CN109942509A

CN109942509A - 一种碱性条件下识别铜离子的荧光探针及其制备方法和应用

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Publication number: CN109942509A
Application number: CN201910379612.9A
Authority: CN
Inventors: 邢志勇; 曾爽; 李明强; 刘程国
Original assignee: Northeast Agricultural University
Current assignee: Northeast Agricultural University
Priority date: 2019-05-08
Filing date: 2019-05-08
Publication date: 2019-06-28
Anticipated expiration: 2039-05-08
Also published as: CN109942509B

Abstract

一种碱性条件下识别铜离子的荧光探针及其制备方法和应用，涉及一种识别铜离子的荧光探针及其制备方法和应用。是要解决现有的荧光探针无法作为碱性指示剂同时在强碱性条件下对铜离子进行定量检测的问题。该荧光探针为2‑(2‑羟基苯基)苯并噻唑与邻羟基苯甲酰肼的共价结合体。方法：一、3‑甲基水杨醛与邻氨基苯硫酚反应得到化合物1；二、将步骤一得到的化合物1与乌洛托品反应得到化合物2；三、将步骤二得到的化合物2和邻羟基苯甲酰肼反应即可制得目标化合物Z。所述的荧光探针在强碱条件下用于对铜离子的含量传感检测。并作为弱碱性指示剂用于检测pH值。本发明用于荧光探针领域。

Description

一种碱性条件下识别铜离子的荧光探针及其制备方法和应用

技术领域

本发明涉及一种识别铜离子的荧光探针及其制备方法和应用。

背景技术

人体内pH值的稳定是维持生命正常生理机能的重要因素，若生命体内的pH发生异常，会导致人体内正常机能紊乱，进而会引发一些生理疾病，如中风、阿尔兹海默症、心脑血管疾病甚至是癌症。在真核细胞中，细胞器都对应着不同的酸碱度，例如，细胞质中pH是弱碱性的，而溶酶体是弱酸性的(pH约4.0-6.0)。在酸性pH条件下,溶酶体中的水解酶(如蛋白酶、磷酸酶、脂肪酶、核酸酶等)会发生活化，稳定的酸碱度保证了溶酶体正常机能。此外，在水质检测中，pH是一项重要的检测指标，尤其对于饮用水而言，其pH值应在6.5-8.5之间。因此，实时地监测环境水质及人体细胞中pH值的变化具有非常重要的意义。然而现有的荧光探针无法进行弱碱性pH值的检测。

众所周知，铜离子在动植物中是非常重要的微量元素，在人体所含的过渡金属中排第3位。它作为氧化还原催化剂和氢载体在人体的酶中广泛存在，例如乳糖氧化酶、胺基氧化酶、过氧化歧化酶等。同时，人体内如果缺乏铜元素会导致代谢紊乱，但摄入过量的铜也会产生巨大的毒害作用。此外随着工业的发展，铜单质及其化合物被广泛用于工业生产，而工业废水流入水体中，对水环境造成了严重的污染。因此，对水中铜离子的分析测定具有重要的现实意义。目前的铜离子检测探针无法作为碱性指示剂同时在强碱性条件下对铜离子进行定量检测。

发明内容

本发明是要解决现有的荧光探针无法作为碱性指示剂同时在强碱性条件下对铜离子进行定量检测的问题，提供一种碱性条件下识别铜离子的荧光探针及其制备方法和应用

本发明碱性条件下识别铜离子的荧光探针为2-(2-羟基苯基)苯并噻唑与邻羟基苯甲酰肼的共价结合体，所述荧光探针的结构式如下：

上述碱性条件下识别铜离子的荧光探针的制备方法，包括以下步骤：

一、3-甲基水杨醛与邻氨基苯硫酚反应得到化合物1：

将3-甲基水杨醛与邻氨基苯硫酚溶于N，N-二甲基甲酰胺(DMF)中，再加入焦亚硫酸钠，加热回流，加热温度为110～120℃，反应6～7h，用TCL板检测反应，反应完全后，冷却至室温后向溶液中加入去离子水有淡黄色沉淀析出，将沉淀过滤，用去离子水洗涤5～6次，干燥后得到化合物1；

其中3-甲基水杨醛和邻氨基苯硫酚的摩尔比为1：1；3-甲基水杨醛和焦亚硫酸钠的摩尔比为1：(1～2)；

二、将步骤一得到的化合物1与乌洛托品反应得到化合物2：

将化合物1与乌洛托品溶于三氟乙酸中，加热回流，加热温度为70～75℃，反应7～8h，用TCL板检测反应，反应完全后，向溶液中加入去离子水并继续反应10～20min，有大量沉淀析出，将沉淀过滤，用去离子水洗涤5～6次，干燥后得到化合物2；

其中化合物1与乌洛托品的摩尔比为1：(2～5)；

三、将步骤二得到的化合物2和邻羟基苯甲酰肼反应即可制得目标化合物Z：

将化合物2与邻羟基苯甲酰肼加入乙醇中，加热回流，加热温度为80～85℃，反应4～5h，用TCL板检测反应，反应完全后，冷却至室温，并向溶剂中加入蒸馏水，将沉淀过滤，用乙醇洗涤5～6次，干燥后得到目标化合物Z；

其中化合物2与邻羟基苯甲酰肼的摩尔比为1：1。

具体反应式如下：

上述荧光探针在强碱条件下对铜离子的含量传感检测中的应用。

进一步的，所述的传感检测为荧光比率检测、紫外比率检测、目视定性检测或试纸检测。

进一步的，所述的强碱条件为pH＝13。

上述荧光探针作为弱碱性指示剂的应用。

具体的，所述荧光探针用于水环境体系中对弱碱性pH值的测定。

所述弱碱性pH值为7.5～9.5。

本发明的有益效果：

本发明的荧光探针即可作为碱性指示剂，同时又可在碱性条件下检测铜离子，是一种双功能探针。

本发明探针本身在DMF/H₂O(3/7,v/v,0.01M HEPES)酸性至中性溶液中几乎无荧光发射，当溶液呈碱性时溶液发射出绿色荧光，且荧光强度随溶液碱性程度变大而增强。实验结果表明，在pH范围为2-7时，探针溶液几乎无荧光发射。而在pH范围为8-13时，溶液有显著蓝绿色荧光发射，且溶液碱性程度越大，肉眼可见荧光强度越强。同时，在强碱性条件下，加入铜离子与探针作用后溶液荧光由亮绿色变为紫蓝色。

该探针自身存在ESIPT效应(激发态质子转移)，即羟基质子向苯并噻唑上N上转移，该效应可能会使探针在激发态下发生非辐射衰变，从而在酸性或者中性条件下无荧光，而在碱性条件下羟基发生去质子化，一方面抑制了原有的ESIPT效应，另一方面由于氧原子带负电荷，是ICT(分子内电荷转移)效应开启，使荧光增强。

而在碱性条件下，探针荧光开启后，此时加入铜离子，会分别与苯并噻唑上N原子、羟基氧原子，以及苯甲酰肼羟基上O原子、N原子配位，由于铜离子自身的顺磁性效应以及螯合后使ICT效应降低，从而使荧光出现显著下降并蓝移的现象，达到检测的目的。

本发明实现了探针既可对弱碱性pH值进行测量又可对碱性条件下铜离子进行传感检测，并且选择性好，抗其他金属离子干扰能力强，检测限低，在pH＝13的条件下，荧光的检测限为1.35×10^-6M，紫外光的检测限为3.75×10^-7M。

此外，在紫外灯下就可以观察到荧光颜色变化。相比于其它单纯通过荧光光谱定量检测金属离子的荧光探针，本探针还可以通过紫外光谱进行紫外比率定量检测。基于其特异性且显著的颜色变化，该试剂可作为显示碱性水溶液中铜离子存在的专一性指示剂，可进行实时定性及定量的目视比色法检测。

本发明探针的合成只需要三步就可以完成，且原料经济，后处理过程相对简单。本发明是一种简单，快速，灵敏的测定弱碱性pH值及铜离子的双功能检测试剂，在水样环境检测领域具有广阔的应用前景。

附图说明

图1为实施例1中探针Z在不同pH下的荧光光谱图；

图2为实施例1中不同pH条件下的探针溶液在紫外灯下照射的结果；

图3为实施例1中探针Z在DMF/H₂O(3/7,v/v,pH＝13)介质中的荧光光谱图；

图4为实施例1中探针Z与不同金属离子混合后在紫外灯下的照射结果；

图5为共存离子对铜离子测定的影响；

图6为探针Z在DMF/H₂O(3/7,v/v,pH＝13)下对不同浓度Cu²⁺的荧光光谱响应图；

图7为探针Z在DMF/H₂O(3/7,v/v,pH＝13)下对不同浓度Cu²⁺的紫外光谱响应图；

图8为试纸放入含有探针Z及不同浓度的Cu²⁺溶液中浸染、干燥后的结果图。

具体实施方式

本发明技术方案不局限于以下所列举具体实施方式，还包括各具体实施方式间的任意组合。

具体实施方式一：本实施方式碱性条件下识别铜离子的荧光探针为2-(2-羟基苯基)苯并噻唑与邻羟基苯甲酰肼的共价结合体，所述荧光探针的结构式如下：

本实施方式探针本身在DMF/H₂O(3/7,v/v,0.01M HEPES)酸性至中性溶液中几乎无荧光发射，当溶液呈碱性时溶液发射出绿色荧光，且荧光强度随溶液碱性程度变大而增强。实验结果表明，在pH范围为2-7时，探针溶液几乎无荧光发射。而在pH范围为8-13时，溶液有显著蓝绿色荧光发射，且溶液碱性程度越大，肉眼可见荧光强度越强。同时，在强碱性条件下，加入铜离子与探针作用后溶液荧光由亮绿色变为紫蓝色。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述荧光探针在pH＝13的条件下，对铜离子的荧光检测限为1.35×10^-6M。其它与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述荧光探针在pH＝13的条件下，对铜离子的紫外吸收检测限为3.75×10^-7M。其它与具体实施方式一相同。

具体实施方式四：本实施方式碱性条件下识别铜离子的荧光探针的制备方法，包括以下步骤：

一、3-甲基水杨醛与邻氨基苯硫酚反应得到化合物1：

二、将步骤一得到的化合物1与乌洛托品反应得到化合物2：

其中化合物1与乌洛托品的摩尔比为1：(2～5)；

其中化合物2与邻羟基苯甲酰肼的摩尔比为1：1。

具体实施方式五：本实施方式荧光探针在强碱条件下对铜离子的含量传感检测中的应用。所述荧光探针的结构式如下：

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式五不同的是：所述的传感检测为荧光比率检测、紫外比率检测、目视定性检测或试纸检测。其它与具体实施方式五相同。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式五不同的是：所述的强碱条件为pH＝13。其它与具体实施方式五相同。

具体实施方式八：本实施方式荧光探针作为弱碱性指示剂的应用。所述荧光探针的结构式如下：

具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式八不同的是：所述荧光探针用于水环境体系中对弱碱性pH值的测定。其它与具体实施方式八相同。

具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式八或九不同的是：所述弱碱性pH值为7.5～9.5。其它与具体实施方式八或九相同。

下面对本发明的实施例做详细说明，以下实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方案和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1：

本实施例碱性条件下识别铜离子的荧光探针的制备方法，包括以下步骤：

一、化合物1的合成：

将925mg(7.40mmol)邻氨基苯硫酚、1.011g(7.43mmol)3-甲基水杨醛以及1.64g(8.63mmol)Na₂S₂O₅加入到装有N,N-二甲基甲酰胺(20mL)的圆底烧瓶中，105℃下回流6h。待反应结束，冷却至室温，将沉淀过滤。再将滤液倒入蒸馏水(200mL)中，析出白色沉淀，过滤并用蒸馏水淋洗5次，得到白色固体1.58g，产率：88.5％。

二、化合物2的合成：

将1g(4.15mmol)化合物1和3.12g(22.26mmol)六亚甲基四胺加入到装有三氟乙酸(12mL)的圆底烧瓶中，回流7h。TCL硅胶板监测至无原料点时，向反应液中加入蒸馏水(30mL)，出现大量黄色沉淀，继续反应10min后停止反应。冷却至室温，将沉淀过滤，得到黄色固体1.03g，产率：77％。

三、目标化合物的合成：

将化合物2(100mg，0.37mmol)与邻羟基苯甲酰肼(56mg,0.37mmol)加入20ml乙醇中，向其中滴加两滴冰乙酸，加热回流，加热温度为80℃，反应4h，反应完全后，冷却至室温，将沉淀过滤，用乙醇洗涤5次，干燥后得到目标化合物Z，产率89.2％。

实施例2：

荧光探针Z作为碱性指示剂的应用：

将实施例1中合成的荧光探针Z溶于DMF中，配制浓度为1×10^-5mol/L的不同pH值的DMF/H₂O(3/7,v/v,0.01M HEPES)，检测探针Z在不同pH下的荧光性能。图1为pH测试光谱图，图1可以看出在DMF/H₂O(3/7,v/v,0.01M HEPES)介质中，在pH＝2-7之间时，探针Z几乎无荧光发射。而当溶液pH﹥7后，在498nm处出现最大荧光发射峰，且随着溶液碱性程度越大，荧光发射强度越强，在pH＝13时其荧光强度值为535。并且在pH＝7.5-9.5之间时，探针Z在498nm处的荧光强度值与pH之间有良好的线性关系(R2＝0.9899)。并且如图2所示，将不同pH条件下的探针溶液在紫外灯激发波长365nm下照射，可以发现在pH范围为2-7时几乎无荧光发射，而在pH范围为8-13时溶液有显著蓝绿色荧光发射，且溶液碱性程度越大，肉眼可见荧光强度越强。这一现象表明，探针Z可作为一种通过裸眼对弱碱性环境pH值进行快速检测的探针，即可作为碱性指示剂。

实施例3：

荧光探针Z在碱性条件下检测铜离子的应用：

由于探针Z在中性条件下对金属离子无显著识别效果，而其自身在碱性条件下的荧光开启，促使进一步研究探针Z在强碱性条件下，加入不同种金属离子后能否引起特异性荧光光谱改变。因此，在含有探针Z(10μM)的DMF/H₂O(3/7,v/v,pH＝13)介质中，对18种金属离子进行了选择性测定，其中测试激发狭缝为10nm，发射狭缝为10nm，激发波长为390nm，选择性实验中所加入金属离子浓度为50μM。结果如图3、图4所示。

图3是在DMF/H₂O(3/7,v/v,pH＝13)介质中，在390nm激发下，探针Z在498nm处有显著的荧光发射。当加入Cu²⁺后，在498nm处的荧光发射峰消失，而在451nm处出现了一个新的荧光发射峰，并且其它金属离子加入后体系荧光光谱无显著差异。这一结果表明，在DMF/H₂O(3/7,v/v,pH＝13)介质中，探针Z对Cu²⁺有较好的荧光选择性。

图4是在紫外灯365nm照射下，探针Z溶液发出亮绿色荧光，仅当加入Cu²⁺后荧光颜色由亮绿色变为深蓝色，而其它金属离子的加入其荧光颜色无显著改变。这一实验现象表明，在DMF/H₂O(3/7,v/v,pH＝13)介质中，探针Z可以利用紫外灯下显著荧光颜色变化对Cu²⁺进行快速裸眼检测。

图5是共存离子对铜离子测定的影响，黑色柱条表示探针以及探针单独加入各种金属离子时的荧光强度，斜柱条表示为同等浓度铜离子与相同浓度倍数的各种金属离子共存时体系的荧光强度。由图可见，加入铜离子后探针在451nm与498nm两处的荧光强度比值显著上升，而上述共存离子的存在并没有明显地改变该探针分子对于铜离子的检测结果。这一结果表明，探针Z在识别Cu²⁺过程中有着较强的抗干扰能力。

不同浓度的铜离子加入到溶液中，检测其荧光强度以及紫外吸收强度的变化，如图6、图7所示。

图6为探针Z(浓度为1×10^-5mol/L)在DMF/H₂O(3/7,v/v,pH＝13)下对不同浓度Cu²⁺的荧光光谱响应图。在图6中，横坐标为波长(nm)，纵坐标为荧光强度，激发波长为390nm。铜离子浓度由0到2×10^-5mol/L，检测限为1.35×10^-6M。

图7为探针Z(浓度为1×10^-5mol/L)在DMF/H₂O(3/7,v/v,pH＝13)下对不同浓度Cu²⁺的紫外光谱响应图。在图7中，横坐标为波长(nm)，纵坐标为紫外吸收强度。铜离子浓度由0到2×10^-5mol/L，检测限为3.75×10^-7M。

荧光光谱以及紫外光谱分析表明，在加入铜离子浓度为0到2×10^-5mol/L范围内，荧光强度以及紫外吸收强度变化分别与加入浓度有良好的线性关系曲线，实现了对铜离子的定量检测。

图8为试纸放入含有探针Z(10μM)及不同浓度的Cu²⁺(0-20μM)溶液中，浸染两小时后取出置于空气中干燥。将干燥试纸放于紫外灯365nm照射下，随着Cu²⁺浓度的增加，试纸显示出从亮绿色到深蓝色的可见颜色变化。这一现象表明，探针Z可加载于试纸上在碱性水样中对Cu²⁺进行荧光比色检测。

Claims

1.一种碱性条件下识别铜离子的荧光探针，其特征在于该荧光探针为2-(2-羟基苯基)苯并噻唑与邻羟基苯甲酰肼的共价结合体，所述荧光探针的结构式如下：

2.根据权利要求1所述的一种碱性条件下识别铜离子的荧光探针，其特征在于：所述荧光探针在pH＝13的条件下，对铜离子的荧光检测限为1.35×10^-6M。

3.根据权利要求1所述的一种碱性条件下识别铜离子的荧光探针，其特征在于：所述荧光探针在pH＝13的条件下，对铜离子的紫外吸收检测限为3.75×10^-7M。

4.权利要求1所述碱性条件下识别铜离子的荧光探针的制备方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

一、3-甲基水杨醛与邻氨基苯硫酚反应得到化合物1：

将3-甲基水杨醛与邻氨基苯硫酚溶于N，N-二甲基甲酰胺中，再加入焦亚硫酸钠，加热回流，加热温度为110～120℃，反应6～7h，用TCL板检测反应，反应完全后，冷却至室温后向溶液中加入去离子水有淡黄色沉淀析出，将沉淀过滤，用去离子水洗涤5～6次，干燥后得到化合物1；

二、将步骤一得到的化合物1与乌洛托品反应得到化合物2：

将化合物1与乌洛托品溶于三氟乙酸中，加热回流，加热温度为70～75℃，反应7～8h，用TCL板检测反应，反应完全后，向溶液中加入去离子水并继续反应10～20min，有沉淀析出，将沉淀过滤，用去离子水洗涤5～6次，干燥后得到化合物2；

其中化合物1与乌洛托品的摩尔比为1：(2～5)；

其中化合物2与邻羟基苯甲酰肼的摩尔比为1：1。

5.权利要求1所述的荧光探针在强碱条件下对铜离子的含量传感检测中的应用。

6.根据权利要求5所述的应用，其特征在于所述的传感检测为荧光比率检测、紫外比率检测、目视定性检测或试纸检测。

7.根据权利要求5或6所述的应用，其特征在于所述的强碱条件为pH＝13。

8.权利要求1所述的荧光探针作为弱碱性指示剂的应用。

9.根据权利要求8所述的应用，其特征在于所述荧光探针用于水环境体系中对弱碱性pH值的测定。

10.根据权利要求8或9所述的应用，其特征在于所述弱碱性pH值为7.5～9.5。