一种锌离子探针的功能性活性染料及其制备方法和应用
【技术领域】
[0001] 本发明属于功能性活性染料及其制备领域，特别涉及一种锌离子探针的功能性活 性染料及其制备方法和应用。
【背景技术】
[0002] 锌离子作为生物体细胞内含量最丰富的过渡金属离子之一，它在许多生理病理过 程，如基因表达，金属酶调控，神经信号传导，细胞凋亡，DNA结合和识别等起着非常重要的 作用。此外，锌作为一种主要的环境污染金属类离子，过量存在可能会导致土壤中微生物系 统的破坏。同时，它也是农产品和食品中常见的污染物。因此，锌离子存在超标时，会导致环 境污染，食物中锌离子过剩，锌对人体的免疫功能起着调节作用，且能维持人的正常生理机 能，促进儿童的正常发育和溃疡的愈合。常用于厌食、营养不良、生长缓慢的儿童，还可治疗 脱发、皮疹、口腔溃疡、胃炎等。锌摄入过多，会导致痿味、口渴、胸部紧束感、干咳、头痛、头 晕、高热、寒战等。粉尘对眼有刺激性。口服刺激胃肠道。长期反复接触对皮肤有刺激性。 [0003]目前检测锌离子的方法有定量检测和定性检测：定量检测一般用乙二胺四乙酸 (H)TA)进行，必须确定有锌离子存在下才能进行定量检测，而无法进行定性检测。常见定 性检测锌离子的方法是：待测液用2摩尔每升醋酸溶液酸化，再加入等体积的硫氰酸汞铵。 摩擦试管壁，生成白色沉淀证明存在锌离子。但是此方法进行定量检测比较困难而且操作 繁琐。
[0004] 自1987年第一个锌离子荧光探针（TsQ)诞生以来，陆续研制开发了几种锌离子 焚光探针，如Zinquin，Zinpyr-1，ACF-1，ACF-2，NewportGreen等。目前锌离子的焚光探 针包括：光诱导电子转移（Photoinduced ElectronTransfer PET)的焚光探针；分子内 共辄电荷转移（Intramolecular Charge Transfer ICT)的焚光探针；焚光共振能量转移 (Fluorescence Resonance Energy Transfer FRET)的焚光探针；鳌合诱导焚光增强的焚 光探针；化学反应类和C = N异构化荧光探针。荧光探针离子检测拥有众多的优点（肉眼可 见检测，灵敏度高，耗材低，仪器设备简便，分子结构易于组装修饰），基于这些优点，荧光探 针类检测可能取代传统的检测方法。而罗丹明B类荧光染料是一种很好的生物荧光物质， 具有良好的光物理性质，其吸收和发射都在长波处（>550nm)，荧光量子产率高，摩尔消光系 数大，背景干扰小等优点，因此在发展荧光探针方面具有重要应用前景。
[0005] 中国专利201110105340. 7 "一种用于检测水相中锌离子的近红外荧光探针及其 制备方法"，以2-氯甲基吡啶盐酸盐，N-叔丁氧羰基乙二胺1-溴萘和叔丁醇钠为主要原料 制备出水溶性荧光探针，其对锌离子有很好的检测性能，其他干扰离子对其影响很小，可以 为临床医学中相关疾病的诊断研究提供参考。中国专利201510025248.8 "特异性识别锌 离子的水溶性荧光探针的制备方法及其应用"，以对甲酞基苯甲酸甲醋、二甘醇胺为原料形 成席夫碱在发生还原反应、阱解反应形成4-N-[(2-乙氧基）乙醇甲氨基]苯甲酰肼，其与 喹啉-8-甲醛反应形成目标化合物。制备的荧光探针对锌离子具有较高的选择性，实现了 对锌离子的高灵敏度检测，对在水溶液中快速检测金属锌离子具有重要的应用价值。中国 专利201510012279. X"锌离子检测用量子点比率荧光探针及其检测方法"，一种锌离子检测 用量子点比率荧光探针及其检测方法，其中，锌离子检测用量子点比率荧光探针由发绿色 荧光CdSe/ZnS量子点和发黄色荧光CdSe/CdZnS/ZnS量子点及叶琳分子通过静电组装的方 式连接后制成，其中上述两种量子点与叶琳的摩尔浓度比分别为1 :1〇。利用比率荧光检测 法，工艺简单，价格低廉，重现性好，适用于环境、饮用水和体液中，具有良好的应用前景。通 过查阅大量的专利发现，几乎没有专利上面注明探针和离子浓度等之间的相互关系，也没 有注明对离子的检测范围。
【发明内容】
[0006] 本发明所要解决的技术问题是提供一种锌离子探针的功能性活性染料及其制备 方法和应用，该活性染料对锌离子有很好的选择性，在污水处理应用中不仅方便而且具有 较好的使用效果。
[0007] 本发明的一种锌离子探针的功能性活性染料，结构式为：
[0009] 本发明的一种锌离子探针的功能性活性染料的制备方法，包括：
[0010] (1)将罗丹明B溶解于溶剂中，滴加过量水合肼，75~80°C回流反应1~4h，除尽 溶剂及未反应水合肼，得粗罗丹明B酰肼；将粗罗丹明B酰肼溶于酸液，调节体系pH值至产 物完全析出，抽滤，干燥得罗丹明B酰肼；
[0011] (2)对氨基苯甲酸甲酯溶于溶剂中，滴加过量水合肼，75~80°C回流反应2~5h， 除尽溶剂及未反应水合肼，得粗产物对氨基苯甲酰肼；将粗产物溶于溶剂，滴加水杨醛，加 热温度75~80°C回流0. 5~Ih，冷却体系，过滤，重结晶，干燥得水杨醛-4-氨基苯甲酰肼 腙；其中，水杨醛与对氨基苯甲酰肼物质的量比为I :1. 5~1 :2 ;
[0012] (3)三聚氯氰溶于溶剂，加入缚酸剂，冰水浴氮气保护下控制体系温度在-5°c~ 5°C，滴加步骤（1)中罗丹明B酰肼，搅拌6~8h，过滤，旋转蒸发除尽溶剂，产物水洗得一缩 产物；其中，罗丹明B酰肼和三聚氯氰物质的量比为1:1~1:1. 5 ;
[0013] (4)步骤（3)中一缩产物溶于溶剂，加入缚酸剂，滴加步骤（2)中水杨醛-4-氨基 苯甲酰肼腙，控制温度45°C~55°C，回流4~6h，冷却，旋转蒸发，产物多次水洗，干燥，即得 锌离子探针的功能性活性染料；其中，水杨醛-4-氨基苯甲酰肼腙与步骤（3)中一缩产物物 质的量比为1 :1~I :1. 5。
[0014] 所述步骤（1)中调节体系pH值为9~10。
[0015] 所述步骤（1)和步骤（2)中溶剂为无水乙醇；水合肼的质量百分比浓度为80%。
[0016] 所述步骤（1)和步骤（2)中除尽溶剂及未反应水合肼的方法为旋转蒸发。
[0017] 所述步骤（2)中重结晶为乙醇多次重结晶。
[0018] 所述步骤（2)中的水杨醛的质量百分比浓度为98%。
[0019] 所述步骤（3)和步骤（4)中溶剂为丙酮、四氢呋喃、甲苯或N、N-二甲基甲酰胺。
[0020] 所述步骤（3)和步骤（4)中缚酸剂为氢氧化钠、碳酸钠或碳酸氢钠。
[0021] 所述步骤（3)中的三聚氯氰的质量百分比浓度为99%。
[0022] 所述锌离子探针的功能性活性染料的应用于纤维染色得到功能性纤维，吸附检测 污水中的锌离子。
[0023] 本发明的染料既具有锌离子探针功能，又具有的功能性活性染料特性。
[0024] 本发明含有酰胺基团和罗丹明B内酰胺基团，酰胺基团中间含有碳氮双键和苯环 上的酚羟基以及能与纤维结合的三嗪基团，其中的一些基团对锌离子具有识别作用。其机 理在于：由于C = N双键的异构化，加入离子后，分子的刚性改变和共辄性改变对于锌在荧 光增强的同时颜色红移，颜色改变有利于提高探针的灵敏性。内酰胺基团羰基〇、C = N及 三聚氯氰基团中的C = N均可提供孤对电子参与铝离子配位。配位后探针整体共辄性和刚 性增强，有利于实现高灵敏度的荧光探针。
[0025] 制备路线为：
[0028] 基于现有技术的不足，本发明设计合成了一种以水杨醛苯甲酰肼腙和罗丹明B酰 肼为主体的三嗪类活性染料分子，采用红外、核磁、荧光光谱等对离子探针性能进行了研 究。发现三嗪类活性染料荧光探针的荧光强度与锌离子浓度成良好的线性关系，线性范围 为0. 05-1 μ M，检测限为0. 1 μ M。
[0029] 有益效果
[0030] (1)本发明中的荧光探针功能活性染料对锌离子有很好的选择性，在污水处理应 用中不仅方便而且具有较好的使用效果；
[0031] (2)本发明中功能性活性染料为固体粉末，便于使用贮藏，并且合成方法简单、收 率高、成本低，应用前景良好；
[0032] (3)本发明将荧光探针与活性染料相结合，一般的荧光探针只是单一的检测重金 属离子，而这功能性活性染料与纤维结合可设计功能性的纤维，检测和吸附金属离子。
【附图说明】
[0033] 图1为实施例1中罗丹明B (Rb)和罗丹明B酰肼（Rb-A)的紫外变化图谱；横坐标 为紫外吸收波长（nm)，纵坐标为吸光度；
[0034] 图2为实施例2中荧光探针加入锌离子后的荧光变化图谱；横坐标为荧光发射波 长（nm)，纵坐标为荧光强度；
[0035] 图3为实施例3中荧光探针（浓度为10 μ M)在DMF溶液中对锌离子的荧光光谱 响应图；横坐标为荧光发射波长（nm)，纵坐标为荧光强度（激发波长在372nm)，图中曲线分 别代表加入不同浓度的锌离子荧光强度变化曲线；
[0036] 图4为实施例3中荧光探针（浓度为10 μΜ)在DMF溶液中对不同的金属离子 (Zn\ Cd2\ Sr\ Cr3\ Fe3\ Co2\ Ni2\ Cu2\ Na\ Ba2\ Mn2\ Ca2\ Pb2\ Sn2\ Bi\ Hg2+) 性检测的荧光响应图；横坐标为不同的金属离子，纵坐标为荧光强度；
[0037] 图5为实施例3中荧光探针（浓度为50 μM)与锌离子络合比的Job-Plot曲线； 横坐标为c [Zn2+]/c [Zn2++探针]，纵坐标为荧光F-F。;其中F、F。是在372nm的荧光发射强 度；
[0038] 图6为实施例3中荧光探针（浓度为10 μ M)加入锌离子形成的复合物的荧光强 度，横坐标是响应时间（min)，纵坐标为荧光强度。
【具体实施方式】
[0039] 下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明 而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人 员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定 的范围。
[0040] 实施例1
[0041] (1)罗丹明B酰肼的合成
[0042] 取IOOmL三口烧瓶，称取1.200g(2.5mmol)罗丹明B溶于30mL无水乙醇中，室 温下剧烈搅拌并缓慢向内滴加 lmL(19. 8_〇1过量）98%水合肼。78°C加热回流2小时至 溶液由暗紫色变为澄清黄色。反应完成后冷却至室温，利用旋转蒸发仪蒸除溶剂和过量 水合肼，得淡黄色罗丹明B酰肼粗产物。取50mL新配置IM HCl加入粗产物中，产物溶解 呈粉红色溶液状。搅拌下向溶液中缓慢加入IM NaOH，调节pH值至9-10之间。当NaOH 逐滴加入到混合液中时，溶液pH调节至6左右时开始有淡粉色絮状沉淀析出。过滤并3 次用15ml去离子水洗涤沉淀得纯净的罗丹明B酰肼产品。放入50°C真空干燥箱内干燥 至恒重，最终可得淡粉红色粉末状产物。最高产率可得80%。图1的描述：图1中所示 罗丹明B(Rb)和罗丹明B酰肼（Rb-A)的紫外变化图谱，罗丹明B形成罗丹明B酰肼是 闭环的过程，所以在562nm处罗丹明B酰肼没有吸收峰。FTIR(KBr) :v = 345