CN115894289B - 一种用于三价金属离子检测的双通道发光蒽席夫碱探针及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于三价金属离子检测的双通道发光蒽席夫碱探针及其应用，将具有绿色荧光的2‑氨基蒽和蓝色荧光4‑甲酰‑反‑二苯乙烯通过胺醛缩合反应得到蒽席夫碱荧光探针，该探针本身无荧光，加入三价金属离子Fe³⁺，Al³⁺，Gr³⁺和Ce³⁺后，低浓度范围显示绿色荧光，高浓度范围显示蓝色荧光，解决了传统蒽席夫碱探针无法检测高浓度金属离子的问题，将传统蒽席夫碱探针的检测上限提高了4‑10倍。本发明的双通道发光蒽席夫碱探针合成简单、选择性好、灵敏度高、pH稳定性优异，可以实现污水环境和活细胞中三价金属离子的特异性、实时检测，是一类优异的“Turn‑on”型双通道荧光探针。

Description

一种用于三价金属离子检测的双通道发光蒽席夫碱探针及其 应用

技术领域

本发明涉及分子探针技术领域，尤其涉及一种用于三价金属离子检测的双通道发光蒽席夫碱探针及其应用。

背景技术

现代工业的快速发展和扩张，导致工业废水中含有大量的Fe³⁺，Al³⁺，Gr³⁺和Ce³⁺等三价金属离子，不仅会导致严重的环境污染，还有可能通过食物链被人体吸收，从而引起健康问题。例如，由于无法在人体中正常代谢，过量的Fe³⁺会影响肝脏和神经系统，导致严重中毒。Al³⁺中毒不仅会引起贫血、骨软化、骨质疏松和认知功能障碍，还可能导致阿尔茨海默氏症和慢性肾衰竭。过量的Cr³⁺摄入会对皮肤和呼吸系统造成严重伤害。Ce³⁺同样对皮肤、黏膜等组织具有一定的刺激作用。因此，高效检测环境和生物体内的三价金属离子具有重要意义。

与价格昂贵、操作困难的原子吸收光谱仪相比，荧光探针通常具有效率高、成本低、使用方便等优点。荧光团是荧光探针不可缺少的组成部分，常见的荧光团有香豆素、罗丹明、BODIPY和蒽等，其中蒽因其优异的稳定性、较高的量子产率和易于修饰的特性引起了研究人员的关注。目前已有大量的蒽衍生物用于pH、金属离子和其他分子检测，这些已报导的蒽荧光探针，大多具有杂环结构或杂原子，其识别机制为多个杂原子与金属离子的配位效应。可以检测的金属离子通常与离子尺寸和配位数有关，无法直接检测出所有的三价金属离子。另外，研究发现，传统的蒽席夫碱探针在遇到高浓度金属离子时，会出现荧光淬灭的现象，导致探针失效。因此，设计和合成能够有效检测多种三价金属离子，并解决传统蒽席夫碱探针的荧光猝灭问题，具有重要意义。

发明内容

鉴于上述现有技术存在的缺陷，本发明的目的是提出一种用于三价金属离子检测的双通道发光蒽席夫碱探针及其应用,解决了传统蒽席夫碱探针无法检测高浓度金属离子的问题。

本发明的目的将通过以下技术方案得以实现：

本发明的目的之一在于提供一种用于三价金属离子检测的双通道发光蒽席夫碱探针，所述双通道发光蒽席夫碱探针的化合物结构式如下：

本发明的另一个目的是提供上述的双通道发光蒽席夫碱探针的制备方法，包括以下步骤：

将化合物2-氨基蒽与4-甲酰-反-二苯乙烯溶于无水DMF中，加入活化的4A分子筛，氮气保护下，加热反应，然后冷却至室温，加入甲醇析出固体，过滤，甲醇洗涤，得到目标产物。

本发明目标产物的合成路线如下：

R为

进一步的，上述的双通道发光蒽席夫碱探针的制备方法，其特征在于：2-氨基蒽与4-甲酰-反-二苯乙烯的摩尔比为1:1～1.5，反应温度为90℃～130℃，反应时间为2h～8h。

本发明的另一个目的是提供一种上述的双通道发光蒽席夫碱探针检测试纸的制备方法，包括以下步骤：将滤纸剪成2×5cm²的试纸条，浸泡于溶于THF的0.5mM所述双通道发光蒽席夫碱探针溶液中，5min后取出自然晾干。

本发明的另一个目的是提供一种上述双通道发光蒽席夫碱探针在检测活细胞中的Fe³⁺，Al³⁺，Gr³⁺和Ce³⁺的应用。

本发明的另一个目的是提供一种上述双通道发光蒽席夫碱探针检测试纸在检测环境中的Fe³⁺，Al³⁺，Gr³⁺和Ce³⁺的应用。

本发明的突出效果为：

本发明提供了一种用于三价金属离子检测的双通道发光蒽席夫碱探针及其应用，将具有绿色荧光的2-氨基蒽和蓝色荧光4-甲酰-反-二苯乙烯通过胺醛缩合反应得到蒽席夫碱荧光探针，该探针本身无荧光，加入三价金属离子Fe³⁺，Al³⁺，Gr³⁺和Ce³⁺后，低浓度范围显示绿色荧光，高浓度范围显示蓝色荧光，解决了传统蒽席夫碱探针无法检测高浓度金属离子的问题，将传统蒽席夫碱探针的检测上限提高了4-10倍。本发明的双通道发光蒽席夫碱探针合成简单、选择性好、灵敏度高、pH稳定性优异，可以实现污水环境和活细胞中三价金属离子的特异性、实时检测，是一类优异的“Turn-on”型双通道荧光探针。

以下便结合实施例，对本发明的具体实施方式作进一步的详述，以使本发明技术方案更易于理解、掌握。

附图说明

图1A是本发明实验例1中双通道发光蒽席夫碱探针在加入Fe³⁺，Al³⁺，Gr³⁺和Ce³⁺前后的紫外吸收光谱；

图1B是本发明实验例1中原料2-氨基蒽与4-甲酰-反-二苯乙烯的紫外吸收光谱；

图2是本发明实验例2中双通道发光蒽席夫碱探针的离子竞争实验数据图；

图3是本发明实验例3中双通道发光蒽席夫碱探针的pH稳定性实验数据图；

图4是本发明实验例4中双通道发光蒽席夫碱探针加入不同浓度Fe³⁺离子的双重荧光发射光谱；

图5是本发明实验例5中双通道发光蒽席夫碱探针试纸测试环境中三价金属离子的图片；

图6是本发明实验例6中双通道发光蒽席夫碱探针检测细胞中三价金属离子的细胞成像图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合具体实施方式，对本发明进行进一步的详细说明。除特别说明，本发明使用的设备和试剂为本技术领域常规市购产品。本发明提出的化合物。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用以解释本发明，并不限定本发明的保护范围。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

实施例1

本实施例的双通道发光蒽席夫碱探针的制备方法，步骤如下：

将化合物2-氨基蒽(96.6mg,0.500mmol)与4-甲酰-反-二苯乙烯(104mg,0.500mmol)溶于无水DMF(1.00mL)中，加入少量活化的4A分子筛，氮气保护下，120℃加热反应5h，然后冷却至室温，加入10mL甲醇，过滤，甲醇洗涤，得到棕黄色目标化合物产率71％。

实验例1

实施例1的双通道荧光探针的紫外吸收图谱

紫外吸收光谱测试浓度为20μM，测试溶剂为THF/PB＝1/1的混合溶液，图1A为蒽席夫碱双通道荧光探针在加入40μM的Fe³⁺，Al³⁺，Gr³⁺和Ce³⁺前后的紫外吸收情况和紫外灯下的照片，图1B是原料2-氨基蒽与4-甲酰-反-二苯乙烯的紫外吸收图。如图1A所示，探针本身没有荧光，紫外吸收较弱，峰值在250和350nm左右。在加入三价金属离子后，在紫外灯下表现出明亮的绿色荧光，同时紫外吸收峰明显增强，并移动到265和335nm。可以看到与原料的紫外吸收图谱基本吻合，说明蒽席夫碱双通道荧光探针的响应机制是被金属离子分解成发射荧光的原料。

实验例2

实施例1的双通道荧光探针的离子竞争实验

该实验例考察了蒽席夫碱双通道荧光探针三价金属离子和不同待测物的荧光响应情况，原点是未加任何离子的荧光探针，待测物1-25分别是1＝Na⁺,2＝K⁺,3＝Mg²⁺,4＝Co^{2 +},5＝Fe³⁺,6＝Al³⁺,7＝Cr³⁺,8＝Ce³⁺,9＝Zn²⁺,10＝Ni²⁺,11＝Mn²⁺,12＝Ca²⁺,13＝CH₃COO^-,14＝NO₃ ^-,15＝NO₂ ^-,16＝Cl^-,17＝Br^-,18＝HCO₃ ^-,19＝CO₃ ^2-,20＝SiO₃ ^2-,21＝SO₄ ^2-,22＝SO₃ ^2-,23＝B₄O₇ ^2-,24＝HPO₄ ^2-和25＝PO₄ ^3-，配制的蒽席夫碱双通道荧光探针浓度为50μM，测试溶剂为THF/PB＝1/1的混合溶液，加入的离子浓度是100μM。结果如图2所示，除三价金属离子外，其他离子并不能使荧光探针产生明显的荧光变化，证明蒽席夫碱双通道荧光探针对三价金属离子具有高选择性。

实验例3

实施例1的双通道荧光探针的pH稳定性实验

该实验例对比了在不同pH条件下，未加三价金属离子和加入三价金属离子后，蒽席夫碱双通道荧光探针的荧光强度变化，配制的探针浓度为50μM，测试溶剂为THF/PB＝1/1的混合溶液。结果如图3所示，探针在酸性溶液(pH＝2-4)中因分解出现明显的荧光，在较高的pH范围(pH＝5-13)中保持稳定，几乎没有荧光。加入铁离子后，荧光探针在pH值为5-10时出现明亮的荧光，但在酸性(pH＝2-4)和碱性(pH＝11-13)溶液中没有明显变化。证实荧光探针在较宽的pH值范围内(pH＝5-10)均有效，具有较好的稳定性，对其进一步在生物体内的应用奠定了良好的基础。

实验例4

实施例1的双通道荧光探针加入不同浓度Fe³⁺的双重荧光发射光谱

蒽席夫碱荧光探针响应机制为无荧光的探针被金属离子催化分解成有荧光的原料。传统蒽席夫碱荧光探针只有原料蒽有荧光，另一个原料无荧光，通过检测蒽的荧光来测试金属离子。但是我们初期研究表明，蒽在遇到高浓度金属离子时，会发生荧光猝灭，如图4所示，10eq的Fe³⁺即可导致探针荧光消失。而我们采用双通道发光模式，两个原料都能够发射荧光，在蒽被高浓度金属猝灭后，另一个原料还具有荧光，加入40eq的Fe³⁺后，仍然可以看见原料4-甲酰-反-二苯乙烯发射的荧光。通过双通道发光模式，将传统蒽席夫碱探针的检测范围提高了4倍以上。

实验例5

实施例1的双通道荧光探针检测试纸的制备及环境中三价金属离子的测试

为了探索蒽席夫碱双通道荧光探针在金属离子检测中的应用，我们制备了检测试纸用于检测溶液中的各种金属离子和阴离子。将滤纸剪成2×5cm²的试纸条，浸泡于溶于THF的0.5mM探针溶液中，5min后取出自然晾干，即可得到检测试纸。如图5显示，检测试纸在浸染含有三价金属离子的溶液后，在发射波长为254nm的紫外灯下出现明亮的绿色荧光，而其他金属离子和阴离子浸染后的检测试纸没有荧光。实验结果表明，探针可以简单、方便地检测溶液中的三价金属离子。

实验例6

实施例1的双通道荧光探针检测细胞中三价金属离子实验

实验例通过激光共聚焦显微镜考察了蒽席夫碱双通道荧光探针在细胞成像中的应用情况。Hela细胞经过复苏后，取1×10⁵Hela细胞接种到共聚焦培养皿中，并置于37℃恒温箱中培养24h。更换培养基后，加入20μM的荧光探针孵育24h，除去培养基并用PBS洗3次，再加入50μM的金属离子(对照组不加)，孵育2h，用PBS清洗3次。用DAPI染色30min，最后用PBS洗涤细胞，用共聚焦显微镜观察并拍摄细胞成像情况。图6为蒽席夫碱双通道荧光探针的细胞成像结果，证实探针能有效进入细胞，并检测出细胞中的三价金属离子。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种用于三价金属离子检测的双通道发光蒽席夫碱探针，其特征在于：所述双通道发光蒽席夫碱探针的化合物结构式如下：

2.根据权利要求1所述的双通道发光蒽席夫碱探针的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

将化合物2-氨基蒽与4-甲酰-反-二苯乙烯溶于无水DMF中，加入活化的4A分子筛，氮气保护下，加热反应，然后冷却至室温，加入甲醇析出固体，过滤，甲醇洗涤，得到目标产物。

3.根据权利要求2所述的双通道发光蒽席夫碱探针的制备方法，其特征在于：2-氨基蒽与4-甲酰-反-二苯乙烯的摩尔比为1:1～1.5，反应温度为90℃～130℃，反应时间为2h～8h。

4.根据权利要求1所述的双通道发光蒽席夫碱探针检测试纸的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：将滤纸剪成2×5cm²的试纸条，浸泡于溶于THF的0.5mM所述双通道发光蒽席夫碱探针溶液中，5min后取出自然晾干。

5.根据权利要求1所述的双通道发光蒽席夫碱探针在制备检测活细胞中的Fe³⁺，Al³⁺，Gr³⁺和Ce³⁺的试剂中的应用。

6.根据权利要求4所述的双通道发光蒽席夫碱探针检测试纸在检测环境中的Fe³⁺，Al³⁺，Gr³⁺和Ce³⁺的应用。