一种基于芘激基复合物的镉离子荧光探针及其制备方法和应用与流程

本发明属于化学分析检测领域，具体涉及一种基于芘激基复合物的镉离子荧光探针、其制备方法及应用。

背景技术：

镉是一种对人体和环境最有威胁和毒害作用的金属之一。在自然界中，镉离子被各种动植物吸收并通过食物链富集而进入人体，对身体健康造成一系列有害影响。尽管镉离子对环境以及人体健康造成不良影响，但是它仍然被广泛应用于工业生产过程中。因此寻求快速、高效的镉离子检测方法，使其应用于医药、环境、食品等领域是十分必要的。荧光检测法方法简便，而且在灵敏度、选择性、响应时间以及生物应用等方面具有突出优点。近年来，得到广泛应用。

目前，大多数已报道的镉离子荧光探针主要是基于EDTA酰胺衍生物为配体或DPEA/DPA为配体的镉离子探针,通过与镉离子络合后发生荧光的淬灭或增强，或荧光发射波长的红移或蓝移来实现检测镉离子[(a)Gunnlaugsson,T.；Lee,T.C.；Parkesh,R.Org.Lett.2003,5,4065.(b)Yang,Y.-Y.；Cheng,T.-Y.；Zhu,W.-P.；Xu,Y.-F.；Qian,X.-H.Org.Lett.2011,13,264.(c)Taki,M.；Desaki,M.；Ojida,A.；Iyoshi,S.；Hirayama,T.；Hamachi,I.；Yamamoto,Y.J.Am.Chem.Soc.2008,130,12564.(d)Liu,Z.P.；Zhang,C.L.；He,W.J.；Yang,Z.H.；Gao,X.；Guo,Z.J.Chem.Commun.2010,46,6138.]。这些镉离子探针通常具有较好的灵敏度以及快速的响应时间，但是对镉离子的结合选择性比较差，容易受到其他金属离子特别是同族金属锌离子的干扰。本发明涉及的这类基于芘激基复合物探针很好的解决了选择性问题。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种基于芘激基复合物的镉离子荧光探针、其制备方法及应用，该探针对镉离子具有专一的荧光响应信号和较高的灵敏度，制备方法简单，适合放大合成和实际应用。

本发明提供了一种基于芘激基复合物的镉离子荧光探针，该荧光探针结构如下：

本发明提供基于芘激基复合物的镉离子荧光探针的制备方法，该方法具体步骤如下：

1)1-(2-氯乙酰基)芘的合成：1-氨基芘加入CH₂Cl₂中，再加入DMAP， 冰浴条件下，向其中缓慢滴加氯乙酰氯。缓慢升至室温，搅拌反应5-8h。反应结束后旋转蒸发掉溶剂，过硅胶柱分离，洗脱剂石油醚:乙酸乙酯＝100:5-100:20；旋干收集到的含产物的洗脱剂得到1-(2-氯乙酰基)芘。2)探针的合成：1-(2-氯乙酰基)芘加入乙腈作为溶剂，再加入KI和DIPEA，向其中缓慢滴加DPA。80-120℃回流反应8-14h，反应结束后，旋干溶剂，过硅胶柱分离，洗脱剂二氯甲烷:甲醇＝200:1-100:10；旋干收集到的含产物的洗脱剂得到权利要求书1中所示探针。步骤1)中，1-氨基芘:CH₂Cl₂:DMAP:氯乙酰氯＝1g:20-80mL:0.7-1mL:0.4-0.5mL。

步骤2)中，1-(2-氯乙酰基)芘:乙腈:KI:DIPEA:DPA＝1g:20-80mL:0.5-0.6g:8-12mL:2.4-2.8mL。

步骤1)中，所述硅胶柱分离温度在15-40℃，流速为0.1mL/min–20mL/min，洗脱剂为二氯甲烷:甲醇＝200:1-100:10，收集到含有1-(2-氯乙酰基)芘的洗脱剂低压下30-60℃旋干。

步骤2)中，所述硅胶柱分离，温度在15-40℃，流速为0.1mL/min–20mL/min，洗脱剂为二氯甲烷:甲醇＝200:0-100:10，收集到含有1-(2-氯乙酰基)芘的洗脱剂低压下30-60℃旋干。

本发明提供的荧光探针应用于在环境保护中检测水溶液中的镉离子。

本发明具有以下具体特征：

探针分子原料易得，合成路线简单、反应条件温和、后处理简单方便，对镉离子有特异的识别能力，响应速度较快，酰胺-DPA受体与镉离子的2:1的结合方式，导致激基复合物的荧光峰增强。探针在5％CH₃CN的水混合溶液中溶解性较好，单体发射波长在380nm，随着镉离子的加入，探针分子在490nm出现较强的激基复合物发射峰。因此可以用于检测水溶液中的镉离子，可应用在环境当中镉离子的检测。

附图说明

图1为该荧光探针的结构式；

图2为该荧光探针的合成路线示意图；

图3为实施例1制备的中间体1-(2-氯乙酰基)芘的¹H NMR谱图

图4为实施例1制备的中间体1-(2-氯乙酰基)芘的¹³C NMR谱图

图5为实施例1制备的荧光探针的¹H NMR谱图

图6为实施例1制备的荧光探针的¹³C NMR谱图

图7为在5％CH₃CN的水溶液中探针加入Cd²⁺前后的荧光光谱图；

图8为实施例1制备的荧光探针加入不同金属离子后的荧光光谱图变化情况；

图9为J-P曲线，实施例1制备的探针与镉离子的浓度总和为10μm，横坐标为探针的浓度从0μM-10μM，纵坐标490nm激基复合物荧光峰强度与最大强度的比值；

图10核磁滴定，所用溶剂为CD₃CN，探针的初始浓度为0.5mg/mL，向其中滴定不同浓度的Cd²⁺离子的核磁谱图；

具体实施方式

下面的实施例将对本发明予以进一步的说明，但并不因此而限制本发明。

实施例1：激基复合物型镉离子荧光探针，基本合成过程如下：

1)1-(2-氯乙酰基)芘的合成：在单口瓶中加入1g的1-氨基芘，加入100mL的CH₂Cl₂作为溶剂，再加入0.9g的DMAP，冰浴条件下，向其中缓慢滴加0.43mL的氯乙酰氯。缓慢升至室温，搅拌6h。反应结束后旋转蒸发掉溶剂，过硅胶柱，洗脱剂石油醚：乙酸乙酯＝10:1。旋干收集到含有产物的洗脱剂，产物为白色固体，产率74％。中间体核磁氢谱、碳谱分别如图3、图4所示。

2)探针的合成：在单口瓶中加入0.63g 1-(2-氯乙酰基)芘，加入150mL的乙腈作为溶剂，再加入0.38g的KI和6mL的DIPEA，向其中缓慢滴加1.6mL的DPA。80℃回流反应12h，反应结束后，旋干溶剂，过硅胶柱，洗脱剂为CH₂Cl₂，旋干收集到含有产物的洗脱剂，产物为黄色油状物，产率70％。荧光探针核磁氢谱、碳谱分别如图5、图6所示。

探针的氢谱数据如下：¹H NMR(CD₃CN,400MHz)δ11.47(s,1H),8.65(t,3H),8.51(d,2H),8.25(m,4H),8.09(m,3H),7.70(t,2H),7.45(d,2H),7.21(t,2H),4.09(s,4H),3.66(s,2H)。

实施例2：实施例1制备的荧光探针对镉离子测定的响应情况

将实施例1制备的探针溶于CH₃CN溶液中，加入到CH₃CN:H₂O(1:19，v/v)混合溶剂中，制配成探针浓度为10^-5M的溶液，测试其荧光光谱变化。

图7中探针浓度为10μM，当镉离子的浓度为5μM时，其荧光光谱在490nm处发生明显增强变化，表明两分子探针与一个镉离子以2:1方式结合以后，两个芘荧光团靠近产生了激基复合物荧光峰。其激发波长为360nm。

实施例3：实施例1制备的荧光探针与镉离子在CH₃CN溶液中的络合比例

将实施例1制备的探针溶于的CH₃CN溶液中，制配成探针浓度为10^-5M的溶液，测试探针与不同金属离子络合后的荧光光谱变化。所加入的金属离子为探针浓度的3eq，分别为含Zn²⁺，Fe³⁺，Cr³⁺，Ni²⁺，Co²⁺，Pd²⁺，Ag⁺，Cu²⁺，Hg²⁺，Mn²⁺，Cu⁺，Fe²⁺，Cd²⁺，Na⁺，Pb²⁺，Ca²⁺，Pt²⁺，Mg²⁺，K⁺高氯酸盐水溶液。结果如图8所示，表明加入过量的Cd²⁺，会使探针与Cd²⁺形成1:1络合，导致单体荧光峰一定程度的淬灭。

保持探针与镉离子的浓度总和为10μM，在CH₃CN：H2O＝5:95(v/v)溶剂中分别配置[探针]/[探针+Cd²⁺]＝0、0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1的溶液，测试其荧光光谱，去激基复合物的495nm处的荧光强度值做J-P曲线，探针的浓度从0μM-10μM，结果如图9所示，横坐标表示探针与浓度总和的比例，纵坐标为490nm激基复合物峰强度与最大荧光强度的的比值，线性拟合焦点在6.6处取最大值，说明此时激基复合物荧光峰最强，此时探针与镉离子是2:1络合的。

实施例4：实施例1制备的荧光探针在CD₃CN中与镉离子络合的核磁滴定

在CD₃CN中，实施例1制备的探针浓度为0.5mg/mL，向其中滴加不同当量的Cd²⁺,分别做核磁氢谱。结果如图10所示，核磁谱图从下到上以此为加入0eq，0.2eq，0.4eq，0.5eq，0.6eq，0.8eq，1eq，1.2eq，1.4eq的镉离子探针与Cd²⁺离子。结果表明探针与Cd²⁺摩尔比为2:1时，可形成稳定的络合物，继 续滴加Cd²⁺时，络合方式改变为1:1形式，Cd²⁺过量时再次形成稳定络合物，其2:1络合与1:1络合的络合形式从核磁氢谱上看是不同的。