CN110981748A - 一种增强型偶氮Salen席夫碱荧光探针、其合成及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种增强型偶氮Salen席夫碱荧光探针、其合成及其应用，属于荧光探针技术领域。本发明荧光探针的化学式为C₃₉H₃₄N₈O₇，结构式为：

本发明的荧光探针对Al³⁺有良好的选择性、线性关系良好，灵敏度高、荧光响应强、检测限低、成本低，可广泛应用于检测环境中的Al³⁺离子。其能提供多一倍的配位点，更容易与Al³⁺配位，形成具有多个配位点的双核配合物，配位后分子平面刚性增强，使Schiff碱氮原子的光诱导电子转移效应得到抑制，产生强烈的螯合型荧光增强效应。且合成方法简单，收率高，反应条件容易控制。

Description

一种增强型偶氮Salen席夫碱荧光探针、其合成及其应用

技术领域

本发明涉及荧光探针技术领域，特别涉及一种增强型偶氮Salen席夫碱荧光探针、其合成及其应用。

背景技术

铝是地壳中含量最丰富的金属元素，在大多数生物组织中以离子形式存在。铝在生活中是一种用途极广的金属，但同时又是一种对人类健康危害极大的金属元素之一。对于一些维持人体生理活动的必需元素，如镁，钙，铁等，由于铝元素具有跟它们相似的原子半径和相似的价态，在生物过程中铝离子能够作为一种竞争性抑制剂，从而影响人体正常生理活动。随着环境污染的加剧，特别是酸雨量的增加，土壤和水体中的Al³⁺浓度逐渐增加，对土壤和水生生物的生长有很强的抑制作用，甚至造成大量生物因营养匮乏而死亡。研究表明：人体经常摄入过量的铝，可导致贫血、铝相关性骨骼疾病、脑病、肌肉病变、阿尔兹海默症等。世界卫生组织规定，人体每天摄入Al³⁺的量在3～10mg左右，且每周摄入量应根据个人体重不超过2mg/kg。

目前，已报道的测量Al³⁺含量的方法有邻苯二酚紫外分光光度法、氟电极法、以及EDTA滴定法等。传统的检测Al³⁺含量的邻苯二酚紫外分光光度法，在使用过程中存在操作繁琐、曲线斜率变化大，方法受试剂纯度影响大等不足，而其他两种方法也存在反应时间过长，操作不便等缺点，因而建立一种灵敏而准确的选择性测定Al³⁺的方法，具有极为重要的现实意义。

荧光探针法具有操作简便、灵敏度高、选择性好、实时性、肉眼可测、成本较低的优点，在食品药品、生命科学和环境检测方面得到了广泛应用。在诸多荧光探针中，席夫碱荧光探针因其对Al³⁺的特异性响应、抗干扰能力强，线性范围宽、灵敏度高等诸多优点，已广泛应用于Al³⁺的选择性识别和检测。

因此开发一种对Al³⁺检测灵敏度更高、稳定性更强、选择性更高的席夫碱荧光探针具有重要意义。

发明内容

为了弥补现有技术的不足，开发一种高灵敏度的Al³⁺荧光探针，本发明提供了一种增强型偶氮Salen席夫碱荧光探针、其合成及其应用。

本发明的技术方案为：

一种增强型偶氮Salen席夫碱荧光探针，其化学式为C₃₉H₃₄N₈O₇，其结构式为：

所述增强型偶氮Salen席夫碱荧光探针的合成方法，包括步骤：

1)合成中间产物：3,4-二甲氧基苯胺、浓盐酸、亚硝酸钠水溶液于低温下充分反应；再将2-羟基-1-萘甲醛的醇溶液滴加到上述溶液中，充分搅拌，加碳酸钠调pH至6.5～9，静置，抽滤得黄色固体粉末；

2)合成荧光探针：将合成的黄色固体和碳酸二酰肼溶解于有机溶剂中，加入催化剂，室温下搅拌反应4～24h，得到橙黄色固体，重结晶得到增强型偶氮Salen席夫碱荧光探针。

增强型偶氮Salen席夫碱荧光探针的合成路线如下：

作为优选方案，步骤1)中，3,4-二甲氧基苯胺、浓盐酸、亚硝酸钠的摩尔比为1:1～3:1～1.5；3,4-二甲氧基苯胺与2-羟基-1-萘甲醛的摩尔比为1:0.95～1.1。

作为优选方案，所述2-羟基-1-萘甲醛的醇溶液为2-羟基-1-萘甲醛的醇溶液的甲醇溶液或乙醇溶液。以甲醇或乙醇作为2-羟基-1-萘甲醛的溶剂，成本低产率高，且便于后处理。。

作为优选方案，步骤1)中，3,4-二甲氧基苯胺、浓盐酸、亚硝酸钠水溶液于0～5℃下反应0.5～2小时；2-羟基-1-萘甲醛的醇溶液滴加到上述溶液后，充分搅拌2～4小时。

作为优选方案，步骤2)中，所述有机溶剂为乙酸乙酯、无水乙醇或氯仿；所述催化剂为硅酸铝或磷酸。有机溶剂为乙酸乙酯、无水乙醇或氯仿有利于增加反应产率；催化剂为硅酸铝或磷酸可有效催化合成本发明的荧光探针。

作为优选方案，步骤2)中采用无水乙醇进行重结晶。

所述增强型偶氮Salen席夫碱荧光探针的用途，用于检测Al³⁺。

所述增强型偶氮Salen席夫碱荧光探针检测Al³⁺的方法，将所述增强型偶氮Salen席夫碱荧光探针溶解，配制成荧光探针溶液；向荧光探针溶液中加入待检测的金属离子溶液，通过荧光光谱法，以440nm为激发波长，在480～590nm波长范围测定溶液荧光强度，在最大发射波长为524nm处识别待检测溶液中的Al³⁺。

作为优选方案，将所述增强型偶氮Salen席夫碱荧光探针采用乙腈溶解。

本发明的有益效果为：

1、本发明增强型偶氮Salen席夫碱荧光探针对Al³⁺有良好的选择性、线性关系良好，灵敏度高、荧光响应强、检测限低、成本低，可广泛应用于检测环境中的Al³⁺离子。

2、本发明增强型偶氮Salen席夫碱荧光探针比单席夫碱构型稳定，能提供多一倍的配位点，更容易与Al³⁺配位，形成具有多个配位点的双核配合物，配位后分子平面刚性增强，使Schiff碱氮原子的光诱导电子转移效应得到抑制，产生强烈的螯合型荧光增强效应。

3、本发明增强型偶氮Salen席夫碱荧光探针合成方法简单，收率高，反应条件容易控制。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明增强型偶氮Salen席夫碱荧光探针的红外光谱谱图；

图2为本发明增强型偶氮Salen席夫碱荧光探针的质谱图；

图3为本发明增强型偶氮Salen席夫碱荧光探针的核磁共振氢谱图；

图4为本发明增强型偶氮Salen席夫碱荧光探针对Al³⁺选择性识别的荧光发射光谱谱图；

图5为本发明增强型偶氮Salen席夫碱荧光探针其他金属离子和Al³⁺共存时的荧光发射光谱谱图；

图6为本发明增强型偶氮Salen席夫碱荧光探针在不同浓度Al³⁺下荧光发射光谱图；

图7为本发明增强型偶氮Salen席夫碱荧光探针与Al³⁺的络合比曲线。

具体实施方式

下面结合具体实施例进一步说明本发明的技术方案

实施例1增强型偶氮Salen席夫碱荧光探针的制备与表征

合成偶氮化合物：

将3,4-二甲氧基苯胺1.5318g(10mmol)和2mL浓盐酸、用15mL蒸馏水溶解在100mL圆底烧瓶中，然后再称取亚硝酸钠(NaNO₂)2.4835g(12mmol)，充分搅拌并且将温度控制在0～5℃，反应30分钟。

再将2-羟基-1-萘甲醛1.7218g(10mmol)的乙醇溶液滴加到上述溶液中，搅拌3小时，加碳酸钠(Na₂CO₃)水溶液调pH至7～8，静置，抽滤，无水乙醇重结晶得黄色固体粉末16g，产率：81.26％。

合成荧光探针：

将黄色固体2.6989g(8mmol)和碳酸二酰肼0.3606g(4mmol)溶解于无水乙醇中，加2～3滴浓磷酸，室温下搅拌反应4～24h，得到的橙黄色固体，无水乙醇重结晶得增强型偶氮Salen席夫碱荧光探针2.1032g，产率72.38％

合成荧光探针：将黄色固体2.6989g(8mmol)和碳酸二酰肼0.3606g(4mmol)溶解于无水乙醇中，加2～3滴浓磷酸，室温下搅拌反应4-24h，得到的橙黄色固体，重结晶得增强型偶氮Salen席夫碱荧光探针2.1032g，产率72.38％。

本发明所得增强型偶氮Salen席夫碱荧光探针的熔点、红外光谱(图1)、质谱(图2)、核磁共振氢谱(图3)，结果如下：

m.p>300℃。

FT-IR(KBr):3245.67cm^-1，1649.23cm^-1,1602.15cm^-1,1562.06cm^-1,1437.10cm^-1,1321cm^-1,1231.22cm^-1；

HR-MS(ESI):m/z 727.3[M+1]⁺；

¹HNMR(400MHz,DMSO-d6):δ(ppm):11.89(s,2H,OH),11.02(s,2H,NH),9.19(s,2H,CH),7.22～7.91(t,8H,ArH),8.3(s,4H,ArH)，6.8～7.1(d,4H,ArH)，3.15(s,12H,CH₃)。

由上述红外光谱、液相色谱--质谱和核磁共振氢谱数据，确认其结构为：

实施例2增强型偶氮Salen席夫碱荧光探针检测金属离子的方法

分别将各种金属盐(硝酸铝、氯化钴、乙酸锌、硝酸铅、乙酸锰、三氯化铁、硫酸镁、硫酸镉、硝酸铜、氯化铬、氯化高汞、硝酸镍)配成1×10^-4mol/L水溶液。将增强型偶氮Salen席夫碱荧光探针溶于乙腈中配制成5×10^-4mol/L的标准溶液。金属离子对增强型偶氮Salen席夫碱荧光探针的荧光强度测定方法：比色管中加入增强型偶氮Salen席夫碱标准溶液0.1mL，乙腈5mL，随后分别加入各种金属离子，定容至10mL，反应3小时后测其荧光强度。荧光激发波长为440nm，狭缝宽度为10nm/10nm。

实施例3增强型偶氮Salen席夫碱荧光探针对Al³⁺的选择性识别

为了考察增强型偶氮Salen席夫碱荧光探针对Al³⁺的选择性，测定了不同金属离子(Al³⁺、Co²⁺、Zn²⁺、Pb²、Mn²⁺、Fe³⁺、Mg²⁺、Cd²⁺、Cu²⁺、Cr³⁺、Hg²⁺、Ni²⁺)存在下增强型偶氮Salen席夫碱荧光探针的荧光发射光谱(金属离子浓度为1×10^-5mol/L)，见图4。

由图4可知，当增强型偶氮Salen席夫碱荧光探针中加入Co²⁺、Zn²⁺、Pb²、Mn²⁺、Fe³⁺、Mg²⁺、Cd²⁺、Cu²⁺、Cr³⁺、Hg²⁺、Ni²⁺时，体系荧光强度无明显变化，当加入Al³⁺后，体系荧光强度大大增强，这说明偶氮Salen席夫碱对Al³⁺产生了明显的荧光响应和良好的选择性识别，可作为增强型荧光探针检测Al³⁺。

图4右上角插图为增强型偶氮Salen席夫碱荧光探针和增强型偶氮Salen席夫碱荧光探针-Al³⁺的乙腈溶液的照片，向增强型偶氮Salen席夫碱荧光探针的乙腈溶液加入Al³⁺，可以发现溶液颜色从无色变为黄色，加入其他金属离子溶液颜色仍为无色，说明增强型偶氮Salen席夫碱荧光探针可以很好地识别Al³⁺，甚至可以裸眼识别。

实施例4：共存离子对增强型偶氮Salen席夫碱Al³⁺荧光探针的干扰

为了进一步探究其他金属离子和Al³⁺共存时对Al³⁺测定的影响，进行了干扰实验的研究：即在加入Al³⁺的同时，再加入其他金属离子：Co²⁺、Zn²⁺、Pb²、Mn²⁺、Fe³⁺、Mg²⁺、Cd²⁺、Cu^{2 +}、Cr³⁺、Hg²⁺、Ni²⁺。当向增强型偶氮Salen席夫碱中同时加入Al³⁺和其他金属离子时，除Cu²⁺，Fe³⁺存在时，使体系发生荧光猝灭外，其他离子存在时均具有较强的荧光强度。这可能是由于Fe³⁺，Cu²⁺本身就具有一定的顺磁性，导致了荧光猝灭(图5)。由图5可知，增强型偶氮Salen席夫碱识别Al³⁺时具有较强的抗干扰能力，是一种很好的荧光探针。但在实际应用中，应考虑加入Cu²⁺，Fe³⁺的掩蔽剂，以免影响实验结果。

实施例5：Al³⁺的浓度对增强型偶氮Salen席夫碱荧光探针荧光强度的影响

将实施例1制备的增强型偶氮Salen席夫碱荧光探针溶解在乙腈中，检测时增强型偶氮Salen席夫碱荧光探针的浓度为5μmol/L,分别加入不同浓度的(0～4equiv)Al³⁺，测定其荧光发射光谱，结果见图6，由图6可以看出，随着Al³⁺浓度的增加524nm处荧光发射峰的强度逐渐增强，当Al³⁺的浓度增加到2equiv时，荧光强度基本保持不变。在一定浓度范围内，增强型偶氮Salen席夫碱荧光探针的荧光强度和Al³⁺浓度之间显现出良好的线性关系，其检测下限为6.14×10^-8mol/L。

实施例6：增强型偶氮Salen席夫碱荧光探针与Al³⁺络合比和络合机理

发明采用job’s曲线法测定增强型偶氮Salen席夫碱荧光探针(L)与Al³⁺的络合比。在实验中，维持溶液中L和Al³⁺的总浓度保持不变，配制一系列[L]/[Al³⁺]连续变化的溶液。分别检测L和Al³⁺不同浓度比率下的荧光强度，得到L与Al³⁺的络合比。结果见图7。由图7可知，[L]/[Al³⁺]＝1:2时荧光强度最大，因此，可以合理推测L与Al³⁺的络合比应为1:2。结合上述结论可推测增强型Salen席夫碱荧光探针与Al³⁺的络合方式可能为：

实施例7：增强型偶氮Salen席夫碱荧光探针检测自来水中的Al³⁺

按实施例2增强型偶氮Salen席夫碱荧光探针检测金属离子的方法，选取较纯净的自来水进行检测，并与石墨炉原子吸收法作比较。两种方法对自来水样品均无明显响应，即未检出Al³⁺。进一步做加标回收实验，并分别对两种方法的测定结果进行F检验和t检验，结果表明，在置信度P＝95％时，两种实验方法的结果无显著性差异。本发明可用于自来水中Al³⁺的检测。

Claims (10)

1.一种增强型偶氮Salen席夫碱荧光探针，其特征在于：其化学式为C₃₉H₃₄N₈O₇，其结构式为：

2.如权利要求1所述增强型偶氮Salen席夫碱荧光探针的合成方法，其特征在于，包括步骤：

1)合成中间产物：3,4-二甲氧基苯胺、浓盐酸、亚硝酸钠水溶液于低温下充分反应；再将2-羟基-1-萘甲醛的醇溶液滴加到上述溶液中，充分搅拌，加碳酸钠调pH至6.5～9，静置，抽滤得黄色固体粉末；

2)合成荧光探针：将合成的黄色固体和碳酸二酰肼溶解于有机溶剂中，加入催化剂，室温下搅拌反应4～24h，得到橙黄色固体，重结晶得到增强型偶氮Salen席夫碱荧光探针。

3.如权利要求2所述增强型偶氮Salen席夫碱荧光探针的合成方法，其特征在于：步骤1)中，3,4-二甲氧基苯胺、浓盐酸、亚硝酸钠的摩尔比为1:1～3：1～1.5；3,4-二甲氧基苯胺与2-羟基-1-萘甲醛的摩尔比为1:0.95～1.1。

4.如权利要求2或3所述增强型偶氮Salen席夫碱荧光探针的合成方法，其特征在于：所述2-羟基-1-萘甲醛的醇溶液为2-羟基-1-萘甲醛的醇溶液的甲醇溶液或乙醇溶液。

5.如权利要求2或3所述增强型偶氮Salen席夫碱荧光探针的合成方法，其特征在于：步骤1)中，3,4-二甲氧基苯胺、浓盐酸、亚硝酸钠水溶液于0～5℃下反应0.5～2小时；2-羟基-1-萘甲醛的醇溶液滴加到上述溶液后，充分搅拌2～4小时。

6.如权利要求2所述增强型偶氮Salen席夫碱荧光探针的合成方法，其特征在于：步骤2)中，所述有机溶剂为乙酸乙酯、无水乙醇或氯仿；所述催化剂为硅酸铝或磷酸。

7.如权利要求2或6所述增强型偶氮Salen席夫碱荧光探针的合成方法，其特征在于：步骤2)中采用无水乙醇进行重结晶。

8.如权利要求1所述增强型偶氮Salen席夫碱荧光探针的用途，其特征在于：用于检测Al³⁺。

9.如权利要求1所述增强型偶氮Salen席夫碱荧光探针检测Al³⁺的方法，其特征在于：将所述增强型偶氮Salen席夫碱荧光探针溶解，配制成荧光探针溶液；向荧光探针溶液中加入待检测的金属离子溶液，通过荧光光谱法，以440nm为激发波长，在480～590nm波长范围测定溶液荧光强度，在最大发射波长为524nm处识别待检测溶液中的Al³⁺。

10.如权利要求9所述增强型偶氮Salen席夫碱荧光探针检测Al³⁺的方法，其特征在于：将所述增强型偶氮Salen席夫碱荧光探针采用乙腈溶解。

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