CN114989148A - 一种基于香豆素的铝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香豆素的铝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Al³⁺具有单一识别作用且响应快速，探针具有较宽的pH检测范围，抗干扰能力强，检测灵敏度高，探针具有在实际水样中应用的潜力。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铝离子盐的可视化荧光检测。

Description

一种基于香豆素的铝离子荧光探针及其制备方法与应用

技术领域

本发明属于荧光探针技术领域，具体涉及一种基于香豆素的铝离子荧光探针及其制备方法与应用。

背景技术

铝作为地壳中最丰富的金属元素，广泛应用于造纸、纺织、医药、食品添加剂等行业。然而，作为一个非必要的元素在体内，过量摄入Al³⁺会导致一系列疾病，如帕金森综合征、通透性脑病、记忆衰退和老年痴呆症。此外，研究表明高浓度的Al³⁺可能使土壤酸化，从而抑制植物的生长。由于Al³⁺的配位和水化能力强，设计合理、新颖的Al³⁺荧光探针仍然具有挑战性。因此，发展具有较高选择性和灵敏度的Al³⁺探针很重要。

检测Al³⁺的方法有很多种，比如吸收光谱法、电感耦合等离子体光谱法、原子发射光谱法以及荧光分析方法。荧光分析法由于具有实时检测、操作简单、灵敏度高、成本低等优点，已广泛用于金属离子的分析检测中。近些年，尽管报道了一些铝离子荧光探针，但仍存在合成困难、其他离子干扰以及应用条件苛刻等问题，亟需开发合成简单、选择性好、灵敏度高的新型Al³⁺荧光探针。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于香豆素的铝离子荧光探针及其制备方法与应用。

一种基于香豆素的铝离子荧光探针，所述荧光探针为式I所述的化合物：

所述基于香豆素的铝离子荧光探针的制备方法，化合物7-羟基-4-甲基-8-甲酰基香豆素和烟酸酰肼在冰乙酸催化下发生脱水缩合反应生成式I所述的化合物，反应过程如下：

所述基于香豆素的铝离子荧光探针的制备方法，按照如下步骤进行：

(1)将4-甲基伞形酮和乌洛托品混合于冰乙酸中，加热至80-100℃，用TLC跟踪反应直至反应完全，冷却至室温，将反应液倒入水中，用乙酸乙酯萃取，取上层有机相，用MgSO₄干燥，抽滤，滤液旋干，加入甲醇超声，过滤，晾干得到黄色产物；

(2)将中间体7-羟基-4-甲基-8-甲酰基香豆素和烟酸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，析出橙黄色固体，过滤，乙醇洗涤，室温晾干得到式I所述的化合物。

步骤(1)中4-甲基伞形酮与乌洛托品的投料摩尔比为1：(3～8)。

步骤(2)中7-羟基-4-甲基-8-甲酰基香豆素、烟酸酰肼、无水乙醇、冰乙酸的用量关系为1mmol：(1～1.05)mmol：20mL：0.05mmol。

所述基于香豆素的铝离子荧光探针在测定水样中Al³⁺的应用。

优选的，将荧光探针制作成检测试纸和荧光传感膜，可实现对液态和固态铝盐的可视化荧光检测。

本发明的有益效果：本发明所制备的Al³⁺荧光探针结构中的亚胺氮原子、羰基氧原子及酰胺烯醇式异构形成的羟基质子是铝离子的配位点。探针与Al³⁺发生配位作用后，探针的激发态分子内转移被抑制，同时分子的刚性增强，非辐射跃迁几率减小，荧光量子产率提高，荧光增强，实现对Al³⁺的识别。本发明所制备的荧光探针表现出对Al³⁺良好的光谱响应性能。首先研究探针的选择性。考察了探针对各种金属离子(Na⁺，K⁺，Mg²⁺，Al³⁺，Fe³⁺，Co²⁺，Ni^{2 +}，Cu²⁺，Zn²⁺，Ag⁺，Cd²⁺，Ba²⁺，Hg²⁺，Pb²⁺)的荧光响应情况。在加入Al³⁺后，探针溶液在460nm处出现一个强荧光发射峰，而其它离子对探针的荧光发射光谱影响微弱。为了研究其他金属离子对探针识别A^l3+的干扰作用，进行了离子竞争实验。结果表明，当加入其它金属离子(除Cu²⁺外)时，对L-Al³⁺溶液的荧光光谱几乎没有影响。Cu²⁺具有顺磁性，其电子构型消耗了部分能量，导致出现了荧光淬灭效应。为了探究探针L检测Al³⁺的合适pH范围，在不同的pH条件下，加入Al³⁺后，溶液的荧光变化也不同，体系荧光强度在弱酸环境相对较强，探针检测Al³⁺的合适pH环境为4-7。为了研究探针对Al³⁺识别的灵敏性，进行了响应时间测试。在加入5倍Al³⁺后，荧光强度增加趋势明显，且在60s时，荧光强度快速增加，在120s达到最大，然后逐渐趋于平缓，表明探针对Al³⁺的响应时间为120s。

附图说明

图1为在荧光探针溶液中加入不同金属离子后溶液的荧光发射光谱。

图2为在荧光探针-Al³⁺溶液中加入不同金属离子后溶液在λ＝460nm处的荧光强度。

图3为在不同pH缓冲液中加入Al³⁺后的荧光强度变化。

图4为荧光探针对Al³⁺的响应时间曲线。

图5为在探针溶液中加入不同水样配制的Al³⁺后溶液的荧光强度。

图6为涂有探针的试纸对不同浓度Al³⁺的荧光响应。

图7为涂有探针的试纸对不同金属离子的响应及其它离子对探针识别Al³⁺的干扰。

图8为涂有探针的荧光膜对高氯酸铝固体的荧光响应。

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

7-羟基-4-甲基-8-甲酰基香豆素的合成：称取4-甲基伞形酮0.881g(5mmol)和乌洛托品2.103g(15mmol)于250mL三口瓶中，加入50mL冰乙酸，加热至90℃并保持此温度，用TLC跟踪反应至完全反应。冷却至室温后，将反应液倒入200mL水中，用乙酸乙酯进行萃取一次，取上层有机相，用MgSO₄进行干燥，抽滤，滤液旋干，加入少量甲醇，超声，过滤，晾干得到0.046g，产率4.5％。熔点174-176℃。¹H-NMR(400MHz,CDCl₃)δ12.15(s,1H),10.55(s,1H),7.66(d,J＝9.0Hz,1H),6.84(d,J＝9.0Hz,1H),6.13(s,1H),2.36(s,3H).¹³C-NMR(101MHz,CDCl₃)δ193.33(s),165.30(s),159.01(s),155.99(s),152.67(s),132.72(s),114.05(s),112.02(s),108.72(s),100.05(s),18.77(s).

荧光探针的合成：称取7-羟基-4-甲基-8-甲酰基香豆素(0.2g)，烟酸酰肼(0.2g)，加40mL无水乙醇，滴加3滴冰乙酸做催化剂，加至回流冷凝装置的50mL三口瓶于加热套搅拌回流1小时，冷却室温抽滤得到黄色晶体0.15g，产率85％。m.p.＞300℃。FT-IR(KBr，cm^-1)：3433(-OH)，3262(N-H)，1689，1587(Ar-)，1381(C＝N)。¹H-NMR(400MHz,DMSO)δ12.56(s,2H),9.31-8.88(m,2H),8.79(s,1H),8.29(s,1H),7.83-7.09(m,2H),6.93(d,J＝7.9Hz,1H),6.22(d,J＝4.8Hz,1H),2.37(d,J＝4.0Hz,3H)。¹³C-NMR(101MHz,DMSO)δ161.50(s),159.60(s),154.23(s),153.06(d,J＝31.1Hz),152.85-152.32(m),149.13(s),144.52(s),135.84(s),128.67(s),128.31(s),124.18(s),113.87(s),112.24(s),111.21(s),105.80(s),18.77(s).

实施例2探针的离子选择性实验

分别移取6.0mL 2×10^-5mol·L^-1溶液于15只10mL螺口瓶中，分别加入0.6mL(Na⁺，K⁺，Mg²⁺，Al³⁺，Fe³⁺，Co²⁺，Ni²⁺，Cu²⁺，Zn²⁺，Ag⁺，Cd²⁺，Ba²⁺，Hg²⁺，Pb²⁺)的DMF/Tris-HCl缓冲溶液(1×10^-2mol·L^-1)，在一只螺口瓶只加入探针溶液作为对比，在紫外暗箱中观察探针对各种金属离子的响应。用荧光分光光度计对所有的样品溶液进行荧光光谱测试。

结果如图1所示，在加入Al³⁺后，探针溶液在460nm处出现一个强荧光发射峰，而其它离子对探针的荧光发射光谱影响微弱。

实施例3探针的离子竞争实验

为了研究其他金属离子对探针识别Al³⁺的干扰作用，进行了离子竞争实验，分别移取5.0mL 2×10^-5mol·L^-1的探针L的DMF/Tris-HCl(8：2，v：v，10mmol/L，pH＝7.2)样品溶液于14个螺口瓶中，先加入50μL(1×10^-2mol·L^-1)各种金属离子溶液(Na⁺，K⁺，Mg²⁺，Al³⁺，Fe³⁺，Co²⁺，Ni²⁺，Cu²⁺，Zn²⁺，Ag⁺，Cd²⁺，Ba²⁺，Hg²⁺，Pb²⁺)，再向每个瓶中加入50μL的Al³⁺溶液(1×10^{- 2}mol·L^-1)，进行荧光光谱测试。

结果如图2所示，当加入其它金属离子(除Cu²⁺外)时，对探针-Al³⁺溶液的荧光光谱几乎没有影响。

实施例4探针的pH测试

移取5.0mL不同pH(4-10)的探针溶液于20mL的螺口瓶中，加入50μL(1×10^-2mol·L^-1)Al³⁺溶液，进行荧光光谱测试。

结果如图3所示，体系荧光强度在弱酸环境相对较强，探针检测Al³⁺的合适pH环境为4-7。

实施例5探针的响应时间测试

取5mL 2×10^-5mol·L^-1探针的溶液于20mL的四通比色皿中，测试荧光发射光谱，然后迅速加入50μL的Al³⁺，进行荧光发射光谱测试，随后每次间隔30s测一次荧光光谱，测20次，共10min。

结果如图4所示，在加入5倍Al³⁺后，荧光强度增加趋势明显，且在60s时，荧光强度快速增加，在120s达到最大，然后逐渐趋于平缓，表明探针对Al³⁺的响应时间为120s。

实施例6探针在不同水样中的应用

分别使用超纯水和自来水配制10^-2mol/L，10^-3mol/L，10^-4mol/L，10^-5mol/L,10^{- 6}mol/L的Al³⁺溶液。然后在5mL 2×10^-5mol·L^-1探针溶液中分别加入50μLAl³⁺，进行荧光光谱测试(图5)。

实施例7探针的检测试纸应用

将剪成长条的滤纸浸入探针(2×10^-3mol/L)的DMSO溶液中，这些纸条随后烘干作为检测试纸。然后，将试纸条浸泡于不同浓度的Al³⁺(0，1×10^-4，1×10^-3，1×10^-2mol/L)溶液中。随后烘干，将试纸置于紫外暗箱中观察。

将制备好的试纸浸入Al³⁺和其它金属离子的溶液中(1×10^-4)，随后烘干备用。将浸涂Al³⁺的试纸再次浸入其它金属离子的溶液中，然后取出烘干。将所有的试纸置于紫外暗箱中观察(图6)。

实施例8探针的荧光膜应用

取探针5mg，加入无水乙醇150mL，超声5min，过滤，在滤液中加入50mL 0.5％羧甲基纤维素钠溶液，向其中加入硅胶直至溶液的粘稠度适合铺板，室温下搅拌6h。之后在玻璃板上均匀地将其铺好，待溶剂蒸发得荧光膜。在365nm紫外暗箱下，观察是否有荧光(图7)。随后在荧光膜表面加上少量高氯酸铝固体，然后再擦除固体，在紫外光照射下观察荧光变化(图8)。

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)

1.一种基于香豆素的铝离子荧光探针，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所述基于香豆素的铝离子荧光探针的制备方法，其特征在于，化合物7-羟基-4-甲基-8-甲酰基香豆素和烟酸酰肼在冰乙酸催化下发生脱水缩合反应生成式I所述的化合物。

3.权利要求1所述基于香豆素的铝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4-甲基伞形酮和乌洛托品混合于冰乙酸中，加热至80-100℃，用TLC跟踪反应直至反应完全，冷却至室温，将反应液倒入水中，用乙酸乙酯萃取，取上层有机相，用MgSO₄干燥，抽滤，滤液旋干，加入甲醇超声，过滤，晾干得到黄色产物；

(2)将中间体7-羟基-4-甲基-8-甲酰基香豆素和烟酸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，析出橙黄色固体，过滤，乙醇洗涤，室温晾干得到式I所述的化合物。

4.根据权利要求3所述基于香豆素的铝离子荧光探针的制备方法，其特征在于，步骤(1)中4-甲基伞形酮与乌洛托品的投料摩尔比为1：(3～8)。

5.根据权利要求3所述基于香豆素的铝离子荧光探针的制备方法，其特征在于，步骤(2)中7-羟基-4-甲基-8-甲酰基香豆素、烟酸酰肼、无水乙醇、冰乙酸的用量关系为1mmol：(1～1.05)mmol：20mL：0.05mmol。

6.权利要求1所述基于香豆素的铝离子荧光探针在测定水样中Al³⁺的应用。

7.根据权利要求6所述基于香豆素的铝离子荧光探针在测定水样中Al³⁺的应用，其特征在于，将荧光探针制作成检测试纸和荧光传感膜，可实现对液态和固态铝盐的可视化荧光检测。

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