CN109206351B

CN109206351B - 一种基于花菁结构测钯离子的近红外荧光探针、其制备方法及应用

Info

Publication number: CN109206351B
Application number: CN201811088439.9A
Authority: CN
Inventors: 许志红; 王阳; 侯旭锋; 雷萌萌; 周起航; 胡珊珊; 李陈明
Original assignee: Xuchang University
Current assignee: Xuchang University
Priority date: 2018-09-18
Filing date: 2018-09-18
Publication date: 2021-06-29
Anticipated expiration: 2038-09-18
Also published as: CN109206351A

Abstract

本发明提供一种基于花菁结构测钯离子的近红外荧光探针、其制备方法及应用，所述荧光探针的结构式如下：

，探针是基于钯离子促进溴丙炔脱保护的机理，该探针以花菁为母体，传感分子释放出花菁染料分子单体，荧光强度显著性增强并伴随明显的颜色变化，用肉眼就可以观察到溶液的颜色变化，选取的干扰离子等对检测效果无影响，因而实现了对钯离子的特应性识别响应，该探针在DMSO/PBS(v/v=8/2,pH=7.4)缓冲体系中对钯离子反应比较迅速，具有良好的选择性和较高的灵敏度，抗干扰能力强，检测限达到52 nM，在生物与环境样品中的钯离子的检测有良好的应用前景。

Description

一种基于花菁结构测钯离子的近红外荧光探针、其制备方法及应用

技术领域

本发明属于有机合成技术领域，具体涉及一种基于花菁结构测钯离子的近红外荧光探针、其制备方法及应用。

背景技术

随着社会的发展和越来越多的人关注环境保护，有害金属离子和阴离子检测研究因其在生物、化学和环境应用中的应用而备受关注。钯离子作为一种重要的过渡金属，广泛用于合成、医药和双正交有机金属化学。特别是，由于含钯化合物具有优异的催化性能，钯催化反应为现代合成化学提供了强有力的方法，形成新的碳-碳或者碳-杂原子键，已被用于生产各种精细化学品、药品和农药产品。过去几十年在实验室和工业中。尽管钯离子作为重要的亲硫元素之一，可以与含巯基的氨基酸，蛋白质，DNA和RNA以及其他大分子结合，这可能会导致潜在的健康危害。即使低剂量的钯也足以引起易感个体的过敏。因此，快速检测钯的有效方法很重要。鉴于此，迫切需要用于监测低水平钯离子物质的有效测定方法。

传统的分析方法（原子吸收光谱法，等离子体发射光谱法，固相微萃取-高效液相色谱法和X射线荧光法）可以高灵敏度快速检测钯离子，但需要昂贵的仪器和高技能人员。这些方法确实提供了快速和极其准确的钯离子分析；然而，它们需要复杂的样品预处理程序，复杂的设备和严格的实验条件。然而，荧光方法可以避免这些缺点，同时保持传统方法的效率和准确性，因此已被研究人员利用。到目前为止，已经报道了许多用于钯的比色和荧光探针。然而，这些探针中的大多数在UV或可见光范围（<650nm）内显示出吸收和发射，这限制了它们在生物系统中的应用。与可见光区域的荧光探针相比，已知近红外（NIR，650-900nm）荧光探针更适合生命系统，因为它们在近红外区域产生荧光，对活细胞的损害较小，效果更好组织穿透，以及生物系统中生物分子的背景自发荧光的最小干扰。到目前为止，仅有几种NIR荧光探针用于检测钯离子。

在此，本申请公开了一种用于检测钯的新比色和NIR荧光探针。在本申请中，通过使用修饰的花菁染料作为荧光团，以及已经证明有利于选择性钯识别作为识别基团的末端烯丙基醚部分来设计新的NIR探针。由于它们在光激发下经历激发态分子内光子转移（ESIPT）过程的能力，它引起了人们的兴趣。在与钯离子反应后，有效的去烯丙基化和脱羧将恢复荧光团并引发荧光。如本文所述，这种探针在生理条件下对钯（II）相对于其他金属离子具有优异的选择性和高灵敏度。

发明内容

本发明目的在于克服现有技术缺陷，提供一种基于花菁结构测钯离子的近红外荧光探针、其制备方法及应用，该探针具有良好的选择性和较高的灵敏度，可适用于待测样品中钯离子含量的荧光检测、目视定性。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于花菁结构测钯离子的近红外荧光探针，该测钯离子的近红外荧光探针分子式为C₃₉H₄₄N₂O²⁺，结构式如下所示：

。

上述基于花菁结构测钯离子的近红外荧光探针的制备方法，其包括以下步骤：

1）对羟基苯甲醛与乌洛托品反应得到化合物1；

2）化合物1与溴丙炔反应得到化合物2；

3）化合物2与化合物3反应得到目标产物测钯离子的近红外荧光探针。

其中，化合物1和化合物2的结构式分别如下所示：

；

化合物1 化合物 2。

进一步的，步骤1）具体为：将对羟基苯甲醛溶解在三氟乙酸中，加入乌洛托品，加热到85~95℃回流15-24 h后加入浓盐酸（市售产品，浓度为36~38wt%），反应结束后冷却至室温，减压蒸除溶剂，再用0~-10℃乙醇重结晶，得到白色固体即为化合物1，其中，对羟基苯甲醛和乌洛托品的摩尔比为1︰1。

步骤2）具体为：取化合物1和K₂CO₃溶于DMF中，冰水浴下搅拌5~15分钟，加入溴丙炔，冰水浴搅拌1~5分钟，室温下搅拌12-24 h，减压蒸除溶剂，经硅胶柱色谱分离纯化即得化合物2，其中，化合物1、K₂CO₃和溴丙炔的摩尔比为1︰2︰（1~1.2）。

步骤3）具体为：取化合物2和3-（2, 3, 3-三甲基-3H-吲哚林）基丙烷，溶于乙酸酐，再加入醋酸钠，80~85℃回流0.5~1.5小时，减压蒸除溶剂，经硅胶柱色谱分离纯化即得目标化合物，化合物2、3-（2, 3, 3-三甲基-3H-吲哚林）基丙烷和醋酸酐的摩尔比为1︰2.5︰1。

本发明还提供了上述基于花菁结构测钯离子的近红外荧光探针的应用，具体的，该探针用于近红外区环境体系中钯离子的含量而进行的荧光检测、目视定性检测。所述探针在650~750nm范围、pH=7.4的DMSO/PBS混合溶液中对钯离子进行检测，检测限达到52nM。

本发明中所使用的各种原料均为普通市售产品，或者通过本领域技术人员公知的方法或现有技术中公开的方法获得。

本发明是基于钯离子促进溴丙炔脱保护机理，该探针以花菁为母体，传感分子释放出花菁染料分子单体，将本发明测钯离子近红外荧光探针的分析性能与相关文献报道中报道的其它钯离子选择性荧光探针进行比较，结果表明：此近红外荧光探针效果很好。近红外激发和发射有效减少生物样品的光损伤并避免来自天然细胞物种的自身荧光。本发明通过¹HNMR、¹³CNMR和质谱表征分析，该探针可以DMSO/PBS (v/v=8/2, pH=7.4)中对钯离子快速响应。此外，该探针显示出对钯离子的高选择性。

和现有技术相比，本发明的有益效果：

本发明是基于钯离子促进溴丙炔脱保护机理，该探针以花菁为母体，传感分子释放出花菁染料分子单体，荧光强度显著性增强并伴随明显的颜色变化，选取的干扰离子等对检测效果无影响，因而实现了对钯离子的特应性识别响应，该探针在DMSO/PBS (v/v=8/2, pH=7.4)缓冲体系中对钯离子反应比较迅速（反应时间为30min），具有良好的选择性和较高的灵敏度，检测限达到52 nM，而在生物与环境样品中的钯离子的检测有良好的应用前景。

附图说明

图1为本发明基于花菁结构测钯离子近红外荧光探针的合成路线；

图2为本发明基于花菁结构测钯离子的近红外荧光探针核磁氢谱；

图3为本发明基于花菁结构测钯离子的近红外荧光探针核磁碳谱；

图4为本发明基于花菁结构测钯离子的近红外荧光探针核磁质谱；

图5为10当量的钯离子加入到基于花菁结构测钯离子的近红外荧光探针（10 μM）后在不同DMSO与PBS比例混合溶液荧光光谱的变化;

图6为0-20当量的钯离子分别加入到基于花菁结构测钯离子的近红外荧光探针（10 μM）后荧光光谱随时间的变化趋势；

图7为本发明基于花菁结构测钯离子的近红外荧光探针（10 μM）的溶液随钯离子浓度的增大而呈现的荧光光谱变化；插图是紫外灯下探针的颜色以及探针和钯离子反应完后的颜色变化；

图8为本发明基于花菁结构测钯离子的近红外荧光探针（10 μM）溶液再分别加入10当量的不同金属离子后紫外-可见吸收光谱的变化；插图是可见光下探针的颜色以及探针和钯离子反应完后的颜色变化；

图9是本发明检出限计算过程中得到的紫外线性关系图。

具体实施方式

以下通过优选实施例对本发明进一步详细说明，但本发明的保护范围并不局限于此。

实施例1：

一种基于花菁结构测钯离子的近红外荧光探针，该测钯离子的近红外荧光探针分子式为C₃₉H₄₄N₂O²⁺，结构式如下：

上述基基于花菁结构测钯离子的近红外荧光探针的制备方法，其合成路线见图1，具体包括以下步骤：

1）化合物1的制备

将对羟基苯甲醛（1.2 g，10 mmol）溶解在10 mL三氟乙酸中，再加入乌洛托品（1.4g，10 mmol），加热到90℃回流24小时后加入14 mL浓盐酸，反应结束冷却至室温，减压蒸掉溶剂，再用冷的乙醇（-5℃左右）重结晶得白色固体1.0 g，即为化合物1（收率，66%）。

化合物1合成路线如下：

；

2）化合物2的制备

取化合物1(180 mg，1.2mmol)，K₂CO₃(331 mg，2.4 mmol)，3 mL DMF于50 mL圆底烧瓶中，冰水浴下搅拌10分钟，加入溴丙炔(110 μL，1.44 mmol)，冰水浴搅拌2分钟，25℃下搅拌12小时，再经用柱色谱分离（洗脱剂：乙酸乙酯），旋蒸出溶剂，真空干燥，得到黄色固体176.2 mg，即为化合物2（收率，78.1%）。化合物2图谱信息如下：

¹H NMR (400 MHz, CDCl₃) δ 10.49 (s, 1H), 9.97 (s, 1H), 8.37 (d, J =2.2 Hz, 1H), 8.15 (dd, J = 8.7, 2.2 Hz, 1H), 7.29 (d, J = 8.7 Hz, 1H), 4.94(d, J = 2.4 Hz, 2H), 2.64 (t, J = 2.4 Hz, 1H).

化合物2合成路线如下：

3）目标化合物测钯离子的近红外荧光探针的制备

在100 mL三口烧瓶中加入（100 mg，0.53 mmol）上述产物2和3-（2, 3, 3-三甲基-3H-吲哚林）基丙烷(436.2 mg，1.325 mmol)，再加入溶剂乙酸酐13 mL，加入醋酸钠(28.1mg，0.53 mmol)加热回流80℃回流1小时，反应结束后，减压蒸除溶剂，通过硅胶柱色谱（洗脱剂，V二氯甲烷︰V甲醇=50︰1）进一步分离纯化，得到黑色固体208 mg，即为目标化合物测钯离子的近红外荧光探针（收率，70.6%）。

对制备所得目标化合物测钯离子的近红外荧光探针进行核磁氢谱、核磁碳谱和质谱分析，结果如下（详见图2、3和4）：

¹H NMR (400 MHz, CDCl₃) δ 9.95 (s, 1H), 9.35 (d, J = 8.7 Hz, 1H), 9.06– 8.98 (m, 1H), 8.73 (s, 1H), 8.14 (d, J = 16.2 Hz, 1H), 7.62 (d, J = 3.0 Hz,3H), 7.60 – 7.53 (m, 5H), 7.52 (s, 1H), 7.40 (d, J = 9.0 Hz, 1H), 5.13 (dt, J= 14.3, 7.0 Hz, 4H), 4.99 (d, J = 2.0 Hz, 2H), 2.69 (s, 1H), 2.14 – 2.01 (m,10H), 1.89 (s, 6H), 1.14 (q, J = 7.1 Hz, 6H). ¹³C NMR (101 MHz, CDCl₃) δ183.44 (d, J = 5.6 Hz), 182.90 (d, J = 5.3 Hz), 161.22 (s), 154.61 (d, J =7.3 Hz), 148.58 (s), 144.52 (s), 143.72 (s), 140.62 (s), 139.59 (s), 135.87(s), 130.15 (s), 129.74 (d, J = 1.4 Hz), 129.44 – 129.05 (m), 123.47 (s),122.99 (d, J = 2.6 Hz), 114.75 (s), 114.34 (s), 114.11 (d, J = 3.7 Hz),112.56 (s), 57.73 (s), 53.44 (s), 53.10 (d, J = 2.5 Hz), 52.61 (d, J = 1.9Hz), 50.06 (s), 49.72 (s), 27.51 (s), 27.25 (s), 22.56 (d, J = 12.3 Hz),11.30 (d, J = 3.0 Hz). ESI-MS (m/z): found 555.7 [M + H]⁺, calculated 555.79for C₃₉H₄₄NO²⁺.

目标化合物合成路线如下：

荧光检测应用试验

下文中，为描述简便，将本发明制备所得目标化合物“测钯离子的近红外荧光探针”统一简称为“探针Cy202”。

1）检测用储备液的配制：

a. 测钯离子的近红外荧光探针样品溶液(1.00 × 10^-3 mol·L^-1)的配制：

取0.00557 g(M =556.79)探针Cy202溶于10 mL乙腈中，配成浓度为1.00 × 10^-3mol·L^-1的溶液。

b. 各种金属离子均用去离子水配置成为浓度为1.00 × 10^-3 mol·L^-1或1.00× 10^-2 mol·L^-1的溶液

c. PBS缓冲溶液(0.01 mol•L^-1，pH = 7.4)的配制：

母液配置：0.2 mol•L^-1 K₂HPO₄: 称取78 g K₂HPO₄•12H₂O 溶于1000 mL水中；0.2mol•L^-1 KH₂PO₄: 称取27.2 g KH₂PO₄•2H₂O, 溶于1000 mL水中；

0.2 mol•L^-1 PBS母液(pH=7.4):取19 mL的0.2mol•L^-1KH₂PO₄，81mL 0.2 mol•L-1K₂HPO₄，即可。然后取50 mL0.2 mol•L^-1PBS溶液，加水稀释至1000 mL即可。

本文实验中使用的缓冲溶液均为PBS(0.01 mol•L^-1，pH = 7.4)，实验用水均为去离子水。

2)检测分析

取3 mL DMSO与PBS (0.10 mol∙L^-1，pH=7.4)的混合溶液，其体积比例分别为0:10、1:9、2:8、3:7、4:6、5:5、6:4、7:3、8:2、9:1、10:0。分别加入30μL探针Cy202样品溶液(1.00× 10^-3 mol·L^-1)，再加入钯离子储备液(1.00 × 10^-3 mol·L^-1)30 μL，于25℃反应，然后进行荧光检测，结果如图5所示。由图5可以看出：随着DMSO的增加，探针Cy202和钯离子反应，使吸光度逐渐增加，通过对比可以发现从图可以看出，在DMSO/ PBS (0.10 mol∙L^-1, v:v=8:2, pH = 7.4)的溶剂体系中，探针Cy202的荧光最强，它在689 nm处的发射荧光强度最大。因此，我们在后续的测试中选择了DMSO/PBS (0.10 mol∙L^-1, v:v=8:2, pH = 7.4)的最佳溶剂体系。

取3 mL DMSO/ PBS (0.10 mol∙L-1, v:v=8:2, pH = 7.4)混合溶液，加入30 μL探针Cy202样品溶液(1.00 × 10^-3 mol·L^-1)加入不同量的钯离子的响应时间，于25℃反应，然后进行荧光检测，结果如图6所示。由图6可以看出：随着时间的增加，探针Cy202和钯离子反应，使吸光度逐渐增强。图中所示荧光强度随着时间的增长而增加，但在30分钟后荧光强度达到最大，由此可知在以后的测试中，反应时间在30分钟内完成。

取3 mL DMSO/ PBS (0.10 mol∙L-1, v:v=8:2, pH = 7.4)混合溶液，加入30 μL探针Cy202样品溶液(1.00 × 10^-3 mol·L^-1)，再加入钯离子储备液(1.00 × 10^-2 mol·L^-1)0-30 μL，于25℃反应30分钟，然后进行荧光检测，激发波长为600nm，狭缝：2.5/5nm，结果如图7所示。由图7可以看出：随着钯离子加入当量的增加，探针Cy202和钯离子反应释放出来荧光，使荧光强度逐渐增加。图7插图为反应前后在紫外灯下的照片，图中图中肉眼可见钯离子可以使测钯离子的近红外荧光探针溶液发生明显的颜色变化，颜色由无色变为红色。

取3 mL DMSO/ PBS (0.10 mol∙L-1, v:v=8:2, pH = 7.4)混合溶液，加入30 μL探针Cy202样品溶液(1.00 × 10^-3 mol·L^-1)，再加入（0）空白;(1)100 μM Li⁺;(2)100 μMFe³⁺;(3)100 μM Cr³⁺;(4)100 μM Cu⁺;(5)100 μM Ag⁺;(6)100 μM Mg²⁺;(7)100 μM Ca²⁺;(8)100 μM Cu²⁺;(9)100 μM Zn²⁺;(10)100 μM Ni²⁺;(11)100 μM Fe²⁺;(12)100 μM Co²⁺;(13)100 μM Pb²⁺;(14)100 μM Cd²⁺;(15)100 μM Mn²⁺;(16)100 μM Al³⁺;(17)100 μM Au³⁺，反应30分钟后进行紫外-可见光光谱扫描，结果如图8所示。由图8可以看出：探针Cy202和钯离子反应，使吸光度增加，而其他金属离子与探针在此条件下没有明显的吸光度变化。图8插图为反应前后可见光下的照片，肉眼可见，钯离子可以使测钯离子的近红外荧光探针溶液发生明显的颜色变化，颜色由黄色变为腙色。

3）检出限

取3 mL DMSO/ PBS (0.10 mol∙L-1, v:v=8:2, pH = 7.4)混合溶液，分别每次加入30 μL探针Cy202样品乙腈溶液(1.00 × 10^-3 mol·L^-1)，分别反应30分钟后进行紫外-可见光光谱扫描，测吸光度，直到吸光度没有明显变化为止，以浓度的倒数为横坐标，吸光度之比为纵坐标进行做图，得如图9所述的线性方程。另取3 mL DMSO/ PBS (0.10 mol∙L-1, v:v=8:2, pH = 7.4)混合溶液，加入30 μL探针Cy202样品溶液(1.00 × 10^-3 mol·L^-1)，连续测20次吸光度，计算标准方差，根据检出限公式将所述标准方差的结果乘以3再除以图9线性方程的斜率可得本发明荧光探针的检出限为52nM。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种基于花菁结构测钯离子的近红外荧光探针，其特征在于，该测钯离子的近红外荧光探针分子式为C₃₉H₄₄N₂O²⁺，结构式如下：

。

2.根据权利要求1所述基于花菁结构测钯离子的近红外荧光探针的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）对羟基苯甲醛与乌洛托品反应得到化合物1，化合物1的结构式如下：

；

2）化合物1与溴丙炔反应得到化合物2，化合物2的结构式如下：

3）化合物2与2,3,3-三甲基-1-丙基-3H-吲哚-1-碘化物反应得到目标产物测钯离子的近红外荧光探针。

3. 根据权利要求2所述基于花菁结构测钯离子的近红外荧光探针的制备方法，其特征在于，步骤1）具体为：将对羟基苯甲醛溶解在三氟乙酸中，加入乌洛托品，加热到85~95℃回流15-24 h后加入浓盐酸，反应结束后冷却至室温，减压蒸除溶剂，再用0~-10℃乙醇重结晶，得到化合物1，其中，对羟基苯甲醛和乌洛托品的摩尔比为1︰1。

4. 根据权利要求2所述基于花菁结构测钯离子的近红外荧光探针的制备方法，其特征在于，步骤2）具体为：取化合物1和K₂CO₃溶于DMF中，冰水浴下搅拌5~15分钟，加入溴丙炔，冰水浴搅拌1~5分钟，室温下搅拌12-24 h，减压蒸除溶剂，经硅胶柱色谱分离纯化即得化合物2，其中，化合物1、K₂CO₃和溴丙炔的摩尔比为1︰2︰（1~1.2）。

5.根据权利要求2所述基于花菁结构测钯离子的近红外荧光探针的制备方法，其特征在于，步骤3）具体为：取化合物2和2,3,3-三甲基-1-丙基-3H-吲哚-1-碘化物，溶于乙酸酐，再加入醋酸钠，80~85℃回流0.5~1.5小时，减压蒸除溶剂，经硅胶柱色谱分离纯化即得目标化合物，化合物2、2,3,3-三甲基-1-丙基-3H-吲哚-1-碘化物和乙酸酐的摩尔比为1︰2.5︰1。

6.权利要求1所述基于花菁结构测钯离子的近红外荧光探针在近红外区钯离子检测中的应用。

7.根据权利要求6所述的应用，其特征在于，所述探针在650~750nm范围、pH=7.4的DMSO/PBS混合溶液中对钯离子进行检测。