CN114907336B - 一种基于苯并噻唑的锌离子荧光探针及其制备方法与应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于苯并噻唑的锌离子荧光探针及其制备方法与应用。其分子结构如式I所示。该探针对Zn²⁺具有良好的选择性且响应迅速，探针具有较宽的pH检测范围，灵敏度高。将探针制作成检测试纸和荧光传感膜，可实现对液态和固态锌离子盐的可视化荧光检测。

Description

一种基于苯并噻唑的锌离子荧光探针及其制备方法与应用

技术领域

本发明属于化学分析检测技术领域，具体涉及一种基于苯并噻唑的锌离子荧光探针及其制备方法与应用。

背景技术

锌是一种浅灰色的过渡金属，是地球上第四“常见”金属，主要用于镀锌工业、冶金、锌基合金、电池制造和化工等。此外，锌也是人体必需的微量元素之一，发挥着极其重要的作用，有助于生长和智力发育，提高免疫力。锌的缺乏会对我们的身体产生严重的影响，导致一系列疾病，如味觉障碍、皮肤紊乱、生长发育迟缓、免疫力下降等。

目前检测Zn²⁺的常见方法包括原子吸收光谱法、双硫腙分光光度法、阳极溶出伏安法等现代技术手段。但是，这些技术存在操作复杂、不能实时现场检测等缺点。荧光分析法具有操作简单、成本低、灵敏度高、可以实时检测等优点，已广泛用于金属离子的分析检测中。然而，已报道的Zn²⁺探针存在一系列问题，如合成复杂、应用环境苛刻等问题。因此，开发具有高选择性、高灵敏度、在温和环境下应用的新型荧光探针仍是迫切需求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于苯并噻唑的锌离子荧光探针及其制备方法与应用。

一种基于苯并噻唑的锌离子荧光探针，所述荧光探针为式I所述的化合物：

所述基于苯并噻唑的锌离子荧光探针的制备方法，按照如下步骤进行：

(1)将化合物4-羟基-3-(2-苯并噻唑基)-甲苯和乌洛托品混合于三氟乙酸中，加热至回流并反应6-10h；冷却至室温，减压蒸馏去除溶剂，加入甲醇，超声，过滤，室温晾干，得到黄色粉末中间体HBT；

(2)将中间体HBT和异烟酰肼混合于无水乙醇中，加入冰乙酸作为催化剂，加热反应；冷却至室温，析出棕黄色固体，过滤，乙醇洗涤，晾干得到式I所述的化合物。

步骤(1)中，4-羟基-3-(2-苯并噻唑基)-甲苯与乌洛托品的投料摩尔比为1：(2.5-10)。

步骤(2)中5-甲基-3-(2-苯并噻唑基)-2-羟基苯甲醛、异烟酰肼、无水乙醇、冰乙酸的用量关系为1mmol：(1-1.05)mmol：15mL：0.03mmol。

步骤(2)中所述加热反应是将反应液加热至回流，并反应3-24小时。

所述基于苯并噻唑的锌离子荧光探针在检测Zn²⁺中的应用。

优选的，将探针制作成检测试纸和荧光传感膜，可实现对液态和固态锌离子盐的可视化荧光检测。

本发明的有益效果：本发明所制备的Zn²⁺荧光探针结构中的羰基氧原子、亚胺氮原子、羟基氧原子是锌离子的配位点。探针与Zn²⁺配位后，探针分子的刚性增强，非辐射跃迁几率减小，荧光量子产率提高，实现对Zn²⁺的识别。本发明所制备的荧光探针表现出对Zn²⁺良好的光谱响应性能。首先研究探针的离子选择性。考察了探针对14种金属离子的识别性能。在加入Zn²⁺后，探针溶液的荧光由无色变为绿色，与之相对应的是溶液的荧光发射光谱在499nm处出现一个很强的荧光发射峰，然而其它金属离子的加入对探针溶液的荧光发射光谱几乎没有影响。为了进一步研究探针与Zn²⁺的相互作用，对探针进行了Zn²⁺荧光滴定实验。结果表明，在梯度加入一定量的Zn²⁺后，溶液的荧光光谱呈现连续变化。为了研究其它金属离子对探针识别Zn²⁺的影响，进行了离子竞争实验。结果表明，当加入Cu²⁺，Co²⁺和Ni²⁺等3种离子后溶液发生一定程度的荧光淬灭现象，而加入其它金属离子则对溶液的荧光几乎没有影响。为了研究探针应用的合适pH范围，进行了pH测试。结果表明，随着溶液的碱性逐渐增加，探针对Zn²⁺的识别能力逐渐增强，探针应用的合适pH范围为7-10。为了探究探针对Zn^{2 +}识别的响应速度，进行了响应时间测试。结果表明，探针对Zn²⁺的响应是极快的，在刚加入后马上完成响应，响应时间为30s。本发明所制备的Zn²⁺荧光探针被成功制作成检测试纸，应用于锌离子溶液的可视化荧光检测。本发明所制备的Zn²⁺荧光探针被成功制作成荧光传感膜，应用于固态锌离子盐的可视化荧光检测。

附图说明

图1为荧光探针的合成路线。

图2为在探针溶液中加入14种金属离子(Na⁺，K⁺，Mg²⁺，Al³⁺，Fe³⁺，Co²⁺，Ni²⁺，Cu²⁺，Zn^{2 +}，Ag⁺，Cd²⁺，Ba²⁺，Hg²⁺，Pb²⁺)后的荧光发射光谱。

图3为在探针L溶液中梯度加入Zn²⁺(0-5.0eq)后的荧光发射光谱。

图4为在荧光探针-Zn²⁺溶液中加入其它不同金属离子后在λ＝505nm处的荧光发射强度。

图5为在不同pH的探针溶液中加入Zn²⁺后在λ＝505nm处的荧光发射强度。

图6为在探针溶液中加入Zn²⁺后λ＝505nm处荧光发射强度随时间的变化。

图7为涂有探针的测试纸对不同浓度Zn²⁺的响应(a：日光下；b：紫外光下)。

图8为涂有探针L的试纸对Zn²⁺的响应及其它金属离子对探针L识别Zn²⁺的影响(a：日光下；b：紫外光下)。

图9为涂有探针的荧光膜对高氯酸锌固体的荧光响应。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将对本发明进行更全面的描述。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。

实施例1荧光探针的合成

荧光探针的合成路线如图1所示。

5-甲基-3-(2-苯并噻唑基)-2-羟基苯甲醛的合成：称取4-羟基-3-(2-苯并噻唑基)-甲苯1.124g于100mL三口瓶中，加入1.96g乌洛托品以及30mL三氟乙酸，加热至回流，并反应8小时。将反应液冷却至室温，转移至梨形瓶，旋干，得到油状液体，加入少量甲醇，超声，出现大量沉淀，过滤，室温晾干，得到黄色固体0.996g，产率79.4％。m.p.170～171℃。¹H-NMR(400MHz,CDCl₃)δ13.04(s,1H),10.50(s,1H),8.03(d,J＝8.1Hz,1H),7.94(t,J＝7.6Hz,1H),7.90(s,1H),7.71(s,1H),7.54(t,J＝7.7Hz,1H),7.45(t,J＝7.5Hz,1H),2.41(s,3H).

探针的合成：称取0.269g 5-甲基-3-(2-苯并噻唑基)-2-羟基苯甲醛和0.140g异烟酰肼于100mL圆底烧瓶中，加入20mL乙醇，再加入3滴冰醋酸作催化剂。磁力搅拌下，将该反应加热至回流并保持4小时。反应结束后，冷却至室温，过滤，少量无水乙醇多次洗涤滤饼，室温晾干，得到淡黄色粉末0.22g，产率57％。¹H-NMR(400MHz,DMSO)δ13.16(s,1H),12.58(s,1H),8.84(d,J＝5.7Hz,2H),8.72(s,1H),8.17(dd,J＝8.8,4.7Hz,2H),8.09(d,J＝8.0Hz,1H),7.94-7.82(m,2H),7.64(d,J＝1.7Hz,1H),7.61-7.52(m,1H),7.48(t,J＝7.5Hz,1H),2.39(s,3H).¹³C-NMR(101MHz,DMSO)δ164.32(s),161.87(s),154.51(s),151.71(s),150.88(s),148.82(s),140.10(s),134.98(s),133.20(s),131.12(s),129.12(s),126.95(s),125.65(s),122.92-122.73(m),122.57(d,J＝21.0Hz),122.00(s),119.98(s),119.54(s),20.37(s).

实施例2探针的离子选择性实验

称取19.4mg探针于250mL容量瓶，加入二甲基亚砜进行定容得到浓度为2×10^{- 4}mol·L^-1的探针母液。移取探针母液10mL，加入70mL二甲基亚砜和10mL Tris-HCl缓冲液(0.1M，pH＝7.1)，用去离子水定容得到探针样品溶液。

取15只干燥洁净的10mL螺口瓶中，分别加入5mL样品溶液，然后在15只小瓶中依次加入500μL去离子水，Na⁺，K⁺，Mg²⁺，Al³⁺，Fe³⁺，Co²⁺，Ni²⁺，Cu²⁺，Zn²⁺，Ag⁺，Cd²⁺，Ba²⁺，Hg²⁺，Pb²⁺。最后将15只螺口瓶放入紫外暗箱中观察，并测试荧光发射光谱。

测定结果如图2所示，在加入Zn²⁺后，探针溶液的荧光由无色变为绿色，与之相对应的是溶液的荧光发射光谱在499nm处出现一个很强的荧光发射峰，然而其它金属离子的加入对探针溶液的荧光发射光谱几乎没有影响。

实施例3探针的锌离子荧光滴定实验

移取3mL样品溶液于四通比色皿中，梯度加入3μL Zn²⁺溶液，加10次，每次加入Zn²⁺后超声30s，测试荧光发射光谱。

测定结果如图3所示，在梯度加入一定量的Zn²⁺后，溶液的荧光光谱呈现连续变化。

实施例4探针的离子竞争实验

取14只干燥洁净的10mL螺口瓶，向其中均加入5mL样品溶液和50μLZn²⁺溶液，然后依次分别加入50μL去离子水，Na⁺，K⁺，Mg²⁺，Al³⁺，Co²⁺，Ni²⁺，Cu²⁺，Fe³⁺，Ag⁺，Cd²⁺，Ba²⁺，Hg²⁺，Pb^{2 +}，测试荧光发射光谱。

测定结果如图4所示，加入Cu²⁺，Co²⁺和Ni²⁺3种离子后溶液发生一定程度的荧光淬灭现象，而加入其它金属离子则对溶液的荧光几乎没有影响。

实施例5探针的pH测试实验

取不同pH(4-10)探针溶液3mL于四通比色皿中，向其中加入30μL Zn²⁺，然后测试荧光发射光谱。

测定结果如图5所示，随着溶液的碱性逐渐增加，探针对Zn²⁺的识别能力逐渐增强，探针应用的合适pH范围为7-10。

实施例6探针的响应时间测试

取样品溶液3mL于四通比色皿中，向其中加入30μL Zn²⁺，每隔30s测一次荧光发射光谱，测20次，共计10分钟。

测定结果如图6所示，探针对Zn²⁺的响应是极快的，在刚加入后马上完成响应，响应时间为30s。

实施例7探针的检测试纸应用

取定性滤纸剪成6cm×1.5cm的纸条，将纸条浸入探针(2×10^-3mol/L)的DMSO溶液中，随后取出烘干。然后，将试纸条浸于不同浓度的Zn²⁺(0，1×10^-4，1×10^-3，1×10^-2mol/L)溶液中。取出，烘干，将试纸条置于紫外暗箱中观察，结果如图7所示。

将试纸浸入Zn²⁺和其它金属离子的溶液中(1×10^-4)，随后取出烘干备用。将涂有其它金属离子的试纸再次浸入Zn²⁺溶液中，然后取出烘干。将所有试纸置于紫外暗箱中观察，结果如图8所示。

实施例8探针的荧光膜应用

取探针1mg，加入无水乙醇100mL，超声5min，过滤，在滤液中加入10mL0.5％羧甲基纤维素钠溶液，向其中加入硅胶至溶液的粘稠度适当，室温下搅拌12h。然后，在玻璃板上均匀涂抹浆液，待溶剂蒸发后得到荧光传感膜，在紫外暗箱中观察。最后，在荧光传感膜表面涂满高氯酸铝固体，然后再擦除，将荧光膜置于紫外暗箱中观察，结果如图9所示。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (7)

1.一种基于苯并噻唑的锌离子荧光探针，其特征在于，所述荧光探针为式I所述的化合物：

2.权利要求1所述基于苯并噻唑的锌离子荧光探针的制备方法，其特征在于，按照如下步骤进行：

(1)将化合物4-羟基-3-(2-苯并噻唑基)-甲苯和乌洛托品混合于三氟乙酸中，加热至回流并反应6-10h；冷却至室温，减压蒸馏去除溶剂，加入甲醇，超声，过滤，室温晾干，得到黄色粉末中间体HBT；

(2)将中间体HBT和异烟酰肼混合于无水乙醇中，加入冰乙酸作为催化剂，加热反应；冷却至室温，析出棕黄色固体，过滤，乙醇洗涤，晾干得到式I所述的化合物。

3.根据权利要求2所述基于苯并噻唑的锌离子荧光探针的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，4-羟基-3-(2-苯并噻唑基)-甲苯与乌洛托品的投料摩尔比为1：(2.5-10)。

4.根据权利要求2所述基于苯并噻唑的锌离子荧光探针的制备方法，其特征在于，步骤(2)中5-甲基-3-(2-苯并噻唑基)-2-羟基苯甲醛、异烟酰肼、无水乙醇、冰乙酸的用量关系为1mmol：(1-1.05)mmol：15mL：0.03mmol。

5.根据权利要求2所述基于苯并噻唑的锌离子荧光探针的制备方法，其特征在于，步骤(2)中所述加热反应是将反应液加热至回流，并反应3-24小时。

6.权利要求1所述基于苯并噻唑的锌离子荧光探针在检测Zn²⁺中的应用。

7.根据权利要求6所述基于苯并噻唑的锌离子荧光探针在检测Zn²⁺中的应用，其特征在于，将探针制作成检测试纸和荧光传感膜，可实现对液态和固态锌离子盐的可视化荧光检测。