CN112194614B - 一种特异性识别Fe3+的三联吡啶荧光探针及其合成方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种特异性识别Fe³⁺的三联吡啶荧光探针及其合成方法和应用，该三联吡啶荧光探针的结构式如下：

。本发明还具体公开了该三联吡啶荧光探针的合成方法及其在含有多种金属离子的溶液体系中特异性识别Fe³⁺的应用。本发明以苯二甲醛和4‑乙酰吡啶为原料合成了三联吡啶类探针，该三联吡啶类探针能够对Fe³⁺进行特异性识别且响应迅速，具有一定的抗其它金属离子的干扰能力。

Description

一种特异性识别Fe3+的三联吡啶荧光探针及其合成方法和 应用

技术领域

本发明属于特异性识别Fe³⁺荧光探针的合成技术领域，具体涉及一种特异性识别Fe³⁺的三联吡啶荧光探针及其合成方法和应用。

背景技术

铁元素在生物体内发挥着重要的生理作用，其广泛存在于多种关键性的蛋白或酶中，人体内Fe³⁺的缺乏会直接导致缺铁性贫血，而过量的Fe³⁺又会引发恶性贫血、心脏类疾病、肾衰竭、糖尿病等多种疾病。因此，对Fe³⁺的检测在生命科学中就显得尤为重要。荧光探针检测法由于选择性高、灵敏度好、分析速度快、所需仪器简单、操作简便等优点而受到广泛关注。三联吡啶及其衍生物因为自身丰富的配位内容、可以对目标配体特异性结合的特性，成为大家关注的焦点，目前以三联吡啶及其衍生物为基础，合成了多种类型的探针其中包括金属离子探针、结构探针、pH探针、活性氧探针、自组装纳米探针等。鉴于此，作者合成了一种特异性识别Fe³⁺的三联吡啶荧光探针，并用于对Fe³⁺的检测研究。

发明内容

本发明解决的技术问题是提供了一种特异性识别Fe³⁺的三联吡啶荧光探针及其合成方法，该方法合成的三联吡啶荧光探针能够对Fe³⁺进行特异性识别且响应迅速，具有一定的抗其它金属离子的干扰能力。

本发明为解决上述技术问题采用如下技术方案，一种特异性识别Fe³⁺的三联吡啶荧光探针，其特征在于：该三联吡啶荧光探针的结构式如下：

。

本发明所述的特异性识别Fe³⁺的三联吡啶荧光探针的制备方法，其特征在于具体步骤为：准确量取10.0 mL无水乙醇于100 mL三颈烧瓶中，分批多次加入3.1200 g片状KOH固体，常温下搅拌溶解并逐滴加入0.8040 g对苯二甲醛，搅拌下完全溶解后逐滴加入2.5680 g 4-乙酰吡啶，常温搅拌10 min后加入浓氨水30.0 mL，于50℃油浴下冷凝回流24h，反应中使用薄层层析法跟踪实验直至反应完毕，溶液逐渐变深棕色，然后用冰醋酸调节混合溶液的pH至中性，冷却，抽滤，滤渣用30 mL无水乙醇冲洗三次，用真空干燥器于30℃干燥24小时，得到米黄色固体即为粗产品，再用体积比乙腈：水=7:3的混合溶剂对粗产品进行重结晶，抽滤干燥得纯品三联吡啶荧光探针。

本发明所述的特异性识别Fe³⁺的三联吡啶荧光探针在含有多种金属离子的溶液体系中特异性识别Fe³⁺的应用。

本发明所述的金属离子包括Sn²⁺、Mg²⁺、Sr²⁺、Ca²⁺、Ni²⁺、Zn²⁺、Mn²⁺、K⁺、Co²⁺、Na⁺、Cu⁺、Cu²⁺、Fe³⁺、Cr³⁺、Cd²⁺、Ba²⁺、Fe²⁺、Al³⁺、Hg²⁺、Ag⁺和Fe³⁺。

本发明所述的特异性识别Fe³⁺的三联吡啶荧光探针在含有多种金属离子的溶液体系中特异性识别Fe³⁺的应用，其特征在于具体过程为：将三联吡啶荧光探针溶解在体积比DMSO：H₂O=4:1的混合溶剂中制成浓度为1×10^-2 mol·L^-1的储备液，然后稀释成1×10^-5 mol·L^-1的测试液，测定荧光光谱时最佳激发波长为324 nm，取2 mL三联吡啶荧光探针的测试液于比色皿中，测溶液的荧光强度，再分别加入20 μL浓度为1×10^-2 mol·L^-1的不同金属离子储备液于该体系中，通过观察最大发射波长处加入Fe³⁺溶液的前后上述溶液的荧光强度变化，来研究其他金属离子存在下，三联吡啶荧光探针对Fe³⁺的识别能力，三联吡啶荧光探针的测试液在加入其它金属离子时荧光强度变化很小，在这些溶液的基础上加入Fe³⁺溶液后，荧光强度发生了非常明显的降低，并且与测试液中加入Fe³⁺溶液的效果差别很小，三联吡啶荧光探针与Fe³⁺之间形成了摩尔比为1:1的配合物，能够对Fe³⁺进行特异性识别且响应迅速，且具有抗其它金属离子的干扰能力。

本发明具有以下有益效果：本发明以苯二甲醛和4-乙酰吡啶为原料合成了三联吡啶类探针，该三联吡啶荧光探针能够对Fe³⁺进行特异性识别且响应迅速，具有一定的抗其它金属离子的干扰能力。通过核磁氢谱及质谱表征，其结构正确。同时Job's-plot曲线说明三联吡啶荧光探针与Fe³⁺之间形成了摩尔比为1:1的配合物。该实验结果给三联吡啶类化合物的金属离子特异性识别性能改造提供了基础数据，深入的研究尚在进行中，有望应用到环境及生物体内离子的检测中。

附图说明

图1是化合物I的金属离子选择图；

图2是不同金属离子分别对化合物I检测Fe³⁺的干扰情况图；

图3是化合物I溶液中加入的Fe³⁺荧光（a）和紫外（b）变化图；

图4是化合物I与Fe³⁺在体积比DMSO：H₂0=4:1的溶液中的Job's-plot曲线。

具体实施方式

以下通过实施例对本发明的上述内容做进一步详细说明，但不应该将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明上述内容实现的技术均属于本发明的范围。

1.材料与方法

1.1仪器与试剂

熔点用X4型显微熔点仪测定（未校正）；HNMR使用Unity Plus-400-MHz核磁共振仪内标TMS，溶剂为DMSO；MS用MicrOTOF-Q III高分辨质谱仪测定；荧光用美国瓦里安CaryEclipse荧光光谱仪测定；紫外用日本岛津UV-2600；药品为市售品，所用试剂均为分析纯。

1.2合成方法

利用苯二甲醛和4-乙酰吡啶为原料一步合成了目标化合物三联吡啶荧光探针，其合成步骤如下：准确量取10.0 mL无水乙醇于100 mL三颈烧瓶中，多次少量加入片状KOH固体（3.1200 g；0.056 mol），常温下搅拌溶解并逐滴加入对苯二甲醛（0.8040 g；6 mmol），搅拌下完全溶解后逐滴加入4-乙酰吡啶（2.5680 g；24 mmol），常温搅拌10 min后加入浓氨水30.0 mL，于50℃油浴下冷凝回流24 h。反应中使用薄层层析法跟踪实验直至反应完毕，溶液逐渐变深棕色，然后用冰醋酸调节混合溶液的pH至7左右，冷却，抽滤，滤渣用30 mL无水乙醇冲洗三次，用真空干燥器于30℃干燥24小时，得到米黄色固体即为粗产品。再用体积比乙腈：水=7:3的混合溶剂对粗产品进行重结晶，抽滤干燥得纯品化合物I。

1.3离子液的制备

将化合物I溶解在体积比DMSO：H₂O=4:1的混合溶剂中制成浓度为1×10^-2 mol·L^-1的储备液，然后稀释成1×10^-5 mol·L^-1的测试液。将各种金属化合物（FeCl₂·4H₂O，FeCl₃·6H₂O，MgCl₂·6H₂O，HgCl₂·2H₂O，KCl，CdCl₂，CoCl₂，NiCl₂，ZnCl_2，CaCl₂，NaCl，AlCl₃，MnCl₂，CuCl₂·2_.H₂O_，CuCl，SnCl₂，CrCl₃·6_.H₂O，BaCl₂，AgNO₃）溶解在体积比DMSO：H₂O=4:1的混合溶剂中配制成金属离子浓度为1×10^-2 mol·L^-1的金属离子储备液备用。

1.4测试方法

用移液枪移取一定量化合物I的测试液于比色皿中，根据不同的测试内容，用移液枪吸取一定体积的金属离子储备液于比色皿中，2 min后测其吸收光谱或荧光谱，测定荧光光谱时最佳激发波长为324 nm。

2.结果

2.1化合物1的结构及数据

以苯二甲醛和4-乙酰吡啶为原料制得化合物I，该化合物I的结构如下所示：

化合物I

化合物I：白色羽毛状晶体，熔点108～110℃，产率58.1%。MS(m/z): 541.2133(M+H)⁺。¹H NMR (400 MHz, DMSO-d ₆) δ 8.81 (d, J = 1.37 Hz, 8H), 8.63 (s, 4H), 8.39(d, J = 4.20 Hz, 8H), 8.33 (s, 4H)。

2.2化合物I对离子选择性实验

取2 mL化合物I的测试液于比色皿中，分别加入20 μL浓度为1×10^-2 mol·L^-1的金属离子储备液（Sn²⁺，Mg²⁺，Sr²⁺，Ca²⁺，Ni²⁺，Zn²⁺，Mn²⁺，K⁺，Co²⁺，Na⁺，Cu⁺，Cu²⁺，Fe³⁺，Cr³⁺，Cd²⁺，Ba²⁺，Fe²⁺，Al³⁺，Hg²⁺，Ag⁺）于该体系中，金属离子对化合物I的荧光光谱响应见图 1。如图1所示，在最大发射波长423 nm处，当化合物I测试液中加入Fe³⁺时，化合物I的荧光被淬灭，说明化合物I对Fe³⁺有很好的识别作用。探针中加入其它金属离子时，都没有引起明显的荧光淬灭现象，说明化合物I能特异性识别Fe³⁺。

2.3化合物I对Fe³⁺识别的抗干扰性能

为了进一步研究化合物I对Fe³⁺的识别性能，进行了化合物I对Fe³⁺识别的抗干扰实验（如图2所示）。取2 mL化合物I的测试液于比色皿中，测溶液的荧光强度，而后分别加入20 μL浓度为1×10^-2 mol·L^-1的金属离子储备液（Hg²⁺，Ba²⁺，Cr³⁺，Sn²⁺，Na⁺，Co²⁺，K⁺，Mn²⁺，Zn^{2 +}，Ni²⁺，Ca²⁺，Sr²⁺，Mg²⁺，Al³⁺，Cd²⁺，Fe²⁺，Sr²⁺，Cu²⁺）于该体系中，通过观察最大发射波长处加入Fe³⁺溶液的前后上述溶液的荧光强度变化，来研究其他金属离子存在下，化合物I对Fe³⁺的识别能力。从图2中发现，化合物I溶液在加入其它离子时荧光强度变化很小，在这些溶液的基础上加入Fe³⁺溶液后，荧光强度发生了非常明显的降低，并且与测试液中加入Fe³⁺溶液的效果差别很小，这证明了化合物I在其它干扰离子存在时对Fe³⁺也有很好的识别效果。

2. 4化合物I与Fe³⁺的定量关系

2.4.1 Fe³⁺对化合物I的荧光和紫外滴定光谱

为了进一步探究化合物I对Fe³⁺的识别作用，进行了Fe³⁺对化合物I的滴定实验（如图3所示），在2 mL浓度为1×10^-5 mol·L^-1的化合物I的测试液中分别加入不同浓度的Fe³⁺溶液。图3中的 a中，化合物I在324 nm光激发下，在423 nm处出现最大发射峰，随着溶液中Fe³⁺浓度的增加探针溶液的荧光逐渐被淬灭，在溶液中Fe³⁺浓度增加到8×10^-5 mol·L^-1的时候，化合物I的荧光强度基本不再变化。图3中的 b中，化合物I在248 nm处有最大吸收，随着加入Fe³⁺浓度的增加，该吸收峰逐渐增强，在300 nm处出现新的吸收峰说明化合物I与Fe^{3 +}形成了新的配合物。

2.4.2 Fe³⁺与化合物I的结合比例

为了进一步确定化合物I与Fe³⁺之间的结合比例作了Job's-plot曲线，结果见图4。在体积比DMSO：H₂O=4:1的混合溶剂中，通过荧光滴定作化合物I与Fe³⁺的Job's-plot曲线，保持溶液总浓度为1×10^-5 mol·L^-1，得到化合物I与Fe³⁺的结合摩尔比为1:1。

本发明以苯二甲醛和4-乙酰吡啶为原料合成了三联吡啶类探针化合物I，该化合物I能够对Fe³⁺进行特异性识别且响应迅速，具有一定的抗其它金属离子的干扰能力。通过核磁氢谱及质谱表征，其结构正确。同时Job's-plot曲线说明化合物I与Fe³⁺之间形成了摩尔比为1:1的配合物。该实验结果给三联吡啶类化合物的金属离子特异性识别性能改造提供了基础数据，深入的研究尚在进行中，有望应用到环境及生物体内离子的检测中。

以上显示和描述了本发明的基本原理，主要特征和优点，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围。

Claims (2)

1.特异性识别Fe³⁺的三联吡啶荧光探针在含有多种金属离子的溶液体系中特异性识别Fe³⁺的应用，其特征在于：所述的多种金属离子包括Sn²⁺、Mg²⁺、Sr²⁺、Ca²⁺、Ni²⁺、Zn²⁺、Mn²⁺、K⁺、Co²⁺、Na⁺、Cu⁺、Cu²⁺、Fe³⁺、Cr³⁺、Cd²⁺、Ba²⁺、Fe²⁺、Al³⁺、Hg²⁺、Ag⁺和Fe³⁺，该三联吡啶荧光探针的结构式如下：

；

所述三联吡啶荧光探针的具体制备过程为：准确量取10.0 mL无水乙醇于100 mL三颈烧瓶中，分批多次加入3.1200 g片状KOH固体，常温下搅拌溶解并逐滴加入0.8040 g对苯二甲醛，搅拌下完全溶解后逐滴加入2.5680 g 4-乙酰吡啶，常温搅拌10 min后加入浓氨水30.0 mL，于50℃油浴下冷凝回流24 h，反应中使用薄层层析法跟踪实验直至反应完毕，溶液逐渐变深棕色，然后用冰醋酸调节混合溶液的pH至中性，冷却，抽滤，滤渣用30 mL无水乙醇冲洗三次，用真空干燥器于30℃干燥24小时，得到米黄色固体即为粗产品，再用体积比乙腈：水=7:3的混合溶剂对粗产品进行重结晶，抽滤干燥得纯品三联吡啶荧光探针。

2.根据权利要求1所述的应用，其特征在于具体过程为：将三联吡啶荧光探针溶解在体积比DMSO：H₂O=4:1的混合溶剂中制成浓度为1×10^-2 mol·L^-1的储备液，再稀释成1×10^-5 mol·L^-1的测试液，测定荧光光谱时最佳激发波长为324 nm，取2 mL三联吡啶荧光探针的测试液于比色皿中，测试溶液的荧光强度，再分别加入20 μL浓度为1×10^-2 mol·L^-1的不同金属离子储备液于该体系中，通过观察最大发射波长处加入Fe³⁺溶液的前后上述溶液的荧光强度变化，来研究其它金属离子存在下，三联吡啶荧光探针对Fe³⁺的识别能力，三联吡啶荧光探针的测试液在加入其它金属离子时荧光强度变化很小，在这些溶液的基础上加入Fe³⁺溶液后，荧光强度发生了非常明显的降低，并且与测试液中加入Fe³⁺溶液的效果差别很小，三联吡啶荧光探针与Fe³⁺之间形成了摩尔比为1:1的配合物，能够对Fe³⁺进行特异性识别且响应迅速，且具有抗其它金属离子的干扰能力。

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