CN113045581A - 一种用于检测铜离子的aie荧光探针及其制备方法与应用 - Google Patents

Abstract

本发明属于荧光分析技术领域，具体涉及一种用于检测铜离子的AIE化合物及其制备方法和作为荧光探针检测铜离子的应用。探针化合物的制备步骤：将化合物A和化合物B混合加入到EtOH中，常温反应20～24h，得到橙色固体荧光探针化合物C。本发明将化合物C溶于四氢呋喃和水体积比为1:9的溶剂体系中，配置成浓度为4×10^{‑ 5}mol/L荧光探针溶液，该荧光探针稳定性好、抗干扰性强、响应快以及制备方法简单的优点，对铜离子检测限可达3.53×10^‑7mol/L，可用于高选择性灵敏检测铜离子。

Description

一种用于检测铜离子的AIE荧光探针及其制备方法与应用

技术领域

本发明属于荧光分析技术领域，具体涉及一种用于检测铜离子的AIE荧光探针及其制备方法与应用。

背景技术

铜与人体健康关系密切，是人体内发现的第三丰富的过渡金属。成年人体内1千克体重中铜含量大约为1.4mg～2.1mg，血液中铜的含量约为1.0mg～1.5mg。铜是机体内蛋白质和酶的重要组成部分，许多重要的酶需要微量铜的参与和活化。例如，铜可以催化血红蛋白的合成。人体内铜的缺乏会导致心脏病。相反，如果过量，它会导致阿尔茨海默氏症、门克斯症、帕金森氏症和威尔逊病。铜的这些不利影响使其在体内和环境中的检测变得至关重要。

荧光探针具有高选择性和高灵敏度，且结构简单，易于合成，易于实现现场分析和监控等特点，现已广泛应用于环境中的离子检测当中。常见的有机荧光探针由于在水溶液中聚集而发生荧光淬灭(ACQ)，严重限制了它们的实际应用价值，而聚集诱导发光(AIE)的荧光探针解决了这个问题，能够在水等不良溶剂中有效发光，且化学稳定性强，在重金属离子的荧光检测领域展现出广阔的应用前景。

螺环化合物是环状有机化合物的一种，其结构特点是两个环共用一个或多个碳原子。从含原子的种类出发又可以将螺环化合物分为碳环螺环化合物和杂环螺环化合物，例如氧杂螺环化合物、氮杂螺环化合物、硫杂螺环化合物等等。螺环化合物的结构稳定，其手性配体具有较大的比旋光度，在手性催化配体、分子膨胀剂、光致变色材料、农药和医药等领域有着诸多应用。此外，席夫碱常被用作金属离子识别基团。然而，联合氧杂螺环、席夫碱和AIE等三方面优势制备金属离子探针还未见报道。

发明内容

本发明的目的在于提供一种AIE型荧光探针制备方法以及检测水溶液中铜离子的应用，具有稳定性好、抗干扰性强、响应快以及制备方法简单等优势。

本发明提供的技术方案如下：

本发明提供一种用于铜离子检测的AIE型荧光探针，该荧光探针是一种氧杂螺环桥联双席夫碱的结构，记为化合物C，其具体结构为：

一种AIE荧光探针的制备方法，化合物C的由化合物A和化合物B经缩合脱水而得；

进一步的，化合物A由4-羟基四苯基乙烯和六亚甲基四胺在三氟乙酸溶液中加热回流反应制备。

进一步的，化合物B的制备方法为：将2-硝基苯甲醛、季四戊醇与p-TsOH一起加入甲苯溶液中，加热回流反应得到邻硝基苯基氧杂螺环，再经水合肼、Pd/C在甲醇中加热回流还原，制备得到邻氨基苯基氧杂螺环，即化合物B。

进一步的，2-硝基苯甲醛、季四戊醇与p-TsOH的摩尔比为2:1:0.05。

进一步的，化合物C的制备方法为：在室温下，将化合物A和化合物B以摩尔比1:2.1比例混合加入乙醇中，反应20～24h，反应结束后，过滤，将滤渣用DCM/EtOH重结晶，过滤，干燥，得到橙黄色固体荧光探针化合物。

本发明还提供AIE荧光探针在检测铜离子中的应用。

进一步的，将所述AIE荧光探针溶于四氢呋喃和水的混合溶液。

进一步的，所述铜离子浓度大于3.53×10^-7mol/L。

一种AIE荧光探针的制备方法，步骤如下：

(1)将4-羟基四苯基乙烯和六亚甲基四胺以摩尔比1:1.5加入到三氟乙酸溶液中加热回流反应，制备得到化合物A；

(2)将2-硝基苯甲醛、季四戊醇、以及p-TsOH按摩尔比2:1:0.05加入甲苯溶液中，加热回流反应得到邻硝基苯基氧杂螺环，再经水合肼、Pd/C在甲醇中加热回流还原，制备得到邻氨基苯基氧杂螺环，即化合物B；

(3)在得到化合物A和化合物B后，将化合物A和化合物B以摩尔比1:2.1比例混合加入乙醇中，室温反应20～24h，反应结束后，过滤，将滤渣用DCM/EtOH重结晶，过滤，干燥，得橙黄色粉末状固体，即为化合物C。化合物C的合成路线如下：

本发明制得的荧光探针化合物C的分子式为C₇₃H₅₈N₂O₆。化合物C的核磁氢谱如图7所示。¹H NMR(300MHz,DMSO-d₆):δ(ppm)＝13.16(s,2H,OH),8.32(s,2H,N＝CH),7.75-7.72(m,2H,N＝CH-Ar-H),7.38-7.30(m,4H,Ar-H),7.15-7.01(m,36H,Ar-H),6.79-6.76(d,J＝9.0Hz,2H,HO-Ar-H),5.77(s,2H,CH),4.89-4.85(m,2H,CH₂),3.89-3.86(m,2H,CH₂),3.84-3.79(m,2H,CH₂),3.70-3.67(m,2H,CH₂)。

化合物C的核磁共振碳谱如图8所示。¹³C NMR(75MHz,CDCl₃):δ(ppm)＝163.0,159.9,145.9,143.7,143.6,140.8,139.6,136.8,135.3,134.9,131.5,131.4,131.3,130.2,128.1,128.0,127.9,127.8,127.8,127.7,127.1,126.7,126.6,126.5,126.4,118.8,117.7,116.6,98.8,71.3,70.6,32.5。

化合物C的高分辨质谱如图9所示。计算值C₇₃H₅₉N₂O₆ 1059.4373[M+H]⁺，测量值1059.4357。

本发明所制备的荧光探针固体呈橙黄色，在583nm处有较强荧光发射。该探针易溶于四氢呋喃，不易溶于水，在四氢呋喃和水的混合溶液中随水的含量增加表现出良好的AIE性质，荧光强度越来越高，水含量为90％时发射强度达到最高，而再增加水的含量分子会析出。AIE性质如附图1所示。

该荧光探针在溶液中能通过席夫碱与铜离子配位形成1:1的络合物，并导致AIE荧光发生强烈淬灭，可用于环境中铜离子的灵敏检测，其他离子的干扰小，是一种理想的铜离子快速检测传感器。该荧光探针和铜离子的选择性识别荧光图谱如附图2所示。该探针对铜离子的荧光滴定如附图3所示。对其它离子的抗干扰如附图4所示。该探针对铜离子的识别环境很稳定，对酸碱的抗干扰如附图5所示。化合物C滴加等摩尔量4×10^-5mol/L铜离子后响应性的荧光图谱如附图6所示。

本发明所制备的荧光探针可对铜离子进行定性、定量的检测，将浓度呈梯度变化的铜离子溶液与探针溶液混合后，测定相应的荧光强度，然后以铜离子的浓度作为横坐标，混合体系的荧光强度为纵坐标作图，建立铜离子溶液浓度梯度变化与探针溶液荧光强度变化值标准曲线，可根据荧光强度从图中读出待测溶液中的铜离子浓度。

本发明的有益成果：

本发明设计合成氧杂螺环通过双席夫碱桥连四苯基乙烯的分子，使得探针本身就具有AIE效应，且具有稳定性好、抗干扰性强、响应快以及制备方法简单的优点，所制备的荧光探针在铜离子存在下荧光发生显著改变，AIE荧光发生显著降低，对铜离子具有选择性识别作用，其他离子的存在不干扰铜离子的检测，检测限为3.53×10^-7mol/L，可用于高选择性灵敏检测铜离子，这对于复杂环境中铜离子的检测有重要的现实应用价值。

附图说明

图1为溶液中化合物C的AIE荧光图谱。

图2为化合物C与各离子的选择性荧光图谱。

图3为在溶液中化合物C与铜离子的滴定荧光图谱。

图4为在溶液中化合物C与铜离子添加其他干扰离子的荧光柱状图。

图5为在溶液中化合物C与铜离子在不同酸碱条件下的稳定性荧光图谱。

图6为在溶液中化合物C滴加等摩尔量铜离子后响应性的荧光图谱。

图7为化合物C的核磁共振氢谱图。

图8为化合物C的核磁共振碳谱图。

图9为化合物C的高分辨质谱图。

具体实施方式

为了进一步说明本发明，结合附图给出以下系列具体实施例，但本发明并不受这些具体实施例的限制，任何了解该领域的技术人员对本发明的些许改动将可以达到类似结果，这些改动也包含在本发明中。

实施例一

探针化合物C的制备：

于50mL三口烧瓶中将化合物A(1.0g,2.7mmol)与化合物B(434.5mg,1.3mmol)加入到EtOH(15mL)中，室温反应20～24h，混合体系呈橙黄色糊状物，反应结束后，过滤，收集滤渣，用DCM/EtOH＝1/5重结晶，过滤，干燥，得橙黄色粉末状固体(0.82g,0.8mmol)，产率为62％。

实施例二

探针化合物C的AIE效应测试：

如附图1所示，配置探针化合物C的四氢呋喃溶液浓度为4×10^-5mol/L，固定探针化合物C的浓度不变，逐渐增加水的比例，横坐标为波长、纵坐标为荧光强度。图中荧光强度随着水的含量增加而逐渐增强，当水的含量增加到95％时，探针溶液出现固体析出，在确保溶解性的前提下，选择THF/H₂O＝1/9作为探针溶液的溶剂。

实施例三

探针化合物C对铜离子的选择性测试：

如附图2所示，配置探针化合物C的四氢呋喃/水(1:9)溶液浓度为4×10^-5mol/L，横坐标为波长、纵坐标为加入不同金属离子后在583nm处荧光强度。图中荧光强度对铜离子的变化最为明显，强烈淬灭，其他金属离子的加入对探针的荧光强度的变化不明显，表明探针对铜离子有很强的选择性荧光识别。

如附图3所示，配置探针化合物C的四氢呋喃/水(1:9)溶液5mL浓度为4×10^-5mol/L，铜离子的水溶液浓度为2×10^-4mol/L。向探针溶液中滴加一滴(0.05mL)铜离子溶液，测得荧光强度，依次滴加铜离子溶液测探针的荧光强度，随着铜离子的增加，探针的荧光强度逐渐降低，当铜离子加到与探针摩尔比1:1时，荧光强度讲到最低，继续滴加铜离子，探针荧光强度无明显变化，表明荧光探针与铜离子的结合比为1:1。

实施例四

探针化合物C的稳定性测试：

如附图4所示，配置探针化合物C与相等当量铜离子混合的四氢呋喃/水(1:9)溶液浓度为4×10^-5mol/L，横坐标为铜离子与不同的干扰离子、纵坐标为荧光强度。向探针与铜离子的混合溶液中分别加入其它相等当量的干扰离子，发现都有明显荧光淬灭且波动范围不大，说明探针化合物C对铜离子的选择性不受其它离子所干扰。

如附图5所示，配置探针化合物C与相等当量铜离子混合的四氢呋喃/水(1:9)溶液浓度为4×10^-5mol/L，通过添加Tris-HCL缓冲溶液调节不同的酸碱环境，测得探针在不同pH值下对铜离子响应的稳定性的影响。从图中可以看出，在任意酸碱环境下，探针对铜离子都有很好的响应，表明探针对环境的适用性很强，稳定性很好。

如附图6所示，配置探针化合物C的四氢呋喃/水(1:9)溶液浓度为4×10^-5mol/L，加入相等当量的铜离子后测得其荧光强度并做记录，依次记下1min、2min、3min、4min、5min、7min、10min、15min、20min时探针对铜离子响应的荧光强度，当铜离子刚加入时探针的荧光迅速淬灭，当加入2min时荧光强度基本讲到最低，随着时间的推移，荧光强度无明显变化，表明探针对铜离子的响应速度快，效率高。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的保护范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种AIE荧光探针，其特征在于，所述探针为氧杂螺环桥联双位席夫碱荧光探针分子，记为化合物C，具有如下结构：

2.根据权利要求1所述的AIE荧光探针，其特征在于，核磁共振氢谱的化学位移为¹H NMR(300MHz,DMSO-d₆):δ(ppm)＝13.16(s,2H,OH),8.32(s,2H,N＝CH),7.75-7.72(m,2H,N＝CH-Ar-H),7.38-7.30(m,4H,Ar-H),7.15-7.01(m,36H,Ar-H),6.79-6.76(d,J＝9.0Hz,2H,HO-Ar-H),5.77(s,2H,CH),4.89-4.85(m,2H,CH₂),3.89-3.86(m,2H,CH₂),3.84-3.79(m,2H,CH₂),3.70-3.67(m,2H,CH₂)。

3.根据权利要求1所述的AIE荧光探针，其特征在于，所述化合物C的核磁共振碳谱图在163.0,159.9,145.9,143.7,143.6,140.8,139.6,136.8,135.3,134.9,131.5,131.4,131.3,130.2,128.1,128.0,127.9,127.8,127.8,127.7,127.1,126.7,126.6,126.5,126.4,118.8,117.7,116.6,98.8,71.3,70.6,32.5处具有化学位移的峰。

4.根据权利要求1～3任一项所述的AIE荧光探针的制备方法，其特征在于，化合物C由化合物A和化合物B经缩合脱水而得；

5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，化合物A由4-羟基四苯基乙烯和六亚甲基四胺在三氟乙酸溶液中加热回流反应制备。

6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，化合物B的制备方法为：将2-硝基苯甲醛、季四戊醇与p-TsOH一起加入甲苯溶液中，加热回流反应得到邻硝基苯基氧杂螺环，再经水合肼、Pd/C在甲醇中加热回流还原，制备得到邻氨基苯基氧杂螺环，即化合物B。

7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，2-硝基苯甲醛、季四戊醇与p-TsOH的摩尔比为2:1:0.05。

8.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，化合物C的制备方法为：在室温下，将化合物A和化合物B以摩尔比1:2.1比例混合加入乙醇中，反应20～24h，反应结束后，过滤，将滤渣用DCM/EtOH重结晶，过滤，干燥，得到荧光探针化合物。

9.根据权利要求1～3任一项所述AIE荧光探针在检测铜离子中的应用。

10.根据权利要求9所述的应用，其特征在于，将所述AIE荧光探针溶于四氢呋喃和水的混合溶液。

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