CN115724848B

CN115724848B - 一种新型pH荧光探针材料及其制备方法和应用

Info

Publication number: CN115724848B
Application number: CN202211439846.6A
Authority: CN
Inventors: 张晓琳; 乔威威
Original assignee: Dalian University
Current assignee: Dalian University
Priority date: 2022-11-17
Filing date: 2022-11-17
Publication date: 2024-04-02
Anticipated expiration: 2042-11-17
Also published as: CN115724848A

Abstract

本发明属于有机化学和高分子材料化学技术领域，公开了一种新型pH荧光探针材料及其制备方法和应用。一种pH荧光探针材料Q13，该分子是以四苯乙烯为荧光受体与罗丹明B荧光团通过高效的“click”点击化学反应聚合，并限定两荧光团连接方式和距离，以使其实现良好的荧光能量转移过程，最终得到pH荧光检测材料Q13。Q13实现了其对pH的双波长荧光检测。同时为了扩展四苯乙烯类聚集诱导发光材料的应用，本发明也考察了Q13在不同溶剂中的聚集诱导发光性能，为后续开发基于四苯乙烯的多荧光材料奠定了一定的基础。

Description

一种新型pH荧光探针材料及其制备方法和应用

技术领域

本发明属于有机化学和高分子材料化学技术领域，本发明涉及一种新型pH荧光探针材料及其制备方法和应用。

背景技术

有机荧光材料因结构可修饰、颜色及发射强度可调节、制备方式多样化、光化学及物理性能优异等特点，在光学传感及生物体荧光传感方向被广泛关注。然而，由于传统有机荧光材料的聚集诱导猝灭(ACQ)效应，荧光材料在生理环境下荧光极易猝灭，抑制了它们在生物医学领域的进一步应用。2001年，唐本忠研究组首次发现了聚集诱导发射(Aggregation induced emission,AIE)现象，即在不良溶剂中，以四苯乙烯基团典型的新型发光材料可以发生聚集诱导发光现象。这使发光材料在生物医学等领域得到极大拓展。然而，目前大多数制备的新型AIE发光材料都只是随着不良溶剂增加荧光强度单一增加或者减少，可能存在背景干扰等因素导致检测结果不准确。

近年来，环境检测pH荧光探针应用越来越广泛。罗丹明衍生物因其特殊的螺旋结构对pH的响应十分灵敏，可以从螺环闭环的形式(无荧光)转变为开环形式(有荧光)。但大多数pH荧光探针只是依赖荧光强度变化识别，这极易受到生物体内自发荧光及仪器检测的干扰。

如何使荧光材料在水中仍能实现强荧光发射，同时能够利于双荧光开发比例荧光探针避免检测结果不准确，这已成为研究者关注的热点。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种新型pH荧光探针材料及其制备方法和应用，利用四苯乙烯的聚集诱导发光优势，通过高效的点击化学反应得到新型FRET(荧光共振能量转移)分子Q13，该分子能够实现双波长荧光发射对pH的荧光检测，进而消除外界环境的干扰及自身浓度等因素带来的误差，获得准确的实验结果，为生物体内检测提供了更详实确切的信息。并且Q13在不同溶剂中体现了良好的聚集诱导发光性能，为后续开发基于四苯乙烯的多荧光材料奠定了一定的基础。

本发明的上述目的是通过以下技术方案实现的：

一种pH荧光探针材料Q13，其具体结构式如下所示：

其中n＝2-4。

上述pH荧光探针材料Q13的具体制备方法为：

S1.加入4-羟基-二苯甲酮(20mmoL)和1.2-二溴乙烷(100mmoL)及30mL的乙腈,在持续搅拌的情况下加入无水碳酸钾(90mmoL)加热回流过夜。反应结束后冷却至室温，抽滤，滤液经旋转蒸发仪浓缩，以二氯甲烷为淋洗剂，Rf＝0.6，经过硅胶柱层析纯化可得白色固体Q2。

S2.反应在无水无氧条件下进行，Q2(6mmoL)和锌粉(12mmoL)放于150mL三口烧瓶中，氮气置换多次后在氮气保护的氛围下加入50mL精制无水四氢呋喃，在冰水浴中搅拌30min，使用恒压滴定漏斗缓慢滴加四氯化钛(6mmoL)，滴加完毕后撤去冰浴改用油浴加热并搅拌，在90℃下加热回流过夜。反应结束后冷却至室温，分批加入碳酸氢钠饱和水溶液，搅拌至不再有气泡产生，溶液褪色时即可。将上述溶液过滤，滤液经过旋转蒸发仪浓缩，用二氯甲烷：石油醚(v：v＝1：4)作为淋洗剂进行柱层析纯化，可得产品Q7。

S3.于100mL单口烧瓶中，将Q7(0.86mmoL)溶于20mL的二甲基甲酰胺中，加入NaN₃(2.24mmoL)，温度逐渐升高至75℃反应三小时，TLC(薄层色谱分析法)确定反应终点。反应结束后冷却至室温，加3mL水淬灭反应，用二氯甲烷萃取三次，有机相合并，无水MgSO₄干燥，过滤，减压旋蒸除去有机溶剂，所得浓缩液柱层析分离得到淡黄色油状物Q8。

S4.罗丹明B水合肼(0.78mmoL)，5μL的冰醋酸，无水乙醇(5mL)加于25mL的单口烧瓶中，用恒压滴定漏斗慢慢滴入3.5-二氧炔丙基苯甲醛(0.6mmoL)的乙醇溶液(5mL)，反应从室温缓慢升高至80℃加热回流，反应10小时，TLC(薄层色谱分析法)确定反应终点。反应结束后冷却，过滤，干燥。得深黄色固体产物Q6。

S5.实验过程采用无水无氧操作。将双叠氮单体Q8(0.08mmoL)，双炔单体Q6(0.18mmoL)和催化剂Cu(pph₃₎₃Br(0.06mmoL)放于10mL双口烧瓶中，体系用氮气置换三次，于氮气保护加入3mL的干燥后的四氢呋喃，油浴78度加热回流反应24小时。反应结束后，冷却降温入5mL四氢呋喃进行反应液稀释，将所得的混合物经棉花通过针管过滤后，逐滴滴入剧烈搅拌的100mL的正己烷中，对沉淀进行提纯，静置24小时后，把析出物收集整理，放置于45℃的真空干燥箱中干燥至恒重，得固体产物Q13。

制备反应式如下所示：

上述制备方法制备的pH荧光探针材料Q13在对pH的双波长荧光检测的应用。

上述制备方法制备的pH荧光探针材料Q13作为白色发光材料的应用。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

本发明中以四苯乙烯为荧光受体与罗丹明B荧光团通过高效的“click”点击化学反应聚合，并限定两荧光团连接方式和距离，以使其实现良好的荧光能量转移过程，最终得到pH荧光检测材料Q13。Q13实现了其对pH的双波长荧光检测。同时为了扩展四苯乙烯类聚集诱导发光材料的应用，本发明也考察了Q13在不同溶剂中的聚集诱导发光性能，为后续开发基于四苯乙烯的多荧光材料奠定了一定的基础。

附图说明

图1是本发明中实施例3中化合物Q8在CDCl₃中的核磁的氢谱图；

图2是本发明中实施例4中化合物Q6在CDCl₃中的核磁的氢谱图；

图3是本发明中实施例3中化合物Q8、实施例4中化合物Q6、实施例5中化合物Q13的紫外吸收光谱图；

图4是本发明中实施例3中化合物Q8、实施例4中化合物Q6、实施例5中化合物Q13的紫外吸收光谱图；其中图(a)为实施例4中化合物Q6在乙醇溶液中(10μM)的紫外吸收光谱；其中图(b)为实施例3中化合物Q8在乙醇溶液中(10μM)的紫外吸收光谱；其中图(c)为实施例5中化合物Q13在乙醇溶液中(10μM)的紫外吸收光谱；其中图(d)表示实施例5中化合物Q13(10μM)随着加入酸增加的紫外吸收光谱变化。

图5是本发明中实施例5中化合物Q13的荧光光谱；其中图(a)为Q13(10^-5M)在乙醇溶液中的荧光发射光谱；其中图(b)为Q13(10^-5M)在乙醇/水(v/v＝1/9)溶液中的荧光发射光谱；其中图(c)为Q13(10^-5M)在不同含水量(从0％到90％)的乙醇溶液中的荧光光谱；其中图(d)为Q13(10^-5M)在不同含水量(从0％到90％)的乙醇溶液中的最大荧光强度变化图，插图中为不同含水量下荧光照片(λex＝365nm)。λex＝362nm。

图6是本发明中实施例5中化合物Q13的pH荧光响应光谱；其中图(a)为Q13(10^-5M)在乙醇-水混合溶液f_w(vol％)＝45％中对pH的荧光光谱响应图；其中图(b)为(a)图上F₅₈₂/F₄₇₆对pH荧光响应的折线图；λex＝362nm。

具体实施方式

下面通过具体实施例详述本发明，但不限制本发明的保护范围。如无特殊说明，本发明所采用的实验方法均为常规方法，所用实验器材、材料、试剂等均可从商业途径获得。

实施例1Q2的合成

Q2(4-氧乙基溴二苯甲酮)的制备,选取干燥的100mL的单口圆底烧瓶，加入4-羟基-二苯甲酮(3.964g，20mmoL)和1.2-二溴乙烷(8.66mL，100mmoL)及30mL的乙腈,在持续搅拌的情况下加入无水碳酸钾(12.5g，90mmoL)冷凝回流过夜反应。反应液为黄色浑浊，冷却至室温后抽滤，滤液经旋转蒸发仪浓缩，以二氯甲烷为淋洗剂，Rf＝0.6，经过硅胶柱层析纯化可得白色固体，用甲醇做溶剂进行重结晶，可得到白色针状晶体。白色晶体：4.06g产率：66.6％。

实施例2Q7的合成

反应在无水无氧条件下进行，4-(2-溴乙氧基)-二苯甲酮(1.83g，6mmoL)和锌粉(0.79g，12mmoL)放于150mL三口烧瓶中，氮气置换多次后在氮气保护的氛围下加入50mL精制无水四氢呋喃，在冰水浴中搅拌30min后使用恒压滴定漏斗缓慢滴加四氯化钛(0.7mL，6mmoL)，滴加完毕后撤去冰浴改用油浴加热并搅拌，在90℃下冷凝回流过夜。反应结束后冷却至室温，分批加入NaHCO₃饱和水溶液或者悬浊液，搅拌至不再有气泡产生，溶液褪色时即可。将上述溶液过滤，滤液经过旋转蒸发仪浓缩，用二氯甲烷：石油醚(v：v＝1：4)作为淋洗剂进行柱层析纯化，可得产品1.17g，产率67.4％。

实施例3Q8的合成

于100mL单口烧瓶中，将Q7(500mg，0.86mmoL)溶于20mL的DMF中，加入NaN₃(145mg，2.24mmoL)，温度逐渐升高至75℃反应三小时，TLC(薄层色谱分析法)确定反应终点。反应结束后冷却至室温，加3mL水淬灭反应，用二氯甲烷萃取三次，有机相合并，无水MgSO₄干燥，过滤，减压旋蒸除去有机溶剂，所得浓缩液柱层析分离得到淡黄色油状物400mg。淋洗剂为石油醚和二氯甲烷和混合溶剂(V_石油醚：V_二氯甲烷＝4:1)，R_f＝0.5。产率：92.6％。¹H NMR(500MHz,CDCl₃),δ(ppm):7.07-6.92(m,10H,-ArH),6.90-6.82(m,4H,-ArH),6.63-6.54(m,4H,-ArH),4.03-3.98(m,4H,-OCH₂CH₂-),3.51-3.47(m,4H,-OCH₂CH₂-).¹³C-NMR(125MHz,CDCl₃):δ(ppm)156.65,144.08,139.75,137.06,132.60,131.37,127.73,126.30,113.80,66.73,50.25.

实施例4Q6的合成

罗丹明B水合肼(360mg，0.78mmoL)，5μL的冰醋酸，无水乙醇(5mL)加于25mL的单口烧瓶中，用恒压滴定漏斗慢慢滴入3.5-二氧炔丙基苯甲醛(130mg，0.6mmo)的乙醇溶液(5mL)，反应从室温缓慢升高至80℃加热回流，反应10小时，TLC确定反应终点。反应结束后冷却，过滤，干燥。得深黄色固体产物431mg，产率：84.5％。¹H-NMR(500MHz,CDCl₃):δ(ppm)8.72(s,1H,-CHO),7.98(d,1H,J＝5.0Hz,-ArH),7.52(d,2H,J＝5.0Hz,-ArH),7.15(d,1H,J＝5.0Hz,-ArH),6.79(s,2H,-ArH),6.52(t,1H,J＝5.0Hz,-ArH),6.50(d,2H,J＝5.0Hz,-ArH),6.42(s,2H,-ArH),6.24(s,2H,-ArH),4.63(d,4H,J＝5.0Hz,-OCH₂C≡CH),3.32(q,8H,J＝5.0Hz,-CH₂CH₃),2.51(s,2H,-OCH₂-C≡CH),1.16(t,12H,J＝5.0Hz,-CH₂CH₃).¹³C-NMR(125MHz CDCl₃):δ(ppm)165.0,158.5,153.3,151.4,148.9,146.7,137.8,133.4,129.7,128.4,128.1,124.0,123.4,107.9,106.8,106.1,104.0,97.9,78.2,75.6,66.4,55.8,44.3,12.8.

实施例5Q13的合成

实验过程采用无水无氧操作。将双叠氮单体Q8(38mg，0.08mmoL)，双炔单体Q6(106mg，0.18mmoL)和催化剂Cu(pph₃₎₃Br(14.9mg，0.06mmoL，20％moL)放于10mL双口烧瓶中，体系用氮气置换三次，于氮气保护加入3mL的干燥后的四氢呋喃，油浴78度加热回流反应24小时。反应结束后，冷却降温入5mL四氢呋喃进行反应液稀释，将所得的混合物经棉花通过针管过滤后，逐滴滴入剧烈搅拌的100mL的正己烷中，对沉淀进行提纯，静置24小时后，把析出物收集整理，放置于45℃的真空干燥箱中干燥至恒重，得紫色固体产物40.7mg,产率：88.5％,M_w＝6180.5g/mol，PDI＝2.48。

实施例6Q13的红外谱图分析

为了便于分析，同时展示了Q13和Q6、Q8三种发光材料的红外光谱，如附图3所示。经过对比分析可知，化合物Q6乙炔基≡C-H的振动吸收峰在3286cm^-1处，C≡C的振动吸收峰在2113cm^-1处，在聚合物Q13中3286cm^-1处≡C-H振动吸收峰消失。化合物Q6中1686cm^-1处是C＝N的伸缩振动峰，在聚合物Q13中1686cm^-1处有相同的C＝N伸缩振动峰。与此同时，Q13的红外光谱2103cm^-1处，化合物Q8处2103cm^-1处叠氮的特征振动吸收峰也消失了。Q13和化合物Q6的红外光谱在1726cm^-1处的C＝O伸缩振动峰相互对应。因此这些乙炔基和叠氮基对应吸收峰的消失或减弱说明被顺利转化，也表明了Click反应的顺利进行。

实施例7Q13的紫外吸收光谱测定

如附图4所示，考察Q6、Q8以及Q13在乙醇溶液中的紫外吸收光谱图，图4(a)只能看到300nm的吸收峰，在556nm处没有任何峰出现，此时Q6处于闭环状态。图4(b)可以看到在318nm处出现了其紫外特征吸收峰。图4(c)为Q13在pH值6.8时的紫外吸收光谱，可以看到在318nm处出现了特征吸收峰，556nm处没有峰出现。对比图b可以看出，318nm处的峰属于四苯乙烯的紫外特征吸收峰。随着氢离子加入(从0当量到6当量)，我们从图c和d中看到318nm处属于四苯乙烯的紫外特征吸收峰无明显变化，而在556nm处罗丹明B衍生物的紫外特征吸收峰逐渐增强。说明酸性条件导致罗丹明部分的螺环结构打开，紫外光谱上表现为波长556nm处有宽的单峰出现。

实施例8Q13的AIE性质分析

如图5所示，考察Q13(10μM)的荧光光谱。在乙醇溶液中，在362nm激发波长下，可以观测到在476nm处的最大蓝光发射，并在582nm处出现了属于罗丹明B荧光发射的肩峰。罗丹明处的荧光发射峰微弱，说明在中性条件下Q13中的罗丹明部分处于闭环状态。当Q13在乙醇-水(v:v＝1:9)溶液中，在362nm激发波长下，476nm处荧光强度比在纯乙醇溶液中的荧光强度明显增强，达到了乙醇溶液中荧光强度的四倍。Q13在不良溶剂水的存在下并没有同传统有机荧光团一样，荧光明显猝灭，而是展现了更强的荧光发射，这说明Q13中四苯乙烯部分的引入，使其能够在含水较多的背景下仍不影响其荧光发射。

为了进一步说明不良溶剂水的加入对Q13荧光光谱的影响，考察Q13在乙醇-水(v:v＝0:10,1:9,2:8,3:7,4:6,5:5,6:4,7:3,8:2,9:1)溶液中的荧光光谱。如图5(c)所示，当溶液在含水量0％-50％范围时，Q13中476nm处四苯乙烯衍生物特征峰的荧光强度很微弱，在582nm处罗丹明B衍生物特征峰也同样表现很微弱。但当溶液含水量达到90％时，Q13中582nm处四苯乙烯衍生物特征峰的荧光强度达到最大值，说明聚合物Q13出现了典型的聚集诱导发光现象。这种现象是由于Q13溶液在溶剂含水量0％-50％之间时处于溶液状态，而四苯乙烯衍生物特殊的结构“螺旋桨”在溶液状态下，主要释放能量的方式是通过分子内旋转完成的，因此含水量0％-50％时Q13中四苯乙烯衍生物特征峰的荧光强度极其微弱。随着含水量的增多(即不良溶剂的增加)会同时发生ACQ淬灭和AIE增强效应，导致了Q13中罗丹明B衍生物特征峰的荧光强度极其微弱，而聚合物Q13中四苯乙烯衍生物特征峰的荧光强度显著增强。

在365nm下的荧光灯照射下，观察Q13溶液随含水量增加的荧光图片。如图5(d)插图所示，含水量大于20％时，观察到Q13溶液荧光由黄变蓝并出现了浑浊。含水量从50％到90％时，其荧光照片出现了蓝色荧光增强的现象。与此同时，从图5(d)的折线图可看出，Q13在476nm处荧光强度也显著增强，与图片变化一致。

实施例9Q13对pH的荧光响应

进一步研究了Q13(10^-5M，含水量45％的乙醇溶液)对不同pH值(2.0-13.0)的荧光响应。如图6(a)所示，随着pH的下降，在476nm处荧光发射峰逐渐降低，而582nm处的荧光发射逐渐增强。如图6(b)所示，Q13中的F₅₈₂/F₄₇₆比值随pH值(12.35-2.54)降低而逐渐增强。与些同时，在荧光仪器上方小孔拍摄的荧光照片逐渐从蓝色变化到白色。从实验现象可分析出，582nm处荧光增强是由于Q13中罗丹明部分的螺环在酸性条件下开环，形成共轭键，使罗丹明在582nm处的荧光释放出来。而476nm处四苯乙烯的荧光峰逐渐减弱，则是因为罗丹明开环后，在556nm出现强的紫外吸收，此时四苯乙烯的荧光发射与罗丹明的紫外吸收光谱重叠较好，发生了从四苯乙烯到罗丹部部分的荧光共振能量转移(FRET)。Q13在pH值(2.0-13.0内)变化过程中出现了白光发射，表明其有作为白色发光材料的潜质。

以上所述实施方式仅为本发明的优选实施例，而并非本发明可行实施的全部实施例。对于本领域一般技术人员而言，在不背离本发明原理和精神的前提下对其所作出的任何显而易见的改动，都应当被认为包含在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims

1.一种pH荧光探针材料，其特征是，其具体结构式如下所示：

其中n＝2-4。

2.如权利要求1所述的一种pH荧光探针材料的制备方法，其特征是，

S1.加入4-羟基-二苯甲酮和1.2-二溴乙烷及的乙腈,在持续搅拌的情况下加入无水碳酸钾加热回流过夜；反应结束后冷却至室温，抽滤，滤液经旋转蒸发仪浓缩，以二氯甲烷为淋洗剂，Rf＝0.6，经过硅胶柱层析纯化可得白色固体Q2；

S2.反应在无水无氧条件下进行，Q2和锌粉放于150mL三口烧瓶中，氮气置换多次后在氮气保护的氛围下加入精制无水四氢呋喃，在冰水浴中搅拌30min，使用恒压滴定漏斗缓慢滴加四氯化钛，滴加完毕后撤去冰浴改用油浴加热并搅拌，在90℃下加热回流过夜；反应结束后冷却至室温，分批加入碳酸氢钠饱和水溶液，搅拌至不再有气泡产生，溶液褪色时即可；将上述溶液过滤，滤液经过旋转蒸发仪浓缩，用二氯甲烷：石油醚v：v＝1：4作为淋洗剂进行柱层析纯化，可得产品Q7；

S3.于100mL单口烧瓶中，将Q7溶于二甲基甲酰胺中，加入NaN₃，温度逐渐升高至75℃反应三小时，TLC确定反应终点；反应结束后冷却至室温，加水淬灭反应，用二氯甲烷萃取三次，有机相合并，无水MgSO₄干燥，过滤，减压旋蒸除去有机溶剂，所得浓缩液柱层析分离得到淡黄色油状物Q8；

S4.罗丹明B水合肼，5μL的冰醋酸，5mL无水乙醇加于25mL的单口烧瓶中，用恒压滴定漏斗慢慢滴入3.5-二氧炔丙基苯甲醛的乙醇溶液，反应从室温缓慢升高至80℃加热回流，反应10小时，TLC确定反应终点；反应结束后冷却，过滤，干燥；得深黄色固体产物Q6；

S5.实验过程采用无水无氧操作；将双叠氮单体Q8，双炔单体Q6和催化剂Cu(pph₃₎₃Br放于双口烧瓶中，体系用氮气置换三次，于氮气保护加入干燥后的四氢呋喃，油浴78℃加热回流反应24小时；反应结束后，冷却降温入四氢呋喃进行反应液稀释，将所得的混合物经棉花通过针管过滤后，逐滴滴入剧烈搅拌的正己烷中，对沉淀进行提纯，静置24小时后，把析出物收集整理，放置于45℃C的真空干燥箱中干燥至恒重，得固体产物Q13；

制备反应式如下所示：

3.如权利要求2所述的制备方法制备的pH荧光探针材料Q13作为白色发光材料的应用。