CN110483468A - 一种用于检测水中金属离子含量的荧光探针及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于水中金属离子含量检测的荧光探针，所述化合物以N‑乙酸基苯胺作为金属离子络合体，在其分子中引入荧光素荧光基团，生成金属离子特别是锌离子的荧光指示剂。本发明的化合物还可以应用于细胞原位成像。能够适用于各种环境中的金属离子浓度的连续检测，尤其是水中对锌离子浓度的连续测定。

Description

一种用于检测水中金属离子含量的荧光探针及其应用

技术领域

本发明属于有机化合物领域，尤其涉及一种可用于水中金属离子含量检测的有机化合物及其相关应用。

背景技术

水是生命之源，也是人类与一切生物赖以生存的物质基础。随着我国经济发展快速，出现大量水资源的浪费和水体污染以及生活用水紧张等。尤其是社会进步及工业发展的多样化，复杂的污染物导致水污染状况加剧。面临水资源的严重缺乏和污染，我们必须合理开发使用水资源，坚持可持续利用水资源，这就对水质检测和治理工作提出了更高的要求。

锌是人体必需的微量元素之一，在人体生长发育、生殖遗传、免疫、内分泌等重要生理过程中起着极其重要的作用[1]。锌是脑中含量最多、维持脑的正常功能所必需的微量元素，锌的含量需维持一定的正常范围内，过多或过少都会引起疾病。饮用水一旦被锌污染后，有可能造成过量的锌进入人体。慢性锌中毒主要以恶心、胃部不适为主要症状，也可引起免疫功能低下，降低高密度或低密度脂蛋白胆固醇，降低铜蓝蛋白亚铁氧化酶活性，最终导致动脉粥样硬化、高血压、冠心病等。当水中锌含量为1mg·L^-1时，对水体生物氧化过程有轻微抑制作用；含锌量在3mg·L^-1～5mg·L^-1时，在煮沸后水会呈现乳白色，放置一段时间后出现一层油脂状薄膜；含锌量超过5mg·L^-1时，水中有苦涩味。

铅、镉等一系列剧毒重金属被广泛用于工业生产流程中，它们大都最终转化成为阳离子而被排放到自然界。这些重金属离子在生物体内不可降解，而且可以通过食物链在生物组织里富集，从而对人和自然界造成巨大的危害。镉被广泛用于工业生产(如电池工业)，长期接触镉，能引起多种癌症发病率的增加。铅大都以 Pb²⁺的形式存在，能引起消化系统、神经系统以及心脏的病变，导致儿童的智力障碍。

因此，检测水中重金属研究成为了科学研究领域中一个重要的科研课题。目前水质检测金属离子的传统方法有电感耦合等离子发射光谱法、流动注射分析和电化学法等[2]。但是，上述传统检测方法一般都具有所需仪器贵重，检测耗时，步骤复杂，专业性强等特点。为了解决上述劣势，荧光传感检测金属离子的方法以其选择好、灵敏度高、检测方便快捷等优点引起了人们广泛关注和极大兴趣，并在近些年得到了较大的发展。荧光传感离子检测拥有众多优点，有望替代此前描述的传统方法。比如，测试过程快捷方便，价格低廉，“裸眼”可视化检测，选择性好，灵敏度高，分子结构易于修饰优化。

发明内容

针对现有技术的上述及其他缺陷，本申请的发明人通过大量创造性的研究工作，发明了一种效率高、灵敏度好及重现性好的用于水中的金属离子尤其是锌等重金属离子含量检测的有机化合物，该化合物引入荧光基团，可制成水中检测金属离子的荧光探针，适用于水环境及生物体内的金属离子浓度的连续检测。

为实现上述及其他目的，本发明提供如下技术方案。

在本发明第一方面，提供一种用于水中金属离子含量检测的荧光有机化合物，所述化合物包含取代或未取代的N-乙酸基苯胺作为金属离子络合体，并在N-乙酸基苯胺的对位引入了荧光素荧光基团。

所述化合物具有如下结构式：

一种优选实施方式中，可用本发明化合物检测的金属离子选自锌等金属离子。

在本发明第二方面，提供本发明化合物在水中金属离子含量检测中的应用。一种优选实施方式中，所述金属离子选自锌离子。另一种优选实施方式中，所述检测为荧光检测，连续检测。

本发明的有机化合物作为金属离子探针具有如下突出的技术优势：

1、本发明通过在N-乙酸基苯胺中引入荧光素荧光基团，可以制备出一系列金属离子(尤其是锌离子)荧光指示剂。当金属离子含量改变时，荧光强度随着改变，可从其荧光强度计算出溶液中金属离子的含量。

2、还可利用荧光成像，将本发明的探针应用于细胞内锌离子检测，应用于生物体内微量金属离子含量的分析，实现无创原位检测。

附图说明

图1为本发明制备荧光型金属离子探针的反应路线。

图2为本发明锌离子检测荧光探针络合锌离子的原理图。

图3为本发明金属离子检测荧光探针对不同离子的荧光光谱图。

图4为本发明金属离子检测荧光探针对不同离子的荧光强度柱形图。

图5为本发明锌离子检测荧光探针络合不同浓度锌离子的荧光发射光谱图。

图6为本发明锌离子检测荧光探针络合锌离子的荧光光谱图。

图7为本发明锌离子荧光探针检测细胞内的锌离子及其原位成像。

具体实施方式

本发明通过使用N-乙酸基苯胺结构，可络合多种金属离子，从而可用于实现微量离子含量的分析。申请人在长期的研发过程中对本发明化合物结构可络合的金属离子进行了广泛检测，发现其对Ca²⁺、Cd²⁺、Co²⁺、 Cr³⁺、Cu²⁺、Fe²⁺、Fe³⁺、Hg²⁺、K⁺、Mg²⁺、Mn²⁺、Na⁺、Ni²⁺、Pb^{2 +}、Zn²⁺及镧系金属离子等均具有一定的结合能力，在这之中，尤其是对锌离子具有较好的络合能力，对锌离子具有显著的、特异性结合的络合能力，可以作为锌离子的有效载体。通过在上述苯胺结构的对位引入荧光素荧光基团，基于光致诱导电子转移原理，当离子含量改变时，其荧光强度随之改变，由此可从荧光强度计算出溶液中离子的含量。

本发明化合物中可包含取代或未取代的N-乙酸基苯胺结构。本领域技术人员不难确定可进行哪些取代而不影响本发明化合物络合金属离子并显示荧光的能力。

利用荧光强度变化均可实现对离子浓度的连续检测，尤其是对锌离子浓度的检测。本领域常用的荧光基团均可用于本发明。

在本发明的离子载体中引入荧光基团以后，所生成的一系列分子可对金属离子尤其是锌离子产生荧光响应。此类分子在不同的锌离子浓度的样品中能产生不同强度的荧光，可用荧光分光光度计检测。申请人在实验中证实了上述效果，荧光强度随着样品中锌离子浓度的增加而增加，增加幅度能达十几倍。

由于络合结构对于不同金属离子的结合能力有差异，考虑到实际的检测应用需要，本发明的有机化合物最适合的检测对象是锌离子；也可检测其他金属离子，包括但不限于Ca²⁺、Co²⁺、Cr³⁺、Cu²⁺、Fe²⁺、Fe³⁺、 K⁺、Mg²⁺、Mn²⁺、Na⁺、Ni²⁺、Zn²⁺，尤其可用于科学研究用途。

附图1以具体化合物为例显示了本发明离子载体化合物和荧光指示剂的合成路线。需要注意的是，此处使用具体化合物只是出于方便理解的目的，本领域技术人员可根据这些具体化合物的合成路线进行必要的改动来制备可用于本发明的其他离子载体化合物和指示剂。

参考附图1所示，显示了本发明的一种优选分子结构(亦可称为锌离子载体)即N-乙酸基苯胺以及锌离子荧光探针的合成路线。

本说明书上文中结合具体实施方式对本发明进行了阐释，但应理解，这些描述和阐释只是为了更好地理解本发明，而不构成对本发明的任何限定。本领域技术人员在阅读了本申请说明书之后可对本发明的具体实施方式进行必要的改动而不脱离本发明的精神和范围。本发明的保护范围由所附的权利要求书限定，并且涵盖了权利要求的等同变换。

下面结合实施例对本发明进行进一步的说明。在下述实施例中，提供了具体的化合物结构以说明本发明化合物的结构类型、制备方法、及其作为锌离子浓度检测探针的检测性能。所提供的实施例仅用于说明本发明可如何实施，并不构成特别限定。具有本领域专业知识的一般技术人员，可通过下面所举的具体例子，举一反三，制备出金属离子特别是锌离子的荧光指示剂。

除非本申请上下文中另有其他说明，否则本申请中所用技术术语及缩写均具有本领域技术人员所知的常规含义；除非另有说明，否则下述实施例中所用原料化合物均为商购获得。

按照图1所描述的反应过程制备本发明所提到的各种化合物，每个步骤的反应的具体步骤如下：

化合物2的合成：分别将化合物1(9.3g，100mmol)，溴乙酸乙酯(66.8g，400mmol)，碳酸钾(55.2g， 400mmol)，DMF(100mL，100mmol)加入到0.5L的三口瓶中。控制内温为150℃，反应18h后，TLC (PE∶EA＝8∶2)点板检测，原料反应完全。停止反应，降温冷却，油泵旋干多余的溴乙酸乙酯，固体溶解在100mL的二氯甲烷中，有机相有100mL的水反复萃取三次，无水硫酸钠干燥，旋干过柱得到产品(黄色固体)5.4g。

化合物3的合成：室温下，分别将化合物2(5.4g，20mmol)，三氯氧磷(15.3g，100mmol)加入到100mL 三口瓶中，三口瓶下放一个容器，容器中加入乙醇，干冰，使三口瓶内的温度保持0-5℃，逐滴滴加三氯氧磷(14.6g，200mmol)，反应18h后，TLC(PE∶EA＝1∶1)点板检测。原料完全反应，倒入1∶1冰水混合物 300mL，搅拌1h，加入饱和碳酸氢钠，调节PH到8-9，用二氯甲烷将水相萃取三次，无水硫酸钠干燥，旋干，柱层析得到产品4.5g油状物。

化合物4的合成：室温下，分别将化合物3(1g，3.3mmol)和4-氯间苯二酚(0.95g，6.6mmol)，加入到 50mL圆底烧瓶中，先加入10mL二氯甲烷，再用尽量少的甲醇溶解不溶物，逐滴滴加1mL甲基磺酸到混合液中，室温搅拌过夜，TLC(氯仿∶甲醇＝9∶1)，点板检测。原料反应完全后，向反应液中加入10mL水，用碳酸钾调节溶液的pH值至8-9，用10mL二氯甲烷萃取上述水溶液，无水硫酸钠干燥，旋干。

化合物5的合成：室温下，将化合物4(200mg，0.355mmol)，用醋酸∶甲苯＝1∶1共2mL的混合液溶解，逐渐将2，3-二氯-5，6-二氰基-1，4-苯醌(DDQ，196.6mg，0.71mmol)的醋酸∶甲苯＝1∶1，共2mL的混合液迪加到上述反应液中。溶液立即变黑，室温反应3h，TLC(氯仿∶甲醇＝9∶1)点板检测，油泵旋干，得到固体。将固体用二氯甲烷溶解，制备板分离得到红色的13mg纯品化合物。

Sensor Zn的合成：13mg化合物5溶于1mL甲醇中，加入NaOH溶液2mL 40℃水解，TLC(DCM∶MeOH＝5∶1)检测反应完全后，直接用于下一步的性质响应实验测试。

本发明通过对N-乙酸基苯胺荧光基团，使得该分子在与金属离子络合时产生荧光强度的变化，从而实现了微量金属离子自动化检测。该分子与金属离子络合后荧光强度的变化与溶液中金属离子的浓度直接相关，因而可根据该分子的荧光强度而计算出溶液中金属离子的含量，实现对金属离子含量的快速准确检测。

图3及图4显示了锌离子载体对不同离子的荧光发射光谱及其柱状图。

图5显示了加入不同浓度的锌离子溶液，Sensor Zn的浓度滴定荧光强度响应变化曲线，随着加入锌离子浓度逐渐增加，Sensor Zn的荧光逐渐增强，取最大发射波长550nm处所对应的荧光强度响应变化相对值对锌离子浓度做浓度滴定曲线如图6所示。

图7为该锌离子荧光探针成功应用于细胞内锌离子原位成像。

本领域技术人员都能根据本说明书所提供的思路和合成方法，制备出具有络合能力的锌离子指示剂，此处不予赘述。

综合上述实验结果可知，本发明的有机化合物对于锌离子浓度的增加有良好的响应，在没有锌离子或锌离子含量很低的样品中，荧光很弱，或几乎没有荧光。

参考文献：

[1]侯振江，张宗英，李月秋，微量元素与健康研究，2002，19(4)，65.

[2]陈正，王彬彬，科技创新与应用，2016，5，155.

[3]Huarui He，Kenneth Jenkins，Chao Lin，A fluorescent chemosensor forcalcium with excellent storage stability in water.Anal.Chim.Acta，2008，611，197-204.

Claims (6)

1.一种用于检测水中金属离子含量的荧光探针，所述化合物包含取代或未取代的N-乙酸基苯胺作为金属离子络合体，并在其分子的对位引入荧光素荧光基团。

2.根据权利要求1所述的有机化合物，其特征在于所述化合物具有如下结构式：

3.权利要求1至2中任一项所述的荧光探针在水中金属离子含量检测中的应用。

4.根据权利要求3所述的应用，其特征在于所述金属离子选自重金属锌离子。

5.根据权利要求4所述的应用，其特征在于所述检测为荧光检测，连续检测。

6.根据权利要求4所述的应用，其特征在于所述检测可应用于细胞荧光成像检测。