CN114591343B - 一种基于罗丹明B的Hg2+、Fe3+、Al3+荧光探针及其制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于罗丹明B的Hg²⁺、Fe³⁺、Al³⁺荧光探针及其制备方法和应用；本发明以罗丹明B为基体，通过酰胺缩合反应和伯胺醛反应，以己二胺为桥分子，最终制备出基于罗丹明B的Hg²⁺、Fe³⁺、Al³⁺荧光探针。该荧光探针以罗丹明B为荧光基团，香草醛为识别基团，对Hg²⁺、Fe³⁺、Al³⁺的选择性强、灵敏度高，且对其他金属离子的抗干扰能力强。本发明还提供了上述基于罗丹明B的Hg²⁺、Fe³⁺、Al³⁺荧光探针在Hg²⁺、Fe³⁺、Al³⁺的定性检测及定量分析中的应用。

Description

一种基于罗丹明B的Hg2+、Fe3+、Al3+荧光探针及其制备方法和 应用

技术领域

本发明涉及荧光探针技术，具体涉及一种基于罗丹明B的Hg²⁺、Fe³⁺、Al³⁺荧光探针及其制备方法和应用。

背景技术

在整个自然界中存在众多过渡和重金属离子，它们不仅维持着多相体系的渗透平衡，在生物体中也起到非常重要的作用。然而对于某些重金属如Hg²⁺、Cd²⁺、Pb²⁺等而言，很低的浓度也具有极强的毒性，严重时可导致生物体致命。汞就是其中典型的有毒过渡金属离子，广泛分布于自然界的空气和水中，其来源非常广泛，包括火山喷发以及人类生活垃圾的焚烧，尤其是高光效节能灯的使用等；铁是地壳主要组成成分之一，在自然界中的分布也极为广泛，虽然它容易氧化生锈，且它的熔点(1812K)高，难于熔炼，但是铁不仅是人类进步所必不可少的金属材料，它的大规模使用，更是推动了人类文明的发展；铝作为一种常见金属，虽然被人们广泛使用，但过量的铝不仅会导致人的记忆力丧失，肾衰竭病患还因无法正常将铝排出体外而致铝中毒，所以铝已被确定为食品污染物而加以控制。

我国生活饮用水水质标准中对Hg²⁺、Fe³⁺、Al³⁺的含量作出严格限制，规定汞离子的最大浓度不得超过0.001mg/L；铝离子的最大浓度不得超过0.2mg/L；铁离子的最大浓度不得超过0.3mg/L(参见《生活饮用水卫生标准》GB5749-85)。我们接触汞污染最主要的方式便是水和空气的污染，当蒸发后的汞离子被人体大量吸收后，它会沿着呼吸道进入到动物和人体内，导致一系列呼吸系统及神经系统方面的疾病，并影响人类的肝、甲状腺和皮肤的功能。而过量的铝在肾衰竭患者体内常年累积将会影响患者的骨骼、脑及神经系统，且绝大部分铝经由饮食摄取而进入体内，所以对铝的含量进行检测是很有必要的。Fe³⁺在人体内是不能正常代谢的，若体内含有大量Fe³⁺，则会患高铁血红蛋白血症。综上所述，我们迫切需要发明一种高效、简易、灵敏的检测手段，以对Hg²⁺、Fe³⁺、Al³⁺进行识别和定量分析。

目前常用的检测普通金属离子Hg²⁺、Fe³⁺、Al³⁺的方法包括原子吸收/发射光谱法、电感耦合等离子质谱法、紫外可见分光光度法以及示波极谱法等，但这些方法在实际应用中仍然存在需要克服的缺点，例如对其他金属离子和阴离子的交叉敏感性(Shi,W；Ma,H.Rhodamine B thiolactone:Asimple chemosensor for Hg²⁺inaqueousmedia.Chem.Commun.2008,16,1856–1858.)、pH依赖性(Zheng,H；Qian,Z；Xu,L；etal.Switching the recognition preference of rhodamine B spirolactam by re-placing one atom:Design of rhodamine B thiohydrazide for recognition of Hg(II)in aqueous solution.Org.Lett.2006,8,859–861.)。在上述文献中，检测Hg²⁺、Fe³⁺、Al³⁺等所用原料为二亚乙基三胺，成本较高，该方法可在2～10分钟内显示出来且该指标只适用于弱酸性环境，每次检测费用180～250元左右；目前其他探针检测费用每次110～130元，检测时间为50秒～80秒。

罗丹明B是一种人工合成的染料，具有强烈的荧光，除此之外它还具有光稳定性高，对酸碱的灵敏度低，最大吸收波长和最大荧光波长均在可见光区域内，受外部背景干扰小等优异性能。综上所述，设计合成结构稳定、高选择性、高灵敏度、高效快捷的可检测Hg²⁺、Fe³⁺、Al³⁺的荧光探针具有非常重要的意义和研究价值。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种选择性强、灵敏度高、成本低且高效快捷的基于罗丹明B的Hg²⁺、Fe³⁺、Al³⁺荧光探针及其制备方法和应用。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种基于罗丹明B的Hg²⁺、Fe³⁺、Al³⁺荧光探针，该荧光探针的化学结构式如下：

。

本发明还提供一种基于罗丹明B的Hg²⁺、Fe³⁺、Al³⁺荧光探针的制备方法，以重量份数记，包括如下步骤：

步骤1、将0.9～1.2份的罗丹明B溶于20～25份的甲醇中得到罗丹明B的甲醇溶液，将2.0～2.3份的己二胺溶于3～5份的甲醇中得到己二胺的甲醇溶液；

步骤2、将己二胺的甲醇溶液逐滴加入罗丹明B的甲醇溶液中，滴加时间20～30分钟，滴加完成后升温到60～80℃下回流8～9h，然后在40～50℃下减压蒸馏除去甲醇，得到红色的罗丹明B己二胺中间体；

步骤3、取0.16～0.20份的罗丹明B己二胺中间体溶于20～25份的甲醇中得到罗丹明B己二胺中间体的甲醇溶液；再取0.05～0.10份的香草醛溶于3～5份的甲醇中得到香草醛的甲醇溶液，然后在搅拌条件下将香草醛的甲醇溶液滴加到罗丹明B己二胺中间体的甲醇溶液中，滴加时间20～30分钟，然后升温到60～80℃下反应6～7h，反应结束后在40～50℃下减压蒸馏除去溶剂甲醇，得到紫红色物质，再向其中加入二次蒸馏水20～30份，用二氯甲烷萃取三次，每次二氯甲烷的用量为15～30份，将收集的有机萃取液在40～55℃减压蒸馏除去溶剂，得到粗产品；

步骤4、将步骤3所得粗产品通过柱层析分离，干燥后得到红棕色固体产物。

进一步地，所述步骤4柱层析分离所用硅胶为硅胶G，粒径为200～300目；所用洗脱剂为二氯甲烷：甲醇体积比为5:1～10:1的混合溶液。

本发明还涉及上述基于罗丹明B的Hg²⁺、Fe³⁺、Al³⁺荧光探针在Hg²⁺、Fe³⁺、Al³⁺的定性检测及定量分析中的应用。

本发明与现有技术相比，具有如下技术效果：

(1)与现有技术相比，本发明所涉及的方法合成工艺简单、原料低廉易得、响应时间短、普适性强、成本低，检测时间从一般的2～10分钟缩短到10～30秒，检测成本从一般的180～250元减小到35～50元。

(2)本发明对罗丹明B分子通过有机合成进行修饰，使其具有很高的抗干扰性和灵敏度，能在极低的离子浓度下对目标离子进行实时检测。

(3)与单一金属离子荧光探针相比，本发明对Hg²⁺、Fe³⁺、Al³⁺均有良好的选择性，可用于环境、食品和生物医药中多种金属离子的痕量检测。

(4)本发明所制备的基于罗丹明B的荧光探针在进行金属离子选择时具有高度的选择性，可检测的Hg²⁺、Fe³⁺、Al³⁺浓度范围为0.005-200μmol/L。加入Hg²⁺、Fe³⁺、Al³⁺后溶液颜色(由无色变为粉色)有明显的变化，便于观察，同时稳定性较好。

(5)本发明制备的基于罗丹明B的Hg²⁺、Fe³⁺、Al³⁺荧光探针较传统的荧光探针具有高度选择性，所使用的原料遵循绿色环保的理念且制备过程中无环境污染物的产生，具有广阔的应用前景。

(6)与传统的荧光探针相比，本发明制备的荧光探针能在短时间内迅速对金属离子作出响应，具有检测时间短成本低的优势，其他探针检测费用每次110～130元，检测时间为50～80秒，本发明方法检测费用每次35～50元，检测时间为10～30秒。

本发明通过酰胺缩合反应和伯胺醛反应，以己二胺为桥分子，罗丹明B为荧光基团，香草醛为识别基团合成了基于罗丹明B的新型Hg²⁺、Fe³⁺、Al³⁺荧光探针，该方法合成步骤简单，原料易得，便于制备，所得产品易于储存。在水相体系中，Hg²⁺、Fe³⁺、Al³⁺可与该荧光探针中的识别基团作用，从而诱导发生开环反应，产生强荧光，并在560～580nm处产生显著的吸收峰，溶液颜色由无色变为紫红色，同时在570～590nm处的荧光也显著增强。且本发明的荧光探针对Hg²⁺、Fe³⁺、Al³⁺具有专一性的识别，该荧光探针与Hg²⁺、Fe³⁺、Al³⁺反应速度快，1～5min内其荧光强度即可趋于稳定，灵敏度高，吸收和发射波长比较长，背景干扰小，且与其它金属离子几乎没有响应，对其它金属离子的抗干扰能力强，可广泛用于Hg²⁺、Fe³⁺、Al³⁺的检测及原位在线定量分析，在生物化学、环境科学及医学等领域具有广泛应用前景。

附图说明

图1为20μM的探针溶液分别与20μM的不同金属离子(Ag⁺、Cu²⁺、Fe³⁺、K⁺、Mg²⁺、Ca²⁺、Mn²⁺、Co²⁺、Ni²⁺、Zn²⁺、Cd²⁺、Pb²⁺、Al³⁺、Hg²⁺)的标准溶液按体积比为8:1混合后测得的荧光光谱图。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明的具体内容做进一步详细解释说明。

实施例1

本实施例提供一种基于罗丹明B的Hg²⁺、Fe³⁺、Al³⁺荧光探针的制备方法，包括如下步骤：

步骤1)、将0.9份的罗丹明B溶于20份分析纯的甲醇中得到罗丹明B的甲醇溶液，将2.0份分析纯的己二胺溶于3份分析纯的甲醇中得到己二胺的甲醇溶液；

步骤2)、将己二胺的甲醇溶液逐滴加入罗丹明B的甲醇溶液中，滴加时间20分钟，滴加完成后升温到60℃下加热回流8h，然后在40℃下减压蒸馏除去甲醇，得到红色的罗丹明B己二胺中间体；

步骤3)、取0.16份的罗丹明B己二胺中间体溶于20份分析纯的甲醇中得到罗丹明B己二胺中间体的甲醇溶液；再取0.05份的香草醛溶于3份分析纯的甲醇中得到香草醛的甲醇溶液，然后在搅拌条件下将香草醛的甲醇溶液滴加到罗丹明B己二胺中间体的甲醇溶液中，滴加时间20分钟，然后升温到60℃下反应6h，反应结束后在40℃下减压蒸馏除去溶剂甲醇，得到紫红色物质，再向其中加入二次蒸馏水20份，用分析纯二氯甲烷萃取三次，每次二氯甲烷的用量为15份，将收集的有机萃取液在40℃减压蒸馏除去溶剂，得到粗产品；

步骤4)、将步骤3所得粗产品通过柱层析分离，干燥后得到红棕色固体产物，此即为用于检测Hg²⁺、Fe³⁺、Al³⁺的荧光探针。

实施例2

本实施例提供一种基于罗丹明B的Hg²⁺、Fe³⁺、Al³⁺荧光探针的制备方法，包括如下步骤：

步骤1)、将1.2份的罗丹明B溶于25份分析纯的甲醇中得到罗丹明B的甲醇溶液，将2.3份分析纯的己二胺溶于5份分析纯的甲醇中得到己二胺的甲醇溶液；

步骤2)、将己二胺的甲醇溶液逐滴加入罗丹明B的甲醇溶液中，滴加时间30分钟，滴加完成后升温到80℃下加热回流9h，然后在50℃下减压蒸馏除去甲醇，得到红色的罗丹明B己二胺中间体；

步骤3)、取0.20份的罗丹明B己二胺中间体溶于25份分析纯的甲醇中得到罗丹明B己二胺中间体的甲醇溶液；再取0.10份的香草醛溶于5份分析纯的甲醇中得到香草醛的甲醇溶液，然后在搅拌条件下将香草醛的甲醇溶液滴加到罗丹明B己二胺中间体的甲醇溶液中，滴加时间30分钟，然后升温到80℃下反应7h，反应结束后在50℃下减压蒸馏除去溶剂甲醇，得到紫红色物质，再向其中加入二次蒸馏水30份，用分析纯二氯甲烷萃取三次，每次二氯甲烷的用量为30份，将收集的有机萃取液在55℃减压蒸馏除去溶剂，得到粗产品；

步骤4)、将步骤3所得粗产品通过柱层析分离，干燥后得到红棕色固体产物，此即为用于检测Hg²⁺、Fe³⁺、Al³⁺的荧光探针。

实施例3

本实施例提供一种基于罗丹明B的Hg²⁺、Fe³⁺、Al³⁺荧光探针的制备方法，包括如下步骤：

步骤1)、将1.0份的罗丹明B溶于23份分析纯的甲醇中得到罗丹明B的甲醇溶液，将2.2份分析纯的己二胺溶于4份分析纯的甲醇中得到己二胺的甲醇溶液；

步骤2)、将己二胺的甲醇溶液逐滴加入罗丹明B的甲醇溶液中，滴加时间22分钟，滴加完成后升温到70℃下加热回流8.5h，然后在45℃下减压蒸馏除去甲醇，得到红色的罗丹明B己二胺中间体；

步骤3)、取0.18份的罗丹明B己二胺中间体溶于22份分析纯的甲醇中得到罗丹明B己二胺中间体的甲醇溶液；再取0.08份的香草醛溶于4份分析纯的甲醇中得到香草醛的甲醇溶液，然后在搅拌条件下将香草醛的甲醇溶液滴加到罗丹明B己二胺中间体的甲醇溶液中，滴加时间25分钟，然后升温到70℃下反应6.5h，反应结束后在45℃下减压蒸馏除去溶剂甲醇，得到紫红色物质，再向其中加入二次蒸馏水25份，用分析纯二氯甲烷萃取三次，每次二氯甲烷的用量为20份，将收集的有机萃取液在50℃减压蒸馏除去溶剂，得到粗产品；

步骤4)、将步骤3所得粗产品通过柱层析分离，干燥后得到红棕色固体产物，此即为用于检测Hg²⁺、Fe³⁺、Al³⁺的荧光探针。

实施例4

本实施例提供一种基于罗丹明B的Hg²⁺、Fe³⁺、Al³⁺荧光探针的制备方法，包括如下步骤：

步骤1)、将1.2份的罗丹明B溶于20份分析纯的甲醇中得到罗丹明B的甲醇溶液，将2.3份分析纯的己二胺溶于3份分析纯的甲醇中得到己二胺的甲醇溶液；

步骤2)、将己二胺的甲醇溶液逐滴加入罗丹明B的甲醇溶液中，滴加时间26分钟，滴加完成后升温到80℃下加热回流8h，然后在50℃下减压蒸馏除去甲醇，得到红色的罗丹明B己二胺中间体；

步骤3)、取0.20份的罗丹明B己二胺中间体溶于20份分析纯的甲醇中得到罗丹明B己二胺中间体的甲醇溶液；再取0.10份的香草醛溶于3份分析纯的甲醇中得到香草醛的甲醇溶液，然后在搅拌条件下将香草醛的甲醇溶液滴加到罗丹明B己二胺中间体的甲醇溶液中，滴加时间30分钟，然后升温到80℃下反应6h，反应结束后在45℃下减压蒸馏除去溶剂甲醇，得到紫红色物质，再向其中加入二次蒸馏水30份，用分析纯二氯甲烷萃取三次，每次二氯甲烷的用量为15份，将收集的有机萃取液在55℃减压蒸馏除去溶剂，得到粗产品；

步骤4)、将步骤3所得粗产品通过柱层析分离，干燥后得到红棕色固体产物，此即为用于检测Hg²⁺、Fe³⁺、Al³⁺的荧光探针。

实施例5

本实施例提供一种基于罗丹明B的Hg²⁺、Fe³⁺、Al³⁺荧光探针的制备方法，包括如下步骤：

步骤1)、将0.9份的罗丹明B溶于25份分析纯的甲醇中得到罗丹明B的甲醇溶液，将2.0份分析纯的己二胺溶于5份分析纯的甲醇中得到己二胺的甲醇溶液；

步骤2)、将己二胺的甲醇溶液逐滴加入罗丹明B的甲醇溶液中，滴加时间20分钟，滴加完成后升温到60℃下加热回流9h，然后在40℃下减压蒸馏除去甲醇，得到红色的罗丹明B己二胺中间体；

步骤3)、取0.16份的罗丹明B己二胺中间体溶于25份分析纯的甲醇中得到罗丹明B己二胺中间体的甲醇溶液；再取0.05份的香草醛溶于5份分析纯的甲醇中得到香草醛的甲醇溶液，然后在搅拌条件下将香草醛的甲醇溶液滴加到罗丹明B己二胺中间体的甲醇溶液中，滴加时间20分钟，然后升温到60℃下反应7h，反应结束后在40℃下减压蒸馏除去溶剂甲醇，得到紫红色物质，再向其中加入二次蒸馏水20份，用分析纯二氯甲烷萃取三次，每次二氯甲烷的用量为30份，将收集的有机萃取液在50℃减压蒸馏除去溶剂，得到粗产品；

步骤4)、将步骤3所得粗产品通过柱层析分离，干燥后得到红棕色固体产物，此即为用于检测Hg²⁺、Fe³⁺、Al³⁺的荧光探针。

性能测试

探针溶液的配制：分别称取实施例1～3制得的荧光探针182.0mg于250ml容量瓶中，使用甲醇溶液定容配制为1.0×10^-3mol/L的探针溶液；取上述1.0×10^-3mol/L的探针溶液2ml于烧杯中，使用98ml的甲醇定容配制为20μmol/L的探针溶液。

分别配制浓度依次为0.005μmol/L，0.05μmol/L，0.5μmol/L，5μmol/L，50μmol/L，100μmol/L，150μmol/L，200μmol/L的Hg²⁺、Fe³⁺、Al³⁺金属离子标准溶液；然后取4mL浓度为20μM的探针溶液分别与上述的0.005-200μmol/L不同金属离子(Hg²⁺、Fe³⁺、Al³⁺)的标准溶液按体积比为8:1混合并反应5min后，依次进行荧光测试；荧光检测结果列于表1中。

表1实施例1～3检测的Hg²⁺、Fe³⁺、Al³⁺浓度范围和检测下限

另取实施例1制备的Hg²⁺、Fe³⁺、Al³⁺荧光探针配制成浓度为20μmol/L的探针溶液，然后将20μmol/L的探针溶液分别与20μmol/L的不同金属离子(Ag⁺、Cu²⁺、Fe³⁺、K⁺、Mg²⁺、Ca²⁺、Mn²⁺、Co²⁺、Ni²⁺、Zn²⁺、Cd²⁺、Pb²⁺、Al³⁺、Hg²⁺)的标准溶液按体积比为8:1混合并反应5min后，依次进行荧光测试；测试结果如图1，由图1可知，向探针溶液中加入Hg²⁺、Fe³⁺、Al³⁺溶液后荧光强度显著增强；加入其它金属离子后没有产生显著的荧光强度变化，说明该荧光探针对Hg^{2 +}、Fe³⁺、Al³⁺的选择性高，对其他金属离子的抗干扰能力强，可作为Hg²⁺、Fe³⁺、Al³⁺定性、定量检测的依据。

尽管上述实施例对本发明做出了详尽的描述，但它仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例，人们还可以根据本实施例在不经创造性前提下获得其他实施例，这些实施例都属于本发明保护范围。

Claims (4)

1.一种基于罗丹明B的Hg²⁺、Fe³⁺、Al³⁺荧光探针，其特征在于，该荧光探针的化学结构式如下：

。

2.一种如权利要求1所述的基于罗丹明B的Hg²⁺、Fe³⁺、Al³⁺荧光探针的制备方法，其特征在于，以重量份数记，包括如下步骤：

步骤1、将0.9～1.2份的罗丹明B溶于20～25份的甲醇中得到罗丹明B的甲醇溶液，将2.0～2.3份的己二胺溶于3～5份的甲醇中得到己二胺的甲醇溶液；

步骤2、将己二胺的甲醇溶液逐滴加入罗丹明B的甲醇溶液中，滴加时间20～30分钟，滴加完成后升温到60～80℃下回流8～9h，然后在40～50℃下减压蒸馏除去甲醇，得到红色的罗丹明B己二胺中间体；

步骤3、取0.16～0.20份的罗丹明B己二胺中间体溶于20～25份的甲醇中得到罗丹明B己二胺中间体的甲醇溶液；再取0.05～0.10份的香草醛溶于3～5份的甲醇中得到香草醛的甲醇溶液，然后在搅拌条件下将香草醛的甲醇溶液滴加到罗丹明B己二胺中间体的甲醇溶液中，滴加时间20～30分钟，然后升温到60～80℃下反应6～7h，反应结束后在40～50℃下减压蒸馏除去溶剂甲醇，得到紫红色物质，再向其中加入二次蒸馏水20～30份，用二氯甲烷萃取三次，每次二氯甲烷的用量为15～30份，将收集的有机萃取液在40～55℃减压蒸馏除去溶剂，得到粗产品；

步骤4、将步骤3所得粗产品通过柱层析分离，干燥后得到红棕色固体产物。

3.如权利要求2所述的基于罗丹明B的Hg²⁺、Fe³⁺、Al³⁺荧光探针的制备方法，其特征在于，所述步骤4柱层析分离所用硅胶为硅胶G，粒径为200～300目；所用洗脱剂为二氯甲烷：甲醇体积比为5:1～10:1的混合溶液。

4.权利要求1所述的基于罗丹明B的Hg²⁺、Fe³⁺、Al³⁺荧光探针在Hg²⁺、Fe³⁺、Al³⁺的定性检测及定量分析中的应用。