一种多金属离子同时选择测定的荧光探针试剂及制备和应用
【技术领域】
[0001] 本发明属有机合成和分析化学领域，具体地说是一种多金属离子同时选择测定的 探针试剂及制备和应用。
【背景技术】
[0002] 荧光探针对目标的测试通过识别作用以光谱变化而表达，识别性能取决于探针分 子的结合位点与发光特性。能同时实现多种金属离子的分别检测是探针分子设计追求的目 标。单探针多目标分析可在较短的时间内实现快速、高效和经济的测试。利用吸收和荧光增 强或猝灭、光谱的变化实现对特定目标分子、离子的检测是荧光探针应用的主要方法。与单 一波长测定方法相比，比率吸收检测具有更高的灵敏度、准确度和选择性。能有效降低在实 际应用中可能受到探针自身浓度、测试条件、光源强度波动及仪器敏感性等因素的影响，具 有内在校准特点，有更好应用前景。目前，利用比率荧光或比率吸收进行离子测定的探针试 剂报道相对较少。
[0003] 铁、锌、铜、铝、钴等元素在自然界中分布广泛，在生理过程和人体健康中是必须的 元素。而汞是一种高毒性的重金属元素，对环境和人类健康的危害性极大。这些离子的检测 方法在研究生命、医学和环境等相关领域中都具有重要意义。利用荧光探针法对生命和环 境相关金属离子的研究已有很多报道，但大多数是单探针单目标测试，或单探针单目标双 模式测试，少部分具有单探针双目标双模式检测，能够实现单探针三目标检测已属罕见。要 实现单探针多目标多模式识别检测，探针分子的结构必须满足特殊的识别和检测特性，因 此对于探针的结构设计和识别机理运用有极大的挑战性。
[0004] 本发明所指的多金属离子同时选择测定的探针试剂，是三角架型荧光探针试剂是 以三(2_氨乙基)胺等三角结构的分子为平台，通过罗丹明、萘酰亚胺、芘等荧光基团对三个 侧链的修饰，获得具有探针性能的化合物，实现对特定离子的检测识别。在已有的三角架荧 光探针报道中大多集中在对? 63+、〇!2+、2112+^13+、(> 3+等单个离子的识别检测，也报道过同 时识别柠檬酸根和Cu2+等的单探针，而单一探针同时实现多种离子的分别检测目前未见报 道。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的，在于发明一种探针试剂，以此单一探针试剂实现对多种金属离子 的同时分别检测而不需要经过繁杂的分离手续。
[0006] 本发明一种多金属离子同时选择测定的探针试剂，是以三（2-氨乙基）胺为母体， 在其三个氨基链上分别连接一个罗丹明B基团和两个2-羟基-1-萘甲醛基团，制备得到一种 三角架结构的罗丹明-羟基萘衍生物，简称探针，结构式为：
化合物名称:三[N，N'_二(2-羟基萘亚甲基)-N'_罗丹明甲酰基-氨乙基]胺 分子式:C56H58N6〇4 分子量:879.10 溶解性:溶于二氯甲烷、三氯甲烷、四氢呋喃、1，4-二氧六环、二甲亚砜等。
[0007] 光谱性质：在乙腈溶液中，以386nm为荧光激发波长，在发射446nm和580nm波长发 射微弱荧光;在1，4_二氧六环溶液中，紫外吸收带波长为308nm，400nm和420nm，，是比率 吸收同时选择测定Cu 2+、C〇2+、Fe3+的特效试剂;也是荧光光谱同时选择测定Zn 2+、Cu2+、Al3+、 Hg2+的特效试剂。
[0008] 探针的合成是以三(2-氨乙基)胺为三角架平台分子，罗丹明B和2-羟基-1-萘甲醛 为修饰基团，首先在三(2-氨乙基)胺的一个氨基链上连接一个罗丹明B基团，得到中间体， 再在中间体的两个氨基链上分别连接两个2-羟基-1-萘基团，通过二步反应合成得到，合成 路线为：
所述的一种多金属离子同时选择测定的探针试剂的制备的具体步骤和工艺条件为： 第一步，在250mL三口瓶中，按三(2-氨乙基)胺与罗丹明B摩尔比为7~10:1的比率将三 (2-氨乙基)胺滴加到罗丹明B乙醇溶液中，滴加速度为每秒1~1.5滴，滴加完后，氮气保护下 回流，减压蒸去乙醇，用二氯甲烷萃取，有机相用无水硫酸镁干燥，蒸去溶剂，得红色油状液 体，柱层析提纯，洗脱剂为氯仿/甲醇/三乙胺，得无色油状液体中间体； 反应温度:78°C回流 反应时间：36h 反应溶剂:经干燥处理的乙醇 洗脱剂:体积比氯仿/甲醇/三乙胺=9/1/1 第二步，在三口瓶中，按摩尔比1: 2~2.2的比率加入中间体和2-羟基-1-萘甲醛，再加 入甲醇，氮气保护下反应，蒸去溶剂，减压硅胶柱层析提纯，洗脱剂为氯仿，洗脱剂收集速度 为每分钟25~30ml，得黄色固体粉末探针； 反应温度:40°C 反应时间:3h 反应溶剂:经干燥处理的甲醇 洗脱剂:氯仿 本发明一种多金属离子同时选择测定的探针试剂的应用是利用紫外-可见吸收和荧光 光谱，探针对多种金属离子选择性检测， :(1)紫外-可见吸收光谱法利用探针在1，4_二氧六环/水19/l，v/v溶液中，用三羟甲基 氨基甲烷Tris和HC1调节溶液pH=7,探针对不同金属离子的比率吸收波长的差异分别检测 Cu2+、Co2+、Fe3+:用310nm与400nm处的吸光度比值检测Cu 2+;用455nm与420nm处的吸光度比值 检测Co2+;用550nm与420nm处的吸光度比值检测Fe 3+;(2)荧光光谱法利用探针在乙腈/水 19/1，v/v溶液中，用三羟甲基氨基甲烷Tris和HC1调节pH值，以386nm为荧光激发波长，探针 对不同金属离子发射荧光波长的差异或对特定波长的荧光猝灭，分别检测Zn 2+、Cu2+、Al3+、 Hg2+:探针的乙腈/水19/1，v/v，pH=8溶液，测定448nm处荧光强度检测Zn2+;摩尔比1:1的探 针-Zn 2+混合物的乙腈/水19/1，v/v，pH=8溶液，测定448nm处荧光猝灭检测Cu2+;探针的乙 腈/水19/1^八，？!1=5溶液，测定58〇11111处荧光强度检测41 3+;探针的乙腈/水19/1^八，？!1=2 溶液，测定580nm处荧光强度检测Hg2+; (3)在日光下，探针吸收光谱法检测Cu2+时，溶液颜色 由黄变无色；探针检测Co2+时，溶液颜色由黄变无色；探针检测Fe 3+时，溶液颜色由黄变红 色；在365nm紫外灯下，探针荧光光谱法检测Zn2+呈蓝色荧光;探针检测Al 3+呈桃红色荧光； 探针检测Hg2+呈橙红色荧光;探针-Zn2+混合物检测Cu 2+呈现蓝色荧光消失。
[0009]利用紫外-可见吸收和荧光光谱，探针试剂对多金属离子选择性检测时：（1)探针 吸收光谱法测定Cu2+时，其他共存金属离子包括Zn2+，Li+，Na+，K+，Mg 2+，Ca2+，Ba2+，Sr2+，Hg2+， Co2+，Ni2+，Cd2+，Pb2+，Ag+，Al 3+，Cr3+，Fe3+，La3+之一，在浓度与 Cu2+相同时，除Fe3+略有影响外， 其他离子对Cu2+的测定无干扰;吸收光谱法测定Co 2+时，其他共存金属离子包括Zn2+，Li +，Na +, K+, Mg2+, Ca2+, Ba2+, Sr2+, Hg2+, Cu2+, Ni2+, Cd2+, Pb2+, Ag+, Al3+, Cr3+, Fe3+, La3+Z-, Co2+相同时，对Co2+的测定无干扰;吸收光谱法测定Fe3+时，其他共存金属离子包括Zn 2+，Li+， Na+，K+，Mg2+，Ca2+，Ba2+，Sr2+，Hg 2+，Cu2+，Co2+，Ni2+，Cd2+，Pb 2+，Ag+，Al3+，Cr3+，La3+之一，在浓度 与Fe 3+相同时，对Fe3+的测定无干扰；（2)探针荧光光谱法检测Zn2+时，其他共存金属离子包 括 Li+，Na+，K+，Mg2+，Ca2+，Ba2+，Sr2+，Hg 2+，Co2+，Ni2+，Cu2+，Cd2+，Pb 2+，Ag+，Al3+，Cr3+，Fe3+，La 3.之 一，在浓度与Zn2+相同时，除Cu2+外，其他离子对Zn 2+的测定无干扰;焚光光谱法检测Al3+时， 其他共存金属离子包括 Li +，Na+，K+，Mg2+，Ca2+，Ba2+，Sr2+，Hg 2+，Co2+，Ni2+，Cu2+，Cd2+，Pb 2+，Ag+， Zn2+，Cr3+，Fe3+，La3+之一，在浓度与Al 3+相同时，对Al3+的测定无干扰；焚光光谱法检测Hg2+ 时，其他共存金属离子包括 Li.，Na+，K+，Mg2+，Ca2+，Ba2+，Sr2+，Co 2+，Ni2+，Cu2+，Cd2+，Pb2+，Ag+， Zn2+，Al3+，Cr3+，Fe3+，La 3+之一，在浓度与Hg2+相同时，对Hg2+的测定无干扰;探针-Zn2+混合物 荧光光谱法检测Cu 2+时，其他共存金属离子包括Li+，Na+，K+，Mg2+，Ca2+，Ba 2+，Sr2+，Co2+，Ni2+， Hg2+，Cd2+，Pb2+，Ag+，Al3+，Cr 3+，Fe3+，La3+之一，在浓度与Cu2+相同时，对Cu 2+的测定无干扰。
[0010] 利用紫外-可见吸收和荧光光谱，探针试剂对多金属离子选择性检测时：1)紫外-可见光谱测定探针在310nm与400nm吸光度比值检测微量Cu 2+的浓度线性范围为0.9~ΙΟμΜ， 检测限为〇.15μΜ;探针在455nm与420nm吸光度比值检测微量Co 2+的浓度线性范围为4.5~11μ Μ，检测限为Ο.ΙΟμΜ;探针在550nm与420nm吸光度比值检测微量Fe 3+的浓度线性范围为0.9~7 μΜ，检测限为0.55μΜ;(2)荧光光谱法测定，探针检测微量Zn2+的浓度线性范围为0.04~ΙΟμΜ， 检测限为11.6ηΜ;探针-Ζη 2+混合物检测微量Cu2+离子的浓度线性范围为0.08~ΙΙμΜ，检测限 为ΙΟηΜ;探针检测微量Al 3+离子的浓度线性范围为2.0~ΙΙΟμΜ，检测限为191ηΜ;探针定量检 测微量Hg2+离子的浓度线性范围为0.4~45μΜ，检测限为112ηΜ。
[0011] 表1探针化合物的核磁共振氢谱数据、碳谱数据、质谱数据和红外特征峰光谱数据 I-1-1
本发明的创造性主要体现在：（1)化合物结构的新颖性。文献报道的以三(2-氨乙基)胺 为母体制备的三角架型荧光探针大多是以相同荧光基团同时修饰其三个氨基链，得到结构 对称的三角架探针分子。本发明是在三(2-氨乙基)胺分子上用一个罗丹明B基团和两个2- 羟基-1-萘甲醛分别修饰其三个氨基链，得到结构不对称的三角架型探针分子；（2)合成制 备技术差异显著。同时在三(2-氨乙基）胺的三个氨基链上连接相同的荧光基团，其制备条 件容易控制，而要在三个氨基链上分别连接不同的荧光基团，在反应原料投料量、投料速率 和产物纯化分离技术要严格控制，否则难以得到目标化合物。本发明中三氨乙基胺与罗丹 明B的摩尔比控制在7~10:1。同时，三(2-氨乙基)胺乙醇溶液在滴入回流中的罗丹明B乙醇 溶液中的滴加速度控制在每秒1~1.5滴。由于探针的席夫碱结构在硅胶柱中容易分解，探针 的纯化分离采用减压快速分离法，洗脱剂收集速度为每分钟25~30ml，洗脱剂为三氯甲烷； (3) 识别性质差异显著。对称结构的三角架荧光探针大多数为对单一或两个目标离子的识 另IJ，而本发明的不对称结构的三角架探针能用紫外-