CN110041305B - 吲哚半菁荧光探针，制备方法及在氰根离子检测上的应用 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种吲哚半菁荧光探针，制备方法及其在氰根离子检测上的应用。具体涉及的探针为2‑(2‑(2‑氯‑7‑二乙氨基喹啉‑3‑基)乙烯基‑N,3,3‑三甲基‑3H‑吲哚（QIE）。它是以2‑氯‑7‑二乙氨基喹啉‑3‑甲醛和N,2,3,3‑四甲基‑3H‑吲哚为原料经缩合制备得到的。氰根离子与QIE作用后，裸眼可见其溶液由紫色变成无色，在365 nm紫外灯下，溶液由暗紫色荧光变成亮黄绿色荧光。紫外可见分光光度法检测氰根离子的最低检测限1.05×10^‑6mol/L，荧光分光光度法检测氰根离子的最低检测限为4.16×10^‑8 mol/L。本发明可用紫外可见分光光度法和荧光分光光度法双通道对不同来源的样品微/痕量氰根离子的定量、定性检测。

Description

吲哚半菁荧光探针，制备方法及在氰根离子检测上的应用

技术领域

本发明属于化学合成和分析检测技术领域，具体涉及一种检测氰根离子的探针及其制备方法和在检测氰根离子中的应用。

背景技术

氰化物中碳原子和氮原子通过三键相连接，呈直线型，具有较高的稳定性和较强的吸电子能力，同时氰根离子对金属离子具有较强络合能力，故氰化物在化学、医药学、生命科学、工业生产、食品分析和环境监测等领域都有着广泛的应用。如应用在合成纤维、树脂、医药、农药、化肥、染料、颜料等化工领域；应用于金矿开采、电锻电镀、金属冶炼、电子及仪器仪表等工业领域。不仅如此，在我们日常生活中所能接触到的木薯、苦杏仁，发芽土豆等植物自身也会产生氰化物以抵抗虫害，香烟的烟雾、工业废料和汽车尾气中也都含有不同量的氰化物。

氰化物进入人体后，可解离出氰根离子。氰根离子能抑制细胞中40多种酶的活性，尤其是细胞色素氧化酶的活性。氰根离子抑制细胞色素氧化酶的活性后，使呼吸链中断，机体缺氧而导致死亡。氰根离子溶液在人体皮肤表面的半致死量为100.0mg·kg^-1，口服氢氰酸致死量为0.7～3.5mg·kg^-1。所以氰根离子的含量也成为了判断环境是否污染的一项重要指标，特别是工业废水的排放。如我国在污水排放标准(GB8978-2000)中对氰化物的最高排放浓度进行了明确规定：一、二级排放标准最高为0.5mg·L^-1，三级排放标准最高为1.0mg·L^-1，而世界卫生组织(WHO)规定饮用水中的总氰化物含量不得超过0.07mg·L^-1(1.9×10^-6mol·L^-1)。因此研究氰根离子检测尤其是微量氰根离子的检测，无论是工业生产的监测、还是自然环境的探测、生命科学和食品分析等领域都具有极其重要的开发前景和应用价值。

传统的检测氰离子的方法有电位分析法，离子色谱法，电化学法，滴定法，伏安法。这些方法通常具有耗时长，仪器昂贵，检测限偏高等缺点。光谱法尤其是荧光光谱法具有更好的响应速度，灵敏度，选择性而受到了广泛的关注。目前已有大量氰离子荧光探针被相继报道，所依据的检测机制主要包括氢键作用，复合物的脱金属生成氰根离子复合物反应，氰根离子对探针的亲核加成反应等。

发明内容

本发明利用氰离子的强亲核性，能与亲电基团发生亲核加成反应这一特性，设计并合成了一个荧光探针QIE，实现了对氰根离子的特异性识别，且具有选择性好和抗干扰能力强的优点。

本发明的一个目的：提供一种识别氰根离子的探针。

本发明的另一目的：提供所述探针的制备方法。

本发明的第三个目的：提供所述探针在紫外-可见光比色、荧光定性、定量检测氰根离子中的应用。

本发明技术方案为：

一种吲哚半菁荧光探针为2-(2-(2-氯-7-二乙氨基喹啉-3-基)乙烯基-N,3,3-三甲基-3H-吲哚(QIE)，具体结构式如下：

半菁荧光探针的制备方法，搅拌回流法。包括如下步骤：向瓶中加入7-N,N-二乙氨基-2-氯-3-喹啉甲醛和1,2,3,3-四甲基-3H-碘化吲哚盐，加入溶剂，加热搅拌使固体溶解，加入催化剂，搅拌回流；反应结束后，抽滤、纯化后得到半菁荧光探针QIE。

半菁荧光探针的制备方法，7-N,N-二乙氨基-2-氯-3-喹啉甲醛和1,2,3,3-四甲基-3H-碘化吲哚盐的摩尔比为1：0.6～3。

半菁荧光探针的制备方法，溶剂包括乙醇或丙醇或正丁醇或戊醇，优选正丁醇。

半菁荧光探针的制备方法，催化剂为碱或酸或酸酐或其混合物。

半菁荧光探针的制备方法，催化剂碱包括哌啶或吡啶或三乙胺，优选吡啶。

半菁荧光探针的制备方法，催化剂为酸为乙酸，酸酐为乙酸酐，酸碱为等体积比的吡啶和乙酸。

半菁荧光探针的制备方法，还包括微波法。包括如下步骤：向瓶中加入7-N,N-二乙基-2-氯-3-喹啉甲醛和1,2,3,3-四甲基-3H-碘化吲哚盐，加入吡啶，微波15-25分钟，纯化，得到半菁荧光探针QIE。

半菁荧光探针的纯化方法，可用打浆洗涤法、重结晶法和硅胶柱层析法

半菁荧光探针的打浆洗涤法纯化方法：滤饼中加入甲醇或乙醇或丙醇或正丁醇，优选乙醇，用量为滤饼4～10倍，室温搅拌过夜6～24小时，抽滤，重复操作2～4次得到纯品。

半菁荧光探针的重结晶纯化方法：溶液为甲醇或乙醇或丙醇或正丁醇，优选异丙醇。

半菁荧光探针的柱层析纯化方法：所述洗脱液为石油醚和/或乙酸乙酯的混合溶液，石油醚与乙酸乙酯的体积比为100：0～50。

半菁荧光探针，半菁荧光探针QIE可定性和定量检测氰根离子。

半菁荧光探针在定性检测氰根离子上的应用：自然光及365nm紫外灯下观察加入氰根离子后，探针溶液颜色变化。

半菁荧光探针在定量检测氰根离子上的应用：包括紫外-可见分光光度法和荧光分光光度法。

本发明有益效果：

与现有技术相比本发明的优点：

(1)本发明利用氰根离子强的亲核性，能与一些亲电基团发生亲核加成反应这一特性设计了一个新荧光探针2-(2-(2-氯-7-二乙氨基喹啉-3-基)乙烯基-N,3,3-三甲基-3H-吲哚(QIE)。氰根离子与QIE发生加成反应使得探针分子内共轭关系被破坏，从而阻止了分子内电荷转移；再者，氰根属于吸电子基团，使得整个探针的电子结构发生的变化，两者均能引起分子的紫外可见吸收和荧光发射的变化，从而实现对氰根离子的专一性识别。

(2)本发明的荧光探针是利用喹啉醛基的缺电子特性，能够直接与吲哚活泼亚甲基在催化剂催化下缩合脱水直接制备得到，具有原子经济性高、合成步骤短、后处理方便、产率高的特点。

(3)本发明的荧光探针对氰根离子反应迅速，且产物稳定，对氰根离子选择性好，灵敏度高、抗干扰性强，可以克服由于氰根离子半衰期短、复杂前处理过程或长检测时间带来的误差。

(4)本发明的荧光探针可用于复杂样品的实时和快速定性测量，也能用于不同来源的样品微/痕量的定性、定量检测。

(5)该发明方法具有原始创新性、良好的社会价值和应用前景。

附图说明

图1为实施例1所制备的QIE的¹H-NMR图谱。

图2为实施例1所制备的QIE的ESI-Ms图谱。

图3为实施例1所制备的QIE紫外吸收光谱和加入不同阴离子紫外吸收光谱。

图4为实施例1所制备的QIE检测氰根离子的紫外可见光吸收图谱和随氰根离子浓度变化线性关系图。

图5为实施例1所制备的QIE的荧光光谱和加入不同阴离子荧光发射光谱。

图6为为实施例1所制备的QIE检测氰根离子的荧光发射图谱和随氰根离子浓度变化线性关系图。

图7为实施例1所制备的QIE在不同阴离子干扰下检测氰根离子紫外-可见光谱发射抗干扰图谱。

图8为实施例1所制备的QIE在不同阴离子干扰下检测氰根离子在荧光发射抗干扰图谱。

图9为实施例1所制备的QIE在不同pH环境下检测氰根离子荧光发射光谱。

图10为实施例1所制备的QIE与氰根离子作用时间曲线图谱。

具体实施方式

下面结合实施例来进一步说明本发明，但本发明要求保护的范围并不局限于实施例表述的范围。

实施例1

2-(2-(2-氯-7-二乙氨基喹啉-3-基)乙烯基-N,3,3-三甲基-3H-吲哚(QIE)的制备(搅拌回流法)。

向50mL两口瓶中加入0.33g(1.2mmol)7-N,N-二乙氨基-2-氯-3-喹啉甲醛，0.42g(1.4mmol)1,2,3,3-四甲基-3H-碘化吲哚盐，滴加5mL正丁醇，搅拌使固体溶解，加入5滴吡啶，搅拌回流3h，TLC跟踪反应完全，停止搅拌，冷却至室温，抽滤，滤饼用冷乙醇洗涤，干燥。硅胶柱层析，石油醚与乙酸乙酯(100/3-100,v/v)洗脱得0.42g紫黑色固体QIE，产率83.73％，m.p.：220.8～222.3℃。IR(KBr)，ν/cm^-1∶1588，1515。¹H NMR(400MHz。DMSO,δppm)，9.20(s,1H)，8.49(d,J＝16.1Hz,1H)，7.91～7.87(3H)，7.75～7.61(3H)，7.40(dd,J＝9.3,2.2Hz,1H)，6.95(d,J＝1.8Hz,1H)，4.16(s,3H)，3.58(q,J＝6.8Hz,4H)，1.79(s,6H)，1.21(t,,J＝7.0Hz,6H)。ESI-MS：418.24(M)。

实施例2

(2-(2-氯-7-二乙氨基喹啉-3-基)乙烯基-N,3,3-三甲基-3H-吲哚(QIE)的制备(微波反应法)。

向试管中加入0.33g(1.2mmol)7-N,N-二乙基-2-氯-3-喹啉甲醛，加入0.44g(1.4mmol)1,2,3,4-四甲基吲哚，加入5滴吡啶，微波反应二十分钟，冷却，加入乙醇，搅拌，过滤，得到紫黑色固体。固体中加入乙醇，室温搅拌10小时，抽滤，重复操作3次，得到紫黑色的纯品0.46g，产率91.71％。表征数据如实施例1。

实施例3

(1)测试液的配制：

在2mL样品瓶中，加入1.0mL双蒸水，再加入1×10^-2mol/L现配置的氰根离子(CN^-)标准溶液(20μL，10eq)，再加入1.0mL甲醇，混匀；最后加入20μL QIE的DMF溶液(1×10^-3mol/L)，再次混匀。放置10min后，测定紫外吸收光谱和荧光发射光谱(416nm为激发波长)。如上的操作，不加入阴离子溶液，即为空白试液的配制。测定紫外吸收光谱和荧光发射光谱。

(2)紫外光谱和荧光光谱测试：

QIE的空白试液在555nm处有较强最大吸收峰；当存在氰根离子时，555nm处的吸收强度明显减弱，见图3。探针QIE的空白试液在496nm无荧光发射峰，加入氰根离子后，496nm处的荧光发射强度显著增强，见图5。

(3)检测氰根离子的紫外可见光滴定实验：

线性拟合得出检测氰根离子的剂量曲线，y＝39.7231x-111.9739(R²＝0.9970)，见图6。根据最低检出限公式(LOD＝3σ/b)计算，在紫外可见分光光度法中QIE对氰根离子的LOD为：1.05×10^-6mol/L。

(4)检测氰根离子的荧光滴定实验：

线性拟合得出检测氰根离子剂量曲线，y＝-0.0040x+0.3010(R²＝0.9960)见图6。根据最低检出限公式(LOD＝3σ/b)计算，在荧光分光光度法探针中QIE对氰根离子的LOD为：4.16×10^-8mol/L。

(5)离子选择性实验：

当同样浓度的各种阴离子分别与QIE作用时，唯有氰根离子能引起QIE在555nm处的吸收强度明显减弱，在496nm荧光强度明显增强。其他阴离子与QIE作用时，相比较于QIE的空白试液，其在555nm处的吸收强度和496nm处荧光强度无明显变化。这表明，紫外-可见吸收光谱法和荧光分光光度法而言，QIE对氰根离子的机检测具有高度的特异性选择。见图3和图5。

(6)共存离子对氰根离子检测的影响：

为进一步考察QIE对氰根离子传感的选择性，尝试了阴离子与氰根离子共存时对体系紫外-可见吸收强度和荧光发射强度的影响，见图7。氰根离子与同等浓度其它阴离子共存时体系的紫外-可见吸收光谱和荧光发射光谱。各阴离子分别为：CN^-，F^-，Cl^-，Br^-，SCN^-，NO₃ ^-，SO₃ ^2-，S₂O₃ ^2-，SO₄ ^2-，S₂O₈ ^2-，Ac^-，HPO₄ ^2-，H₂PO₄ ^-，CO₃ ^2-，HCO₃ ^-，Cr₂O₇ ^2-，S^2-。由图7可见，其他阴离子对氰根离子的检测几乎无影响。

(7)pH对氰根离子检测的影响

为探究不同pH环境下对氰根离子检测的影响，分别记录QIE的空白测试液和加入氰根离子的测试液在不同pH的荧光发射强度变化，见图8。当pH为5～10时，496nm处的荧光发射强度大，且保持稳定。

(8)时间对氰根离子检测的影响

为进一步考察QIE与氰根离子响应的稳定性，QIE中加入氰根离子后，记录QIE荧光强度随时间的变化，见图9。当QIE中加入氰根离子后，496nm处的荧光发射强度迅速增大，10min，强度达到最大且随着时间延长，强度保持不变，由此可知，QIE与氰根离子响应迅速。

Claims (9)

1.吲哚半菁荧光探针，其特征在于，该探针为2-(2-(2-氯-7-二乙氨基喹啉-3-基)乙烯基-N,3,3-三甲基-3H-吲哚碘式盐，具体结构式如下：

2.根据权利要求1所述的吲哚半菁荧光探针的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：向反应瓶中加入7-N,N-二乙氨基-2-氯-3-喹啉甲醛和1,2,3,3-四甲基-3H-碘化吲哚盐，加入溶剂，加热搅拌使固体溶解，加入催化剂，搅拌回流；TLC跟踪反应进程，反应结束后抽滤、纯化，得到半菁荧光探针QIE。

3.根据权利要求2所述的吲哚半菁荧光探针的制备方法，其特征在于，7-N,N-二乙氨基-2-氯-3-喹啉甲醛和1,2,3,3-四甲基-3H-碘化吲哚盐的摩尔比为1：0.6～3。

4.根据权利要求2所述的吲哚半菁荧光探针的制备方法，其特征在于，所述的溶剂包括乙醇、丙醇、正丁醇或戊醇中的任意一种。

5.根据权利要求2所述的吲哚半菁荧光探针的制备方法，其特征在于，所述的催化剂为碱、或酸。

6.根据权利要求5所述的吲哚半菁荧光探针的制备方法，其特征在于，所述的碱包括哌啶或吡啶或三乙胺；所述的酸包括乙酸。

7.根据权利要求2所述的吲哚半菁荧光探针的制备方法，其特征在于，所述的催化剂为乙酸酐。

8.根据权利要求1所述的吲哚半菁荧光探针的制备方法，微波法制得，其特征在于，包括如下步骤：向反应瓶中加入7-N,N-二乙氨基-2-氯-3-喹啉甲醛和1,2,3,3-四甲基-3H-碘化吲哚盐，加入吡啶，微波15-25分钟，抽滤、纯化，得到半菁荧光探针QIE。

9.权利要求1所述的吲哚半菁荧光探针在自然光及365nm紫外灯下在非疾病诊断和治疗中的检测氰根离子上的应用。

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