CN109884014B

CN109884014B - 一种检测铁离子的有机硅咪唑聚合物

Info

Publication number: CN109884014B
Application number: CN201910169621.5A
Authority: CN
Inventors: 林伟英; 张宇; 左育静; 杨婷新; 王小妮
Original assignee: University of Jinan
Current assignee: University of Jinan
Priority date: 2019-03-07
Filing date: 2019-03-07
Publication date: 2021-07-23
Anticipated expiration: 2039-03-07
Also published as: CN109884014A

Abstract

本发明提供了一种检测铁离子的有机硅咪唑聚合物：

。可以采用巯基硅油与N‑乙烯基咪唑反应聚合获得。上述有机硅咪唑聚合物可以检测溶液或生物体中的铁离子。利用本发明的荧光聚合物，通过荧光成像技术可于评价和研究细胞内铁离子的含量和生理功能，对研究获得生物样品中铁离子的生理功能有潜在的应用价值。

Description

一种检测铁离子的有机硅咪唑聚合物

技术领域

本发明属于高分子聚合物荧光检测领域，具体涉及一种有机硅咪唑聚合物。

背景技术

在生物体中，铁离子作为一种重要的金属普遍存在，在一些重要的细胞功能运作过程中扮演重要角色，例如氧代谢、DNA和RNA转换过程中的电子转移等。然而，铁离子量的过量或不足，都会使机体的正常功能发生襄乱。在生物体内，铁离子不足，会限制输送到细胞中的氧气，从而导致身体疲劳、工作效率降低、免疫力低下等不良症状。相反，当铁离子过量时，通过Fenton反应使活性氧自由基（ROS）得到激活，将会对生物体的蛋白质，脂质和核酸造成严重破坏。

在生物和环境领域，铁离子的重要性促使了相关检测铁离子技术的迅猛发展。例如分光光度法、电感耦合等离子体质谱法、伏安法、原子吸收光谱法等。但这些传统的检测方法具有抗干扰能力弱、复杂的预处理过程，与此相比，有机硅咪唑聚合物的高分子聚合物由于其具有简单离效、选择性好、单一性强、灵敏度高等优点而可对金属离子实行在线检测，这就避免了对这些分子的预处理操作。

一个具有应用前景的铁离子检测工具应具有作用前后荧光变化明显、对目标分子响应快、选择性好、合成简单等优点。近年来，有较多检测活细胞中铁离子荧光聚合物的报道，然而存在原料不易得、合成步骤及操作复杂，抗干扰性差，识别位点单一等多方面的问题。因此，发展新的易制备的化合物应用于铁离子的检测尤为重要，从而为研究细胞病变过程中铁离子浓度变化情况提供可视化的检测工具。

有机硅的种类繁多，是因为聚硅氧烷包含多种基团结构。所谓功能化的有机硅材料就是将多种功能基团接在聚硅氧烷上。有机硅高分子有许多优越的性能。常用的有机硅高分子材料主要含硅油，硅橡胶和有机硅树脂，具有电绝缘，耐高低温，耐老化，生理惰性好等优点，是其他碳基高分子材料无法比拟的。相反，有机聚合物广泛应用于航空航天，化工，纺织，医疗，轻工，农业，电子等诸多领域。

近年来，能特异性检测铁离子的小分子荧光聚合物被大量报道。但是，较少有关于有机硅咪唑聚合物的荧光材料及功能化的聚合物被报道。另一方面，硅的阻断作用可避免聚合物聚集而使放光光谱变宽等缺点。目前针对铁离子识别的有机硅聚合物报道的并不多，尤其是通过定向识别细胞中的铁离子和荧光定向恢复的有机硅咪唑聚合物更是少之又少因此设计快速灵敏的聚硅氧烷的铁离子检测的荧光聚合物具有十分重要的意义。

发明内容

针对缺乏检测铁离子的高分子荧光探针的问题，本发明提供一种快速灵敏的有机硅咪唑的铁离子检测的荧光聚合物，能够检测时抗干扰、快速响应，制备简易。

本发明的另一目的是提供一种上述荧光聚合物在检测溶液中或生物细胞内铁离子的应用。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案。

一种检测铁离子的有机硅咪唑聚合物，简称PMMS-IM，其化学结构式如式（I）所示：

式（I）。

上述有机硅咪唑聚合物的制备方法，包括以下步骤：

（1）3-(二甲氧甲基硅基)-1-丙硫醇（化合物1）在水中加热回流获得巯基硅油（化合物2）；

（2）巯基硅油（化合物2）与N-乙烯基咪唑（化合物3）在四氢呋喃于紫外灯照射下搅拌反应，将反应物反应物除去溶剂，以石油醚沉淀，过滤后滤渣干燥得有机硅咪唑聚合物。

上述PMMS-IM的合成路线如下：

。

步骤（1）中，3-(二甲氧甲基硅基)-1-丙硫醇与水的质量比为1:3；反应温度为100℃。步骤（2）中，巯基硅油与N-乙烯基咪唑的摩尔比为1:0.8-1。

一种上述有机硅咪唑聚合物在检测溶液或生物体中的铁离子的应用。

本发明所述检测铁离子的有机硅咪唑聚合物PMMS-IM，本身处于荧光的状态，加入铁离子之后，该化合物中的咪唑环与铁离子发生配位，使有机硅咪唑聚合物荧光发生淬灭现象。

识别机理如下：

本发明具有以下优点：

本发明提供的检测铁离子的荧光聚合物溶液，当向其加入铁离子后荧光淬灭，该结果及其现象为生物学成像应用奠定了理论基础，预示其在激光激发荧光生物标记领域具有潜在的应用价值。利用本发明的荧光聚合物，通过荧光成像技术可于评价和研究细胞内铁离子的含量和生理功能，对研究获得生物样品中铁离子的生理功能有潜在的应用价值。

附图说明

图1：荧光聚合物的红外谱图；

图2：荧光聚合物在有机相中的选择性，其中激发波长为365 nm；荧光聚合物的浓度：10 µM，选择性离子的浓度为40 mM；

图3：荧光聚合物的稳定性测试，其中激发波长为365 nm；荧光聚合物的浓度：10 µM；

图4：荧光聚合物与铁离子作用的动力学，其中激发波长为365 nm；荧光聚合物的浓度：80 mM，铁离子的浓度为 40 mM，测试时间：100 min；

图5：荧光聚合物对不同浓度铁离子的响应，荧光聚合物浓度为80 mM；

图6：荧光聚合物对细胞外源性铁离子细胞成像测试，荧光聚合物浓度为80 mM，铁离子浓度为40 mM，激发波长为365 nm。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明做进一步说明，但本发明不受下述实施例的限制。

实施例1 荧光聚合物PMMS-IM的合成

（1）3-(二甲氧甲基硅基)-1-丙硫醇与水按质量比为1：3于100℃回流24 h获得巯基硅油（PMMS）；

（2）在100 mL圆底烧瓶中，加入巯基硅油2.0 g，溶于50 mL四氢呋喃中，再加入2.1g N-乙烯基咪唑，紫外灯照射下搅拌30 min，然后将反应液旋蒸除去溶剂，然后用不良溶剂石油醚沉淀，过滤后将滤渣干燥得到化合物PMMS-IM。原料N-乙烯基咪唑、巯基硅油与荧光聚合物的红外光谱图如图1所示。

实施例2 荧光聚合物PMMS-IM对不同离子的选择性

配制5 mL浓度为40 mM的各种常规的离子PBS水溶液及浓度为80 mM的实施例1制备的检测铁离子的有机硅咪唑聚合物PMMS-IM母液作为备用。

加入25 μL母液、500 μL四氢呋喃和500当量的各离子溶液，使荧光聚合物的浓度为10 μM，各种阳离子的浓度为40 mM。用磷酸缓冲液PBS定容至3 mL，摇匀后反应30 min，进行荧光检测（λ_ex= 365 nm，λ_em= 425 nm），建立荧光强度与各离子的柱状图，结果见图2，其中由左到右的条柱分别代表空白、Fe³⁺、Cu²⁺、Cr³⁺、Al³⁺、Cd²⁺、Co²⁺、Zn²⁺、Na⁺、Ag⁺和Mg²⁺离子。由图2可以发现，其他离子对化合物PMMS-IM的荧光几乎没有影响，而铁离子的加入使化合物PMMS-IM的荧光发生非常明显的减弱。

实施例3 荧光聚合物PMMS-IM的稳定性检测

配制浓度为80 mM的实施例1制备的检测铁离子的有机硅咪唑聚合物PMMS-IM母液作为备用。稀释荧光聚合物的浓度为10 μM，在0-300min内每隔10min检测一次体系荧光强度，建立随时间变化的荧光强度标准曲线，如图3所示。由图3可知，荧光聚合物的荧光强度在检测时间内几乎无变化，说明该化合物的稳定性非常好。

实施例4 荧光聚合物PMMS-IM与铁离子作用的动力学

配制10 mL浓度为40 mM铁离子的水溶液及浓度为80 mM的实施例1制备的检测铁离子的化合物PMMS-IM母液作为备用。

稀释化合物PMMS-IM和铁离子的溶液，其浓度分别为：母液10 μM；铁离子浓度：20μM。混合后进行荧光检测（λ_ex= 365 nm，λ_em= 425 nm），每隔5 s测试一次，测试3 min，计算各体系中随时间变化的荧光强度，建立荧光强度与作用时间标准曲线，如图4所示。由图4可知，反应约90s后，荧光强度基本稳定，反应3min后，反应体系荧光强度基本全部淬灭。

实施例5 荧光聚合物PMMS-IM对不同浓度铁离子的响应

配制10 mL浓度为40 mM铁离子的水溶液及浓度为80 mM的本发明所述检测铁离子的有机硅咪唑聚合物PMMS-IM母液作为备用。加入50 μL的PMMS-IM母液，将40 mM铁离子的水溶液，分别加入1 μL、2 μL、3 μL、4 μL、5 μL、10 μL、15 μL、20 μL、25 μL、30 μL、40 μL、50 μL，进行荧光扫描（λ_ex= 365 nm），结果如图5所示：随着铁离子浓度升高，荧光强度逐渐降低。

实施例6 荧光聚合物PMMS-IM对细胞外源性铁离子细胞成像

配制10 mL浓度为40 mM铁离子的水溶液及浓度为80 mM的本发明所述检测铁离子的有机硅咪唑聚合物PMMS-IM母液作为备用。稀释PMMS-IM和铁离子的溶液，其浓度分别为：母液10 μM；铁离子浓度：20 μM，然后进行细胞外源性铁离子细胞成像测试：

首先，将PMMS-IM溶液加入到育有HeLa细胞的培养液中在二氧化碳培养箱中培养10min，分别明场和以405nm激光激发-绿通道成像，如图6上所示：明场中可以看到细胞大致的轮廓，细胞在蓝通道中有蓝色荧光；

然后将在上述细胞培养液中加入铁离子，然后在二氧化碳培养箱中培养10min，分别明场和以405nm激光激发-绿通道成像，如图6下所示：明场中可以看到细胞大致的轮廓，细胞在绿通道中几乎无荧光，说明加入外源性铁离子水溶液后，荧光淬灭。

Claims

1.一种有机硅咪唑聚合物在检测溶液或生物体中的铁离子的应用，其特征在于，有机硅咪唑聚合物的化学结构式如式（I）所示：

式（I）。

2.根据权利要求1所述的应用，其特征在于，制备方法包括以下步骤：

（1）3-(二甲氧甲基硅基)-1-丙硫醇在水中加热回流获得巯基硅油；

（2）巯基硅油与N-乙烯基咪唑在四氢呋喃于紫外灯照射下搅拌反应，将反应物除去溶剂，以石油醚沉淀，过滤后滤渣干燥得有机硅咪唑聚合物。

3.根据权利要求2所述的应用，其特征在于，步骤（1）中，3-(二甲氧甲基硅基)-1-丙硫醇与水的质量比为1:3；反应温度为100℃；

步骤（2）中，巯基硅油与N-乙烯基咪唑的摩尔比为1:0.8-1。