CN112679432B - 一种萘酰亚胺-二苯砜衍生物荧光探针及其制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种萘酰亚胺‑二苯砜衍生物荧光探针及其制备方法和应用，以4,4'‑二氨基二苯砜、4‑溴‑1,8‑萘二甲酸酐为原料，在所选溶剂中回流反应若干小时，过滤、纯化后所得，具有原料易得、步骤简单、反应条件温和、产率高、探针光稳定性强等优点；本发明的荧光探针在含水介质中进行荧光光谱测定，可以通过荧光强度和在365nm紫外灯下体系颜色的变化，实现对环境水体或土壤中TNP的有效识别，具有很好的应用前景。

Description

一种萘酰亚胺-二苯砜衍生物荧光探针及其制备方法和应用

技术领域

本发明涉及分析化学领域，尤其是涉及一种萘酰亚胺-二苯砜衍生物荧光探针及其制备方法和应用。

背景技术

2,4,6-三硝基苯酚(TNP)又称苦味酸，是硝基芳香类爆炸物(NAEs)中威力较大的爆炸物之一，被广泛使用于工业和民用，如烟花、皮革以及染料等化工行业。在生产、使用及运输过程中对土壤和水体环境造成巨大的污染，是一种潜在的土壤和水系污染物。

传统的TNP检测方法有质谱法、石英晶体微天平法、表面等离子体共振和电化学法等。尽管以上检测方法的灵敏度比较高，但都具有一定的不足之处，如昂贵的仪器设备、操作过程复杂、费时，不适用于现场检测等。

荧光探针检测法由于具有操作简便、灵敏高、可直接观察、检测快速等优点，是一种良好的检测方法。设计和使用荧光探针检测TNP对于减少环境污染，保证人体健康具有十分重要的意义。

因此，发展一种合成简单、产率高，兼具高选择性和高灵敏性、可检测水体和土壤环境中TNP的荧光探针，具有很好的应用前景。

尽管文献已经报道了多种用于TNP检测的荧光探针，但在实际应用中往往受到环境中一些常见共存金属离子的干扰。

萘酰亚胺的大π键共轭平面刚性结构，使其具有高摩尔消光系数、高量子产率，强耐光性等优点，常被作为发色基团和荧光功能基团，在有机电致发光材料、化学荧光探针以及光敏感材料等领域的应用研究广泛展开。

现有技术中已有多种萘酰亚胺类的荧光分子探针被报道，适用于不同物质的检测和不同的应用场景；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)也为荧光探针识别TNP提供了理论支撑。而萘酰亚胺-二苯砜衍生物用于TNP的荧光检测探针尚未见报道。

针对现有技术中存在的问题，本发明基于萘酰亚胺衍生物优异的光化学和光物理特性，合成了一种高灵敏度、高选择性的TNP荧光探针。即使在一些金属离子共存条件下，也能对TNP进行十分有效的识别。

发明内容

有鉴于此，有必要提供一种对TNP选择性高，抗干扰能力突出的小分子荧光探针，能够应用于土壤或环境水体中TNP的有效识别。

为了解决上述技术问题，本发明的第一种技术方案是：一种萘酰亚胺-二苯砜衍生物荧光探针，其结构式如下：

为了解决上述技术问题，本发明的第二种技术方案是：一种如上所述的萘酰亚胺-二苯砜衍生物荧光探针的制备方法，按以下步骤进行：

S1：将4-溴-1,8-萘二甲酸酐溶于有机溶剂中构成溶液a，4,4'-二氨基二苯砜溶于有机溶剂中构成溶液b；

S2：边搅拌边将溶液b逐滴加到溶液a中构成混合体系，混合体系逐渐变为淡黄色；

S3：滴加完毕后进行加热搅拌反应，反应完成后冷却至室温；

S4：加入冰水，使有结晶析出，抽滤得到粗产品，对粗产品通过柱色谱分离进行提纯，旋蒸干燥得黄色固体，该黄色固体为萘酰亚胺-二苯砜衍生物荧光探针。

进一步的，所述4-溴-1,8-萘二甲酸酐与4,4'-二氨基二苯砜之间的摩尔比为1：1.0～1.1。

进一步的，所述有机溶剂为N,N-二甲基甲酰胺。

进一步的，所述4-溴-1,8-萘二甲酸酐与N,N-二甲基甲酰胺之间的摩尔体积比为1mmol：10～20ml；所述4,4'-二氨基二苯砜与N,N-二甲基甲酰胺之间的摩尔体积比为1mmol：10～20ml。

进一步的，步骤S3中，加热搅拌反应的温度为150℃，时间为7-9h。

进一步的，步骤S4中，加入冰水的体积为有机溶剂总体积的3-5倍。

进一步的，步骤S4中，柱色谱分离采用体积比为1:1的石油醚和乙酸乙酯的混合液作为洗脱液。

为了解决上述技术问题，本发明的第三种技术方案是：一种如上所述的萘酰亚胺-二苯砜衍生物荧光探针在TNP检测中的应用，将萘酰亚胺-二苯砜衍生物荧光探针溶于一混合溶剂中构成一淡绿色的荧光检测材料，荧光检测材料中萘酰亚胺-二苯砜衍生物荧光探针的浓度为10^-3～10^-5mol/L；在365nm紫外光下,荧光检测材料中加入TNP，荧光检测材料的颜色由淡绿色转变为深绿色。

进一步的，所述混合溶剂由N,N-二甲基甲酰胺和去离子水组成，混合溶剂中去离子水的体积百分数为10％～20％。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)本发明的荧光探针可与TNP分子进行特异性作用，产生荧光光谱及颜色的明显变化，从而实现对TNP的识别与检测。

(2)本发明的荧光探针对TNP具有很高的选择性，荧光检测材料与其它常规NAEs和一些常见金属离子混合均不能导致体系颜色和荧光光谱的明显改变。

(3)该探针具有较大的Stokes位移(100nm)，有利于降低成像过程中激发光的干扰。

(4)本发明的荧光探针合成简单，成本低廉，有利于商业化推广应用。

为让本发明的上述和其他目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附图式，作详细说明。

附图说明

图1为本发明实施例二中荧光探针的红外光谱图。

图2为本发明实施例二中荧光探针的¹HNMR谱图。

图3为一些硝基芳香类爆炸物对实施例一制备的荧光探针的荧光光谱响应图。

图4为实施例一制备的荧光探针的荧光强度与不同浓度TNP的荧光光谱响应图。

图5为实施例一制备的荧光探针的荧光信号强度与TNP浓度的线性关系图。

图6为实施例一制备的荧光探针溶液中一些硝基芳香类爆炸物共存时对TNP的干扰柱状图。

图7为实施例一制备的荧光探针溶液中一些金属离子共存时对TNP的干扰柱状图。

图8为实施例一制备的荧光探针的荧光发射峰位置与TNP的紫外吸收峰位置。

具体实施方式

为更进一步阐述本发明为实现预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明的具体实施方式、结构、特征及其功效作详细说明。

需要说明的是，本发明的实施例中涉及的材料，如无特别说明，均为公知公用，可常规购买。

实施例一：

一种萘酰亚胺-二苯砜衍生物荧光探针(ND)，其结构式如下：

实施例二：

一种萘酰亚胺-二苯砜衍生物荧光探针的制备方法：

S1：将4-溴-1,8-萘二甲酸酐0.28g(1.0mmol)溶于20mL DMF中构成溶液a，4,4'-二氨基二苯砜0.25g(1.0mmol)溶于20mL DMF中构成溶液b；

S2：边搅拌边将溶液b逐滴加到溶液a中构成混合体系，混合体系逐渐变为淡黄色；

S3：滴加完毕后加热至150℃搅拌回流8h，反应完成后冷却至室温；

S4：加入120mL冰水，使有结晶析出，抽滤得到粗产品，对粗产品通过柱色谱分离进行提纯，柱色谱分离采用体积比为1:1的石油醚和乙酸乙酯的混合液作为洗脱液，旋蒸干燥得黄色固体，产率76.3％。

该黄色固体为萘酰亚胺-二苯砜衍生物荧光探针。

本实施例制备的萘酰亚胺-二苯砜衍生物荧光探针的结构通过红外光谱进行了表征。如图1所示，红外光谱图主要特征峰为(KBr压片)：ν＝3442cm^-1为-NH₂特征峰，1736cm^-1为亚酰胺中C＝O特征峰，1597cm^-1、1498cm^-1、1338cm^-1为苯环特征骨架特征峰，1017cm^-1为S＝O的特征吸收峰，778cm^-1为萘环C-H特征峰，符合文献值并由此确定产物官能团正确。

本实施例制备的萘酰亚胺-二苯砜衍生物荧光探针的结构通过¹HNMR进行了表征，如图2所示，¹HNMR(400MHz,氘代丙酮,δ/ppm)：8.60-8.48(m,5H),8.39-8.35(m,1H),8.36-8.12(m,5H),7.98-7.96(m,1H),7.69-7.64(m,1H),7.14(s,1H),7.12(s,1H)，符合文献值并由此确定产物质子数正确。

实施例三：

一种萘酰亚胺-二苯砜衍生物荧光探针的制备方法：

S1：将4-溴-1,8-萘二甲酸酐0.28g(1.0mmol)溶于20mL DMF中构成溶液a，4,4'-二氨基二苯砜0.28g(1.1mmol)溶于20mL DMF中构成溶液b；

S2：边搅拌边将溶液b逐滴加到溶液a中构成混合体系，混合体系逐渐变为淡黄色；

S3：滴加完毕后加热至150℃搅拌回流9h，反应完成后冷却至室温；

S4：加入200mL冰水，使有结晶析出，抽滤得到粗产品，对粗产品通过柱色谱分离进行提纯，柱色谱分离采用体积比为1:1的石油醚和乙酸乙酯的混合液作为洗脱液，旋蒸干燥得黄色固体，产率77.5％。

该黄色固体为萘酰亚胺-二苯砜衍生物荧光探针。

实施例四：

一种萘酰亚胺-二苯砜衍生物荧光探针的制备方法：

S1：将4-溴-1,8-萘二甲酸酐0.28g(1.0mmol)溶于20mL DMF中构成溶液a，4,4'-二氨基二苯砜0.25g(1.0mmol)溶于20mL DMF中构成溶液b；

S2：边搅拌边将溶液b逐滴加到溶液a中构成混合体系，混合体系逐渐变为淡黄色；

S3：滴加完毕后加热至150℃搅拌回流7h，反应完成后冷却至室温；

S4：加入60mL冰水，使有结晶析出，抽滤得到粗产品，对粗产品通过柱色谱分离进行提纯，柱色谱分离采用体积比为1:1的石油醚和乙酸乙酯的混合液作为洗脱液，旋蒸干燥得黄色固体，产率75.6％。

该黄色固体为萘酰亚胺-二苯砜衍生物荧光探针。

一种使用实施例一制备的萘酰亚胺-二苯砜衍生物荧光探针在TNP检测中的应用。

以下各实施例中所使用的混合溶剂均为V_DMF/V_水(N,N-二甲基甲酰胺：去离子水)＝9:1，使用的探针是实施例一所制备的探针样品。

实施例五：

硝基芳香类爆炸物对实施例一制备荧光探针溶液的荧光光谱响应测定：

荧光探针用混合溶剂配制成浓度为10^-3mol/L的荧光检测材料(以下称探针溶液)待用，同时用混合溶剂分别配制浓度为10^-3mol/L的4-硝基甲苯(4-NT)溶液、2,6-二硝基甲苯(2,6-DNT)溶液、三硝基甲苯(TNT)溶液、2,4-二硝基甲苯(2,4-DNT)溶液、对硝基苯酚(4-NP)溶液、邻硝基苯酚(2-NP)溶液、硝基苯(NB)溶液、2-硝基甲苯(2-NT)溶液、2,4,6-三硝基苯酚(TNP)溶液以及一些常见金属离子的硝酸盐溶液(10^-5mol/L)供以下各实施例使用。

室温下在进行荧光检测时，探针溶液分别和各硝基芳香类爆炸物溶液等体积混合，空白样用探针溶液和等体积的混合溶剂混合，得到图3，即一些硝基芳香类爆炸物对探针溶液的荧光光谱响应图。

由图3可知，加入TNP的探针溶液荧光发射光谱发生明显的强度减弱，且在365nm紫外光下体系的颜色由淡绿色转变为深绿色；而其它的常规硝基芳香类爆炸物加入对探针溶液的荧光强度影响较小，在365nm紫外光下体系的颜色也基本没变。

实施例六：

TNP对荧光探针溶液的荧光滴定。

移取2mL浓度为10^-3mol/L的探针溶液，逐渐滴加浓度为10^-3mol/L的TNP溶液，测试TNP浓度对探针溶液荧光强度的影响，结果如图4所示。由图4可知，随着TNP的逐渐加入，体系荧光发射峰的强度逐渐降低。

本实施例所有实验条件和处理方法只是确保检测体系中TNP浓度不同，测定其荧光强度，并绘制荧光强度随TNP浓度变化的线性关系图(图5所示)。分析实验结果可以确定探针ND对TNP有很高的灵敏性，计算检出限量为1.27×10^-7mol·L^-1，TNP浓度在(5.0-50)×10^-7mol/L范围内与荧光强度呈现出良好的线性关系。

由以上数据可知荧光探针ND可以对TNP实现高效检测。

实施例七：

其它常见硝基芳香类爆炸物与TNP的竞争实验。

探针溶液(2mL，10^-3mol/L)，测试荧光强度后分别加入NB、2-NT、4-NT、2,4-DNT、2,6-DNT、2-NP及4-NP溶液(280μL,10^-3mol/L)，进行荧光测试；然后在各混合液中再分别加入TNP溶液(280μL,10^-3mol/L)并进行荧光测试(图6所示)。

由图6可知，在一些常见硝基芳香类爆炸物存在的前提下，荧光探针材料可以对TNP有效检测。

实施例八：

金属离子与TNP的竞争实验。

探针溶液(2mL，10^-3mol/L)测试荧光强度，然后分别加入一些常见金属离子的硝酸盐溶液(280μL,10^-5mol/L)，测试不同离子对探针溶液荧光强度的影响，再分别加入TNP溶液(280μL,10^-3mol/L)并进行荧光测试(图7所示)。

由图7可知，在一些金属离子存在的前提下，荧光探针材料可以对TNP有效检测，具有实际应用的潜力。

识别机理分析

由图8可知，在混合溶剂中探针的荧光发射峰位置与TNP的紫外吸收位置没有重叠，说明TNP与ND之间没有发生共振能量转移，而是因为电子转移导致ND的荧光淬灭。

综上，本发明的探针可以应用于对环境中TNP是否存在信息的获取。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简介修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (10)

1.一种萘酰亚胺-二苯砜衍生物荧光探针，其特征在于，其结构式如下：

2.一种如权利要求1所述的萘酰亚胺-二苯砜衍生物荧光探针的制备方法，其特征在于，按以下步骤进行：

S1：将4-溴-1,8-萘二甲酸酐溶于有机溶剂中构成溶液a，4,4'-二氨基二苯砜溶于有机溶剂中构成溶液b；

S2：边搅拌边将溶液b逐滴加到溶液a中构成混合体系，混合体系逐渐变为淡黄色；

S3：滴加完毕后进行加热搅拌反应，反应完成后冷却至室温；

S4：加入冰水，使有结晶析出，抽滤得到粗产品，对粗产品通过柱色谱分离进行提纯，旋蒸干燥得黄色固体，该黄色固体为萘酰亚胺-二苯砜衍生物荧光探针。

3.根据权利要求2所述的萘酰亚胺-二苯砜衍生物荧光探针的制备方法，其特征在于：所述4-溴-1,8-萘二甲酸酐与4,4'-二氨基二苯砜之间的摩尔比为1：1.0～1.1。

4.根据权利要求2所述的萘酰亚胺-二苯砜衍生物荧光探针的制备方法，其特征在于：所述有机溶剂为N,N-二甲基甲酰胺。

5.根据权利要求4所述的萘酰亚胺-二苯砜衍生物荧光探针的制备方法，其特征在于：所述4-溴-1,8-萘二甲酸酐与N,N-二甲基甲酰胺之间的摩尔体积比为1mmol：10～20ml；所述4,4'-二氨基二苯砜与N,N-二甲基甲酰胺之间的摩尔体积比为1mmol：10～20ml。

6.根据权利要求2所述的萘酰亚胺-二苯砜衍生物荧光探针的制备方法，其特征在于：步骤S3中，加热搅拌反应的温度为150℃，时间为7-9h。

7.根据权利要求2所述的萘酰亚胺-二苯砜衍生物荧光探针的制备方法，其特征在于：步骤S4中，加入冰水的体积为有机溶剂总体积的3-5倍。

8.根据权利要求2所述的萘酰亚胺-二苯砜衍生物荧光探针的制备方法，其特征在于：步骤S4中，柱色谱分离采用体积比为1:1的石油醚和乙酸乙酯的混合液作为洗脱液。

9.一种如权利要求1所述的萘酰亚胺-二苯砜衍生物荧光探针在TNP检测中的应用，其特征在于：将萘酰亚胺-二苯砜衍生物荧光探针溶于一混合溶剂中构成一淡绿色的荧光检测材料，荧光检测材料中萘酰亚胺-二苯砜衍生物荧光探针的浓度为10^-3～10^-5mol/L；在365nm紫外光下,荧光检测材料中加入TNP，荧光检测材料的颜色由淡绿色转变为深绿色。

10.根据权利要求9所述的萘酰亚胺-二苯砜衍生物荧光探针在TNP检测中的应用，其特征在于：所述混合溶剂由N,N-二甲基甲酰胺和去离子水组成，混合溶剂中去离子水的体积百分数为10％～20％。