CN110590600A

CN110590600A - 一种席夫碱聚集诱导荧光分子探针及其制备方法和应用

Info

Publication number: CN110590600A
Application number: CN201910815393.4A
Authority: CN
Inventors: 胡小刚; 刘锦辉
Original assignee: South China Normal University
Current assignee: South China Normal University
Priority date: 2019-08-30
Filing date: 2019-08-30
Publication date: 2019-12-20

Abstract

本发明涉及一种席夫碱聚集诱导荧光分子探针及其制备方法和应用，所述荧光分子探针为席夫碱类化合物，利用一步简单反应合成具有聚集诱导发光性能的席夫碱，以二苯甲酮腙和5‑氯水杨醛作为原料，通过氨基和醛基之间的专一反应将二苯甲酮腙和5‑氯水杨醛键合，形成具有聚集诱导荧光性能的席夫碱化合物分子，该化合物分子能够通过配位作用特异性识别Cu²⁺，并通过其荧光信号的变化实现对Cu²⁺的定性和定量检测。本发明的荧光分子探针具有快速检测、灵敏度高、特异性强等优点，可以用来高灵敏度、高选择性、快速准确地检测水中的Cu²⁺。

Description

一种席夫碱聚集诱导荧光分子探针及其制备方法和应用

技术领域

本发明涉及材料制备和检测技术领域，特别是涉及一种席夫碱聚集诱导荧光分子探针及其制备方法和应用。适用于各种水样中痕量检测Cu²⁺的快速检测。

背景技术

铜离子是人体所必须的痕量元素之一，同时也是体内第三种丰富的过度金属元素。它参与许多蛋白质和酶催化因子的构成，如细胞色素C氧化酶和长氧化物歧化酶等；但是当体内的铜含量过高时会损伤肾脏和肝脏，从而肝硬化和肝腹水等疾病，还可能导致阿尔兹海默病、帕金森症和梅克斯病等。对于植物而言，过高的铜离子浓度会影响植物对其他必须离子的吸收，进而影响其正常生长发育。因此，实现对铜离子的高灵敏检测显得尤为重要。

对铜离子检测的传统方法有原子吸收光谱法、紫外可见分光光度法、离子色谱法、比色法等，传统的检测方法虽然实现了准确度高，线性范围宽和特异性强等特点，但其前处理过程复杂，且检测成本高，难以实现现场快速检测。与这些传统检测方法相比，荧光光谱法具有灵敏度高、试样用量少、仪器设备简单、操作简便、可实现原位实时在线及非破坏性检测等优点显示出越来越广阔的应用前景。

常见的荧光分子探针在接受一定范围波长的光激发后，会发射出比入射波长更长的荧光，当入射光消失的同时，发射光也会消失；但是当不断增加溶液中的荧光分子浓度时，溶液的荧光会发生猝灭，这是由于荧光分子之间析出聚集，导致了分子之间的共轭结构相互堆叠使其从激发态重新回到基态，这就是常见的荧光分子的聚集猝灭效应(Aggregation-Caused Quenching,ACQ)。由于ACQ现象的存在，使得传统的有机分子荧光材料在高浓度和固态下的应用受到了极大的限制。因此，如何克服有机荧光材料中的ACQ性质是在目前实现有机荧光材料得到更广泛应用中亟需解决的问题。

2001年，Tang等人发现硅杂环戊二烯衍生物在良溶剂中几乎不产生荧光，但在不良溶剂和固体状态下的荧光信号会大大增强，随着聚集程度的增加，荧光信号不断增强；这与传统的有机荧光分子聚集而产生猝灭现象(ACQ)完全相反，这种特殊的聚集增强荧光现象被定义为聚集诱导发光现象(Aggregation-Induced Emission,AIE)。具有AIE性质的有机荧光分子从根本上解决了聚集诱导猝灭的难题，使得有机荧光材料能够实现在更多方面的应用。随着人们对具有AIE性质的有机荧光分子研究的不断深入，越来越多具有AIE性能的有机荧光分子被合成出来，并应用于离子检测、生物小分子检测、细胞成像等领域，使得有机荧光分子在检测示踪方面得到了快速的发展。聚集诱导发光材料从根本上克服了传统有机荧光分子导致ACQ的问题，在水溶液中，即使材料浓度很低也能产生很强的荧光。近年来，人们对于AIE荧光探针的研究越来越多，同时各种不同的AIE探针也被开发出来。但这些AIE探针普遍存在合成步骤繁琐、产率低和耗时长等问题。因此，希望通过一步简单反应来实现AIE探针的快速高效合成，同时改变反应物所带有的官能团可以轻松得到理想的功能化AIE探针。

发明内容

基于此，本发明的目的在于，克服现有技术中检测Cu²⁺操作复杂，耗时长，选择性差等缺陷，同时解决了传统荧光探针在浓度过高时导致聚集诱导猝灭的缺点，提高其生物应用，提供了一种席夫碱聚集诱导荧光分子探针及其制备方法。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种席夫碱聚集诱导荧光分子探针，该荧光分子探针为席夫碱类化合物，具体结构式为：

相对于现有技术，本发明的荧光分子探针化合物具有分子内共轭结构，所以在入射光的照射下会在420nm处产生荧光信号。同时，该分子内羟基会与氮原子形成分子内氢键，收到入射光激发时会发生分子内质子转移，使得分子由醇式结构转变为酮式结构，由于在酮式结构下分子内共轭程度增加，所以会在560nm处发射出更加强烈的荧光信号。此外，该分子并非平面型结构，在不良溶剂中形成聚集体时不会形成H-聚集体而导致荧光猝灭，同时在水溶液中能够促进激发态分子内质子转移进程，因此展现出聚集诱导荧光增强的性能。本发明的荧光分子探针具有光稳定性好、灵敏度高、检测速度快、荧光强度高、检测限低等优点。

本发明的另一目的在于提供上述席夫碱聚集诱导荧光分子探针的制备方法：包括如下步骤：

S1：向反应容器中加入二苯甲酮腙、5-氯水杨醛和无水乙醇，在室温条件下搅拌；；

S2：反应结束后将溶剂无水乙醇蒸干，并用少量无水乙醇重新分散，得到悬浮液；

S3：对S2所得悬浮液进行抽滤并用大量无水乙醇洗涤产物；

S4：收集S3所得反应产物并在室温条件下真空干燥，得到席夫碱聚集诱导荧光分子探针。

与现有技术相比，本发明采用二苯甲酮腙与修饰有其他官能团的水杨醛反应生成具有AIE性能的席夫碱。该反应条件温和而且高效，仅需在室温条件下反应数小时便可完成。我们采用一步法简单高效地合成出能够定性定量检测的席夫碱聚集诱导荧光分子探针。利用醛基和氨基之间的特异性反应形成腈基，将二苯甲酮腙和5-氯水杨醛键合在一起，该反应条件温和、快速，在室温条件下便可进行。同时，由于产物在无水乙醇中溶解性较差，而二苯甲酮腙和5-氯水杨醛在无水乙醇中溶解性较好，所以只需通过无水乙醇洗涤产物便能纯化产物。

进一步地，所述步骤S1中，向反应容器中加入二苯甲酮腙、5-氯水杨醛和无水乙醇，通入氮气排除氧气，将溶液放置在避光环境中，并用磁力搅拌器以700rpm在室温条件下搅拌。

进一步地，步骤S1中所述二苯甲酮腙、5-氯水杨醛的摩尔比为：(0.5～1.5):1；所述反应溶剂无水乙醇的体积为15～50mL，搅拌反应时间为5～20h。

进一步地，步骤S2中所述重新分散溶剂无水乙醇体积为2～10mL。

进一步地，步骤S3中所述洗涤溶剂无水乙醇体积为20～50mL。

本发明所述席夫碱聚集诱导荧光分子探针可以用于对水样中的Cu²⁺进行分析检测。

当溶液中存在铜离子时，本发明的荧光分子探针化合物分子内的氧原子和氮原子会与其形成配位键，从而破坏了分子内氢键以及激发态分子内质子转移进程，使得该分子不能够从醇式转变为酮式结构，导致在560nm处的荧光产生猝灭效果，而420nm处的荧光则基本不受影响。

本发明所述的一种席夫碱聚集诱导荧光分子探针是一种将聚集诱导发光分子作为光源的有机荧光分子，与传统的有机荧光分子相比，该荧光探针具有许多优良特性：1、克服了在浓度过高时会导致聚集诱导猝灭的缺点，而且在水溶液中具有优良的荧光性能，而传统的有机荧光分子一般水溶性较差，难以增大其在水溶液中的浓度和荧光强度；2、制备简单高效，合成反应仅需在室温条件下反应短时间即可完成，该反应安全而且产率高。

为了更好地理解和实施，下面结合附图详细说明本发明。

附图说明

图1为本发明席夫碱聚集诱导荧光分子探针(SYB-Cl)的傅里叶变换红外光谱图；

图2为本发明席夫碱聚集诱导荧光分子探针(SYB-Cl)与不同浓度Cu²⁺的核磁共振氢谱，(A、B、C分别表示Cu²⁺浓度为:0μmol/L、5μmol/L、10μmol/L)；

图3为本发明席夫碱聚集诱导荧光分子探针(SYB-Cl)溶液中加入16种金属离子后的荧光强度谱图；

图4为本发明席夫碱聚集诱导荧光分子探针(SYB-Cl)溶液中Cu²⁺与其它15种金属离子竞争结合的荧光强度谱图；

图5为本发明席夫碱聚集诱导荧光分子探针(SYB-Cl)溶液中Cu²⁺与16种阴离子竞争结合的荧光强度谱图；

图6为本发明席夫碱聚集诱导荧光分子探针(SYB-Cl)溶液中加入不同浓度的Cu²⁺后的荧光光谱图；

图7和图8为本发明席夫碱聚集诱导荧光分子探针(SYB-Cl)荧光强度与Cu²⁺浓度的关系图；

图9为本发明席夫碱聚集诱导荧光分子探针(SYB-Cl)的溶剂比例优化结果图；

图10为本发明席夫碱聚集诱导荧光分子探针(SYB-Cl)的pH优化结果图；

图11为本发明席夫碱聚集诱导荧光分子探针(SYB-Cl)的结合时间优化结果图。

具体实施方式

下面对本发明作进一步详细描述。

本发明以合成所得的聚集诱导荧光分子作为发光源和Cu²⁺识别单元，该探针分子通过一步法合成，条件温和，反应迅速，从根本上解决了传统荧光有机分子聚集诱导猝灭的问题，具有光稳定性好、灵敏度高、检测速率快、检测限低以及成本低等优点。以下通过具体实施例来详细说明本发明的技术方案。

荧光探针及其制备方法

本发明的一种席夫碱聚集诱导荧光分子探针，该荧光分子探针为席夫碱类化合物，具体结构式为：

上述化合物可以缩写为SYB-Cl。该席夫碱类化合物的合成路线如下：

所述荧光探针的制备方法包括以下步骤：

S1：向反应容器中加入二苯甲酮腙(EB)、5-氯水杨醛(SY-5Cl)和无水乙醇，在室温条件下搅拌，所述二苯甲酮腙、5-氯水杨醛的摩尔比为：(0.5～1.5):1。

具体地，在100mL圆底烧瓶中加入无水乙醇、二苯甲酮腙和5-氯水杨醛，通入氮气5min排除氧气；将溶液放置在避光环境中并用磁力搅拌器在700rpm的条件下剧烈搅拌，反应结束后得到混合溶液。所述反应溶剂无水乙醇的体积为15～50mL，搅拌反应时间为5～20h。

S2：反应结束后将溶剂旋蒸干，并用少量无水乙醇重新分散。

具体地，将步骤S1所得混合溶液的溶剂在30℃下减压旋蒸干，得到黄色粉末状；固体用少量无水乙醇将黄色粉末状固体重新分散。所述重新分散溶剂无水乙醇体积为2～10mL。

S3：对步骤S2所得悬浮液进行抽滤并用大量无水乙醇洗涤产物。

具体地，将步骤S2所得黄色悬浮液缓慢滴加到有机滤膜上，并将溶剂抽滤干；用大量无水乙醇将黄色固体淋洗多次。所述洗涤溶剂无水乙醇体积为20～50mL。

S4：收集反应产物并在室温条件下真空干燥，得到席夫碱聚集诱导荧光分子探针。

具体地，将反应产物置于恒温25℃的真空干燥箱中24h，干燥完成后收集产物并密封避光保存在4℃条件下，标记为SYB-Cl。

本发明的席夫碱聚集诱导荧光分子探针可以用于对水样中的Cu²⁺进行分析检测。

表征与测试结果

请参阅图1，该图1为本发明的SYB-Cl、5-氯水杨醛(SY-5Cl)和二苯甲酮腙(EB)的傅里叶变换红外光谱图。其中对于SY-5Cl而言，3214cm^-1为酚羟基O-H的伸缩振动峰；3049～2877cm^-1处的峰为醛基的C(＝O)-H的伸缩振动峰群，1914～1772cm^-1处的弱峰为苯环的泛频峰；1682cm^-1为C＝O的伸缩振动峰；1474cm^-1处的峰为苯环骨架振动的特征峰。结合SYB-Cl的红外图谱，推测在形成目标化合物后，因形成分子内氢键，酚羟基吸收峰转变为宽峰，同时羰基消失，在3053cm^-1处出现-C(＝N)-H的伸缩振动峰；1953～1731cm^-1处的弱峰为苯环的泛频峰；原来的C＝O形成的C＝N，使1682cm^-1处伸缩振动峰频率移到1605cm^-1；1472cm^-1处的峰为苯环骨架振动的特征峰。醛基的红外特征峰的消失证明了产物中没有5-氯水杨醛的存在，二苯甲酮腙成功键合上5-氯水杨醛。

请参阅图2，该图为SYB-Cl(10μmol/L)与不同浓度Cu²⁺(A、B、C分别表示Cu²⁺浓度为:0μmol/L、5μmol/L、10μmol/L)的核磁共振图谱，可以明显看出，加入Cu²⁺后的EBE核磁图谱中Ha和Hb峰高度降低，这是由于Cu²⁺分别与羟基上的氧原子和-HC＝N-上的氮原子发生配位作用，导致了羟基峰Ha高度的降低；此外，我们还发现加入了Cu²⁺后在8.78处多了一个单峰，而且随着浓度的增加而升高，我们认为是由于Cu²⁺的加入引入了水分子所导致的。可以看到3.33处的水峰越来越高，而水分子的增加会促进分子内氢键形成以及ESIPT过程的进行，从而使Hb的峰产生裂分，所以可以看出Hb峰高度降低的同时8.78处的峰高增加。

请同时参阅图3、图4和图5，图中“Probe”组表示未加入离子的SYB-Cl溶液的荧光强度；图3为向900μL 10μM的SYB-Cl溶液中加入100μL 1.0mmol/L金属离子溶液(Co²⁺、Ag⁺、Na⁺、Ca²⁺、K⁺、Zn²⁺、Fe²⁺、Hg²⁺、Al³⁺、Cr³⁺、Mn²⁺、Pb²⁺、Cu²⁺、Mg²⁺、Cd²⁺、Fe³⁺)，充分混匀并静置30min后，得到的荧光测试结果图。图4为向800μL 5μM的SYB-Cl溶液中加入100μL 10mmol/L金属离子溶液(Co²⁺、Ag⁺、Na⁺、Ca²⁺、K⁺、Zn²⁺、Fe²⁺、Hg²⁺、Al³⁺、Cr³⁺、Mn²⁺、Pb²⁺、Mg²⁺、Cd²⁺、Fe³⁺)，实验分成两组；一组加入100μL去离子水，另一组加入100μL 100μmol/L Cu²⁺溶液，充分震荡摇匀后静置30min测试得到的荧光图。图5为向900μL 10μM的SYB-Cl溶液中加入100μL1.0mmol/L阴离子溶液(HPO₄ ^2-、NO₃ ^-、Ac^-、HSO₃ ^-、I^-、CO₃ ^2-、NO₂ ^-、SiO₃ ^2-、HCO₃ ^-、Citrate^3-、F^-、SO₄ ^2-、Cl^-、Br^-、S₂O₈ ^2-、SCN^-)，充分混匀并静置30min后，得到的荧光测试结果图。

图3反映，Ca²⁺、Na⁺、K⁺等离子对SYB-Cl的荧光强度几乎没有影响，Al³⁺、Ag⁺、Zn²⁺、Co²⁺、Pb²⁺、Mn²⁺、Mg²⁺、Hg²⁺、Fe²⁺、Fe³⁺、Cr³⁺、Cd²⁺分别使SYB-Cl的荧光强度减弱了7％～24％左右，而加入Cu²⁺后SYB-Cl的荧光强度减弱了91％左右。可见，Cu²⁺对SYB-Cl的荧光强度具有很大的影响，能够引起SYB-Cl的荧光猝灭，而其他金属离子对SYB-Cl的荧光强度几乎没有影响或者影响极小，说明SYB-Cl对Cu²⁺有很好的选择性。

图4反映，Co²⁺、Ag⁺、Na⁺、Ca²⁺、K⁺、Zn²⁺、Fe²⁺、Hg²⁺、Al³⁺、Cr³⁺、Mn²⁺、Pb²⁺、Mg²⁺、Cd²⁺、Fe³⁺等离子的加入不会影响Cu²⁺对SYB-Cl的荧光猝灭性能，说明其他15种金属离子在SYB-Cl对Cu²⁺识别过程不会造成明显的干扰。

图5反映，HPO₄ ^2-、NO₃ ^-、Ac^-、I^-、CO₃ ^2-、NO₂ ^-、SiO₃ ^2-、HCO₃ ^-、F^-、SO₄ ^2-、Cl^-、Br^-、S₂O₈ ^2-、SCN^-等离子的加入基本不会影响Cu²⁺对SYB-Cl的荧光猝灭性能，Citrate^3-和HSO₃ ^-对荧光有16％的荧光增强作用，说明16种阴离子在SYB-Cl对Cu²⁺识别过程不会造成明显的干扰。

请参阅图6，该图是向5.0×10^-6mol/L SYB-Cl溶液中加入1.0×10^-7～1.0×10^- ⁵mol/L Cu²⁺溶液后得到的荧光谱图。图6反映，SYB-Cl的荧光强度随着Cu²⁺浓度地增加而呈规律性下降。请同时参阅图7和图8，图7和图8为Cu²⁺浓度与SYB-Cl荧光强度的关系曲线。根据图7可知，在1×10^-7～1×10^-5mol/L的Cu²⁺浓度范围内，SYB-Cl荧光强度随着Cu²⁺浓度的增加而减弱，且SYB-Cl荧光强度与Cu²⁺浓度呈现良好的线性关系，其线性回归方程为：y＝975.38967×e^(-x/1.26252)+119.4456，线性相关系数为R＝0.9993，其中y表示加入Cu²⁺后溶液的荧光强度、x表示Cu²⁺浓度。根据图8可知，在1×10^-7～1×10^-5mol/L的Cu²⁺浓度范围内，随着Cu²⁺的不断加入，ln(I-119.446)与浓度成线性减小的关系，线性方程为：y＝-0.6654x+6.76942，线性相关系数为R＝0.9998，最低检出限为4.9×10^-8mol/L，其中y表示ln(I-119.446)、x表示Cu²⁺浓度、I表示溶液荧光强度。根据上述SYB-Cl荧光强度与Cu²⁺浓度的关系可以检验出实际水样中的Cu²⁺并确定其浓度。

(4)请参阅图9、图10和图11，分别是席夫碱聚集诱导荧光分子探针(SYB-Cl)的溶剂比例优化、pH优化和结合时间优化结果图。从图9可以看出，当溶剂为纯水时，材料具有最佳的荧光性能；同理，从图10可以直观地看出，当pH为原始溶液(pH＝5.6)时，材料具有最佳的猝灭性能；从图11可以观察出当结合时间大于35min后，溶液的荧光强度基本保持不变，因此选择40min作为SYB-Cl与Cu²⁺最佳结合时间。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种席夫碱聚集诱导荧光分子探针，其特征在于：该荧光分子探针为席夫碱类化合物，具体结构式为：

2.一种如权利要求1所述的席夫碱聚集诱导荧光分子探针的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

S3：对S2所得悬浮液进行抽滤并用大量无水乙醇洗涤产物；

3.根据权利要求2所述的一种席夫碱聚集诱导荧光分子探针的制备方法，其特征在于：所述步骤S1中，向反应容器中加入二苯甲酮腙、5-氯水杨醛和无水乙醇，通入氮气排除氧气，将溶液放置在避光环境中，并用磁力搅拌器以700rpm在室温条件下搅拌。

4.根据权利要求2所述的一种席夫碱聚集诱导荧光分子探针的制备方法，其特征在于：步骤S1中所述二苯甲酮腙、5-氯水杨醛的摩尔比为：(0.5～1.5):1；所述反应溶剂无水乙醇的体积为15～50mL，搅拌反应时间为5～20h。

5.根据权利要求2所述的一种席夫碱聚集诱导荧光分子探针的制备方法，其特征在于：步骤S2中所述重新分散溶剂无水乙醇体积为2～10mL。

6.根据权利要求2所述的一种席夫碱聚集诱导荧光分子探针的制备方法，其特征在于：步骤S3中所述洗涤溶剂无水乙醇体积为20～50mL。

7.根据权利要求1所述的一种席夫碱聚集诱导荧光分子探针用于对Cu²⁺进行分析检测。