CN111793029A

CN111793029A - 一种萘酰亚胺类甲醛荧光探针、制备方法及应用

Info

Publication number: CN111793029A
Application number: CN202010564215.1A
Authority: CN
Inventors: 王学川; 王岩松; 孙晓龙; 韩庆鑫
Original assignee: Xian Jiaotong University; Shaanxi University of Science and Technology
Current assignee: Xian Jiaotong University; Shaanxi University of Science and Technology
Priority date: 2020-06-19
Filing date: 2020-06-19
Publication date: 2020-10-20

Abstract

本发明公开了一种甲醛荧光探针，利用PET机理设计、两步合成，用于毛皮产品中游离甲醛的痕量检测，验证了其不受毛皮中其它醛类、无机盐、金属离子、表面活性剂、氨基酸、多肽、油脂和鞣剂的影响。制备方法为：4‑溴‑1,8‑萘酐连续和2‑（2‑氨基乙氧基）乙醇、水合肼，在所选溶剂中回流反应若干小时，过滤、纯化后所得。本发明具有原料易得、合成简单、产率高、水溶性良好，光稳定性强和量子产率高等优点，并且对溶液极性、多种离子和生物大分子等大部分外部环境的变化都不敏感，反应条件温和。与现行的国际皮革与毛皮中甲醛的检测技术相比，有相匹配的检测极限和更好的选择性，简便、快捷、易操作，适用于推广应用，建立新的检测方法。

Description

一种萘酰亚胺类甲醛荧光探针、制备方法及应用

技术领域

本发明涉及精细化工、皮革化学与工程领域，具体涉及到一种基于萘酰亚胺荧光染料的化学响应型甲醛荧光探针的合成，并首次用于毛皮与皮革中游离甲醛的检测。

背景技术

甲醛是在催化剂的作用下，通过氧化甲烷或者甲醇，大规模生产的一种化学品。每年的全球生产量超过3000万吨，我国是甲醛最大的生产国家，占据总量的34％，其次是美国(14％)和德国(8％)。甲醛通常制备成质量分数为37％的水溶液，加入10％的甲醇作为稳定剂。将这种溶液直接使用或者稀释，可对皮革和毛皮进行助染、鞣制以及保证毛皮的自然柔顺，同样在纺织中起到防缩、防皱、助染和固定的作用。在食品和生物医学方面，甲醛溶液(福尔马林)可以起到水产品防腐杀菌，生物组织定型的作用。此外，超过总量65％的甲醛用来合成树脂，应用于家居、建材行业，作为粘合剂、涂层、阻燃剂等。因此甲醛作为化学品在国民生活和经济中占据至关重要的地位。

但是，长期摄入物品中释放的甲醛会引起癌症和白血病等重大疾病，需要快速有效的方式实现对其含量的检测和监控。目前，国内外主要使用紫外-可见分光光度法，高效液相色谱法(HPLC)，气相色谱法(GC)和质谱法(MS)等仪器分析方法。对于这些方法，不足是显而易见的，它们不仅会对化学和生物样品造成无法修复的损害，而且选择性及灵敏度仍有待提高，同时还存在制样复杂、成本高等问题。以上前两种方式，作为测定工业产品甲醛含量的标准方法，样品首先要进行化学衍生处理，例如对皮革或者毛皮中甲醛含量的测定(ISO 17226-2018和GB/T 19941-2005)，需首先将皮革或者毛皮中的甲醛洗脱和萃取出来，之后将萃取液与2,4-二硝基苯肼(DNPH)或者乙酰丙酮(ACAC)反应，生成具有稳定吸收波长的显色化合物，再进行HPLC或者紫外-可见分光光度法测试。其中预处理过程中，DNPH与甲醛反应需要酸化处理、依赖溶剂溶解；ACAC与甲醛反应需要预热(40℃，30min)。再加上时间等待和仪器操作，不仅耗时长、操作复杂，而且从检测结果来看，ACAC对甲醛检测的选择性亟需提高。

发明内容

为了克服上述检测方法中存在问题，本发明目的是提供一种甲醛荧光探针的制备方法及应用，通过简单的两步法合成化合物，第一步是为了提高化合物的水溶性，便于实际应用；第二步是为了实现对甲醛的高识别性，再结合荧光团的光学性质在毛皮甲醛萃取液中的良好呈现，创造性地实现对毛皮或者皮革中游离甲醛含量的高灵敏度和专一性检测(初步实验，已经验证了其对复杂的毛皮样品中甲醛的良好检测效果，且与高效液相色谱法的检测结果相近)。具有操作简便易行，灵敏度好，快速，易于相关检测行业应用等优点。

萘酰亚胺类化合物，不同于前文背景中两种用来检测甲醛的化合物DNPH和ACAC，它是一种荧光染料。其上面的萘酰亚胺荧光团具有许多优良特性，例如结构易于改造，高的摩尔消光系数，高的量子产率和强的耐光性等，这些优势使得萘酰亚胺荧光染料具有很好的光稳定性和高的荧光增强倍数，从而广泛的运用于生物小分子或者金属离子的高灵敏度检测，因此很适合作为甲醛检测荧光团骨架。而且PET机理(光致电子转移，电子从供体部分转移到电子受体部分从而导致荧光淬灭)，也对荧光探针与甲醛的反应提供了成熟的理论支撑。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种甲醛荧光探针的制备方法及应用，具有以下结构式：

一种甲醛荧光探针的制备方法，包括以下步骤：

(1)将4-溴-1,8-萘酐和2-(2-氨基乙氧基)乙醇混合在无水乙醇中反应制得黄色化合物A，所述4-溴-1,8-萘酐和2-(2-氨基乙氧基)乙醇的摩尔比是1:1～1.5，反应时间控制在3～6h，反应温度控制在78～85℃；

(2)将制得的化合物A与水合肼在溶剂中反应生成橙色目标化合物B，所述化合物A与水合肼的摩尔比是1:30～50，反应温度控制在80～85℃，反应溶剂选择乙醇或者乙腈中的一种，反应时间控制在4～8h。

本发明制备的甲醛荧光探针，其有益效果是：一种萘酰亚胺荧光染料，利用了甲醛与肼基的反应，影响了荧光团光致诱导电子转移(PET)情况的变化，从而实现荧光信号的放大。而且，含-OH和C-O-C基团亲水链的引入，更方便于微量(μM～mM量级)荧光探针在接近于水溶液的条件下直接使用。与已有技术，即高效液相色谱法和分光光度法，相比较，本发明所述的荧光方法简单易行，衍生过程时间短，操作简便，不依赖酸和溶剂的配合使用，成本也更低。除此之外，探针的光稳定性好，灵敏度佳，且对溶液极性、多种离子和生物大分子等大部分外部环境的变化都不敏感，因此具有良好的选择性。所以，该探针在皮革与毛皮及其它工业产品中痕量游离甲醛的检测具有很高的实际应用价值和推广意义。

附图说明

图1本发明制备的甲醛荧光探针的激发和发射波长。

图2a本发明制备的甲醛荧光探针(5μM)对甲醛浓度(0～400μM)的具体灵敏度响应曲线；图2b其在0～80μM低浓度范围内有良好的线性相关性。

图3本发明制备的甲醛荧光探针对毛皮中可能含有的化合物在溶液中选择性模拟检验，化合物包括：1-空白，2-甲醛，3-乙醛，4-戊二醛，5-氯化钠，6-硝酸铬，7-硫酸镁，8-次氯酸钙，9-氯化铵，10-十二烷基磺酸钠，11-半胱氨酸，12-甘氨酸，13-丙氨酸，14-谷氨酸，15-多肽，16-羊毛脂，17-加脂剂，18-复鞣剂。客观证明了探针不受甲醛以外的其它物质的干扰。图3a，各类检材的荧光曲线；图3b，各类检材混合甲醛前后荧光变化比较。

图4a为本发明制备的含亲水基团的甲醛荧光探针与含烷烃链的甲醛荧光探针水溶性效果对比，结果验证了本荧光探针在水中溶解均一性好，不会在底部形成沉淀；图4b为检测应用对象；图4c为对毛皮萃取液中甲醛的响应效果；图4d为高效液相色谱标准曲线。

图5本发明制备的甲醛荧光探针的核磁氢谱(图5a)和核磁碳谱(图5b)。

具体实施方式

下面对本发明的实施例，做详细说明。本实施例在以本发明技术方案为前提实施，给出了具体实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不局限下述的实施例中。

实施例1：化合物A的制备方法

将4-溴-1,8-萘酐(1g，3.61mmol)加入无水乙醇(50mL)中，磁力搅拌，升温溶解。加入2-(2-氨基乙氧基)乙醇(0.454mL，4.56mmol)后，搅拌回流反应3h。冷却至室温，沉淀析出过滤，用冷乙醇或者乙醚洗涤，得粗产物，过硅胶层析柱纯化(PE：EA＝10：1)得到黄色化合物A(1.06g，80.64％)。产物结构鉴定的核磁数据：¹H NMR(400MHz,CDCl₃)δ:8.66(d,J＝7.3Hz,1H),8.58(d,J＝8.5Hz,1H),8.42(dd,J＝8.0,1.2Hz,1H),8.04(dd,J＝7.9,1.2Hz,1H),7.85(t,J＝7.9Hz,1H),4.44(t,J＝5.6Hz,2H),3.86(t,J＝5.6Hz,2H),3.71–3.63(m,4H).

实施例2：目标化合物B的制备方法

将化合物A(182mg，0.5mmol)溶解在乙醇(5mL)中，缓慢滴加80％水合肼(0.5mL，10.3mmol)，在80℃下反应4h。冷却至室温，沉淀析出过滤或者直接旋转蒸发溶剂，将粗产物快速过硅胶层析柱纯化(DCM∶MeOH＝20∶1)，得到橙色固体B(129.5mg，82％)。产物结构鉴定的核磁数据：¹H NMR(400MHz,DMSO-d₆)δ:9.25–9.07(m,1H),8.61(d,J＝8.0Hz,1H),8.42(t,J＝6.5Hz,1H),8.28(dd,J＝8.6,2.0Hz,1H),7.63(dd,J＝9.2,5.9Hz,1H),7.24(d,J＝8.6Hz,1H),5.73(s,1H),4.69(d,J＝5.8Hz,2H),4.59(d,J＝5.4Hz,1H),4.20(t,J＝6.6Hz,1H),3.61(t,J＝6.6Hz,2H),3.45(d,J＝2.8Hz,3H).¹³C NMR(100MHz,DMSO-d₆)δ:164.28,163.34,153.68,134.71,131.06,129.78,128.76,124.53,122.07,118.87,107.68,104.46,72.55,67.59,60.67,38.80.

实施例3：甲醛荧光探针对不同浓度的甲醛荧光响应测试

a)首先配制探针母液1mM于去离子水中，取10mL精确稀释浓度为5μM的测试液，静置30分钟，在紫外分光光度仪和荧光光谱仪上测量其吸收(激发)和发射光谱，如图1所示。

b)配制20mL浓度为100mM的甲醛水溶液为储备液，稀释成不同浓度的甲醛(0～400μM)水溶液各10mL。从探针母液中稀释探针浓度为5μM分别于各个甲醛水溶液中，静置30分钟，进行荧光检测(λ_ex＝438nm，λ_em＝554nm)，建立荧光强度与甲醛浓度的标准曲线。如图2所示，随着甲醛浓度的提高荧光增强倍数不断增大，当到达80μM时逐渐平缓，表明探针具有良好的灵敏度，适应于甲醛的痕量检测。

实施例4：甲醛荧光探针对模拟毛皮萃取液中不同分子或离子选择性测试

a)首先配制浓度为50μM(或者60μg/mL)的分析底物，分别包括甲醛和其它醛类、无机盐、金属离子、表面活性剂、氨基酸、多肽、油脂和鞣剂，具体化合物包括甲醛、乙醛、戊二醛、氯化钠、硝酸铬、硫酸镁、次氯酸钙、氯化铵、十二烷基磺酸钠、半胱氨酸、甘氨酸、丙氨酸、谷氨酸、多肽、羊毛脂、加脂剂和复鞣剂。配制探针母液1mM于去离子水中，精确稀释探针测试液(5μM)于10mL分析底物中，静置30分钟。在荧光光谱仪上测量其554nm处发射光强度。选用的激发波长为438nm。如图3a结果所示，甲醛的荧光增强最大，基本区别于毛皮中其它可能所含的分子或者离子的荧光强度。具体表现为仅仅对于加脂剂有微弱的响应，对于其它化合物不存在响应性，初步表明了探针良好的选择性。

b)再次将甲醛加入到不同的分析底物中，采用同样的处理和检测条件下，得出不同分子或者离子溶液体系中添加相同浓度甲醛(50μM)后的荧光强度。如图3b所示，添加甲醛后，其溶液中的荧光强度增大，且接近于单独对于甲醛溶液的荧光检测结果。从而进一步表明，对于毛皮中不同分子或离子，此甲醛荧光探针具有良好的选择性。

实施例5：甲醛荧光探针对实际毛皮成品中游离甲醛的检测应用

a)用剪刀将试样(图4b)剪成长和宽均小于4mm的颗粒(带毛被)，在称重前进行空气调节。称取2g样品(精确至0.1mg)，放入100mL锥形瓶中，加入50mL预热40℃的十二烷基磺酸钠，盖紧塞子，在40℃水浴中轻轻震荡60分钟，萃取液立即通过真空玻璃纤维过滤器，过滤到锥形瓶中，密封，冷却至室温，得到毛皮萃取液；

b)配制探针母液1mM于去离子水中，精确稀释探针测试液(5μM)于10mL毛皮萃取液中，静置30分钟，在荧光光谱仪上测量其554nm处发射光强度，如图4c所示，随着时间的增加，毛皮萃取液的荧光强度逐渐增强，获得了实际的荧光检测强度。

c)将所得荧光强度减去探针空白样，结果带入到实施例3中建立的荧光强度与甲醛浓度的标准曲线中(0～80μM)，换算单位即得到实际毛皮成品中游离甲醛的含量为39.8mg/kg。这个结果与采用国标中的高效液相色谱法所检测的结果相近(33.7mg/kg)，图4d为计算此值的标准曲线。

实施例6：甲醛荧光探针对实际皮革成品中游离甲醛的检测应用(类似于对毛皮中游离甲醛的检测方式)

a)用剪刀将牛皮试样剪成长和宽均小于4mm的颗粒，在称重前进行空气调节。称取2g样品(精确至0.1mg)，放入100mL锥形瓶中，加入50mL预热40℃的十二烷基磺酸钠，盖紧塞子，在40℃水浴中轻轻震荡60min，萃取液立即通过真空玻璃纤维过滤器，过滤到锥形瓶中，密封，冷却至室温，得到皮革萃取液；

b)配制探针母液1mM于去离子水中，精确稀释探针测试液(5μM)于10mL皮革萃取液中，静置30分钟，在荧光光谱仪上测量其554nm处发射光最大强度，即为所得。选用的激发波长为438nm；

c)将所得荧光强度减去探针空白样，结果带入到实施例3中建立的荧光强度与甲醛浓度的标准曲线中，得到萃取液中甲醛浓度，换算单位即得到实际皮革成品中游离甲醛的含量。

Claims

1.一种萘酰亚胺类化合物，其特征在于，结构式为：

2.权利要求1所述化合物的制备方法，其特征在于，反应式为：

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，包括如下步骤：

具有式(3)结构的化合物与水合肼在溶剂中反应；所述具有式(3)结构的化合物与水合肼的摩尔比是1:30～50，反应温度80～85℃，反应溶剂为乙醇或乙腈；

所述具有式(3)结构的化合物的结构式为：

4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)将4-溴-1,8-萘酐与2-(2-氨基乙氧基)乙醇在无水乙醇或乙腈中反应制得化合物A，所述4-溴-1,8-萘酐与2-(2-氨基乙氧基)乙醇的摩尔比是1:1～1.5，反应时间控制在3～6h，反应温度控制在78～85℃；

2)将化合物A与水合肼在溶剂中反应生成目标产物B，所述化合物A与水合肼的摩尔比是1:30～50，反应温度80～85℃，反应溶剂为乙醇或者乙腈中的一种，反应时间控制在4～8h。

5.用于制备权利要求1所述化合物的中间体化合物，其特征在于，结构式为：

6.权利要求5所述化合物的制备方法，其特征在于，反应式为：

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，包括如下步骤：

令4-溴-1,8-萘酐与2-(2-氨基乙氧基)乙醇在无水乙醇或乙腈中反应制得化合物A，所述4-溴-1,8-萘酐与2-(2-氨基乙氧基)乙醇的摩尔比是1:1～1.5，反应温度控制为78～85℃。

8.权利要求1所述化合物用于检测甲醛或者用于制备检测甲醛的产品的应用。

9.如权利要求8所述的应用，其特征在于，当所述化合物或者具有该化合物的产品用于检测甲醛时，所用激发波长为438nm，所用发射波长为554nm。