CN109535129B - 一种荧光探针分子及其制备与应用 - Google Patents

一种荧光探针分子及其制备与应用 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种荧光探针分子及其制备与应用。所述荧光探针分子的化学式为C7H7N‑2R，其中R表示发色团，选自咪唑、苯并[f]苯并咪唑中的一种；所述荧光探针分子的结构式为
Figure DDA0001906080560000011
本发明提出的荧光探针分子，制备方法简单，对不同的金属离子有不同的响应，可以实现对水溶液中多种金属离子的检测。本荧光探针分子灵敏度高、简单快速、检测限低、应用范围广，该荧光探针以咪唑类化合物为标记及发色团分子，具有应用于环境水样分析的应用前景。

Description

一种荧光探针分子及其制备与应用
技术领域
本发明属于检测领域，具体涉及一种用于检测金属离子的荧光探针分子，及其制备和应用。
背景技术
荧光探针是一类能将分子识别事件通过荧光信号有效表达的分子。荧光探针分子因其选择性好、灵敏度高、操作简单、响应快、检测限低和实时原位检测等优点已被广泛应用于化学、生物科学、环境检测及医学等领域。近年来，设计和合成高选择性荧光探针检测金属离子是化学研究领域的重要研究方向之一。
近年来，随着电镀工业、化工业、电子业和核工业等领域的快速发展，铁、钴、镍、铜、锌、铝、钡、锰、镉等金属的污染问题也日益严重。因此研究可以快速有效地检测生态环境及生物体内的金属离子含量的方法对化学、生物学、环境化学、医学都具有重要意义。
咪唑及其衍生物作为富电子的含氮杂环化合物具有较强的配位能力和突出的生理活性，其外围氮可以与金属离子作用从而改变自身的荧光性质，具有灵敏度高、选择性好、操作简单、响应快、检测限低和应用范围广等优点。
发明内容
针对本领域存在的问题，本发明的目的在于提供一种灵敏度高、简单快速、检测限低、应用范围广的荧光探针分子，该荧光探针以咪唑类化合物为标记及发色团分子，具有应用于环境水样分析的应用前景。
本发明的另一目的是提供所述荧光探针分子的制备方法。
本发明的又一目的是提出所述荧光探针分子的应用。
实现本发明上述目的的技术方案为：
一种荧光探针分子，所述荧光探针分子的化学式为C7H7N-2R，其中R表示发色团，选自咪唑、苯并[f]苯并咪唑中的一种；所述荧光探针分子的结构式为
Figure BDA0001906080540000021
制备所述的荧光探针分子的方法，包括如下步骤：
a)将咪唑或苯并[f]苯并咪唑加入有机溶剂中，与无机碱和2,6-二溴甲基吡啶反应，；
b)将步骤a)的反应产物分离除去溶剂。
本制备方法的反应路线如下：
Figure BDA0001906080540000022
其中，所述咪唑或苯并[f]苯并咪唑与2,6-二溴甲基吡啶的摩尔比例为(1.9～2.2):1，所述无机碱与2,6-二溴甲基吡啶的摩尔比例为(2～4):1。
其中，所述步骤a)中，所述有机溶剂选自腈类，醇类，醚类，呋喃类，苯类溶剂中的一种或多种；2,6-二溴甲基吡啶在有机溶剂中的摩尔浓度为0.01～0.5mmol/mL；优选为0.1～0.3mmol/mL。
其中，所述步骤a)中，所述无机碱选自碳酸钾，碳酸钠，碳酸铯，磷酸钾，磷酸钠，磷酸铯，氢氧化钾，氢氧化钠中的一种或多种。
其中，所述步骤a)中，在氮气保护下回流反应20～30小时。
步骤b)分离除去溶剂的操作可以为：减压蒸馏除去溶剂，将得到的固体制品溶于二氯甲烷，水萃取，取有机层。用硅胶色谱分离。
本发明的一种优选技术方案为，所述步骤a)中，咪唑或苯并[f]苯并咪唑在有相转移催化剂存在条件下与无机碱和2,6-二溴甲基吡啶反应，所述相转移催化剂选自四丁基溴化铵，四丁基氯化铵，四丁基氟化铵，四丁基碘化铵，四丁基硫酸氢铵，四丁基磷酸氢铵，四丁基对甲苯磺酸铵中的一种。
本发明所述的荧光探针分子的应用，该荧光探针分子用于水溶液中金属离子的检测。
一种于水溶液中金属离子的检测方法，包括：将权利要求1所述的荧光探针分子溶于溶剂中制得荧光探针分子溶液；
向所述荧光探针分子溶液中加入金属离子的水溶液，以347nm为激发波长，在360nm-550nm范围内测定其荧光值；
铁离子、铜离子和铝离子的加入引起荧光减弱响应，镉离子、锰离子、镍离子、锌离子、钴离子和钡离子的加入引起荧光增强响应。
进一步地，将所述的荧光探针分子溶于溶剂中制得1～50μmol/L的荧光探针分子溶液；所述溶剂为无水乙醇、丙酮、甲醇、乙二醇中的一种或多种。
本发明的有益效果在于：
本发明提出的荧光探针分子，制备方法简单，对不同的金属离子有不同的响应，可以实现对水溶液中多种金属离子的检测。
本荧光探针分子灵敏度高、简单快速、检测限低、应用范围广，该荧光探针以咪唑类化合物为标记及发色团分子，具有应用于环境水样分析的应用前景。
附图说明
图1为本发明水溶性金属离子荧光探针分子1【2,6-二(1-咪唑基)甲基吡啶】的核磁共振氢谱图；
图2为本发明水溶性金属离子荧光探针分子2【2,6-二(1-苯并[f]苯并咪唑基)甲基吡啶】的核磁共振氢谱图；
图3为本发明荧光探针分子1(1×10-5M)在乙醇溶液中对在各种金属离子存在的情况下的荧光发射光谱；
图4为本发明荧光探针分子2(1×10-5M)在乙醇溶液中对在各种金属离子存在的情况下的荧光发射光谱。
图5为荧光探针分子结构。
具体实施方式
以下具体实施方式用于说明本发明，但不应理解为对本发明的限制。
实施例中，如无特别说明，所用技术手段为本领域常规的技术手段。
实施例1：
本发明水溶性金属离子荧光探针分子1【2,6-二(1-咪唑基)甲基吡啶】的合成方法一：
2,6-二(1-咪唑基)甲基吡啶的合成：分别称取咪唑(255.7mg，3.76mmol)和碳酸钾(1.56g，11.28mmol)于150mL三口瓶中，加入70ml乙腈，搅拌中加入2,6-二溴甲基吡啶(500mg，1.88mmol)。随后在氮气保护下90℃回流24小时后。
过滤得澄清溶液；减压蒸馏除去溶剂，溶于二氯甲烷，用水萃取三次，取有机层，除去溶剂，用硅胶色谱分离得到化合物1(274.5mg，61％)。
核磁共振分析结果为(图1)：1H NMR(400MHz,[D6]DMSO,298K)δppm 7.79(t,J＝8Hz,1H),7.75(s,2H),7.20(s,2H),7.03(d,J＝4.0Hz,2H),6.93(s,2H),5.29(s,4H).证实为图5荧光探针分子1。
实施例2：本发明水溶性金属离子荧光探针分子2【2,6-二(1-苯并[f]苯并咪唑基)甲基吡啶】的合成方法一：
2,6-二(1-苯并[f]苯并咪唑基)甲基吡啶的合成：分别称取苯并[f]苯并咪唑(632.4mg，3.76mmol)和碳酸钾(1.56g，11.28mmol)于150mL三口瓶中，加入70ml乙腈，搅拌中加入2,6-二溴甲基吡啶(500mg，1.88mmol)。随后在氮气保护下90℃回流24小时。
过滤得澄清溶液，减压蒸馏除去溶剂，溶于二氯甲烷，用水萃取三次，取有机层，除去溶剂，用硅胶色谱分离得到化合物2(478.5mg，58％)。
核磁共振分析结果为(图2)：1H NMR(400MHz,[D6]DMSO)δ8.63(s,2H),8.25(s,2H),8.01(d,2H),7.85(s,2H),7.74(t,J＝8Hz,3H),7.38-7.31(m,4H),7.22(d,J＝8Hz,2H),5.66(s,4H).证实为图5之荧光探针分子2。
实施例3：本发明水溶性金属离子荧光探针分子1【2,6-二(1-咪唑基)甲基吡啶】的合成方法二：
2,6-二(1-咪唑基)甲基吡啶的合成：称取咪唑(255.7mg，3.76mmol)于25mL烧瓶中，加入10mL甲苯。称取碳酸钾(1.56g，11.28mmol)和四丁基溴化铵(41.7mg，0.13mmol)于10mL烧瓶中，加入5mL水。将水溶液加入甲苯溶液中，搅拌中加入2,6-二溴甲基吡啶(500mg，1.88mmol)，随后室温搅拌8小时，有固体析出，将固体过滤干燥得到化合物1(368.2mg，82％)。
相比于实施例1所用方法90℃回流24小时得到粗产物(纯度70％)，还需进行硅胶色谱分离纯化得到纯度99％的化合物1，其产率为61％。实施例3所用方法室温搅拌8小时即得到纯度99％的化合物1，产率为82％，并且无需后序纯化操作，其操作简便，产率高，节约能源，实验污染小，是一种绿色化学合成方法。
核磁共振分析结果为：1H NMR(400MHz,[D6]DMSO,298K)δppm 7.79(t,J＝8Hz,1H),7.75(s,2H),7.20(s,2H),7.03(d,J＝4.0Hz,2H),6.93(s,2H),5.29(s,4H)。
实施例4：本发明水溶性金属离子荧光探针分子2【2,6-二(1-苯并[f]苯并咪唑基)甲基吡啶】的合成方法二：
2,6-二(1-苯并[f]苯并咪唑基)甲基吡啶的合成：称取苯并[f]苯并咪唑(632.4mg，3.76mmol)于25mL烧瓶中，加入10mL甲苯。称取碳酸钾(1.56g，11.28mmol)和四丁基溴化铵(41.7mg，0.13mmol)于10mL烧瓶中，加入5mL水。
将水溶液加入甲苯溶液中，搅拌中加入2,6-二溴甲基吡啶(500mg，1.88mmol)，随后室温搅拌8h，至有固体析出，将固体过滤干燥得到化合物2(742.5mg，90％)。
核磁共振分析结果为(图2)：1H NMR(400MHz,[D6]DMSO)δ8.63(s,2H),8.25(s,2H),8.01(d,2H),7.85(s,2H),7.74(t,J＝8Hz,3H),7.38-7.31(m,4H),7.22(d,J＝8Hz,2H),5.66(s,4H)。
应用实施例1：本发明所述的荧光探针分子1对水溶性金属离子的选择性：
用去离子水配制各种金属盐的水溶液5mM。
取2.4mg本实施例1制荧光探针分子1，将其溶于1L无水乙醇中制得10μM的溶液。
在比色皿中加入3mL的本发明荧光探针分子的溶液与1mL金属盐的水溶液。混合均匀后，以350nm为激发波长，在360nm-550nm范围内测定其荧光值。本发明荧光探针分子1在391nm处有荧光，向体系中加入各种金属离子，如附图3所示，只有铁离子的加入引起明显的荧光减弱响应。铁离子的加入使荧光猝灭。这一结果表明，本发明荧光探针分子1对铁离子具有高度的选择性。
实施例3制备方法得到的探针分子具有同样的响应。
应用实施例2：本发明所述的荧光探针分子2对水溶性金属离子的选择性：
用去离子水配制各种金属盐的水溶液5mM。
取4.4mg本发明实施例2制荧光探针分子2，将其溶于1L无水乙醇中制得10μM的溶液。在比色皿中加入3ml的本发明荧光探针分子的溶液与1mL金属盐的水溶液。混合均匀后，以347nm为激发波长，在360nm-550nm范围内测定其荧光值。本荧光探针分子2在377nm处有荧光，向体系中加入各种金属离子，如附图4所示，铁离子、铜离子和铝离子的加入引起明显的荧光减弱响应，镉离子、锰离子、镍离子、锌离子、钴离子和钡离子的加入引起明显的荧光增强响应。这一结果表明，本发明荧光探针分子2对铁水溶性金属离子具有的普适性。
实施例4制备方法得到的探针分子具有同样的响应。
以上的实施例仅仅是对本发明的具体实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，本领域技术人员在现有技术的基础上还可做多种修改和变化，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通工程技术人员对本发明的技术方案作出的各种变型和改进，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。

Claims (14)

1.一种荧光探针分子，其特征在于，所述荧光探针分子的结构式为：
Figure FDA0002496750450000011
2.制备如权利要求1所述的荧光探针分子的方法，其特征在于，包括如下步骤：
a)将苯并[f]苯并咪唑加入有机溶剂中，与无机碱和2,6-二溴甲基吡啶反应；所述无机碱选自碳酸钾，碳酸钠，碳酸铯，磷酸钾，磷酸钠，磷酸铯，氢氧化钾，氢氧化钠中的一种或多种；
b)将步骤a)的反应产物分离除去溶剂。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述苯并[f]苯并咪唑与2,6-二溴甲基吡啶的摩尔比例为(1.9～2.2):1，所述无机碱与2,6-二溴甲基吡啶的摩尔比例为(2～4):1。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤a)中，所述有机溶剂选自腈类，醇类，醚类，呋喃类，苯类溶剂中的一种或多种；2,6-二溴甲基吡啶在有机溶剂中的摩尔浓度为0.01～0.5mmol/mL。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述2,6-二溴甲基吡啶在有机溶剂中的摩尔浓度为0.1～0.3mmol/mL。
6.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述步骤a)中，在氮气保护下加热回流反应20～30小时。
7.根据权利要求2～5任一项所述的制备方法，其特征在于，所述步骤a)中，苯并[f]苯并咪唑在有相转移催化剂存在条件下与无机碱和2,6-二溴甲基吡啶反应，所述相转移催化剂选自四丁基溴化铵，四丁基氯化铵，四丁基氟化铵，四丁基碘化铵，四丁基硫酸氢铵，四丁基磷酸氢铵，四丁基对甲苯磺酸铵中的一种。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述相转移催化剂与2,6-二溴甲基吡啶的摩尔比例为(0.05～0.08)：1。
9.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述步骤a)中，反应至有固体析出。
10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，将所述固体过滤干燥得到产物。
11.权利要求1所述的荧光探针分子的应用，其特征在于，该荧光探针分子用于水溶液中金属离子的检测。
12.一种于水溶液中金属离子的检测方法，其特征在于，包括：将权利要求1所述的荧光探针分子溶于溶剂中制得荧光探针分子溶液；
向所述荧光探针分子溶液中加入金属离子的水溶液，以347nm为激发波长，在360nm-550nm范围内测定其荧光值；
铁离子、铜离子和铝离子的加入引起荧光减弱响应，镉离子、锰离子、镍离子、锌离子、钴离子和钡离子的加入引起荧光增强响应。
13.根据权利要求12所述的检测方法，其特征在于，将所述的荧光探针分子溶于溶剂中制得1～50μmol/L的荧光探针分子溶液；所述溶剂为无水乙醇、丙酮、甲醇、乙二醇中的一种或多种。
14.荧光探针分子在水溶液中金属离子的检测中的应用，所述金属离子为铁离子，所述荧光探针分子的结构式如下：
Figure FDA0002496750450000031
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