CN110229119A - 一种用于铁离子检测的苯并噻唑双希夫碱荧光分子探针的合成及使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于铁离子检测的苯并噻唑双希夫碱荧光分子探针的合成及使用方法，该荧光分子探针是采用苯并噻唑‑2‑甲醛和2‑羟基‑1‑萘肼缩合而成，将荧光分子探针溶解于二甲基亚砜与HEPES缓冲溶液的混合液中，得到荧光分子探针溶液；其中HEPES缓冲溶液混合液的pH为6‑8，混合液中二甲基亚砜与HEPES缓冲溶液的体积比为3:7，3:7混合液中荧光分子探针的浓度为7‑10μmol/L；取荧光分子探针溶液，向其中加入20μmol/L的待测样品，混合均匀，得到样品溶液。优点是：可实现在水环境体系中对Fe³⁺的高选择性识别，不受水溶液中其他金属离子的干扰，具有较强的抗干扰能力。

Description

一种用于铁离子检测的苯并噻唑双希夫碱荧光分子探针的合 成及使用方法

技术领域

本发明涉及用于Fe³⁺检测的荧光分子探针的合成及应用，尤其涉及一种用于铁离子检测的苯并噻唑双希夫碱荧光分子探针的合成及使用方法。

背景技术

铁不仅是自然界中广泛存在的一种元素，也是生物体内重要的微量元素之一，它在许多生理过程中起到了关键作用，它不仅能够运输养料和氧气，而且和人体的造血功能有着非常密切的关系。它在细胞中参于各种活性酶及血红蛋白的合成，促进细胞的生长和代谢。当机体内铁离子浓度偏高或偏低都会扰乱生命系统的正常活动而使细胞中毒，从而导致新陈代谢紊乱诱发各种疾病，比如阿尔茨海默氏老年痴呆病，帕金森氏综合症和其他神经退化性疾病,细胞的癌变和某些器官如心脏、肝脏等的功能紊乱。因此，对铁离子荧光分子探针的研究对于环境及生命科学都具有重大的意义。与其他过渡金属如铜离子、汞离子相比，关于铁离子的荧光传感器的报道相对较少，现有的检测铁离子的荧光探针有罗丹明、荧光素衍生物荧光探针及以香豆素、萘、蒽等作为荧光基团的荧光探针，其中罗丹明衍生物荧光探针化合物发表在《塔兰塔》(Talanta)2013年第106卷的第261-265页的文章《识别铁离子的罗丹明的荧光淬灭探针》(Determination of iron(III)based on thefluorescence quenching of rhodamine B derivative)in aqueous solution)上，其结构式如a式所示：

萘衍生物荧光探针是发表在《四面体快报》(Tetrahedron Letters)2013年第54卷的6460-6463页上的文章《基于萘衍生物的识别铁离子的荧光增强探针》(Sensing of Fe(III)ion via turn-on fluorescence by fluorescence probes derived from 1-naphthylamine)上，其结构式如b式所示。

上述的两种荧光探针识别Fe³⁺时主要表现为荧光增强或淬灭，波长不变，但是这种探针都不能实现在水溶液中识别铁离子，无水的检测体系大大限制了其应用，而且灵敏度也相对较低，容易受到环境条件的影响和其他金属离子的干扰。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明的目的是提供一种用于铁离子检测的苯并噻唑双希夫碱荧光探针的合成及使用方法，解决现有的识别Fe³⁺的荧光探针水溶性差、易受pH影响，选择性和灵敏度差的问题。

为实现上述目的，本发明通过以下技术方案实现：

一种用于铁离子检测的苯并噻唑双希夫碱荧光分子探针，该荧光分子探针的结构式为：

一种用于铁离子检测的苯并噻唑双希夫碱荧光分子探针的合成方法，该荧光分子探针是采用苯并噻唑-2-甲醛和2-羟基-1-萘肼缩合而成，具体包括以下步骤：

1)苯并噻唑-2-甲醛与2-羟基-1-萘肼按摩尔比1:(1～2)加入到酸性溶剂中，回流加热75-80℃，反应5～7h，趁热抽滤，得到反应混合物；

2)将反应混合物利用丙酮和水的混合溶剂重结晶，冷却后析出大量固体；过滤，收集滤饼，得到用于铁离子检测的苯并噻唑双希夫碱荧光分子探针。

步骤1)中所述的酸性溶剂为冰乙酸、或者浓硫酸或浓盐酸的乙醇溶剂，所述的浓硫酸或浓盐酸的乙醇溶剂中，浓硫酸或浓盐酸的浓度为5-10％。

步骤2)中丙酮和水的体积比为1:(5～10)。

一种用于铁离子检测的苯并噻唑双希夫碱荧光分子探针的使用方法，包括以下步骤：

1)将所述荧光分子探针溶解于二甲基亚砜与HEPES缓冲溶液的混合液中，得到荧光分子探针溶液；其中HEPES缓冲溶液混合液的pH为6-8，混合液中二甲基亚砜与HEPES缓冲溶液的体积比为3:7，3:7混合液中荧光分子探针的浓度为7-10μmol/L；

2)取荧光分子探针溶液，向其中加入20μmol/L的待测样品，混合均匀，得到样品溶液；

3)用紫外分光光度计测试荧光分子探针溶液在波长为332nm处的吸光度值A₁，再测试样品溶液在波长为332nm处的吸光度值A₂，如果A₂≥2A₁，则可判定样品中含有Fe³⁺；或者用荧光光谱仪测试荧光分子探针溶液在发射波长为510nm时的荧光强度B₁，再测试样品溶液在发射波长为510nm时的荧光强度B₂，如果B₂≤20％B₁，则可判定样品中含有Fe³⁺。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

用于铁离子检测的苯并噻唑双希夫碱荧光分子探针是含有苯并噻唑荧光基团的Fe³⁺的荧光分子探针，可实现在水环境体系中对Fe³⁺的高选择性识别，不受水溶液中其他金属离子的干扰，具有较强的抗干扰能力。本发明可应用在水体系中Fe³⁺污染的前期检测中，能够灵敏检测水相中痕量级的Fe³⁺离子(最低检测限为2.59×10^-8M)，且毒性很小，因此在化工、环境、生物医药等领域具有极高的应用价值。该荧光分子探针在识别Fe³⁺之后在pH值为4～11范围内都能够显示荧光淬灭现象，该荧光分子探针识别响应非常迅速，能够在50s内完成在水体系环境中的Fe³⁺。该荧光分子探针的合成所需原料简单易得，成本低；步骤简单；反应条件温和，产物分离提纯过程简单，收率高，产率高达70～80％。

附图说明

图1是实施例1中荧光分子探针在DMSO/HEPES缓冲溶液(v/v＝3/7，pH＝7.2)体系中的紫外光谱图。

图2是实施例1中荧光分子探针在DMSO/HEPES缓冲溶液(v/v＝3/7，pH＝7.2)体系中的荧光发射光谱图。

图3是实施例1中荧光分子探针在DMSO/HEPES缓冲溶液(v/v＝3/7，pH＝7.2)体系中加入20μmol/L浓度的金属阳离子(Cr³⁺,Ag⁺,Co²⁺,Cu²⁺,Hg²⁺,K⁺,Ni²⁺,Cd²⁺,Pb²⁺,Ba²⁺,Mg²⁺,Al³⁺,Ca²⁺,Zn²⁺,Fe³⁺,Na⁺)后荧光发射光谱变化情况图。

图4是实施例1中荧光分子探针在DMSO/HEPES缓冲溶液(v/v＝3/7，pH＝7.2)体系中，加入20μmol/L浓度的Fe³⁺与20μmol/L浓度的不同共存金属离子后的荧光发射光谱变化情况图。

图5是实施例1中荧光分子探针在DMSO/HEPES缓冲溶液(v/v＝3/7，pH＝7.2)体系中，荧光发射光谱随Fe³⁺浓度(0–2当量)增加的变化情况图。

图6是实施例1中荧光分子探针的荧光强度随Fe³⁺的浓度变化曲线图。

图7是实施例1中荧光分子探针检测Fe³⁺最低检测限的测定曲线图。

图8是实施例1中荧光分子探针在DMSO/HEPES缓冲溶液(v/v＝3/7，pH＝7.2)体系中，加入20μmol/L浓度的Fe³⁺前后在不同pH值(pH值从4-11)条件下的荧光发射光谱变化情况图。

图9是实施例1中荧光分子探针在DMSO/HEPES缓冲溶液(v/v＝3/7，pH＝7.2)体系中，加入Fe³⁺后荧光发射光谱随时间响应的变化情况，横坐标为测试时间，纵坐标为荧光强度。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明进行详细地描述，但是应该指出本发明的实施不限于以下的实施方式。

一种用于铁离子检测的苯并噻唑双希夫碱荧光分子探针，该荧光分子探针的结构式为：

用于铁离子检测的苯并噻唑双希夫碱荧光分子探针的合成方法，该荧光分子探针是采用苯并噻唑-2-甲醛和2-羟基-1-萘肼缩合而成，其反应式如下：

合成方法具体包括以下步骤：

1)苯并噻唑-2-甲醛与2-羟基-1-萘肼按摩尔比1:(1～2)加入到酸性溶剂中，回流加热至75-80℃，反应5～7h，趁热抽滤，得到反应混合物；

2)将反应混合物利用丙酮和水的混合溶剂重结晶，冷却后析出大量固体；过滤，收集滤饼，得到用于铁离子检测的苯并噻唑双希夫碱荧光分子探针(BP)。

其中，步骤1)中所述的酸性溶剂为冰乙酸，或者浓硫酸或浓盐酸的乙醇溶剂，该浓硫酸或浓盐酸的乙醇溶剂中浓硫酸或浓盐酸的浓度为5％-10％。步骤2)中丙酮和水的体积比为1:(5～10)。

用于铁离子检测的苯并噻唑双希夫碱荧光分子探针的使用方法，包括以下步骤：

1)将所述荧光分子探针溶解于二甲基亚砜与HEPES缓冲溶液的混合液中，得到荧光分子探针溶液；其中HEPES缓冲溶液混合液的pH为6-8，混合液中二甲基亚砜与HEPES缓冲溶液的体积比为3:7，混合液中荧光分子探针的浓度为7-10μmol/L；

2)取荧光分子探针溶液，向其中加入20μmol/L待测样品，混合均匀，得到样品溶液；

3)用紫外分光光度计测试荧光分子探针溶液在波长为332nm处的吸光度值A₁，再测试样品溶液在波长为332nm处的吸光度值A₂，如果A₂≥2A₁，则可判定样品中含有Fe³⁺；或者用荧光光谱仪测试荧光分子探针溶液在发射波长为510nm时的荧光强度B₁，再测试样品溶液在发射波长为510nm时的荧光强度B₂，如果B₂≤20％B₁，则可判定样品中含有Fe³⁺。其中，HEPES缓冲溶液采用4-羟乙基哌嗪乙磺酸缓冲溶液。

实施例1

用于铁离子检测的苯并噻唑双希夫碱荧光分子探针的合成方法：

1)将163mg(1mmol)苯并噻唑-2-甲醛与172mg(1mmol)2-羟基-1-萘肼加入到15mL冰乙酸中，回流反应5～7h，趁热抽滤，得到反应混合物；

2)将滤饼用丙酮和水重结晶，得到得到荧光分子探针，即为用于铁离子检测的苯并噻唑双希夫碱比率荧光分子探针。经计算，产率为71％。

本实施例制备的用于铁离子检测的苯并噻唑双希夫碱比率荧光分子探针的质谱、元素分析及在氘取代的二甲基亚砜DMSO溶剂中的¹H NMR谱数据如下：

¹H NMR(500MHz,DMSO)δ12.18(s,1H),8.88(s,1H),8.64(s,1H),7.88(t,J＝9.3Hz,2H),7.76(d,J＝7.4Hz,1H),7.58(t,J＝7.6Hz,1H),7.39(t,J＝7.4Hz,1H),7.37-7.27(m,3H),7.24(d,J＝8.8Hz,1H),7.10(t,J＝7.2Hz,1H).FT-MS,m/z:332.32515(M+H⁺)；Anal.Calcd for C₁₉H₁₃N₃OS:C,68.86；H,3.95；N,12.68.Found:C,68.91；H,3.93；N,12.64.

从以上数据可以得到本实施例制备的用于铁离子检测的苯并噻唑双希夫碱比率荧光分子探针的结构式如下：

将本实施例制备的荧光分子探针进行紫外光谱检测，方法如下：按荧光分子探针BP的浓度为10μmol/L，将荧光分子探针BP加入到DMSO/HEPES缓冲(v/v＝3/7，pH＝7.2)溶液中，检测其紫外吸收光谱，得到的紫外吸收光谱图如图1所示，由图1可知，本实施例制备的荧光分子探针的紫外最大吸收波长在350nm。其中，DMSO/HEPES缓冲(v/v＝3/7，pH＝7.2)溶液是指DMSO与HEPES缓冲溶液的混合液，其中HEPES缓冲溶液pH＝7.2，混合液中DMSO与HEPES缓冲溶液的体积比为3:7。

将本实施例制备的荧光分子探针的进行荧光发射光谱测试，方法如下：按荧光分子探针BP的浓度为10μmol/L，将荧光分子探针加入到DMSO/HEPES缓冲(v/v＝3/7，pH＝7.2)溶液中，检测其荧光发射光谱，荧光发射光谱图如图2所示。由图2可知，本实施例制备的荧光分子探针在509nm处具有发射峰，荧光强度较强。

测试本实施例制备的荧光分子探针与不同金属离子作用后的荧光发射光谱，具体方法如下：

按荧光分子探针BP浓度为10μmol/L，将荧光分子探针BP加入到DMSO/HEPES缓冲(v/v＝3/7，pH＝7.2)溶液中，再按金属离子的浓度为20μmol/L加入一种金属离子，2min后溶液的荧光发射光谱，其中金属离子分别为Cr³⁺,Ag⁺,Co²⁺,Cu²⁺,Hg²⁺,K⁺,Ni²⁺,Cd²⁺,Pb²⁺,Ba^{2 +},Mg²⁺,Al³⁺,Ca²⁺,Zn²⁺,Fe³⁺,Na⁺，得到的荧光发射光谱图如图3所示，由图3可知，加入不同的金属离子之后，特征发射峰没有明显的变化。当加入Fe³⁺时，荧光强度淬灭到原来的1/5。因此，荧光分子探针BP对Fe³⁺有良好的选择性和识别能力。

将本实施例制备的荧光分子探针进行抗金属离子干扰测试，方法如下：按荧光分子BP的浓度为10μmol/L，将荧光分子探针BP加入到DMSO/HEPES缓冲(v/v＝3/7，pH＝7.2)溶液中，分别加入20μmol/L的Fe³⁺离子，再分别加入20μmol/L的其它常见金属离子(Cr³⁺,Ag⁺,Co²⁺,Cu²⁺,Hg²⁺,K⁺,Ni²⁺,Cd²⁺,Pb²⁺,Ba²⁺,Mg²⁺,Al³⁺,Ca²⁺,Zn²⁺,Na⁺)，2min后检测溶液的荧光发射光谱变化，取荧光强度峰值进行比较(如图4所示)。由图4可以看出，其他常见金属离子(Cr³⁺,Ag⁺,Co²⁺,Cu²⁺,Hg²⁺,K⁺,Ni²⁺,Cd²⁺,Pb²⁺,Ba²⁺,Mg²⁺,Al³⁺,Ca²⁺,Zn²⁺,Na⁺)与Fe³⁺的同时存在，Fe³⁺依然能够使荧光分子探针的荧光强度发生淬灭，淬灭强度与不存在干扰金属离子时相当，即荧光分子探针Fe³⁺的选择性识别不受其他金属离子的干扰。

检测本实施例制备的荧光分子探针对Fe³⁺选择性的灵敏度，具体方法如下：按荧光分子探针BP的浓度为10μmol/L，将荧光分子探针BP加入到DMSO/HEPES缓冲(v/v＝3/7，pH＝7.2)溶液中，加入0～2当量的Fe³⁺，测试出的荧光图谱变化情况(如图5所示)；由图5可以看出，随着Fe³⁺的量的不断增加，509nm处的发射峰的强度不断减小，最后荧光几乎完全淬灭。图6是荧光强度随Fe³⁺的浓度变化曲线图，从图6中也可以形象看出，探针荧光强度随Fe³⁺浓度的增加，荧光强度不断减小，且荧光强度随Fe³⁺浓度变化呈很好的线性关系。当Fe³⁺浓度达到1当量时，荧光强度几乎不再变化，荧光淬灭完全。

图7是本实施例的荧光分子探针检测Fe³⁺最低检测限的测定曲线图。横坐标为Fe³⁺浓度的对数值，纵坐标Y＝F₀-F，其中F₀为Fe³⁺浓度为0时探针的荧光强度，F为加入不同浓度Fe³⁺时探针的荧光强度，线性拟合方程为Y＝62.7781X+25.5052，R²＝0.9958，计算得出最低检测限为2.59×10^-8mol/L浓度。

测试pH值对本实施例制备的荧光分子探针的影响，即检测荧光分子探针在不同pH值条件下加入Fe³⁺前后荧光变化情况，具体如下：按荧光分子探针BP的浓度为10μmol/L，分别测定在4-11不同pH值条件下探针的荧光发射光谱。同样测定加入20μmol/L的Fe³⁺之后在不同pH值条件下探针的荧光发射光谱光谱，结果如图8所示。由图8可以看出，荧光分子探针在加入Fe³⁺后，荧光分子探针的荧光强度明显减弱，荧光淬灭明显，荧光强度几乎不随pH值变化而变化。这说明本实施例中的荧光分子探针对Fe³⁺识别在pH值4-11时具有稳定的荧光强度，受pH值变化较小。

测试本实施例制备的荧光分子探针对Fe³⁺响应时间，具体方法如下：按荧光分子探针BP的浓度为10μmol/L，将荧光分子探针BP加入到DMSO/HEPES缓冲(v/v＝3/7，pH＝7.2)溶液中，在体系中加入20μmol/L的Fe³⁺，在不同的时间条件下(10、20、30、40、50、60、70、80、90、100、110、120s)测试其荧光发射光谱。取荧光发射光谱中的最大值得到探针对Fe³⁺的相应时间变化曲线，如图9所示。从图9中可以看到，在加入Fe³⁺后，50s之内荧光分子探针与Fe³⁺即可以完成络合，荧光发射强度完全猝灭。说明此探针对Fe³⁺的响应非常迅速，一分钟之内就能完成络合，在实际检测应用中有非常好的即时性优点。

实施例2

用于铁离子检测的苯并噻唑双希夫碱比率荧光分子探针的制备方法如下：

一、按苯并噻唑-2-甲醛与2-羟基-1-萘肼的摩尔比为1:(1～2)，将苯并噻唑-2-甲醛与2-羟基-1-萘肼加入到浓硫酸的乙醇溶剂中，回流反应5～7h，趁热抽滤，得到反应混合物；

二、将反应混合物利用丙酮和水的混合溶剂重结晶，冷却后析出大量固体；过滤，收集滤饼，得到荧光分子探针BP，即为用于铁离子检测的苯并噻唑双希夫碱比率荧光分子探针。经计算，产率为74％。

本实施例制备的用于铁离子检测的苯并噻唑双希夫碱比率荧光分子探针的质谱、元素分析及在氘取代的DMSO溶剂中的¹H NMR谱数据如下：

¹H NMR(500MHz,DMSO)δ12.18(s,1H),8.88(s,1H),8.64(s,1H),7.88(t,J＝9.3Hz,2H),7.76(d,J＝7.4Hz,1H),7.58(t,J＝7.6Hz,1H),7.39(t,J＝7.4Hz,1H),7.37-7.27(m,3H),7.24(d,J＝8.8Hz,1H),7.10(t,J＝7.2Hz,1H).FT-MS,m/z:332.32515(M+H⁺)；Anal.Calcd for C₁₉H₁₃N₃OS:C,68.86；H,3.95；N,12.68.Found:C,68.91；H,3.93；N,12.64.

从以上数据可以得到本实施例制备的用于铁离子检测的苯并噻唑双希夫碱比率荧光分子探针的结构式如下：

实施例3

用于铁离子检测的苯并噻唑双希夫碱比率荧光分子探针的制备方法如下：

1)按苯并噻唑-2-甲醛与2-羟基-1-萘肼的摩尔比为1:(1～2)，将苯并噻唑-2-甲醛与2-羟基-1-萘肼加入到20mL浓盐酸的乙醇溶剂中，回流反应5～7h，趁热抽滤，得到反应混合物；

2)将滤饼用丙酮和水重结晶，得到荧光分子探针BP，即为用于铁离子检测的苯并噻唑双希夫碱比率荧光分子探针，经计算，产率为79％。

本实施例制备的用于铁离子检测的苯并噻唑双希夫碱比率荧光分子探针的质谱、元素分析及在氘取代的DMSO溶剂中的¹H NMR谱数据如下：

¹H NMR(500MHz,DMSO)δ12.18(s,1H),8.88(s,1H),8.64(s,1H),7.88(t,J＝9.3Hz,2H),7.76(d,J＝7.4Hz,1H),7.58(t,J＝7.6Hz,1H),7.39(t,J＝7.4Hz,1H),7.37-7.27(m,3H),7.24(d,J＝8.8Hz,1H),7.10(t,J＝7.2Hz,1H).FT-MS,m/z:332.32515(M+H⁺)；Anal.Calcd for C₁₉H₁₃N₃OS:C,68.86；H,3.95；N,12.68.Found:C,68.91；H,3.93；N,12.64.

从以上数据可以得到本实施例制备的用于铁离子检测的苯并噻唑双希夫碱比率荧光分子探针的结构式如下：

Claims (5)

1.一种用于铁离子检测的苯并噻唑双希夫碱荧光分子探针，其特征在于，该荧光分子探针的结构式为：

2.一种根据权利要求1所述的用于铁离子检测的苯并噻唑双希夫碱荧光分子探针的合成方法，其特征在于，该荧光分子探针是采用苯并噻唑-2-甲醛和2-羟基-1-萘肼缩合而成，具体包括以下步骤：

1)苯并噻唑-2-甲醛与2-羟基-1-萘肼按摩尔比1:(1～2)加入到酸性溶剂中，回流加热75-80℃，反应5～7h，趁热抽滤，得到反应混合物；

2)将反应混合物利用丙酮和水的混合溶剂重结晶，冷却后析出大量固体；过滤，收集滤饼，得到用于铁离子检测的苯并噻唑双希夫碱荧光分子探针。

3.根据权利要求2所述的一种用于铁离子检测的苯并噻唑双希夫碱荧光分子探针的合成方法，其特征在于，步骤1)中所述的酸性溶剂为冰乙酸、或者浓硫酸或浓盐酸的乙醇溶剂，所述的浓硫酸或浓盐酸的乙醇溶剂中，浓硫酸或浓盐酸的浓度为5-10％。

4.根据权利要求2所述的一种用于铁离子检测的苯并噻唑双希夫碱荧光分子探针的合成方法，其特征在于，步骤2)中丙酮和水的体积比为1:(5～10)。

5.一种根据权利要求1所述的用于铁离子检测的苯并噻唑双希夫碱荧光分子探针的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)将所述荧光分子探针溶解于二甲基亚砜与HEPES缓冲溶液的混合液中，得到荧光分子探针溶液；其中HEPES缓冲溶液混合液的pH为6-8，混合液中二甲基亚砜与HEPES缓冲溶液的体积比为3:7，混合液中荧光分子探针的浓度为7-10μmol/L；

2)取荧光分子探针溶液，向其中加入20μmol/L的待测样品，混合均匀，得到样品溶液；

3)用紫外分光光度计测试荧光分子探针溶液在波长为332nm处的吸光度值A₁，再测试样品溶液在波长为332nm处的吸光度值A₂，如果A₂≥2A₁，则可判定样品中含有Fe³⁺；或者用荧光光谱仪测试荧光分子探针溶液在发射波长为510nm时的荧光强度B₁，再测试样品溶液在发射波长为510nm时的荧光强度B₂，如果B₂≤20％B₁，则可判定样品中含有Fe³⁺。