荧光探针及其制备方法和应用与流程

本发明涉及有机材料合成以及环境和生物金属离子检测，特别是涉及具有铝离子识别功能的荧光探针及其制备方法和应用。

背景技术：

铝是在自然界分布最广泛的金属之一，也在社会生活中使用频繁，并广泛分布在生物组织中。生物组织中铝离子含量的多少直接影响到生物体的健康，以人为例，世界卫生组织规定，饮用水中铝离子含量不能超过7.41mM，同时人体中铝离子含量不能高于7mg.kg^-1，随着现代化生活的推进，城市和乡镇都饮用纯净水，而水的纯化中可能涉及到铝的使用，并且工业的日益发展壮大，是铝元素在水中，土壤中含量日益增加，而水中铝离子可以通过直接饮用进入生物组织，土壤中可以进入食用植物，最后通过生物富集，使人体中铝离子含量超标，研究表明，铝离子过量可以影响智力，对人的生长发育造成极大的损害，所以针对于铝离子在各环境下的检测一直以来都是科学热点。

荧光传感器以其高选择性，高灵敏度，低检测限和取样少对环境危害小的优点成为生物化学学科的一个热点话题和前沿的研究领域，其在化学学科、生命科学、生物技术和环境科学领域有许多重要应用，用荧光传感器来检测铝离子的方法在国际上也得到广泛的认可和应用，如用来跟踪铝离子在生命活动中的分布。与传统的原子吸收光谱，离子选择性电极分析等方法相比较，其在分子识别与传感器中优势突出，在环境与生物领域具有相当大的应用前景。

由于荧光探针检测金属具有上述的多种优点，迅速得到研究人员的认可，目前已有荧光检测铝离子的报道，例如文献Dyes and Pigments,Volume 101,February 2014,Pages 58-66报道的以罗丹明B为发色团的荧光探针，产率24％，检测限0.59uM，三价铁离子产生干扰；文献Sensors and Actuators B:Chemical,Volume 220,1December 2015,Pages 1196-1204报道以罗丹明B为基础的探针，产率93％，检测限0.14uM，二价汞离子、三价铬离子产生干扰；文献Tetrahedron Letters,Volume 54,Issue 28,10July 2013,Pages 3630-3634报道的以罗丹明B为发色团的探针，产率75％，检测限30uM，干扰离子为二甲铜离子和三价铁离子；文献Inorganica Chimica Acta,Volume 398,24March2013,Pages 64-71报道的以萘酰亚胺为发色团的探针，产率89％，检测限10uM，三价铬离子干扰；文献Spectrochimica Acta Part A:Molecular and Biomolecular Spectroscopy,Volume 127,5June 2014,Pages 329-334报道的以萘酰亚胺为发色团的探针，产率80％，检测限0.5uM，三价铬离子干扰；文献Inorganic Chemistry Communications,Volume 30,April 2013,Pages 21-25以萘酰亚胺为发色团的探针，产率无表述，检测限无表述，Ag⁺,Cr³⁺,Zn²⁺,Pb²⁺,Cd²⁺等离子产生干扰等等，如上述部分已报道文献所言，目前荧光探针仍然具有合成成本高，合成步骤复杂，合成产率低的不足，不利于适应市场的大规模应用和检测等缺点，同时荧光发色团也过于单一，可用于金属铝离子荧光检测合成的官能团也日趋单一化，逐步局限在罗丹明、萘酰亚胺、喹啉等传统发色团之上，不利于对铝离子检测的进一步研究，并且在对铝离子的检测中，传统三价离子，包括铁离子，铬离子会对铝离子产生较大干扰，基于目前所报道的研发现状，亟待解决研发方向单一，原料易得，产率高，抗干扰能力强，并且能一定程度在有机混合溶液环境中检测铝离子的探针，来满足实际研发、生产和生活的需要。

技术实现要素：

本发明的主要目的在于克服现有技术的不足，提供一种具有铝离子识别功能的荧光探针及其制备方法和应用，实现对铝离子的高灵敏度、高选择性的检测，且制作和使用方便。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种荧光探针，该荧光探针的化学结构如式(1)所示含有2,2-联吡啶、酰肼和酚基团，

进一步地：

在320nm激发波长下，探针在350nm到600nm波长范围内对铝离子检测限为9nM。

在对铝离子的荧光探测过程中，在水-二甲亚砜的混合溶剂的环境。

在有机溶剂环境中对Al³⁺检测时，在0-10μM浓度范围内不受Mg²⁺、Fe³⁺、Cr³⁺、Cd²⁺、Cu²⁺、Na⁺、K⁺、Ni²⁺、Ba²⁺、Zn²⁺、Pb²⁺干扰。

一种对铝离子荧光识别功能的传感器，包含所述的荧光探针。

一种制备所述的荧光探针的制备方法，以联吡啶为基础通过与醇类、肼类、醛类反应制备而成如式(1)所示的含有2,2-联吡啶、酰肼和酚基团，

进一步地：

所述制备方法包括以下步骤：

(1)合成制备4,4-二甲酸乙酯-2,2-联吡啶；

(2)将步骤(1)的产物酰肼化得到4,4-二甲酸酰肼-2,2-联吡啶；

(3)利用乙醇和水杨醛将步骤(2)的产物合成荧光探针。

所述制备方法包括以下步骤：

(1)将10.60～13.80质量份乙醇加入2.44质量份4,4-二羧酸-2,2-联吡啶中，同时加入1.00质量份浓硫酸，在60～80摄氏度下反应5小时，之后用减压蒸馏蒸去0.50～0.75质量份溶剂，按6.20:5.50质量比的氯仿与水对反应物进行萃取分离，即将7.40质量份氯仿加入1.00质量份水中，分离2～3次，蒸干溶剂得到粗产物4,4-二甲酸乙酯-2,2-联吡啶；

(2)按步骤(1)制备得到的粗产物4,4-二甲酸乙酯-2,2-联吡啶，取1.50～4.50质量份粗产物溶解在15.80～23.70质量份甲醇中。然后加入水合肼，质量比1.00:5.00～8.00，将5.00～8.00质量份水合肼加入反应体系中，室温350rpm转速搅拌下，直至有白色絮状物产生，然后加热到35摄氏度，在搅拌下反应4小时，制备得到4,4-二甲酸酰肼-2,2-联吡啶；

(3)称取步骤(2)制备产物4,4-二甲酸酰肼-2,2-联吡啶，将1.36～4.08质量份产物溶于23.70～39.50质量份乙醇中，最后升温至65摄氏度，按1.00:0.90～1.80质量比，将27.20质量份酰肼与24.40～48.80质量份水杨醛混合，在350rpm下剧烈搅拌，反应4小时，冷却后得到浅绿色固体，并用乙醇重结晶。

一种所述的荧光探针的应用，使用所述荧光探针对铝离子进行荧光检测。

进一步地，在对铝离子的荧光检测过程中，在水-二甲亚砜的混合溶剂的环境下使用。

本发明的有益效果：

本发明提供了一种对铝离子具有高灵敏荧光检测功能的荧光探针及其制备方法和应用，本发明以联吡啶为基础合成荧光探针，该荧光探针的化学结构如式(1)所示含有2,2-联吡啶、酰肼和酚基团。该荧光探针以联吡啶为发色团检测铝离子，有优良的荧光检测性能：探针溶于水-二甲基亚砜溶液中，随着Al³⁺浓度的增加，体系荧光强度在500nm处荧光强度显著增强，且对铝离子体现较低的检出限9nM；除铜离子外，三价铬与三价铁等离子对体系荧光光谱不产生干扰；这探针还具有合成路线简化，产率高，使用方便，适合于实际应用，在生物检测环境治理等领域有很广的应用前景。本发明的制备方法简单，所制备的荧光传感器能够在有机混合溶液中实现对铝离子的高灵敏度、高选择性的检测，使用方便，同时开拓联吡啶衍生物对铝离子检测的应用领域。

附图说明

图1为实施例的荧光传感器核磁氢谱。

图2为实施例的荧光传感器核磁碳谱。

图3为实施例的荧光传感器对金属离子在DMSO溶液中，探针分子及探针分子与铝配合物的高分辨质谱C₂₆H₂₁N₆O₄(+)481.1627,C₂₆H₁₈N₆O₄Al(+)505.1191。

图4为不同浓度的金属铝离子，使荧光传感器产生的荧光发射变化图(0-2当量)。

图5为荧光传感器随铝离子浓度变化的荧光滴定的线性拟合曲线，和该曲线对应的变化谱图。

图6为各种金属离子对荧光传感器选择性对比数据图，加入的金属离子浓度为2μM，激发波长320nm,500nm为发射波长处的荧光强度变化值。

具体实施方式

以下对本发明的实施方式作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

参阅图1，在一种实施例中，一种荧光探针，该荧光探针的化学结构如式(1)所示含有2,2-联吡啶、酰肼和酚基团，

在优选实施例中，在320nm激发波长下，探针在350nm到600nm波长范围内对铝离子检测限为9nM。

在优选实施例中，在对铝离子的荧光探测过程中，探针在水-二甲亚砜的混合溶剂的环境。

在优选实施例中，在有机溶剂环境中对Al³⁺检测时，在0-10μM浓度范围内不受Mg²⁺、Fe³⁺、Cr³⁺、Cd²⁺、Cu²⁺、Na⁺、K⁺、Ni²⁺、Ba²⁺、Zn²⁺、Pb²⁺干扰。

一种对铝离子荧光识别功能的传感器，包含所述的荧光探针。

一种制备所述的荧光探针的制备方法，以联吡啶为基础通过与醇类、肼类、醛类反应制备而成如式(1)所示的含有2,2-联吡啶、酰肼和酚基团，

在优选实施例中，所述制备方法包括以下步骤：

(1)合成制备4,4-二甲酸乙酯-2,2-联吡啶；

(2)将步骤(1)的产物酰肼化得到4,4-二甲酸酰肼-2,2-联吡啶；

(3)利用乙醇和水杨醛将步骤(2)的产物合成荧光探针。

在一种具体的实施例中，所述制备方法包括以下步骤：

(1)将10.60～13.80质量份乙醇加入2.44质量份4,4-二羧酸-2,2-联吡啶中，同时加入1.00质量份浓硫酸(98％)，在60～80摄氏度下反应5小时，之后用减压蒸馏蒸去0.50～0.75质量份溶剂，按6.20:5.50质量比的氯仿与水对反应物进行萃取分离，即将7.40质量份氯仿加入1.00质量份水中，分离2～3次，蒸干溶剂得到粗产物4,4-二甲酸乙酯-2,2-联吡啶,产率90％～95％。

(2)按步骤(1)制备得到的粗产物4,4-二甲酸乙酯-2,2-联吡啶，取1.50～4.50质量份粗产物溶解在15.80～23.70质量份甲醇中。然后加入水合肼(50％)，质量比1.00:5.00～8.00，将5.00～8.00质量份水合肼加入反应体系中，室温350rpm转速搅拌下，直至有白色絮状物产生，然后加热到35摄氏度，在搅拌下反应4小时，制备得到4,4-二甲酸酰肼-2,2-联吡啶，产率92％～96％。

(3)称取步骤(2)制备产物4,4-二甲酸酰肼-2,2-联吡啶，将1.36～4.08质量份产物溶于23.70～39.50质量份乙醇中，最后升温至65摄氏度，按1.00:0.90～1.80质量比，将27.20质量份酰肼与24.40～48.80质量份水杨醛混合，在350rpm下剧烈搅拌，反应4小时，冷却后得到浅绿色固体，并用乙醇重结晶，产率93％～98％。

上述探针在有机混合溶液中，在荧光激发下，探针基本没有荧光发射峰，而溶液颜色也是无色透明的，加入三价铝离子之后，颜色先发生明显变化，溶液显蓝色，而荧光光谱在500nm处显著增强。

使用上述铝离子荧光传感器在有机溶剂环境中对Al³⁺检测时，不受传统的Mg²⁺、Fe³⁺、Cr³⁺、Cd²⁺、Cu²⁺、Na⁺、K⁺、Ni²⁺、Ba²⁺、Zn²⁺、Pb²⁺的干扰，只有在三价铝离子的环境中探针的荧光强度才会显著增强。

将联吡啶类衍生物通过有机合成形成大的共轭结构以便于金属配位识别。其可能的反应机理为PET禁阻机理，在有机混合溶液中，通过荧光传感器与金属离子的配位，来达到识别基团与荧光团之间电子转移的变化，从而产生光物理特性的变化，从而实现对金属铝离子的高选择性、高灵敏度的检测。

一种所述的荧光探针的应用，使用所述荧光探针对铝离子进行荧光检测。

在优选实施例中，在使用荧光探针对铝离子的荧光检测过程中，在水-二甲亚砜的混合溶剂的环境下使用。

实施例1

一种具有铝离子荧光识别功能的荧光传感器的制备方法，包括以下步骤：

(1)合成制备4,4-二甲酸乙酯-2,2-联吡啶

将4,4-二羧酸-2,2-联吡啶(2.44g)加入12.65g乙醇中，然后加入1.84g浓硫酸(98％)，在60摄氏度下反应5小时，之后用减压蒸馏蒸去0.75质量份溶剂，并用10.00g水和74.00g二氯甲烷进行萃取分离，分离3次蒸干溶剂，得到粗产物2.79g产率93％。

(2)步骤一产物的酰肼化

按步骤(1)制备得到的粗产物4,4-二甲酸乙酯-2,2-联吡啶，取1.50g产物溶解在15.80g甲醇中，同时加入7.50g水合肼(50％)，质量比例1.00:5.00，在室温下，350rpm转速下剧烈搅拌，有白色不溶物产生，然后加热到35摄氏度，反应4小时，制备得到粗产物1.30g产率95％。

(3)合成荧光探针

称取0.68g的步骤(2)制备产物，将产物溶于23.70g乙醇中，升温至65摄氏度，按1.10:1.00的质量比，将0.61g水杨醛逐滴加入其中，拌有350rpm转速下剧烈搅拌，反应4小时，冷却后得到浅绿色固体1.11g，产率93％，并用乙醇重结晶，纯化产品用于表征。

实施例2

(1)合成制备4,4-二甲酸乙酯-2,2-联吡啶

将4,4-二羧酸-2,2-联吡啶(1.22g)加入6.00g乙醇中，加入1.84g浓硫酸(98％)，在70摄氏度下反应5小时，之后用减压蒸馏蒸去0.75质量份溶剂，并用10.00g水和74.00g二氯甲烷进行萃取分离，分离3次蒸干溶剂，得到粗产物1.38g产率92％。

(2)步骤一产物的酰肼化

按步骤(1)制备得到的粗产物4,4-二甲酸乙酯-2,2-联吡啶，取0.75g产物溶解在23.70g甲醇中，加入4.50g水合肼(50％)，质量比例1:6，在室温下，350rpm转速下剧烈搅拌，有白色不溶物产生，然后加热到35摄氏度，反应4小时，制备得到粗产物0.64g产率94％。

(3)合成荧光探针

称取0.34g的步骤(2)制备产物，将产物溶于31.60g乙醇中，升温至65摄氏度，按1:1.3的质量比，将0.45g水杨醛逐滴加入其中，在350rpm转速剧烈搅拌下，反应4小时，冷却后得到浅绿色固体0.56g，产率93.3％，并用乙醇重结晶，纯化产品用于表征。

实施例3

(1)合成制备4,4-二甲酸乙酯-2,2-联吡啶

将4,4-二羧酸-2,2-联吡啶(4.88g)加入27.60g乙醇中，加入1.84g浓硫酸(98％)，在80摄氏度下反应5小时，之后用减压蒸馏蒸去0.75质量份溶剂，并用10.00g水和74.00g二氯甲烷进行萃取分离，分离2次蒸干溶剂，得到粗产物5.70g产率95％。

(2)步骤一产物的酰肼化

按步骤(1)制备得到的粗产物4,4-二甲酸乙酯-2,2-联吡啶，取3.00g产物溶解在23.70g甲醇中，加入24.00g水合肼(50％)，质量比：1.00:8.00，在室温下，350rpm转速下剧烈搅拌，有白色不溶物产生，然后加热到35摄氏度，反应4小时，制备得到粗产物2.61g产率96％。

(3)合成荧光探针

称取1.36g的步骤(2)制备产物，将产物溶于39.50g乙醇中，升温至65摄氏度，按1.00:1.80的质量比，将2.44g水杨醛加入其中，在350rpm转速剧烈搅拌下，反应4小时，冷却后得到浅绿色固体2.22g，产率92.5％，并用乙醇重结晶，纯化产品用于表征。

铝离子的检测试验

(1)取11个3ml样品瓶，分别加入实施例中所得到的荧光传感器溶液，并分别加入一定浓度的铝离子溶液[Al³⁺]＝0mol/L(a)，1.0×10^-6mol/L(b)，2.0×10^-6mol/L(c)，4.0×10^-6mol/L(d)，6.0×10^-6mol/L(e)，8.0×10^-6mol/L(f)，1.0×10^-5mol/L(g)，1.2×10^-5mol/L(h)，2.0×10^-5mol/L(i)，如图4所示，由低到高梯次荧光增强。

(2)取12个3ml样品瓶，分别装入实施例中所得的功能化的荧光传感器溶液，然后分别将浓度为2μM的Mg²⁺、Al³⁺、Fe³⁺、Cr³⁺、Cd²⁺、Cu²⁺、Na⁺、K⁺、Ni²⁺、Ba²⁺、Zn²⁺、Pb²⁺.各取一定量加入12个样品瓶中，然后测试12个样品在320nm激发下，500nm波长发射处的荧光发射强度，结果见图5。测定结果表明除了铝离子外，其他上述个各种离子对所制备荧光传感器的光学物理特性没有明显影响。

以上内容是结合具体/优选的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，其还可以对这些已描述的实施方式做出若干替代或变型，而这些替代或变型方式都应当视为属于本发明的保护范围。