CN108864208A - 一种基于荧光检测乳糖分子的芳胺功能化金属-有机框架材料及其制备方法 - Google Patents
一种基于荧光检测乳糖分子的芳胺功能化金属-有机框架材料及其制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于荧光检测乳糖分子的芳胺功能化金属‑有机框架材料及其制备方法。该金属‑有机框架材料是以金属离子Co2+为节点，以3,3'‑((3,4‑二氧代‑1‑烯‑1,2‑二基)双(氮烷二基))二苯甲酸和4,4’‑联吡啶为有机连接配体，通过水热反应制备得到，该材料的化学式为：[Mm(L1)n(L2)p·(H2O)q]，式中，L1为H2dbda，L2为bpy，M为金属离子Co2+，m＝1，n＝1，p＝1，q＝1。本发明提供的材料对常见单糖、二糖分子中乳糖分子的检测具有高选择性，可用于液体牛奶中乳糖分子的检测；本发明的制备工艺简单，环境友好，成本低，易于大规模制备。
Description
技术领域
本发明涉及金属-有机框架材料领域，具体涉及一种基于荧光检测乳糖分子的芳胺功能化金属-有机框架材料及其制备方法。
背景技术
作为幼儿智力发育密切相关的营养要素之一，乳糖可以促进脑苷脂类和黏多糖类的生成，而牛奶中的乳糖酶活性的缺失或降低导致临床综合症“乳糖不耐症”。“乳糖不耐症”伴随着各种身体症状，如腹泻、恶心、肠道气体过多、痉挛等，具有严重危害。因此，为了检测乳糖的摄取，发展简单、高效、灵敏且专一性的乳糖分子尤其是乳制品中乳糖的探针材料在检测乳制品以及人类健康发展方面具有重要的意义。
现有的乳糖分子的检测方法主要有高性能阴离子交换色谱法、毛细管电泳法、旋光法等。以上方法趋向于需要较为昂贵的精密仪器，而且还需要花费大量的时间，不能满足对纯水中乳糖分子高效、廉价、快速检测的需求。为了实现对乳糖分子的快速、高效、高选择性的检测，许多基于荧光探针和比色法检测乳糖的方法已经被建立。但是目前大部分的检测识别乳糖分子的探针材料应用到现实乳制品的生产检测中，科学工作者还需要解决以下的几点问题：
1.多数基于有机配体的荧光探针，一般都会受到溶解度的影响，其一般适用于有机溶剂或者有机/水的混合溶剂体系中，因此，开发在纯水体系中识别乳糖分子的检测手段还有待提高。
2.已经报道的一些探针，往往受限于其他的单糖、二糖分子，如葡萄糖、麦芽糖等对识别过程的干扰，设计简便、廉价、高效专一性的乳糖分子探针刻不容缓，具有重要的意义。
3.对于大多数已报道的乳糖探针，只是实现了实验分析过程中乳糖分子的检测，而应用到实际乳制品中的乳糖检测比较少，因此，开发一例具有实际应用潜能的乳糖探针材料具有很大的意义。
发明内容
本发明的目的之一是提供一种基于荧光检测乳糖分子的芳胺功能化金属-有机框架材料，价格便宜，能实现在纯水体系中快速识别乳糖分子，且对乳糖分子具有高选择性。
本发明的目的之二是提供一种上述基于荧光检测乳糖分子的芳胺功能化金属-有机框架材料的制备方法，工艺简单，可大规模生产。
为实现上述目的之一，本发明采用的技术方案是：一种基于荧光检测乳糖分子的芳胺功能化金属-有机框架材料，以金属离子Co2+为节点，以H2dbda和bpy为有机连接配体，通过水热法得到三维金属-有机骨架材料Co-DBPY；
Co-DBPY的化学式为：[Mm(L1)n(L2)p·(H2O)q]，式中，
L1为有机连接配体H2dbda，中文名称为3,3'-((3,4-二氧代-1-烯-1,2-二基)双(氮烷二基))二苯甲酸，其结构式见式Ⅰ：
L2为有机连接配体bpy，中文名称为4,4’-联吡啶，其结构式见式Ⅱ：
M为金属离子Co2+；
m、n、p和q分别为金属离子，有机连接配体H2dbda、有机连接配体bpy和水分子的个数，其中，m＝1，n＝1，p＝1，q＝1。
为实现上述目的之二，本发明采用的技术方案是：一种基于荧光检测乳糖分子的芳胺功能化金属-有机框架材料的制备方法，包括如下步骤：
S1、按照摩尔比(1～1.2)：(1～1.3)：(1～1.2)分别称取3,3'-((3,4-二氧代-1-烯-1,2-二基)双(氮烷二基))二苯甲酸(H2dbda)、4,4'-联吡啶(bpy)和钴的可溶性盐，并置于玻璃样品瓶中，加入N，N-二甲基乙酰胺和乙醇体积比为1:1的混合溶剂，并搅拌均匀；
S2、将玻璃样品瓶置于水热合成反应釜中，在75～85℃条件下保温反应70～74h；
S3、待反应结束后，冷却得到红色块状晶体，再依次经过滤、洗涤、干燥后制得金属-有机框架材料。
优选的，所述3,3'-((3,4-二氧代-1-烯-1,2-二基)双(氮烷二基))二苯甲酸、4,4'-联吡啶和钴的可溶性盐的摩尔比为1：1.11：1.07。
优选的，所述钴的可溶性盐为六水合硝酸钴。
优选的，步骤S3中，洗涤条件为用乙醇洗涤，洗涤3～5次，干燥条件为室温干燥36h。
制备Co-DBPY的化学反应方程式如下：
本发明提供的金属-有机框架材料可用作荧光探针，应用于检测乳制品如牛奶中的乳糖分子。
本发明采用具有N-H和羰基的氢键供受体一体化的3,3'-((3,4-二氧代-1-烯-1,2-二基)双(氮烷二基))二苯甲酸为配体1，通过引入4,4’联吡啶配体2来构筑较大的孔道结构，拓展乳糖分子识别材料的设计范围，与钴离子通过一步水热反应，获得一例三维、大孔的金属-有机骨架材料，该材料在水溶液中能够稳定存在。同时，在该材料孔道内具有基于芳胺的配体的N-H和羰基部分，其为生物分子的识别提供潜在的氢键位点，不仅可以实现荧光增强对乳糖分子的检测，而且在包括常见单糖和二糖分子中体现出对乳糖检测的专一性。此外，还可以实现对实际样品牛奶中乳糖的检测。通过大量表征，结果表明识别机理为乳糖分子和Co-DBPY之间的氢键相互作用以及尺寸匹配的协同效应，为构建作用机理明确的探针提供良好思路。
本发明使用的起始原料价格低廉、环境友好，使用的配体可以通过简单的方法合成且产率较高；通过一步水热反应合成出目标材料Co-DBPY，产率高且化学性质稳定，制备工艺简单，成本低，易于大规模制备，能在纯水体系中快速识别乳糖分子，对常见单糖、二糖分子中乳糖分子的检测具有高选择性。
附图说明
图1是实施例1制备的金属-有机骨架材料的结构图；
图2是实施例1制备的金属-有机骨架材料的PXRD稳定性测试图；
图3是实施例1制备的金属-有机骨架材料对乳糖分子检测过程的荧光强度；
图4是实施例1制备的金属-有机骨架材料对牛奶中乳糖检测过程的荧光强度；
图5是实施例1制备的金属-有机骨架材料分别对乳糖以及牛奶中乳糖的浓度强度工作曲线；
图6是实施例1制备的金属-有机骨架材料对乳糖分子的选择、竞争实验柱状图；
图7是实施例1制备的金属-有机骨架材料对乳糖分子检测机理的红外光谱图；
图8是实施例1制备的金属-有机骨架材料对乳糖分子检测机理的氢谱图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步地说明。
以下实施例中所使用的原料和试剂，如无特殊说明，均为常规市售商品。
以下实施例中的有机连接配体3,3'-((3,4-二氧代-1-烯-1,2-二基)双(氮烷二基))二苯甲酸的合成过程如下：
称取576mg 3-氨基苯甲酸、145mg Zn(CF3SO3)2，295μL 3,4-二乙氧基-3-环丁烯-1,2-二酮，加入19mL甲苯和1ml NMP，搅拌几分钟后，在N2保护下于100℃加热回流24小时后。过滤，收集黄色沉淀并用MeOH(10mL)洗涤。为了进一步纯化产物，将黄色固体在沸腾的MeOH(20mL)中搅拌5分钟，然后通过真空过滤分离，并用MeOH(3×5mL)洗涤。该纯化步骤重复两次，产物在80℃干燥12小时。产率：85％。1H NMR(400MHz,DMSO-d6):δ11.36(s,2H),8.13(s,2H),7.99(d,J＝8.0Hz,2H),7.63(d,J＝8.0Hz,2H),7.50(t,J＝8.0Hz,2H).ESI-MS(m/z):[M]-calculated for[C18H11N2O6]-351.3,found 350.9.
实施例1
称取1.8mg 3,3'-((3,4-二氧代-1-烯-1,2-二基)双(氮烷二基))二苯甲酸(H2dbda)(5.1mM)，0.9mg 4,4'-Bipyridine(bpy)(5.7mM)，1.6mg Co(NO3)2·6H2O(5.5mM)，置于10mL的玻璃样品瓶中，加入2mL N，N-二甲基乙酰胺/乙醇(体积比为1:1)的混合溶剂，然后将玻璃样品瓶置于水热合成反应釜里，再将水热合成反应釜放置于电热鼓风干燥箱中，恒温80℃，反应三天，待反应结束后，冷却得到红色块状晶体，过滤、乙醇洗涤5次、室温干燥36h，制得金属-有机骨架材料Co-DBPY，产率：73％。C28H18CoN4O6:C 59.48；H 3.21；N9.90％.Found:C 59.44；H 3.27；N 9.87％。其晶体结构如图1所示，可以看出该结构具有一个近似长方形的孔道，且芳胺部分位于孔道中，为利用弱作用对乳糖进行检测提供良好前提。
材料的稳定性测试
称取2份实施例1制得的材料Co-DBPY，常温真空干燥后测试其PXRD，测试结果如图2所示，可以看出本实施例合成的材料Co-DBPY的PXRD谱图中出现的一系列特征峰的位置与模拟分子的PXRD谱图中特征峰的位置相同，且没有杂峰，说明该材料具有良好的纯度，为开展其应用奠定基础。
对乳糖分子的检测实验
称取实施例1制得的材料Co-DBPY，配制成0.3mM的水的标准悬浊液，取3mL上述悬浊液于石英比色皿中，再向其中依次滴加0.2M的乳糖水溶液，直到荧光强度不再发生变化为止，总计加入乳糖浓度为5.07mM，激发波长为320nm，记录其在430nm的荧光发射峰。测试结果如图3所示，说明材料具有优异的荧光性能，且对于乳糖具有荧光增强的检测效果。
对牛奶中乳糖分子的检测实验
取10ml购买的纯牛奶于烧瓶中，60度加热12h后离心，取上清液，即乳糖水溶液(122mM)。称取实施例1制得的材料Co-DBPY，配制成0.3mM的水的标准悬浊液，取3mL上述悬浊液于石英比色皿中，再向其中依次滴加上述牛奶中的乳糖水溶液，直到荧光强度不再发生变化为止，总计加入乳糖浓度为5.00mM，激发波长为320nm，记录其在430nm的荧光发射峰。结果见附图4，可以看出，该材料对于牛奶中的乳糖具有良好的定量检测性能。
对乳糖分子的选择性与竞争实验
选择性测试实验中，取探针标准悬浊液3mL到石英比色皿中，加入其它糖类分子(Xyl(木糖)，Man(甘露糖)，Rib(核糖)，Glu(葡萄糖)，Tre(海藻糖)，Mal(麦芽糖)，Cel(Cellobiose)，Suc(蔗糖)和Mel(Melibiose))5.07mM，在320nm处激发，测试其荧光强度变化，以糖类分子种类为横坐标，相对荧光强度为纵坐标，得到选择性图，结果如图5所示。然后再向上述溶液中加入5.07mM的汞离子溶液，同样在320nm处激发，测试其荧光强度变化，得到竞争实验图，结果如图6所示。可以看出材料在所选择的单糖和二糖中对于乳糖具有专一性检测能力。
对乳糖分子检测机理的研究
称取一份实施例1制得的材料5mg，加入25mM的乳糖溶液，搅拌4小时，过滤，滤液进行ICP测试，结果显示几乎没有钴离子被检测出来，表明在乳糖检测前后，材料具有高的稳定性。滤饼进行红外光谱(IR)测试，结果见附图7所示，可以看出形成主客体作用化合物以后，归属于乳糖分子相关化学键的振动峰都发生了明显的红移，如O-H伸缩振动相对于自由的乳糖在3435-3332cm-1红移至3310-3259cm-1，C-H伸缩振动相对于自由的乳糖在2906cm-1的峰红移至2861cm-1，以及C-O伸缩振动相对于自由的乳糖在1175-1021cm-1的峰红移至1079-1000cm-1，表明存在有效的乳糖和材料之间的作用。这样一个主客体的作用进一步被核磁共振氢谱(1HNMR)测试证实，在5.0-3.0ppm的化学位移归属于乳糖分子中氢，表明材料对于乳糖的检测确实发生在材料的孔道内部。
实施例2
称取1.8mg H2dbda(5.1mM)，0.8mg bpy(5.1mM)，1.5mg Co(NO3)2·6H2O(5.1mM)，置于10mL的玻璃样品瓶中，加入2mL N，N-二甲基乙酰胺/乙醇(体积比为1:1)的混合溶剂，然后将玻璃样品瓶置于水热合成反应釜里，再将水热合成反应釜放置于电热鼓风干燥箱中，恒温75℃，反应70h，待反应结束后，冷却得到红色块状晶体，过滤、乙醇洗涤3次、室温干燥5h，制得金属-有机骨架材料Co-DBPY。
实施例3
称取1.8mg H2dbda(5.1mM)，0.8mg bpy(5.1mM)，1.8mg Co(NO3)2·6H2O(6.1Mm)，置于10mL的玻璃样品瓶中，加入2mL N，N-二甲基乙酰胺/乙醇(体积比为1:1)的混合溶剂，然后将玻璃样品瓶置于水热合成反应釜里，再将水热合成反应釜放置于电热鼓风干燥箱中，恒温75℃，反应74h，待反应结束后，冷却得到红色块状晶体，过滤、乙醇洗涤3次、室温干燥36h，制得金属-有机骨架材料Co-DBPY。
实施例4
称取1.8mg H2dbda(5.1mM)，1.0mg bpy(6.4mM)，1.8mg Co(NO3)2·6H2O(6.1mM)，置于10mL的玻璃样品瓶中，加入2mL N，N-二甲基乙酰胺/乙醇(体积比为1:1)的混合溶剂，然后将玻璃样品瓶置于水热合成反应釜里，再将水热合成反应釜放置于电热鼓风干燥箱中，恒温80℃，反应74h，待反应结束后，冷却得到红色块状晶体，过滤、乙醇洗涤5次、室温干燥36h，制得金属-有机骨架材料Co-DBPY。
实施例5
称取2.1mg H2dbda(6.0mM)，0.8mg bpy(5.1mM)，1.5mg Co(NO3)2·6H2O(5.1mM)，置于10mL的玻璃样品瓶中，加入2mL N，N-二甲基乙酰胺/乙醇(体积比为1:1)的混合溶剂，然后将玻璃样品瓶置于水热合成反应釜里，再将水热合成反应釜放置于电热鼓风干燥箱中，恒温85℃，反应70h，待反应结束后，冷却得到红色块状晶体，过滤、乙醇洗涤4次、室温干燥36h，制得金属-有机骨架材料Co-DBPY。
实施例6
称取2.1mg H2dbda(6.0mM)，1.0mg bpy(6.4mM)，1.8mg Co(NO3)2·6H2O(6.1mM)，置于10mL的玻璃样品瓶中，加入2mL N，N-二甲基乙酰胺/乙醇(体积比为1:1)的混合溶剂，然后将玻璃样品瓶置于水热合成反应釜里，再将水热合成反应釜放置于电热鼓风干燥箱中，恒温85℃，反应72h，待反应结束后，冷却得到红色块状晶体，过滤、乙醇洗涤4次、室温干燥36h，制得金属-有机骨架材料Co-DBPY。
Claims (6)
1.一种基于荧光检测乳糖分子的芳胺功能化金属-有机框架材料，其特征在于：该材料是以金属离子Co2+为节点，以3,3'-((3,4-二氧代-1-烯-1,2-二基)双(氮烷二基))二苯甲酸和4,4’-联吡啶为有机连接配体，通过水热法制得；该材料的化学式为：[Mm(L1)n(L2)p·(H2O)q]，式中，L1为3,3'-((3,4-二氧代-1-烯-1,2-二基)双(氮烷二基))二苯甲酸，L2为4,4'-联吡啶，M为金属离子Co2+；m、n、p和q分别为金属离子，有机连接配体3,3'-((3,4-二氧代-1-烯-1,2-二基)双(氮烷二基))二苯甲酸、有机连接配体4,4'-联吡啶和水分子的个数，其中，m＝1，n＝1，p＝1，q＝1。
2.一种根据权利要求1所述的基于荧光检测乳糖分子的芳胺功能化金属-有机框架材料的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
S1、按照摩尔比(1～1.2)：(1～1.3)：(1～1.2)分别称取3,3'-((3,4-二氧代-1-烯-1,2-二基)双(氮烷二基))二苯甲酸、4,4'-联吡啶和钴的可溶性盐，并置于玻璃样品瓶中，加入N，N-二甲基乙酰胺和乙醇体积比为1:1的混合溶剂，并搅拌均匀；
S2、将玻璃样品瓶置于水热合成反应釜中，在75～85℃条件下保温反应70～74h；
S3、待反应结束后，冷却得到红色块状晶体，再依次经过滤、洗涤、干燥后制得金属-有机框架材料。
3.根据权利要求2所述的基于荧光检测乳糖分子的芳胺功能化金属-有机框架材料的制备方法，其特征在于：所述3,3'-((3,4-二氧代-1-烯-1,2-二基)双(氮烷二基))二苯甲酸、4,4'-联吡啶和钴的可溶性盐的摩尔比为1：1.11：1.07。
4.根据权利要求2或3所述的基于荧光检测乳糖分子的芳胺功能化金属-有机框架材料的制备方法，其特征在于：所述钴的可溶性盐为六水合硝酸钴。
5.根据权利要求2或3所述的基于荧光检测乳糖分子的芳胺功能化金属-有机框架材料的制备方法，其特征在于：步骤S3中，洗涤条件为用乙醇洗涤，洗涤3～5次，干燥条件为室温干燥36h。
6.根据权利要求1所述的基于荧光检测乳糖分子的芳胺功能化金属-有机框架材料在检测乳制品中乳糖分子的应用。
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