一种基于苯基噻唑和对氰基联苯酚的荧光传感材料及其制备方法和用途与流程

本发明涉及涉及一种基于苯基噻唑和对氰基联苯酚的荧光传感材料及其制备方法和用途，属于化学荧光传感材料技术领域。

背景技术：

作为环境中主要污染物的重金属离子一直都是人们关注的焦点。工业生产废水中往往含有大量的重金属离子，处理不当就会对环境造成严重危害。重金属污染物由于不能被微生物所降解，其一旦进入环境或者生态系统中就会长期存留、蓄积，并且其极易被生物体所吸收，不同形态的重金属离子会通过生物的迁徙，富集等方式作用于动植物，最终通过食物链进入人体危害健康。

作为重金属的铁是人体必需微量元素之一。它在人体中分布很广，几乎所有的组织都含有铁。它与健康有着密切的关系。铁是血红蛋白的重要组成成分，是血液中输送氧与交换氧的重要元素，也是许多酶的组成成分和氧化还原反应酶的激活剂。铁缺乏会导致贫血等疾病，但过量的摄入铁也会造成一系列的疾病。流行病学调查和动物学实验研究都表明，体内铁的贮存过多与许多疾病如心脏病、肿瘤、糖尿病、关节炎、骨质疏松症等有关。人类通过不当饮食或者长期饮用含高浓度铁离子的水而摄入过量铁。特别是由于膳食结构的改变、强化食品的过度使用和工艺污染等原因，可通过多种途径使进入体内的铁增加。体内贮存铁过多会增加脂质过氧化，导致氧化与抗氧化失衡，从而破坏dna而诱导突变。此外，在人体中铁含量的增加还会导致高铁血红蛋白症。环境水体所含铁离子浓度太高时，会导致水体颜色的变化并散播异味，对水生生物也有很大的危害，影响其正常的生长和繁殖。基于对环境和生物健康的保护，水体环境或生物体内铁离子含量的监测是必不可少。

传统的检测铁离子的技术有原子吸收光谱仪，分光光度法和伏安法等技术。这些技术通常需要复杂的仪器设备，繁琐的样品制备过程。相比较而言，光学传感检测技术具有更好的优势，其易于操作，不需要复杂的仪器，灵敏度高，抗干扰性强，可实现可视化现场检测，是一种高效灵敏的、选择性高的化学痕量分析方法。荧光传感材料是建立在光谱化学和光学波导与测量技术基础上，选择性的将分析对象的化学信息连续转变为分析仪器易测量的荧光信号的一种传感材料。荧光分子探针是建立在光谱化学和光学波导与测量技术基础上，选择性的将分析对象的化学信息连续转变为分析仪器易测量的荧光信号的一种传感材料。具有灵敏度高,选择性好,使用方便,成本低,不需预处理,不受外界电磁场影响等优点，近年来，它们在生物活性物质和环境污染检测方面得到了广泛的应用，包括核酸、蛋白质、酶类、重金属离子等。目前已报道的用于检测fe³⁺的传感材料也有很多，大多数都是基于罗丹明b和香豆素等特定的荧光基团，其中大多数分子体系过大，合成过程复杂；而且在检测过程中有机溶剂引入过多，无法实现生物细胞内fe³⁺的检测，应用受限。将光学传感材料用于金属离子的选择性识别早于上世纪70年代就有所研究，小分子的荧光传感材料目前己发展得相对比较成熟，含有特定结合位点的传感材料可以与金属离子形成有机配体，基于被测物体与荧光物质之间的特异性相互作用引起的荧光信号的输出形式的改变来实现对特定离子的快速检测。

技术实现要素：

本发明考虑到传统检测技术的限制，目的在于提供一种基于苯基噻唑和对氰基联苯酚的荧光传感材料及其制备方法和用途，能够很好的实现环境水样及生物细胞中痕量fe³⁺离子的有效检测。具有成本低，合成简单，响应时间快和检测灵敏度高等特点。

本发明采用的技术方案是：

本发明首先提供一种基于苯基噻唑和对氰基联苯酚的荧光传感材料，所述材料是一个小分子化合物，黄色粉末状固体，固体本身及其溶解在hepes缓冲溶液（0.05m,ph=7.4）/无水乙醇体系中具有强的橙红色荧光发射。

本发明还提供一种基于苯基噻唑和对氰基联苯酚的荧光传感材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

s1.2-氨基-4-苯基噻唑的制备：

参考文献guptavk,singhak,kumawatlk.thiazoleschiffbaseturn-onfluorescentchemosensorforal³⁺ion[j].sensorsandactuatorsb:chemical,2014,195:98-108进行制备。

将苯乙酮和硫脲的置于圆底烧瓶中，加入碘单质，密封后加热反应，反应结束后加入热水搅拌加热直到成为一个均匀的溶液体系，过滤，将滤液冷却至室温然后加入氨水调节ph为弱碱性（ph=8）,产品析出并在乙醇中重结晶进行纯化。

s2.3-甲酰基-4-羟基联苯氰的制备：

参考文献alicio,erdemirs.acyanobiphenylcontainingfluorescence“turnon”sensorforal³⁺ioninch3cn–water[j].sensorsandactuatorsb:chemical,2015,208:159-163进行制备。

对氰基联苯酚和六亚甲基四胺溶解在三氟乙酸中至于圆底烧瓶中加热回流。反应结束后，将反应溶液冷却至室温，加入1.0mhcl(100ml)酸化，然后用二氯甲烷进行萃取。收集有机层用水洗涤三次，并用无水硫酸镁进行干燥，过滤后减压移除溶剂得3-甲酰基-4-羟基联苯氰。

s3、制备基于苯基噻唑和对氰基联苯酚的荧光传感材料：将2-氨基-4-苯基噻唑和3-甲酰基-4-羟基联苯氰置于圆底烧瓶中，用无水乙醇将其溶解，滴加2滴冰乙酸作为催化剂。油浴锅中搅拌回流，待反应结束后冷却至室温，减压旋蒸移除溶剂得粗产品，在乙醇中重结晶纯化得黄色固体。

上述合成方法步骤s1中，苯乙酮，硫脲，碘单质的用量分别为2.05~3.42g(15~25mmol),2.13~3.55g(30~50mmol),3.8~6.35g(15~25mmol),所述的回流反应温度为40～60℃，反应时间为24~30h。

上述合成方法步骤s2中，对氰基联苯酚,六亚甲基四胺和三氟乙酸的用量分别为0.5~1.5g(2.56~7.68mmol),2.15~6.45g(15.36~46.08mmol),40~80ml,回流反应温度为100～120℃,反应时间为4～8h。

上述合成方法步骤s3中,2-氨基-4-苯基噻唑和3-甲酰基-4-羟基联苯氰的用0.176～0.528g(1～3mmol),0.227~0.681g(1～3mmol),无水乙醇的用量为40~60ml,回流温度为60~80℃,反应时间为8～10h。

本发明还提供一种基于苯基噻唑和对氰基联苯酚的荧光传感材料用于环境水样中fe³⁺的痕量检测的用途。

本发明还提供一种基于苯基噻唑和对氰基联苯酚的荧光传感材料用于生物体细胞中fe³⁺的成像分析检测。

本发明的技术效果为：

（1）本发明提供了一种基于苯基噻唑和对氰基联苯酚的荧光传感材料、其制备方法及应用。苯基噻唑和对氰基联苯酚两者都带有芳香环共轭体系，苯基噻唑环上有氨基基团修饰，所选择的另一原料对羟基联苯酚也是一种容易在酚羟基邻位修饰醛基的物质，两者通过c=n键相结合形成一个带有大共轭结构的席夫碱类化合物，制得的材料自身结构稳定，由于共轭体系而发射强的橘红色荧光，该特定的化学结构为其成为传感材料提供了前提。此外对氰基联苯酚上的酚羟基以及噻唑环上的氮原子都可提供电子作为金属离子的结合位点。

（2）本发明中荧光分子探针是采用亲核反应将2-氨基-4-苯基噻唑和3-甲酰基-4-羟基联苯氰进行有效的结合，合成条件温和易于控制，后处理纯化简单易行。实验过程中的原料的量是基于大量实验尝试而确定的最优的反应摩尔比。反应温度和反应时间也是基于反应速率和产率来确定的。在最佳的这些参数范围内，合成产率均高达80%以上。

（3）本发明的荧光分子探针溶液体系中，加入适量的fe³⁺后，本身的蓝色荧光会发生猝灭，这是由于探针结构中多个o和n结合位点会与fe³⁺离子发生络合作用形成“分子探针—fe³⁺”复合体，而fe³⁺离子的顺磁性和未填充的d轨道特性会改变了探针分子结构的电荷分布从而导致光学性质的改变，响应信号通过荧光淬灭进行传递。相比传统的检测技术，采用本发明制备的荧光分子探针对fe³⁺进行检测，选择性和灵敏度高，其他常见的金属离子的干扰小，只需要荧光分光光度计进行辅助检测，无需大型仪器，响应时间快，识别信号在紫外灯下可视化。

（4）本发明的荧光分子探针能够用于实际水体中fe³⁺浓度的检测；同时该探针也能用于生物体细胞中fe³⁺离子的荧光成像检测分析。

附图说明

图1为实施例3所制备的基于苯基噻唑和对氰基联苯酚的荧光传感材料的合成过程示意图，图中a为2-氨基-4-苯基噻唑，b为2-氨基-4-苯基噻唑，i为基于苯基噻唑和对氰基联苯酚的荧光传感材料。

图2为实施例3所制备荧光传感材料的¹hnmr，其中溶剂为dmso-d6。

图3为实施例3所制备荧光传感材料的¹³cnmr，其中溶剂为dmso-d6。

图4为实施例3所制备荧光传感材料的ms图。

图5为实施例3所制备荧光传感材料的荧光光谱图。

图6为实施例3所制备荧光传感材料在不同金属离子存在时的荧光光谱图。图中的1表示的是本发明制备的荧光传感材料。

图7为实施例3所制备荧光传感材料在不同浓度fe³⁺存在时的荧光光谱图。

图8为实施例3所制备荧光传感材料的荧光增强程度[i-i0]与存在的fe³⁺浓度的线性关系图。

图9为实施例3所制备荧光传感材料的1/[i-i0]与1/[fe³⁺]的线性关系图。

图10为实施例3所制备荧光传感材料与fe³⁺离子的job曲线。

图11为实施例3所制备荧光传感材料用于生物体活细胞中fe³⁺的成像图；图中a为加入荧光传感材料培养后的细胞在明场下的成像，b为加入荧光传感材料培养后的细胞在荧光场下的成像，c为加入20μmfe³⁺后细胞在荧光场下的成像。

具体实施方式

为使本领域技术人员更好的理解本发明的技术方案，下面将结合附图说明对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1：

s1.制备2-氨基-4-苯基噻唑：将2.05g苯乙酮和2.13g硫脲的置于圆底烧瓶中，加入3.80g碘单质，密封后在40℃油浴锅反应24h，反应结束后加入热水搅拌加热直到成为一个均匀的溶液体系，过滤，将滤液冷却至室温然后加入氨水调节ph为弱碱性（ph=8），产品析出并在乙醇中重结晶进行纯化。

s2.制备3-甲酰基-4-羟基联苯氰：对氰基联苯酚0.5g和六亚甲基四胺2.15g溶解在40ml三氟乙酸中至于圆底烧瓶中在100℃回流4h。反应结束后，将反应溶液冷却至室温，加入1.0mhcl(100ml)酸化，然后用二氯甲烷进行萃取。收集有机层用水洗涤三次，并用无水硫酸镁进行干燥，过滤后减压移除溶剂得3-甲酰基-4-羟基联苯氰。

s3.制备基于苯基噻唑和对氰基联苯酚的荧光传感材料：将0.176g2-氨基-4-苯基噻唑和0.227g3-甲酰基-4-羟基联苯氰置于圆底烧瓶中，用40ml无水乙醇将其溶解，滴加2滴冰乙酸作为催化剂。在60℃油浴锅中搅拌回流8h，待反应结束后冷却至室温，减压旋蒸移除溶剂得粗产品，在乙醇中重结晶纯化得产品。

实施例2：

s1.制备2-氨基-4-苯基噻唑：将2.74g苯乙酮和2.84g硫脲的置于圆底烧瓶中，加入5.08g碘单质，密封后在50℃油浴锅反应27h，反应结束后加入热水搅拌加热直到成为一个均匀的溶液体系，过滤，将滤液冷却至室温然后加入氨水调节ph为弱碱性（ph=8）,产品析出并在乙醇中重结晶进行纯化。

s2.制备3-甲酰基-4-羟基联苯氰：对氰基联苯酚1.0g和六亚甲基四胺5.30g溶解在60ml三氟乙酸中至于圆底烧瓶中在110℃回流6h。反应结束后，将反应溶液冷却至室温，加入1.0mhcl(100ml)酸化，然后用二氯甲烷进行萃取。收集有机层用水洗涤三次，并用无水硫酸镁进行干燥，过滤后减压移除溶剂得3-甲酰基-4-羟基联苯氰。

s3.制备基于苯基噻唑和对氰基联苯酚的荧光传感材料：将0.352g2-氨基-4-苯基噻唑和0.454g3-甲酰基-4-羟基联苯氰置于圆底烧瓶中，用50ml无水乙醇将其溶解，滴加2滴冰乙酸作为催化剂。在70℃油浴锅中搅拌回流9h，待反应结束后冷却至室温，减压旋蒸移除溶剂得粗产品，在乙醇中重结晶纯化得产品。

实施例3：

s1.制备2-氨基-4-苯基噻唑：将3.42g苯乙酮和3.55g硫脲的置于圆底烧瓶中，加入6.35g碘单质，密封后在60℃油浴锅反应反应30h，反应结束后加入热水搅拌加热直到成为一个均匀的溶液体系，过滤，将滤液冷却至室温然后加入氨水调节ph为弱碱性（ph=8）,产品析出并在乙醇中重结晶进行纯化。

s2.制备3-甲酰基-4-羟基联苯氰：对氰基联苯酚1.5g,和六亚甲基四胺6.45g溶解在80ml三氟乙酸中至于圆底烧瓶中在120℃回流8h。反应结束后，将反应溶液冷却至室温，加入1.0mhcl(100ml)酸化，然后用二氯甲烷进行萃取。收集有机层用水洗涤三次，并用无水硫酸镁进行干燥，过滤后减压移除溶剂得3-甲酰基-4-羟基联苯氰。

s3.制备基于苯基噻唑和对氰基联苯酚的荧光传感材料：将0.528g2-氨基-4-苯基噻唑和0.681g3-甲酰基-4-羟基联苯氰置于圆底烧瓶中，用60ml无水乙醇将其溶解，滴加2滴冰乙酸作为催化剂。在80℃油浴锅中搅拌回流10h，待反应结束后冷却至室温，减压旋蒸移除溶剂得粗产品，在乙醇中重结晶纯化得产品。

如图1所示是基于苯基噻唑和对氰基联苯酚的荧光传感材料的合成过程示意图。

如图2所示为所制备荧光传感材料的¹hnmr图,其中溶剂为dmso-d6,光谱解析：¹hnmr(400mhz,dmso)δ10.00(s,-oh),7.91(dd,j=10.1,5.5hz,1h),7.85(dd,j=7.9,5.9hz,1h),7.81–7.77(m,1h),7.69(dd,j=10.5,5.3hz,1h),7.42(s,1h),7.36(s,1h),7.33–7.29(m,1h),7.25(d,j=6.2hz,1h),7.16(dt,j=8.8,4.3hz,2h),7.06(s,1h),7.01(s,1h),6.95–6.86(m,2h)；图3为¹³cnmr,其中溶剂为dmso-d6,光谱解析：¹³cnmr(101mhz,dmso)δ168.65,166.06,155.88–155.66,150.50–150.10,145.79,135.73,135.47–135.35,133.49,133.19,128.85,128.79,128.38,128.15,127.62,127.50,127.03,126.88,126.53–126.38，125.99,124.57,101.94,56.51,19.03.

通过核磁谱图可以确定制备合成的荧光分子探针与图1中预期的结构是一致的。

图4为本发明所制备荧光传感材料（c23h15on3s,mn=381）的ms图，其中，404.67为[m+na]对应的分子量,进一步证实了该荧光传感材料的结构。

图5为制备荧光传感材料（10µm）在hepes缓冲溶液（0.05m,ph=7.4）/无水乙醇（8:2,v/v）溶液体系中的荧光发射光谱图。激发波长为420nm，荧光狭缝宽度均为5。从图中可以看出该荧光分子探针在580nm处有强的荧光发射峰。

实施例4：本发明制备的荧光传感材料对fe³⁺检测的特异性验证

将实施例3中制备的荧光传感材料制备成1mm的储备液待用。取1ml上述储备液用hepes缓冲溶液（0.05m,ph=7.4）/无水乙醇（8:2,v/v）定容到100ml配制成10μm荧光传感材料溶液。分别移取4ml上述10μm的待用溶液，分别加入10当量不同种常见的金属离子（al³⁺,cd²⁺,co²⁺,cs²⁺,cu²⁺,fe²⁺,fe³⁺,cr³⁺,hg²⁺,k⁺,li²⁺,mg²⁺,mn²⁺,na⁺,ni²⁺,ca²⁺,pb²⁺,sr²⁺和zn²⁺），采用荧光光谱仪分别对各自的荧光光谱进行测定，其中激发波长为420nm。

荧光传感材料自身具有橙黄色荧光，在578nm处有荧光发射，当加入10当量不同金属离子后的荧光光谱如图6所示，从图中可以看出，荧光传感材料对fe³⁺表现出独特的选择性，当fe³⁺存在时，578nm的荧光发射在很大程度下减弱，在紫外灯照射下可呈现出肉眼可见的荧光从有到无的现象。然而，其他金属离子的存在并没有引起传感材料体系荧光的改变，这个结果表明fe³⁺对本发明制备的荧光传感材料具有荧光淬灭性，可以实现对fe³⁺的选择性识别检测。

实施例5:本发明制备的荧光传感材料对fe³⁺检测的灵敏性验证

移取实施例4中的10μm的待用溶液，分别对fe³⁺进行荧光滴定实验，即分别加入0～10当量的fe³⁺进行荧光光谱。本实施例中用到的金属离子浓度分别为：0.1×10^-5m、0.2×10^-5m、0.3×10^-5m、0.4×10^-5m、0.5×10^-5m、0.6×10^-5m、0.7×10^-5m、0.8×10^-5m、0.9×10^-5m、1.0×10^-5m、1.1×10^-5m、1.2×10^-5m、1.3×10^-5m、1.4×10^-5m、1.5×10^-5m、1.6×10^-5m、1.7×10^-5m、1.8×10^-5m、1.9×10^-5m、2.0×10^-5m、3.0×10^-5m、4.0×10^-5m、5.0×10^-5m、6.0×10^-5m、8.0×10^-5m、10.0×10^-5m。

荧光滴定实验的荧光发射光谱如图7所示，从图中可以看出，随着金属fe³⁺离子浓度的增加578nm处的荧光发射峰逐渐减弱，插图为对应的fe³⁺离子的浓度与荧光减弱程度（i0-i）之间的线性关系，可以看出在0~1×10^-5m金属离子浓度范围内两者呈现出良好的线性关系，线性方程的斜率（slope）为4.28×10⁷，根据方程lod（l）=3σ/slope（20次空白样的标准偏差σ=1.351）计算得最低检出限可低达9.46×10^-8m。结果表明该荧光传感材料对一定浓度范围内的fe³⁺可进行定量检测并具有高的灵敏性。图8为1/[i0-i]与1/[m](m表示金属离子)之间的线性关系，可以看出两者成线性，根据benesi-hildebrand方程（1/(i0-i)=1/(i-ic)+1/(k(i0-i)[m])）计算荧光传感材料与fe³⁺的结合常数k为9.716×10⁴m^-1，这说明金属离子与探针分子具有很强的结合作用。

实施例6：本发明制备的荧光传感材料对fe³⁺结合比例验证

配制10μm的fe³⁺离子溶液，分别将实施例4中配制的10μm荧光传感材料的待用溶液与10μm的金属fe³⁺溶液按不同体积比（0:10～10:0）混合，使得两者混合物的总浓度为10μm，对一系列的混合物进行荧光光谱测定，制备job曲线确定结合比例。本实施例中用到的体积比分别为：0:10、1:9、2:8、3:7、4:6、5:5、6:4、7:3、8:2、9:1、10:0。

图9为荧光传感材料与fe³⁺的job曲线，从图中可以看出，当fe³⁺浓度与荧光传感材料体积比小于5:5时，混合体系在578nm处的荧光强度随呈直线下降趋势，当两者体积比为5:5时，即fe³⁺的浓度为体系浓度的一半时，荧光强度的下降趋势出现了转折点，随着两者体积比大于5:5时，在578nm处的荧光强度下降趋势非常缓慢；这可以初步断定荧光传感材料与金属离子是以1:1化学计量比进行结合。

实施例7：本发明制备的荧光传感材料对水样中fe³⁺进行的加标实验

采集实际环境水样（长江水），对fe³⁺进行加标实验，分别配制成2mm，5mm，10mm的fe³⁺水溶液作为待测水样。移取5ml实施例4中配制的10μm荧光传感材料的待用溶液，分别加入25μl上述配好的不同浓度的fe³⁺水样，并测量体系的荧光光谱。

荧光传感材料对实际水样中fe³⁺的检测效果如图10所示，从结果可以看出，荧光传感材料对实际水体中的fe³⁺的检测依然具有很高的灵敏性，水体中fe³⁺浓度不同，荧光淬灭的程度也不同，根据实施例5中相应的荧光淬灭程度与fe³⁺浓度之间的线性关系可以实现水体中目标金属离子的定性和定量检测。

实施例8：本发明制备的荧光传感材料对细胞中fe³⁺的成像分析

将ramos细胞在rpmi-1640培养液中在培养箱中进行培养24h，然后加入50μm的实例3中制备的荧光传感材料继续培养30min，之后用pbs缓冲溶液洗涤三次移除残余的荧光传感材料，分别加入20μmfe³⁺继续在培养30min，然后再次用培养液洗涤细胞，采用倒置荧光显微镜对加入金属离子前后的细胞进行成像分析。

荧光传感材料对生物细胞中fe³⁺的成像结果如图11所示，图11-a和图11-b分别为加入荧光传感材料培养后的细胞在明场和荧光场下的成像，图a表明该传感材料具有低的生理毒性，并没有对生物细胞造成破坏，图11-b表明用荧光传感材料培养过的细胞呈现出红色荧光；图11-c为加入fe³⁺后细胞在荧光场下的成像情况。从图中可以看出，细胞中fe³⁺的存在会引起细胞内部的荧光淬灭。这一结果充分的表明荧光传感材料具有良好的生物膜透过性并已成功进入细胞到内部，同时也证实了荧光传感材料可用于生物体细胞中fe³⁺荧光成像检测分析。