一种水溶性树枝状苝单酰亚胺化合物荧光探针及其制备方法和应用与流程

本发明涉及一种多离子光谱探针，具体涉及一种用于水溶性树枝状苝单酰亚胺化合物在作为检测金属离子和氢离子的荧光探针中的应用。

背景技术：

苝酰亚胺类化合物具有优异的光、热、化学稳定性和优良的染色性能，荧光量子产率高，荧光发射峰窄，能够与细胞背景荧光分开，在蛋白质、核酸、细胞检测等生物领域具有广阔的应用前景，因此，广泛应用于有机半导体材料、激光染料和生物荧光探针等领域。

树枝状大分子是一类结构可以改变和设计的功能高分子，外围高浓度端基的设计可构造出不同功能化的树枝状大分子，被广泛应用于光学、电学、医学、催化剂、纳米新材料、液晶等方面。同时，树枝状大分子具有稳定，无免疫原性，对生物活性剂的转运效率高等优点，因此已成为一种最广泛的药物载体。荧光化合物标记的树枝状大分子是科学家们研究的热点之一。树枝状荧光材料具有光捕获、光诱导电子转移(PET)、荧光开关、能量存储和转换等特殊功能，在化学传感器、生物检测和药物传输等领域有着潜在的应用价值。

苝类衍生物水溶性差，限制了其在生物体系中的应用，科学家们尝试了很多方法改善苝类衍生物的水溶性。但现有技术的苝酰亚胺类化合物在提高水溶性的同时大大降低了苝类衍生物的荧光量子产率，甚至在水溶液中几乎都没有荧光。如何提高苝酰亚胺类化合物水溶性的同时，不降低其荧光量子产率，并能应用于多离子探针，是本申请希望解决的问题。

技术实现要素：

本发明的目的是在于提供一种光、热、化学稳定性好的水溶性树枝状苝单酰亚胺化合物，并将其用于荧光探针；并且通过选择特定的条件，限定检测条件，实现对多种阳离子的探测。

为达到以上发明目的，本发明的第一方面的具体技术方案是：提供一种水溶性树枝状苝单酰亚胺化合物，其结构式式I如下：

首先合成端基为胺基的树枝状大分子，然后以3,4,9,10-苝四羧酸酐作为荧光发射团，利用胺基与酸酐反应制备树枝状苝单酰亚胺化合物式I，用于检测Fe³⁺、Cr³⁺和H⁺。

本发明的第二方面提供一种水溶性树枝状苝单酰亚胺化合物的制备方法，其包括如下步骤：

(1)中间体端基为8个丙烯酸酯的树枝状大分子PAE(＝)₈的合成：将三羟甲基丙烷三丙烯酸酯、乙二胺、无水甲醇混合，加热进行反应，反应完毕用无水甲醇洗涤，得到无色透明的粘稠液体，反应式如下；

(2)中间体端基为8个伯胺基的树枝状大分子PAE(NH₂)₈的合成：将PAE(＝)₈和乙二胺混合，加热进行反应，减压蒸馏，用乙酸乙酯洗涤，得到淡黄色透明粘稠液体，反应式如下；

(3)中间体3,4,9,10-苝四羧-3,4-酸酐-9-羧酸-10-羧酸钾的合成：将3,4,9,10-苝四羧酸酐在KOH水溶液中水解为苝四羧酸钾盐，用盐酸调节pH值至4-6之间，生成3,4,9,10-苝四羧-3,4-酸酐-9-羧酸-10-羧酸钾，反应式如下；

(4)水溶性树枝状苝单酰亚胺化合物的合成：将PAE(NH₂)₈提前混合于异丙醇-水混合溶液中，向混合溶液中加入3,4,9,10-苝四羧-3,4-酸酐-9-羧酸-10-羧酸钾，常温下反应4-6小时，然后升温至80℃-95℃后反应，然后加入稀盐酸酸化，最后过滤洗涤，用碱溶液室温处理后加入KCl饱和溶液后静置分离，过滤，洗涤，得到棕红色固体式I产物水溶性树枝状苝单酰亚胺化合物，反应式如下；

本发明的一优选技术方案，所述步骤(1)、步骤(2)中加热到25℃-35℃进行反应。

本发明的一优选技术方案，所述步骤(3)中，pH范围为4-6。

本发明的一优选技术方案提供一种水溶性树枝状苝单酰亚胺化合物的制备方法，其包括如下步骤：

(1)中间体端基为8个丙烯酸酯的树枝状大分子PAE(＝)₈的合成：将三羟甲基丙烷三丙烯酸酯、乙二胺、无水甲醇混合，加热到30℃，反应6小时，用无水甲醇洗涤，得到无色透明的粘稠液体；

(2)中间体端基为8个伯胺基的树枝状大分子PAE(NH₂)₈的合成：将PAE(＝)₈和乙二胺混合，加热到30℃，反应24小时，减压蒸馏，用乙酸乙酯洗涤，得到淡黄色透明粘稠液体；

(3)中间体3,4,9,10-苝四羧-3,4-酸酐-9-羧酸-10-羧酸钾的合成：将3,4,9,10-苝四羧酸酐在KOH水溶液中水解为苝四羧酸钾盐，调节pH值至4-6,生成3,4,9,10-苝四羧-3,4-酸酐-9-羧酸-10-羧酸钾；

(4)水溶性树枝状苝单酰亚胺化合物的合成：将PAE(NH₂)₈提前混合于异丙醇-水混合溶液中，向混合溶液中加入3,4,9,10-苝四羧-3,4-酸酐-9-羧酸-10-羧酸钾，常温下反应4小时，然后升温至90℃后反应2小时，然后加入20％的稀盐酸酸化1-2小时，过滤，洗涤，用5％KOH水溶液室温处理两小时后加入KCl饱和溶液后静置分离，过滤，洗涤，得到棕红色固体式I产物水溶性树枝状苝单酰亚胺化合物。

本发明的第三方面提供一种结构式为式I的水溶性树枝状苝单酰亚胺化合物的用途，其用于作为检测Fe³⁺或Cr³⁺或H⁺的荧光探针。

所述荧光探针的检测Fe³⁺的方法是，在水溶液中检测荧光光谱，通过检测547nm处的荧光强度获得Fe³⁺的浓度；所述水溶性树枝状苝单酰亚胺化合物的浓度为100μM；荧光激发波长为497nm。

所述荧光探针的检测Cr³⁺的方法是，在水溶液中检测荧光光谱，检测547nm处的荧光强度获得Cr³⁺的浓度；所述水溶性树枝状苝单酰亚胺化合物的浓度为100μM；荧光激发波长为497nm。

所述荧光探针检测H⁺的方法是，在水溶液中检测荧光光谱，通过检测547nm处的荧光强度获得不同pH值水溶性树枝状苝单酰亚胺化合物的浓度；所述水溶性树枝状苝单酰亚胺化合物的浓度为100μM；荧光激发波长为497nm。

本发明中要求保护的具有式I结构的水溶性树枝状苝单酰亚胺化合物，在文中也可以用PAE-PM表示，具有同等的含义。

由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：

1.本发明实现了水溶性苝单酰亚胺的合成，提高了苝类衍生物的水溶性。

2.本发明实现了一个探针检测多种金属离子和氢离子。

3.本发明的探针有很好的选择性、灵敏度和很强的抗干扰能力。

4.相比于现有技术本发明的苝酰亚胺类化合物在提高水溶性的同时使荧光猝灭，本发明中检测Fe³⁺和Cr³⁺使荧光增强，检测灵敏度提高。

附图说明

图1是本发明实施例2中含有不同金属离子的PAE-PM溶液的荧光发射光谱；

图2A是本发明实施例3中含有不同浓度Fe³⁺的PAE-PM溶液的荧光发射光谱；图2B是PAE-PM溶液的荧光发射光谱与Fe³⁺浓度的关系图。

图3A是本发明实施例4中含有不同浓度Cr³⁺的PAE-PM溶液的荧光发射光谱；图3B是PAE-PM溶液的荧光发射光谱与Cr³⁺浓度的关系图。

图4是本发明实施例5中共存金属离子对含有Fe³⁺的PAE-PM溶液最大荧光强度的影响；

图5是本发明实施例6中共存金属离子对含有Cr³⁺的PAE-PM溶液最大荧光强度的影响；

图6A是本发明实施例7中不同pH值的PAE-PM溶液的荧光发射光谱,图6B是PAE-PM溶液的荧光发射光谱与pH的关系图。

具体实施方式

下面的实施例是对本发明的进一步阐述，但本发明的内容不限于此。本发明说明书中的实施方式仅用于对本发明进行说明，其并不对本发明的保护范围起到限定作用。本发明的保护范围仅由权利要求限定，本领域技术人员在本发明公开的实施方式的基础上所做的任何省略、替换或修改都将落入本发明的保护范围。

实施例1

荧光探针的制备

中间体端基为8个丙烯酸酯的树枝状大分子(PAE(＝)₈)的合成：

将60g三羟甲基丙烷三丙烯酸酯、2.4g乙二胺、30mL无水甲醇混合，加热到30℃，反应6小时，用无水甲醇洗涤，得到无色透明的粘稠液体。

中间体端基为8个伯胺基的树枝状大分子(PAE(NH₂)₈)的合成：

将4.665重量份的PAE(＝)₈和108重量份乙二胺混合，加热到30-50℃，反应24小时，减压蒸馏，用乙酸乙酯洗涤，得到淡黄色透明粘稠液体。

中间体3,4,9,10-苝四羧-3,4-酸酐-9-羧酸-10-羧酸钾的合成：

将3g 3,4,9,10-苝四羧酸酐加入35mL 5％的KOH水溶液中，加热到90℃，反应4小时。冷却至室温，再加入12.5mL 10％磷酸溶液，继续在90℃反应1小时，过滤，水洗后真空烘干。

水溶性树枝状苝单酰亚胺化合物(PAE-PM)的合成：

将1g PAE(NH₂)₈提前混合于50mL异丙醇-水(7:3)混合溶液中。向混合溶液中加入4.16g 3,4,9,10-苝四羧-3,4-酸酐-9-羧酸-10-羧酸钾，常温下反应4小时，然后升温至90℃后反应2小时。加入40mL 20％的稀盐酸酸化1-2小时，过滤，洗涤，用60mL 5％KOH水溶液室温处理2小时后加入20mL KCl饱和溶液后静置分离，过滤，洗涤，得到棕红色固体2.14g，产率：78.21％。

FT-IR(KBr，cm^-1)：ν＝3442，1687，1646，1594，1472，1243，812，752，611.¹H-NMR(CHCl₃-d₆，400MHz，δ/ppm)核磁谱图中各峰与PAE-PM结构中的质子峰对应：δ8.56(d，32H)，8.18(d，32H)，4.68(t，16H)，4.234(m，16H)，4.171(m，16H)，3.509(m，8H)，2.963(d，24H)，2.862(t，8H)，2.601(t，4H)，2.269(t，16H)，1.798(m，8H)，1.264(t，12H)。

实施例2

PAE-PM荧光光谱对金属离子的选择性

在水溶液中，测定了PAE-PM在加入金属离子Cr³⁺、Fe²⁺、Fe³⁺、Co²⁺、Ni²⁺、Cu²⁺、Zn²⁺、Hg²⁺、Pb²⁺前后的荧光光谱，发现PAE-PM对Fe³⁺和Cr³⁺有很好的响应性，结果如图1所示。

图1是含有不同金属离子的PAE-PM溶液的荧光发射光谱。溶剂为水，浓度：PAE-PM(40μM)，金属离子(100μM)，激发波长λex：497nm，狭缝宽度：10/10nm，电压：650V。图中有Fe³⁺、Cr³⁺使荧光强度大大增强，说明PAE-PM在水中对Fe³⁺、Cr³⁺有很好的选择性和灵敏度。

实施例3

PAE-PM荧光检测Fe³⁺：PAE-PM荧光光谱与Fe³⁺浓度的关系

以水为溶剂，测试浓度分别为0、2.5、10、20、50、100、150、180、200、250μM的Fe³⁺对10μM的PAE-PM的水溶液的荧光光谱的影响，结果如图2。

其中，λex＝497nm，λem＝547nm，狭缝宽度：10/10nm，电压：650V。最大荧光强度F与Fe³⁺浓度的关系。

从图2A,2B可以看出，在0～180μM浓度范围内，随着Fe³⁺浓度的增大，PAE-PM的荧光强度逐渐增强，并且荧光强度与Fe³⁺浓度呈一定的线性关系，线性方程为F＝312120[Fe³⁺]+1240，相关系数为R＝0.9385。可见，PAE-PM可以定量检测Fe³⁺。

实施例4

PAE-PM荧光检测Cr³⁺：PAE-PM荧光光谱与Cr³⁺浓度的关系

以水为溶剂，测试浓度分别0、2.5、10、20、50、100、150、180、200、250μM的Cr³⁺对10μM的PAE-PM的水溶液的荧光光谱的影响，结果如图3。

其中，λex＝497nm，λem＝547nm，狭缝宽度：10/10nm，电压：650V。最大荧光强度F与Cr³⁺浓度的关系。

从图3A,3B可以看出，在0～150μM浓度范围内，随着Cr³⁺浓度的增大，PAE-PM的荧光强度逐渐增强，并且荧光强度与Cr³⁺浓度呈一定的线性关系，线性方程为F＝8573000[Cr³⁺]+1771，相关系数为R＝0.9734。可见，PAE-PM可以定量检测Cr³⁺。

实施例5

PAE-PM荧光检测Fe³⁺：PAE-PM检测Fe³⁺时的抗干扰性

图4是环境和生物相关共存离子对PAE-PM/Fe³⁺的水溶液荧光强度的影响。

其中，溶剂为水，浓度：PAE-PM(40μM)，金属离子(100μM)，激发波长λex：497nm，狭缝宽度：10/10nm，电压：650V。

从图4看出，Zn²⁺、Cr³⁺、Co²⁺、Pb²⁺、Ni²⁺、K⁺、Cu²⁺、Na⁺、Hg²⁺和Fe²⁺对Fe³⁺/PAE-PM荧光强度影响不大。因此，在水中PAE-PM是可靠的高选择性和高灵敏度Fe³⁺荧光探针。

实施例6

PAE-PM荧光检测Cr³⁺：PAE-PM检测Cr³⁺时的抗干扰性

图5是环境和生物相关共存离子对PAE-PM/Cr³⁺的水溶液荧光强度的影响。

其中，溶剂为水，浓度：PAE-PM(40μM)，金属离子(100μM)，激发波长λex：497nm，狭缝宽度：10/10nm，电压：650V。

从图5看出，Zn²⁺、Co²⁺、Pb²⁺、Ni²⁺、K⁺、Cu²⁺、Na⁺、Hg²⁺、Fe²⁺和Fe³⁺对Cr³⁺/PAE-PM荧光强度影响不大。因此，在水中PAE-PM是可靠的高选择性和高灵敏度Cr³⁺荧光探针。

实施例7

PAE-PM荧光检测H⁺：PAE-PM荧光光谱与H⁺浓度的关系

以水为溶剂，测试浓度分别pH为2.07、3.10、3.98、4.94、6.21、7.08、8.05、8.95、9.99、10.94、12.02对10μM的PAE-PM水溶液的荧光光谱的影响，结果如图6。

其中，λex＝497nm，λem＝547nm，狭缝宽度：10/10nm，电压：650V。最大荧光强度F与pH浓度的关系。

从图6B可以看出，不同pH值下，PAE-PM的水溶液荧光强度变化明显，并且除了体系的荧光强度发生变化外，波形和荧光波长都产生了变化。当pH值为酸性即在2.07～4.94的范围内时，PAE-PM的荧光强度随pH值的增大而降低；当pH值由酸性向碱性过渡即6.21～8.05范围内时，PAE-PM的荧光强度达到最低甚至非常弱；当pH值为碱性即在8.95～12.02的范围内时，PAE-PM的荧光强度急剧上升并且伴随波形的改变，发射波长发生明显红移，由547nm左右红移至585nm左右。因此，在水中PAE-PM是可靠的高选择性和高灵敏度H⁺荧光探针。

上述实例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人是能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。