氨基苯基)菲并咪唑和0.19mL(2.0mmol)吡啶-2-甲醛加入到5mL异丙醇中，搅拌反应3h，反应结束后有固体析出；

二、将析出的固体抽滤，再将滤饼用异丙醇洗涤五次，再用80℃的蒸馏水洗涤五次，收集滤饼并干燥，得到粗产物；

三、将粗产物用乙酸乙酯与环己烷的体积比为1：2的混合物重结晶，得到用于检测Cu²⁺荧光探针，该化合物的产率为84％。

实施例4：本实施例的检测Cu²⁺的荧光探针制备方法用以下步骤进行：

一、将0.62g(2.0mmol)2-(2-氨基苯基)菲并咪唑和0.19mL(2.0mmol)吡啶-2-甲醛加入到5mL丁醇中，搅拌反应5h，反应结束后有固体析出；

二、将析出的固体抽滤，再将滤饼用丁醇洗涤五次，再用80℃的蒸馏水洗涤五次，收集滤饼并干燥，得到粗产物；

三、将粗产物用乙酸乙酯与二氯甲烷的体积比为1：3的混合物重结晶，得到用于检测Cu²⁺荧光探针，该化合物的产率为74％。

Claims

1.一种检测Cu²⁺的荧光探针，其特征在于该探针的结构式为：

2.制备权利要求1所述的一种检测Cu²⁺的荧光探针的方法，其特征在于该方法按以下步骤进行：

一、按照2-(2-氨基苯基)菲并咪唑和吡啶-2-甲醛的物质的量比为1:(1～3)的比例，将2-(2-氨基苯基)菲并咪唑和吡啶-2-甲醛加入到醇类溶剂中，搅拌反应1～5h，反应结束后有固体析出；

3.根据权利要求2所述的一种检测Cu²⁺的荧光探针的制备方法，其特征在于步骤一中所述的醇类溶剂为甲醇、乙醇、丙醇、异丙醇或丁醇。

4.根据权利要求2或3所述的一种检测Cu²⁺的荧光探针的制备方法，其特征在于步骤二中洗涤滤饼的醇类溶剂为甲醇、乙醇、丙醇、异丙醇或丁醇。

5.根据权利要求2或3所述的一种检测Cu²⁺的荧光探针的制备方法，其特征在于粗产物重结晶溶剂为乙酸乙酯，或者是乙酸乙酯和石油醚按体积比为1：(1～5)的混合物，或者是乙酸乙酯和正己烷按体积比为1：(1～5)的混合物，或乙酸乙酯与二氯甲烷按体积比为1：(1～5)的混合物。

6.利用权利要求1所述的一种检测Cu²⁺的荧光探针制备检测Cu²⁺的荧光试纸条的方法，其特征在于该方法按以下步骤进行：

一、按检测Cu²⁺的荧光探针的浓度为0.5～1mmol/L将权利要求1所述的检测Cu²⁺的荧光探针溶解于乙醇中，得到探针储备液；

7.权利要求6所述的一种检测Cu²⁺的荧光试纸条的使用方法，其特征在于该方法按以下步骤进行：

向权利要求6所述的检测Cu²⁺的荧光试纸条上滴加含有金属离子的待测样品，室温下干燥8～10min后，紫外灯照射下观察试纸条的荧光颜色变化，若荧光试纸条的颜色由深紫色变为明亮的浅紫色，则可判定待测样品中含有Cu²⁺。