CN110627737B - 一种检测锌离子的水溶性苯并恶唑类荧光探针及制备方法和应用 - Google Patents

一种检测锌离子的水溶性苯并恶唑类荧光探针及制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种检测锌离子的水溶性苯并恶唑类荧光探针ZY14及制备方法和应用。这种荧光探针的化学分子式为C20H13N2O5SNa，结构式为：
Figure DDA0002244548500000011
可通过邻氨基酚先后与邻氨基苯甲酸和磺基水杨醛钠按照一定的比例反应得到。本发明的锌离子荧光探针是一种荧光增强型探针，它对锌离子具有较高的选择性和灵敏度，抗干扰能力强，响应快，且伴随着荧光强度显著增强和明显的颜色变化，其对锌离子的最低检测限为0.68μmol/L。另外，该探针可用于不同水体样品中锌离子的检测，在环境监测领域将具有潜在的应用价值。

Description

一种检测锌离子的水溶性苯并恶唑类荧光探针及制备方法和 应用
【技术领域】
本发明属于有机小分子荧光探针及其制备和应用领域，具体涉及一种检测锌离子的水溶性苯并恶唑类荧光探针及制备方法和应用。
【背景技术】
锌是一种在人体中含量仅次于铁的微量元素，广泛分布于细胞和体液中。锌离子在生殖和组织修复、细胞凋亡、基因表达、免疫功能调节和新陈代谢等生理病理过程中起着重要的作用。人类生命活动离不开锌，但不正常的锌的摄入会导致生长代谢失调，甚至引起阿尔兹海默症，肌萎缩性脊髓侧索硬化症和帕金森症等严重的疾病。目前，电镀、冶金、颜料等部门排放的超标含锌废水是环境中锌的主要污染来源，它给人类或其它动植物带来的危害不容忽视。因此，对锌离子进行分析检测具有十分重要的研究意义。
锌离子的检测方法主要有原子吸收光谱法、电化学法和电感耦合等离子体原子发射光谱法等，但这些方法存在前处理过程繁琐、分析时间长等弊端。荧光光谱法因具有灵敏度高、操作简单、方便快捷和选择性好等优势而备受关注。开发研制成本低，响应快，具有高灵敏度和选择性的锌离子荧光探针是当前的前沿性研究课题。
基于锌离子检测的有机小分子荧光探针已经报道了很多，但真正实用的低成本探针很少，这些荧光探针大多存在诸如合成过程繁琐，水溶性差，难以区分同族的镉离子等局限性而不能应用于实际。因此，开发高性能的锌离子荧光探针是本领域技术人员亟待解决的问题。
【发明内容】
本发明的目的是克服现有技术的上述缺陷，提供一种合成简便、水溶性好、使用方便、抗干扰能力强、响应快、选择性和灵敏度高的苯并恶唑类锌离子荧光探针及其制备方法和应用。
为实现上述目的，本发明提供了一种检测锌离子的水溶性苯并恶唑类荧光探针，命名为探针ZY14，其特征在于其分子式为C20H13N2O5SNa，结构式如下：
Figure BDA0002244548480000011
本发明还提供了一种所述的检测锌离子的水溶性苯并恶唑类荧光探针的制备方法，其特征在于包括如下步骤：
(A)以多聚磷酸为溶剂，将邻氨基酚和邻氨基苯甲酸混合，在N2的气氛中加热搅拌，反应完毕后，在搅拌的条件下，趁热将反应液倒入40～60倍多聚磷酸体积的冰水中，然后向所得反应液少量多次加入1.1～1.5倍多聚磷酸物质的量的Na2CO3粉末，调节溶液的pH，过滤，将固体成分用水清洗1遍，再过滤，所得固体用4～8倍于邻氨基酚质量的乙醇重结晶得到中间体，即2-(苯并恶唑-2-基)苯胺；
(B)以无水乙醇为溶剂，将中间体和磺基水杨醛钠混合，搅拌并加热回流，反应结束后，冷却至室温，过滤反应液，将固体成分用10～20倍于磺基水杨醛钠质量的乙醇洗涤三次，得到黄色固体，干燥即得目标探针ZY14。
优选地，步骤(A)中所述邻氨基酚和邻氨基苯甲酸的摩尔比为1:1～1:2，所述加热的温度为180～220℃，反应时间为2～4小时，反应后将溶液的pH调节为7～9，多聚磷酸用量为邻氨基酚和邻氨基苯甲酸混合物总质量的15～20倍。
优选地，步骤(B)中所述中间体1和磺基水杨醛钠的摩尔比为1:1～1:1.2，所述加热的温度为75～80℃，反应时间为2～4小时。
所述探针ZY14的合成路线如下：
Figure BDA0002244548480000021
本发明又提供了一种所述所述的探针的应用，其特征在于：所述应用为探针ZY14可检测不同水体样品中的Zn2+，并通过检测所述探针的荧光强度而实现。
本发明的有益效果是：
1.本发明提供的水溶性探针ZY14与Zn2+反应后，反应体系的荧光强度明显增强，而且其荧光颜色由无色变为黄绿色，它可实现Zn2+的特异性识别，具有较高的选择性和灵敏度，抗干扰能力强，响应快，它对Zn2+的最低检测限为0.78μmol/L；
2.探针ZY14对Zn2+的检测过程方便快捷，无需大型检测仪器，可检测不同水环境中一定浓度的Zn2+，在水环境监测领域将具有较大的应用价值；
3.探针ZY14合成简便，稳定性好，可长期保存使用。
【附图说明】
图1为实施例4中探针ZY14对各种金属离子选择性的荧光数据图；
图2为实施例5中不同金属离子干扰探针ZY14识别Zn2+的荧光数据图；
图3为实施例6中探针ZY14与Zn2+的荧光滴定光谱图；
图4为实施例6中探针ZY14荧光强度对Zn2+浓度的线性关系图；
图5为实施例7中探针ZY14在加入Zn2+后荧光光谱随时间的变化图；
图6为实施例7中探针ZY14在加入Zn2+2分钟前(左)后(右)的荧光颜色变化图(365nm紫外灯照射)；
图7为实施例8中探针ZY14与Zn2+的Job’s plot关系图；
图8为实施例9中探针ZY14在加入Zn2+前后的荧光强度随pH变化的关系图。
【具体实施方式】
现结合附图和实施例详细说明本发明的技术方案。应理解，以下实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。在不背离本发明精神和实质的情况下，对本发明步骤或条件所作的修改或替换，均属于本发明的范围。
若未特别指明，实施例中所用的技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段。
实施例1探针ZY14的合成
探针ZY14的合成路线如下：
Figure BDA0002244548480000031
具体步骤如下：
(A)向圆底烧瓶中加入邻氨基酚(1.09g,10mmol)和邻氨基苯甲酸(1.37g,10mmol)，再加入多聚磷酸37g，在N2的气氛中于180℃搅拌2h。反应结束后，在搅拌的条件下，趁热将反应液倒入1000mL冰水中,再分批加入NaHCO3粉末10.14g，调节溶液的pH至7左右。抽滤，用20mL水洗涤滤饼，干燥，再将所得固体用乙醇6mL重结晶可得到中间体。产率55％；ESI-MS:210.12[M]+；1HNMR(CDCl3,400MHz,ppm):δ7.81(t,2H,J＝7.8Hz),7.68(d,1H,J＝7.2Hz),7.32–7.42(m,3H),6.98–7.06(m,2H),5.82(s,2H)；13CNMR(CDCl3,100MHz,ppm):δ163.3,151.4,146.5,142.3,130.2,129.4,125.2,124.1,123.7,119.9,119.4,117.2,115.4。
(B)将0.21g(1.0mmol)中间体溶于15mL无水乙醇中，再向其中加入0.23g(1.0mmol)磺基水杨醛钠，反应体系在75℃下搅拌并回流2h。反应完毕，将反应液冷却至室温，过滤，所得粗产品用3mL乙醇洗涤三次，得到黄色固体，干燥即得目标探针ZY14。产率52％；ESI-MS:m/z 416.24(M+)；1H NMR(400MHz,DMSO-d6,ppm):δ10.86(s,1H),9.02(s,1H),8.22(s,1H),7.82–7.94(m,4H),7.32–7.48(m,6H)；13C NMR(100MHz,DMSO-d6,ppm):δ165.6,163.4,161.2,152.6,151.1,142.8,142.1,136.4,130.3,129.4,128.2,125.1,124.6,123.7,122.9,120.2,119.7,117.8,111.3。
实施例2探针ZY14的合成
(A)向圆底烧瓶中加入邻氨基酚(1.09g,10mmol)和邻氨基苯甲酸(2.06g,15mmol)，再加入多聚磷酸56g，在N2的气氛中于200℃搅拌3h。反应结束后，在搅拌的条件下，趁热将反应液倒入1400mL冰水中,再分批加入NaHCO3粉末18.15g，调节溶液的pH至8左右。抽滤，用20mL水洗涤滤饼，干燥，再将所得固体用乙醇8mL重结晶可得到中间体。产率68％。
(B)将0.21g(1.0mmol)中间体溶于15mL无水乙醇中，再向其中加入0.25g(1.1mmol)磺基水杨醛钠，反应体系在78℃下搅拌并回流3h。反应完毕，将反应液冷却至室温，过滤，所得粗产品用5mL乙醇洗涤三次，得到黄色固体，干燥即得目标探针ZY14。产率62％。
实施例3探针ZY14的合成
(A)向圆底烧瓶中加入邻氨基酚(1.09g,10mmol)和邻氨基苯甲酸(2.74g,20mmol)，再加入多聚磷酸76g，在N2的气氛中于220℃搅拌4h。反应结束后，在搅拌的条件下，趁热将反应液倒入2300mL冰水中,再分批加入NaHCO3粉末28.42g，调节溶液的pH至9左右。抽滤，用20mL水洗涤滤饼，干燥，再将所得固体用乙醇10mL重结晶可得到中间体1。产率65％。
(B)将0.21g(1.0mmol)中间体1溶于15mL无水乙醇中，再向其中加入0.28g(1.2mmol)磺基水杨醛钠，反应体系在80℃下搅拌并回流4h。反应完毕，将反应液冷却至室温，过滤，所得粗产品用7mL乙醇洗涤三次，得到黄色固体，干燥即得目标探针ZY14。产率52％。
实施例4探针ZY14对不同金属离子的选择性
取实施例1制备的探针ZY14溶于蒸馏水中，配制成浓度为100μmol/L的探针母液；再用蒸馏水作溶剂，配制各种浓度均为1mmol/L的金属离子(K+,Ca2+,Na+,Mg2+,Mn2+,Fe3+,Fe2 +,Co2+,Ni2+,Cu2+,Zn2+,Pb2+,Ag+,Cd2+，Zn2+)储备液。用移液枪分别加入物质的量比为1：3比例的探针和金属离子，使得探针和金属离子在荧光比色皿中的最终浓度分别为10μmol/L和30μmol/L。将配制好的溶液振荡2min，然后测试它们的荧光光谱。由图1可看出，探针ZY14自身的荧光较弱，Zn2+的加入使得探针ZY14的荧光强度显著增强，其它的金属离子的加入对探针荧光几乎没有影响。因此，探针ZY14对Zn2+具有良好的选择性。
实施例5不同金属离子对探针ZY14识别Zn2+的干扰
向实施例1制备的探针ZY14溶液(10μmol/L)中加入10倍量1mmol/L的各种竞争金属离子(K+,Ca2+,Na+,Mg2+,Mn2+,Fe3+,Fe2+,Co2+,Ni2+,Cu2+,Ag+,Pb2+,Ag+,Cd2+)，测试其荧光光谱；然后再加入与竞争金属离子相同浓度的Zn2+，检测竞争反应后的荧光强度。如图2所示，加入Zn2+后溶液的荧光强度基本相同，各种竞争金属离子不会明显影响探针对Zn2+的检测，这表明探针ZY14对Zn2+的识别具有较强的抗干扰能力。
实施例6探针ZY14对Zn2+的荧光滴定
向实施例1制备的探针ZY14溶液(10μmol/L)中加入不同当量(0～3equiv)的Zn2+溶液，测定反应体系的荧光光谱。由图3可见，随着Zn2+浓度的增大，探针ZY14在359nm处的荧光强度逐渐增强。当Zn2+浓度达到30μmol/L时，反应体系的荧光强度达到饱和。研究发现：当Zn2+的浓度在4.0～22.0μmol/L的范围内，它与探针的荧光强度具有较好的线性关系，相对应的线性方程为：y＝174.4957x+325.6993,校正相关系数为R2＝0.9975，这表明探针ZY14可以定量检测Zn2+，并有较好的灵敏度(图4)。最低检测限按3σ/k计算为0.78μmol/L，表明该探针分子在环境领域可能具有较大的应用价值。
实施例7探针ZY14对Zn2+的响应时间测试
向实施例1制备的探针ZY14溶液(10μmol/L)中加入3倍量的Zn2+溶液，每30s测一次溶液的荧光强度，一直测到第180s，荧光谱图见图5。实验结果表明，探针ZY14与Zn2+反应120s后其荧光强度就已经趋于稳定。将此时的反应液放在365nm紫外灯下照射，溶液由无色变为黄绿色(图6)，这种荧光颜色变化的快速与明显性说明此探针可用于Zn2+的即时可视化检测。
实施例8探针ZY14与Zn2+的结合比测试
将Zn2+与ZY14的总浓度固定为10μmol/L，然后配制一系列Zn2+与ZY14的混合溶液(Zn2+与ZY14浓度比分别为0:10,1:9,2:8,3:7,4:6,5:5,6:4,7:3,8:2,9:1)，再分别测定其荧光发射光谱。如图7所示，当反应体系的荧光强度达到最大值时，所对应的Zn2+物质的量分数为0.5，这表明ZY14与Zn2+之间的结合比为1:1。
实施例9pH值对探针ZY14荧光强度的影响
向探针ZY14(10μmol/L)的Tris-HCl缓冲溶液(pH 7.4)中分别加入不同浓度的盐酸或者氢氧化钠，用pH计调节pH为2～12的溶液，测量每组对应pH值溶液的荧光发射光谱；另外用同样方法测量探针ZY14与Zn2+形成配合物(二者物质的量之比为1:3)所对应的pH响应，如图8所示。结果表明：探针ZY14对pH不敏感，在pH为2～12的范围内荧光变化基本稳定，而其与Zn2+形成配合物在pH为5～10的范围内荧光达到最大值，说明此探针适合应用到生物体系中。
实施例10探针ZY14对实际水体样品中Zn2+的测定
选择三种水体样本进行Zn2+检测的加标回收实验。在三种水体样本中，一种是实验室常用的自来水，另一种是购自市售的某品牌矿泉水，第三种是取自于湖北省某市某湖的湖水。测试时，三种水体样本没有作任何处理，以这些水样代替荧光测试所用的蒸馏水，没有加入Zn2+的水样作为空白对照。由表1可看出，ZY14不能检测三种水体中低浓度的Zn2+，而向这两种水体中加入外源的Zn2+，测试结果的相对标准偏差(RSD)在2.21％～4.56％之间，Zn2+恢复率范围在在95.5％～104.1％之间，这表明ZY14可以应用于实际样品中Zn2+的定量测定，在水环境监测领域有潜在的应用价值。
表1探针ZY14对不同水体样品中Zn2+的检测表1
Figure BDA0002244548480000061

Claims (5)

1.一种检测锌离子的水溶性苯并恶唑类荧光探针，命名为探针ZY14，其特征在于其分子式为C20H13N2O5SNa，结构式如下：
Figure FDA0003806461610000011
2.一种如权利要求1所述的检测锌离子的水溶性苯并恶唑类荧光探针的制备方法，其特征在于包括如下步骤：
(A)以多聚磷酸为溶剂，将邻氨基酚和邻氨基苯甲酸混合，在N2的气氛中加热搅拌，反应完毕后，在搅拌的条件下，趁热将反应液倒入40～60倍多聚磷酸体积的冰水中，然后向所得反应液少量多次加入1.1～1.5倍多聚磷酸物质的量的Na2CO3粉末，调节溶液的pH，过滤，将固体成分用水清洗1遍，再过滤，所得固体用4～8倍于邻氨基酚质量的乙醇重结晶得到中间体，即2-(苯并恶唑-2-基)苯胺；
(B)以无水乙醇为溶剂，将中间体和磺基水杨醛钠混合，搅拌并加热回流，反应结束后，冷却至室温，过滤反应液，将固体成分用10～20倍于磺基水杨醛钠质量的乙醇洗涤三次，得到黄色固体，干燥即得目标探针ZY14。
3.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于：步骤(A)中所述邻氨基酚和邻氨基苯甲酸的摩尔比为1:1～1:2，所述加热的温度为180～220℃，反应时间为2～4小时，反应后将溶液的pH调节为7～9，多聚磷酸用量为邻氨基酚和邻氨基苯甲酸混合物总质量的15～20倍。
4.如权利要求2或3所述的制备方法，其特征在于：步骤(B)中所述中间体和磺基水杨醛钠的摩尔比为1:1～1:1.2，所述加热的温度为75～80℃，反应时间为2～4小时。
5.如权利要求1所述的探针的应用，其特征在于：所述应用为探针ZY14可检测不同水体样品中的Zn2+，并通过检测所述探针的荧光强度而实现。
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