CN110055056B

CN110055056B - 苯并咪唑基取代的喹啉酮类荧光探针及其制备方法和应用

Info

Publication number: CN110055056B
Application number: CN201910403377.4A
Authority: CN
Inventors: 但飞君; 马尚虎; 唐倩; 潘彤; 兰海闯; 刘祈星; 廖全斌
Original assignee: China Three Gorges University CTGU
Current assignee: China Three Gorges University CTGU
Priority date: 2019-05-15
Filing date: 2019-05-15
Publication date: 2022-02-01
Anticipated expiration: 2039-05-15
Also published as: CN110055056A

Abstract

本发明提供了一种含苯并咪唑基取代的喹啉酮类衍生物，制备方法及其在铜离子荧光检测上的应用。本发明公开的苯并咪唑基取代的喹啉酮类衍生物，化学名为7‑二乙氨基‑3‑(2‑苯并咪唑基)喹啉‑2‑酮，该探针是由7‑二乙氨基‑2‑喹啉酮‑3‑甲醛与邻苯二胺在溶剂中缩合制备得到的。V(乙腈):V(蒸馏水)=9：1的溶液中，BMQ在自然光下显浅绿色，在365nm紫外灯下显蓝色，且在468 nm处有较强的荧光发射，铜离子存在时，该波长荧光发射强度减弱，且随着铜离子浓度逐渐增加，荧光发射强度逐渐减弱，直至完全猝灭。加入等物质的量的S^2‑，荧光发射强度几乎恢复到未加铜离子的水平，重复此过程，荧光又淬灭。

Description

苯并咪唑基取代的喹啉酮类荧光探针及其制备方法和应用

技术领域

本发明属于有机合成及分析检测技术领域，具体涉及含苯并咪唑基取代的喹啉酮类衍生物及其制备方法，该化合物应用于对铜离子的检测。

背景技术

铜离子广泛存在于环境中，可被生物摄取吸收并参与生物生命过程中的电子传递和氧化还原等过程，在生物体的新陈代谢中起到重要的作用。当铜离子的浓度低于或高于生物体细胞所要求的铜离子浓度范围时，生命系统的正常活动就会被扰乱从而引起生物体的生理异常。如人体内缺铜易造成缺铜性贫血、小儿发育不良、记忆力减退、反应迟钝等。另一方面，摄入了过量的铜，人体内易发生氧化应激反应，进而导致帕金森病，阿尔茨海默氏病，门克斯病等疾病产生。当土壤中铜浓度提高至某一阈值时，植物光合作用受抑制，引起植物矮化、叶片泛黄、根系发育不良，导致植物生长缓慢或死亡。过量铜排入水体，可毒害水体中的微生物，导致水生态的不平衡。当水体中铜的浓度过高时，也可直接作用于鱼类，对它们的行为反应、生理指标和组织结构产生较大的影响，表现出较强的毒性，引起鱼类中毒甚至死亡。

但铜被广泛地应用于电子、电气、化工、机械制造、建筑、国防、医药等领域。铜的广泛应用，可能导致其在土壤中大量沉积，继而造成水体系的污染。同时炼铜等相关企业不合理地排放含铜废水和废渣，也可能给土壤、水体等生态系统造成了难以恢复的伤害。因此发展成本低廉、操作简便、选择性好、灵敏度高、响应速度快、检测限低的铜离子的检测方法对铜工业生成中废水、废渣排放，土壤、水体生态环境和生物体内铜离子的检测尤为重要。

在众多铜离子检测的方法中，荧光检测是一种新型的检测方法，具有高灵敏度、较低检测成本、样品处理简单、操作方便、测定快速以及实时检测的优点而备受人们的青睐。

发明内容

本发明的目的在于，提供含苯并咪唑基取代的喹啉酮类荧光探针，该荧光探针为7-二乙氨基-3-(2-苯并咪唑基)喹啉-2-酮，简称BMQ，其结构式如下：

本发明的另一目的在于，提供一种含苯并咪唑基取代的喹啉酮类荧光探针的制备方法，包括如下步骤：

向反应瓶中先加入7-二乙氨基-2-喹啉酮-3-甲醛和邻苯二胺，再加入乙醇，搅拌至原料溶解后，加入催化剂，70-90℃搅拌回流反应1～8h；反应结束后，冷却至室温，减压抽滤；滤饼纯化后得到探针BMQ，具体的反应式如下：

含苯并咪唑基取代的喹啉酮类探针的制备方法，7-二乙氨基-2-喹啉酮-3-甲醛和邻苯二胺摩尔比为1：0.8～3。

含苯并咪唑基取代的喹啉酮类探针的制备方法，溶剂包括乙醇或甲醇或正丁醇，优选乙醇。

含苯并咪唑基取代的喹啉酮类探针的制备方法，催化剂为质子酸，包括甲酸、乙酸和盐酸，优选乙酸。

含苯并咪唑基取代的喹啉酮类探针的纯化方法，可用打浆法、重结晶法和硅胶柱层析法。

含苯并咪唑基取代的喹啉酮类探针的纯化方法中打浆法，滤饼用甲醇或乙醇或丙醇溶解，优选乙醇。

含苯并咪唑基取代的喹啉酮类探针的纯化方法中的硅胶柱层析法，洗脱液为石油醚和乙酸乙酯的混合溶液，石油醚与乙酸乙酯的体积比为1-3：1-100。

本发明的又一目的在于含苯并咪唑基取代的喹啉酮类荧光探针在铜离子检测中的应用。

含苯并咪唑基取代的喹啉酮类探针在定性检测铜离子上的应用，乙腈/双蒸水(9/1，v/v)的溶液中，BMQ在自然光下显浅绿色，在365nm紫外灯下显蓝色，且在468nm处有较强的荧光发射，铜离子存在时，BMQ在自然光下显黄色，该波长荧光发射强度减弱，且随着铜离子浓度逐渐增加，荧光发射强度逐渐减弱，直至完全猝灭。

用荧光分光光度法能检测化学反应体系、环境体系中的铜离子含量。

与现有技术相比本发明的优点：本发明的铜离子光谱探针具有合成工艺简单、收率高、纯度高、成本低廉、操作简便等优点。该探针与铜离子络合作用很强，对铜离子选择性好，响应快，灵敏度高，检测过程简单、快速、结果准确，应用前景广泛等优点，可用于复杂样品的实时和快速测量，也能用于不同来源的样品微/痕量铜离子的定性、定量检测。

附图说明

图1为实施例1所制备的BMQ的¹H-NMR图谱。

图2为实施例1所制备的BMQ的¹³C-NMR图谱。

图3为实施例1所制备的BMQ的荧光发射光谱和加入不同金属离子荧光发射光谱。

图4为实施例1所制备的BMQ在不同阳离子干扰下检测Cu²⁺荧光发射抗干扰图谱。

图5,A为实施例1所制备的BMQ检测Cu²⁺的荧光发射强度随Cu²⁺浓度变化；B为实施例1所制备的BMQ检测Cu²⁺的荧光发射强度随Cu²⁺浓度变化的线性关系图(A中从上到下曲线：Cu²⁺的浓度在0～10μmol/L的间隔为0.5μmol/L，在10～20μmol/L的间隔为1.25μmol/L，在20～100μmol/L的间隔为10μmol/L)。

图6为实施例1所制备的BMQ与Cu²⁺作用时间曲线图谱。

图7为实施例1所制备的BMQ与Cu²⁺作用Job's图谱。

图8为实施例1所制备的BMQ的可逆性测试谱图。

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

7-二乙氨基-3-(2-苯并咪唑基)喹啉-2-酮的制备

向50mL两口瓶中加入0.11g(0.4mmol)7-二乙氨基-2-喹啉酮-3-甲醛，0.11g(1.0mmol)邻苯二胺，滴加5mL乙醇，加热搅拌使固体溶解，加入1mL冰醋酸，回流8h至7-二乙氨基-2-羟基喹啉-3-甲醛(TLC跟踪)，冷却至室温，抽滤，乙醇洗涤，干燥，得0.10g黄绿色固体，即7-二乙氨基-3-(2-苯并咪唑基)喹啉-2-酮，产率76％，m.p.:317.5～317.8℃。IR(KBr)cm^-1:1653(O＝C-NH),1629(C＝N),¹H NMR(400MHz,DMSO)δ12.47(s,1H),11.86(s,1H),8.86(s,1H),7.71–7.58(m,3H),7.20–7.11(m,2H),6.75(dd,J＝9.0,2.2Hz,1H),6.57(d,J＝2.2Hz,1H),3.44(dd,J＝7.0Hz,4H),1.16(t,J＝7.0Hz,6H).，¹³C NMR(101MHz,DMSO)δ161.93,150.58,149.66,141.94,139.48,130.78,121.95,113.06,110.39,109.86,94.35,44.63,12.91.ESI-MS[M+H]⁺:333.24.

实施例2

(1)测试液的配制：

称取3.3mg探针BMQ溶于乙腈配制成1.0mmol/L的储备液。将储备液在乙腈/双蒸水(9/1，v/v)中稀释至10μmol/L用于光谱测试。以下荧光发射光谱测试均在乙腈/双蒸水(9/1，v/v)体系中进行。金属离子和阴离子的浓度均为0.01mol/L。不加入金属离子溶液，即为空白试液的配制。荧光分光光度计参数如下：λex＝416nm，Ex、Em的狭缝宽度分别为5nm、5nm，电压为450V。

(2)荧光光谱测试：

探针BMQ的空白试液在468nm处有较强荧光发射峰；当存在铜离子时，468nm处的吸收显著减弱。

(3)离子选择性实验：

当同样浓度的各种金属离子分别与探针BMQ作用时，铜离子能引起探针BMQ在468nm荧光猝灭。其他金属离子与探针BMQ作用时，相比较于探针BMQ的空白试液，其在468nm处荧光强度无明显变化。这表明，就荧光分光光度法而言，探针BMQ对铜离子的传感具有高度的特异性选择。见图3。

(4)共存离子对铜离子测定的影响：

为进一步考察探针BMQ对铜离子传感的选择性，尝试了金属离子与铜离子共存时对体系荧光强度的影响。图5中铜离子与同等浓度各种金属离子共存时体系的荧光发射。各金属离子分别为：Al³⁺，Ca²⁺，Cr³⁺，Mn²⁺，Fe³⁺，Co²⁺，Ni²⁺，Cu²⁺，Zn²⁺，Ag⁺，Cd²⁺，Ba²⁺，Hg²⁺，K⁺，Na⁺，Li⁺。由图4可见，Fe³⁺，Al³⁺，Cr³⁺对铜离子的检测有较小的影响，其他金属离子对铜离子的检测几乎无影响。

(5)检测铜离子的荧光滴定实验：

用双蒸水配制0.01mol/L的Cu²⁺溶液，把2mL的乙腈/双蒸水(9/1，v/v)溶液和20μL的BMQ乙腈溶液加到比色皿中，逐渐加入不同体积的Cu²⁺溶液，然后在荧光光谱仪上测定416nm的对应的荧光强度。以波长为横坐标，荧光强度为纵坐标做定量滴定图得图5.A，以Cu²⁺浓度为横坐标，荧光强度为纵坐标，经线性拟合得图5.B。BMQ的荧光发射强度随Cu²⁺浓度变化增大而淬灭，见图5.A；线性拟合得出检测铜离子的荧光强度-浓度曲线，y＝-575.9959x+7370.4354(R2＝0.99115)见图5B。根据最低检出限公式(LOD＝3σ/b)计算，在荧光分光光度法探针BMQ对铜离子的LOD为：4.7627×10^-8mol/L。由此可知，BMQ可定量检测体系中铜离子浓度，且检测灵敏，最低检出限低于50nM(远低于美国环境保护协会建议的饮用水铜离子最髙浓度20.0μM及血液中的铜离子的浓度15.7-23.6μM)。

(6)时间响应的光谱测试：

用移液枪量取分别2mL浓度为1×10^-5mol/L的BMQ溶液于四通比色皿中，加入20μL浓度为0.01mol/L的Cu²⁺的溶液，间隔一定时间测定其光谱变化见图6。与此可见，BMQ对铜离子的响应非常迅速(低于30s)，且检测条件下稳定。

(7)络合比和络合常数的测定：

为了确定探针BMQ和Cu²⁺之间的化学计量关系，采用等摩尔连续变化(Job’s Plot)法。本发明的固定探针BMQ和Cu²⁺的总浓度为10μmol/L不变，Cu²⁺在体系中摩尔分数从0.05连续增至0.9，测定了9个样品的紫外吸收光谱，记录468nm处的紫外吸收值。以[Cu²⁺]/([BMQ]+[Cu²⁺])为横坐标，紫外吸收强度为纵坐标，得到Job’s曲线，如图7所示。从图7中可以看出，当Cu²⁺的摩尔分数为0.5时，络合物在468nm处出现最大的荧光发射，表明此时Cu²⁺和BMQ刚好完全络合。因此，探针BMQ与Cu²⁺的络合比可能为1:1。

(8)荧光探针BMQ的可逆性测试:

配制V(乙腈):V(蒸馏水)＝9：1的溶液，取2mL的缓冲溶液加入20μL的储备液进行荧光发射测试，然后交替加入20μL相同浓度的Cu²⁺和S^2-溶液，用荧光仪进行测量，分别记录468nm处荧光强度的变化再进行光谱测试，重复五次见图8。加入S^2-溶液后，由于S^2-与Cu²⁺亲和力更强，破坏了BMQ与Cu²⁺的结合力，将Cu²⁺从BMQ/Cu²⁺配合物中解离出来，从而使体系的荧光强度明显增强，甚至能恢复到探针BMQ初始水平，365nm紫外灯下溶液呈蓝色。当体系中再加入20μL的Cu²⁺后，在468nm处荧光强度再次猝灭。以上研究表明，探针BMQ识别Cu²⁺的过程是可逆过程。

Claims

1.一种苯并咪唑基取代的喹啉酮类荧光探针在定性和定量荧光检测铜离子上的应用，其特征在于，该探针为7-二乙氨基-3-(2-苯并咪唑基)喹啉-2-酮，具体结构式如下：

2.根据权利要求1所述的应用，其特征在于，苯并咪唑基取代的喹啉酮类荧光探针的制备方法包括如下步骤：向反应瓶中加入7-二乙氨基-2-喹啉酮-3-甲醛和邻苯二胺，再加入溶剂，搅拌至原料溶解后，加入催化剂，70-90℃搅拌回流反应1～8h；反应结束后，冷却至室温，减压抽滤；滤饼纯化后得到苯并咪唑基取代的喹啉酮类荧光探针，具体的反应式如下：

3.根据权利要求2所述的应用，其特征在于，7-二乙氨基-2-喹啉酮-3-甲醛和邻苯二胺摩尔比为1：0.8～3。

4.根据权利要求2所述的应用，其特征在于，所述的溶剂包括乙醇或甲醇或正丁醇。

5.根据权利要求2所述的应用，其特征在于，所述的催化剂为质子酸，包括甲酸、乙酸或盐酸。