一种氰根离子探针、制备及应用
【专利摘要】本发明公开了一种氰根离子探针，即(E)?[2ˊ?(4?N,N?二甲氨基苯基)乙烯基]?1,3,3?三甲基吲哚啉碘盐，它是由邻溴苯甲醛首先与4?(N,N?二甲氨基)苯基频哪醇硼酸酯发生Suzuki反应，所得中间体继而再与1,2,3,3?四甲基吲哚啉碘盐发生Witting反应而得。本发明还公开了一种氰根离子探针的应用方法。该探针水溶性好，可在全水介质中对氰根离子进行检测，响应时间短于20s，检测下限达到55nM。除碳酸根与磷酸根可产生微弱干扰外，其他常见阴离子对氰根离子的检测均无任何影响。因此，该探针可用于食品、药品、农产品、染料以及饮水中氰根离子含量的快速检测与监控。
【专利说明】
一种氰根离子探针、制备及应用
技术领域
[0001] 本发明属于氰根离子含量的快速检测与监控技术领域，具体是涉及一种基于聚集 态荧光发射效应的氰根离子探针、制备及应用。
【背景技术】
[0002] 氰化物是一种十分重要的化工原料，广泛用于电镀、冶金、合成染料、合成纤维、合 成树脂等领域，尤其在金矿开采中需要使用大量的氰化物进行矿物的堆浸。据估算，全世界 每年消耗的氰化物大约有150万吨。然而，氰化物的毒性也非常高，哺乳动物可通过肺、消化 道、皮肤等进行吸收，它通过抑制线粒体上细胞色素氧化酶的正常工作而使中毒者产生呕 吐、惊厥、意识丧失、甚至死亡，最小致死量通常为〇. 5-3.5mg/kg体重。含有氰化物的工业废 水对地下和地表水源的污染使得我们的饮用水安全风险增加，开发快速高效检测与监控饮 水中氰根离子的含量变得刻不容缓。此外，由于氰根离子良好的亲核反应性能，它也被大量 应用于医药中间体的合成，因而开发一种能灵敏检出药品中氰化物残余的试剂对保障人民 群众身体健康也十分重要。
[0003] 荧光检测法具有灵敏度高、检测下限低、准确性好、响应快、设备要求简单等优点， 已成为一种非常重要的分析检测手段。近年来，聚集态荧光发射效应(AIE)受到了人们的高 度重视，利用AIE效应进行荧光检测的报道层出不穷。具有此类效应的化合物在溶液中没有 荧光，而在乳浊、悬浊、胶体以及固体等聚集态条件下却有强烈的荧光发射。
[0004] 当焚光分子中同时含有斥电子基团与吸电子基团时，在光激发下可产生分子内电 荷转移效应（ICT)，从而出现溶剂变色现象，即随着溶剂极性增大，荧光分子的发射波长逐 渐红移，同时荧光量子产率下降。当两种基团电子效应差别越显著，或电子被激发前后在空 间上的分布差异越大，则ICT效应越强烈。吲哚啉鑰盐不仅具有良好的水溶性，也具有强烈 的吸电子能力。当将其与强斥电子基，如4-N，N-二甲氨基苯基，以邻位的方式同时引入到苯 环上时，则产生了空间上电子独立分布的HOMO与LUM0轨道。由于极其强烈的ICT效应，具有 如此结构的分子在诸如水等强极性溶剂中的荧光彻底淬灭。当将氰化物加入到此分子的水 溶液后，氰根离子迅速与吲哚啉鑰盐部分反应，使该片段失去水溶性与吸电子能力，因而反 应产物中的ICT效应大大削弱，同时产物的水溶性降低，其在水介质中呈现聚集状态并导致 强烈的荧光发射，即产生AIE效应。
【发明内容】
[0005] 本发明提供了一种水溶性良好且以AIE效应为发光机制的荧光探针，具有响应速 度快、干扰少、检测下限低、待测物用量少等优点。
[0006] 一种氰根离子探针，即（E)-[2 -(4-N，N-二甲氨基苯基）乙烯基]-1，3,3-三甲基吲 哚啉碘盐，其结构式如下：
[0007]
[0008] 本发明还提供了一种上述氰根离子探针的制备方法，包括:邻溴苯甲醛首先与4- (N，N-二甲氨基)苯基频哪醇硼酸酯发生Suzuki反应，继而所得中间体再与1，2,3,3_四甲基 吲哚啉碘盐发生Witting反应;其合成路线如下所示：
[0009]
[0010J 上式中的中间体1为2-(4-N，N-二甲氨基苯基）苯甲醛，由邻溟苯甲醛与4-N，N-二 甲氨基苯硼酸片哪醇酯在1，4_二氧六环/水(4:1，体积比）混合液中、以四（三苯基磷)合钯 (5 %mol)为催化剂、以碳酸铯为缚酸剂、80°C~100°C下加热反应10h~20h后得到;该中间 体继而与1，2,3,3_四甲基吲哚啉碘盐在甲醇中回流反应18~24h后得到氰根离子探针江)- [2 ' -(4-N，N-二甲氨基苯基）乙烯基]-1，3，3-三甲基吲哚啉碘盐，即上式中的probe。
[0011] 本发明所得的探针为深红色片状晶体，在空气中稳定，可在干燥条件下长期保存 而不变质。该化合物具有良好的水溶性，随着水溶液中其含量的增加，溶液颜色逐渐由浅黄 色加深为红棕色。
[0012] 本发明还提供了一种上述探针在全水介质条件下对氰根离子进行检测的应用方 法。
[0013] 实验表明，在该探针水溶液中加入氰根离子后，溶液颜色由原有的黄棕色迅速褪 变为无色，颜色的变化在日光下用肉眼也可清楚分辨。在365nm紫外光照射下，加入氰根离 子后的溶液呈现明亮的蓝色荧光，而未加氰根离子前的探针溶液没有任何的荧光(见附图 1)。用红色激光笔的光束照射加入氰根离子后的探针溶液，可清晰见到一束红色光路(丁达 尔效应），而照射原有探针离子水溶液则无此现象（见附图2)，说明前者已形成聚集态。因 此，该探针是基于AIE效应来检测氰根离子的。
[0014] 我们采用荧光光谱法对该氰根离子探针的性能进行定量检测，采集探针加入前后 体系在435nm处的荧光强度。实验表明，当氰根离子水溶液加入到探针水溶液中20s之后，体 系的荧光强度不再随时间延长而有进一步的变化，说明该探针在20s之内即可完成对氰根 离子的响应(见附图3);探针与氰根用量达到1:3当量比时，体系的荧光强度不再有明显增 加，说明该探针最多只需要3当量氰根离子即可产生稳定的荧光响应(见附图4与附图5)。
[0015] 另外，除了碳酸根离子和磷酸根离子与该探针作用可产生微弱的荧光之外，其他 常见的二十多种阴离子对探针的检测没有任何干扰(见附图6)，说明该探针对氰根离子的 检测具有十分优异的选择性。我们测定了较低氰根离子浓度下的荧光强度-浓度曲线(见附 图5中插入部分），获得了该曲线的斜率。根据3￥φ公式(其中〇为未加氰根离子前探针水溶 液在435nm处进行20次测量的荧光强度值的标准差，φ为测量得到的荧光强度-浓度曲线的 斜率），计算得出该探针对氰根离子浓度的检测下限值为55ηΜ，远远低于世界卫生组织确定 的1.9μΜ的安全饮水标准。应用时，作为优选，待检测溶液中氰根离子浓度至少为55ηΜ。
[0016] 本项目的有益之处在于：
[0017] (1)本发明提供了一种新型的基于ΑΙΕ发光机制的氰根离子探针；
[0018] (2)本发明的探针可在全水介质中进行氰根离子的检测，有望应用于生物活细胞 中氰根离子的荧光示踪与成像；
[0019] (3)本发明的探针对氰根离子具有极快的响应，检测在20s内即可完成，可应用于 对氰根离子的现场快速检测与监控；
[0020] (4)本发明的探针对氰根离子浓度的检测下限达到55nM，超过许多其他类型的氰 根离子探针，也远远超过世卫组织对安全饮水中氰根离子含量的检测要求；
[0021] (5)本发明的探针对氰根离子的检测具有优异的选择性，其他常见的阴离子不产 生干扰。
[0022] 综上所述，该探针水溶性好，可在全水介质中对氰根离子进行检测，响应时间短， 检测下限远远低于世卫组织对安全饮水中氰根离子含量的检测要求。除碳酸根与磷酸根可 产生微弱干扰外，其他常见阴离子对氰根离子的检测均无任何影响。因此，该探针可用于食 品、药品、农产品、染料以及饮水中氰根离子含量的快速检测与监控。
【附图说明】
[0023]图1为加入氰根离子前后探针水溶液在日光(A部分）及365nm紫外光照射下（B部 分)的照片；
[0024] 图2为加入氰根离子之前(A部分)与之后(B部分)探针水溶液在红色激光束照射下 的照片；
[0025] 图3为加入氰根离子后的反应时间-荧光强度关系曲线（测量时探针浓度为20μΜ， 氰根呙子浓度为60以1，米样间隔为0.068);
[0026] 图4为加入氰根离子后的离子浓度-荧光强度光谱图（测量时探针浓度为20μΜ);
[0027] 图5为加入氰根离子后的离子浓度-荧光强度关系曲线(测量时探针浓度为20μΜ);
[0028] 图6为不同阴离子对探针响应的荧光强度(测量时探针浓度为20μΜ，氰化钾浓度为 60μΜ，其他待测物浓度为200μΜ;黑柱:探针+阴离子;灰柱:探针+阴离子+氰根离子;1-23: CN_，C032-，P〇43-，SCN_，HS _，S2-，S〇42-，HS〇4-，S2O32-，HP〇4 2-，H2P〇4_，F_，CΓ，Br _，Γ，Ν3_，Ν〇2_， NOS -，HC〇3_，0Ac_，HS〇3_，S032-，Cl〇4_);
[0029] 图7为中间体1的1H-NMR谱图；
[0030] 图8为中间体1的13C-NMR谱图；
[0031] 图9为中间体1的EI-MS谱图；
[0032] 图10为探针分子的h-NMR谱图；
[0033] 图11为探针分子的13C_NMR谱图；
[0034] 图12为探针分子的EI-MS谱图。
【具体实施方式】
[0035] 实施例1:中间体2-(4_N，N-二甲氨基苯基)苯甲醛1的合成
[0036] 室温及氮气流气氛下，将4-N，N-二甲氨基苯硼酸片哪醇酯（20mmol，4.92g)的二噁 烷/水混合溶液(20mL，4:l体积比）用注射器注入盛有邻溴苯甲醛（18mmol，3.31g)、碳酸铯 (20mmo 1，3 · 88g)和四（三苯基磷)合钯(0 · 9mmo 1，1 · 07g)的二噁烷/水混合溶液（30mL，4:1体 积比）中。混合物在90 °C下加热反应16h后冷却至室温，将反应液过滤，所得滤液用水 (150mL)稀释，并用乙酸乙酯(3X20mL)萃取。合并的萃取液经无水硫酸钠干燥后过滤，滤液 在旋转蒸发仪上浓缩，残余液用硅胶柱色谱分离得到浅黄色粉末状固体3.36g，产率83 %。
[0037] 中间体1的熔点、核磁氢谱数据、核磁碳谱数据、EI-MS质谱数据分别如下：
[0038] 1114.77.4-79.31^? NMR(400MHz，CDC13)S2.93(s，6H)，6.71((1, J = 7.6Hz，2H)， 7.17(d,J = 8.0Hz,2H),7.31-7.37(m,2H) ,7.50(t,J = 7.6Hz,lH),7.79(d,J = 8.0Hz,lH), 9.94(s，1H);13C 匪R(100MHz，CDC13)S40.58，112.05，126.63，127.54，130.63，131.10， 133.42,133.61,146.30,150.26,193.54；EI-MS(70eV)m/z(%)225(M+,100),196(45),182 (29),167(12),152(49),141(13),128(17),115(17),69(23),51(25),42(47).
[0039] 中间体1的1H-NMR谱图如图7，13C-NMR谱图如图8，EI -MS谱图如图9。
[0040] 实施例2:探针(E)-[2'-(4-N，N-二甲氨基苯基）乙烯基]-1，3,3-三甲基吲哚啉碘 盐的合成
[0041 ] 室温下，将1，2，3，3-四甲基吲哚啉碘盐(20mmo 1，6.02g)的甲醇溶液(25mL)逐滴加 入到上述中间体1 (18mmo 1，4.05g)的甲醇溶液（25mL)中。反应液加热回流24h后冷却至室 温，将生成的沉淀过滤，滤饼用甲醇再次重结晶，得到深红色片状晶体(E)-[2'-(4-N，N-二 甲氨基苯基）乙烯基]-1，3，3-三甲基吲哚啉碘盐5.76g，产率63%。
[0042] (E)-[2'-(4-N，N-二甲氨基苯基）乙烯基]-1，3,3-三甲基吲哚啉碘盐的熔点、核磁 氢谱数据、核磁碳谱数据、EI-MS质谱数据分别如下：
[0043] 1114.234.2--235.91^? NMR(400MHz，CDC13)S1.53(s，6H)，3.00(s，6H)，4.15(s， 3H) ,6.87(d,2H,J = 8.4Hz) ,7.25(d,2H,J = 8.8Hz) ,7.52-7.69(m,5H) ,7.73(d,lH,J = 16.4Hz) ,7.81(d,lH,J = 7.2Hz) ,7.90(d, 1H,J = 7.2Hz) ,8.14(d, 1H,J=16.4Hz) ,8.38(d, lH，J = 7.6Hz) ;13C 匪R(100MHz,CDC13) δ25· 28,34.62,51.86,112.02,113.44,115.24, 122.82,125.88,127.21,128.25,129.01,129.42,130.46,130.77,131.64,132.81,141.75, 143.08,145.17,150.22,151.61,181.66；EI-MS(70eV)m/z(%)382(M++l-r,46),366(100), 352(23),246(33),221(44),208(23),178(14),165(17),158(68),144(34),127(13),115 (11).
[0044] ^)-[2'-(4-叱^二甲氨基苯基）乙烯基]-1，3,3-三甲基吲哚啉碘盐的1!1-匪1?谱 图如图10，13C-NMR谱图如图11，EI-MS谱图如图12。
[0045] 实施例3:水溶液中探针对氰根离子响应时间的测定
[0046] 在室温下，分别用去离子水在容量瓶中配制探针水溶液（20μΜ)和氰化钾水溶液 (10mM)各一份。取该探针溶液(3mL)置于石英比色皿中，并将比色皿放置于荧光光谱仪中， 开启光谱仪的定波长扫描程序，以间隔0.06s-次的采样频率记录435nm下样品的荧光强 度。用微量注射器将上述氰化钾溶液（18yL)迅速注入比色皿中，随后记录不同时间时样品 在435nm下的荧光发射强度，实验结果见图3。实验表明，当氰根离子水溶液加入到探针水溶 液中20s之后，体系的荧光强度不再随时间延长而有进一步的变化，说明该探针在20s之内 即可完成对氰根离子的响应。
[0047] 实施例4:水溶液中探针对氰根离子检测浓度的测定
[0048] 在室温下，分别用去离子水在容量瓶中配制探针水溶液（ImM)和氰化钾水溶液 (10mM)各一份。分别取该探针溶液(0.2mL)置于若干个1 OmL容量瓶中，在瓶中分别依次加入 上述氰化钾水溶液2、3、4、5、6、7、8、10、12、14、16、20、26、32、40、50、60、70、80、100、120、 140、160、180、20(^1^，用去离子水定容至10111匕待容量瓶中的反应液摇匀放置11^11后，分别 盛入石英比色皿中，在荧光光谱仪上测量435nm处的荧光发射强度，结果如图4和图5所示 (为清楚显示，图4中仅给出Of!农度为10、20、26、32、40、50、60、7(^1的离子浓度-荧光光谱 图）。由图4和图5可知，探针与氰根用量达到1:3当量比时，体系的荧光强度不再有明显增 加，说明该探针最多只需要3当量氰根离子即可产生稳定的荧光响应。
[0049] 实施例5:水溶液中探针对阴离子选择性的测定
[0050] 在室温下，分别用去离子水在容量瓶中配制探针水溶液（ImM)和氰化钾水溶液 (1 OmM)各一份。分别取该探针溶液（0.2mL)置于若干个1 OmL容量瓶中，在瓶中分别加入 Na2C03,K3P〇4,KSCN,NaHS,Na2S,Na 2S04,NaHS04,Na2S2〇3,K2HPO4,KH2PO4,KF,NaCl,NaBr,KI, NaN3，NaN〇2，KNO3，NaHC03，NaOAc, NaHS03，Na2S03，NaCl 〇4 水溶液（1 OmM) 200yL后，用去离子水 定容至10mL。待容量瓶中的反应液摇匀放置lmin后，分别盛入石英比色皿中，在荧光光谱仪 上测量435nm处的荧光发射强度。
[0051 ] 分别取该探针溶液（〇.2mL)置于若干个10mL容量瓶中，在瓶中分别加入Na2C〇3， K3PO4，KSCN，NaHS，Na2S，Na2S〇4，NaHS〇4，Na2S 2〇3，K2HPO4，KH2PO4，KF，NaCl，NaBr，KI，NaN3， NaN02，KNO3，NaHC03，NaOAc，NaHS03，Na 2S03、NaCKk 水溶液（lOmM) 200yL 后，再逐一加入上述 氰化钾水溶液60yL，用去离子水定容至10mL。待容量瓶中的反应液摇匀放置lmin后，分别盛 入石英比色皿中，在荧光光谱仪上测量435nm处的荧光发射强度。
[0052]检测结果见图6。由图6可知，除了碳酸根离子和磷酸根离子与该探针作用可产生 微弱的荧光之外，其他常见的二十多种阴离子对探针的检测没有任何干扰。
【主权项】
1. 一种氯根离子探针，其特征在于，为化)-[2 -(4-N，N-二甲氨基苯基）乙締基]-1,3， 3-Ξ甲基吗I噪嘟舰盐，其结构式如下：2. -种权利要求1所述的氯根离子探针的制备方法，其特征在于，包括:邻漠苯甲醒首 先与4-(N，N-二甲氨基)苯基频哪醇棚酸醋发生Suzuki反应，继而所得中间体再与1，2,3,3- 四甲基吗I噪嘟舰盐发生Witting反应;最终得到化)-[2 -(4-N，N-二甲氨基苯基）乙締基]- 1，3,3-Ξ甲基吗I噪嘟舰盐。3. -种氯根离子探针的应用方法，其特征在于，通过聚集态巧光发射效应的机制实现 对氯根离子的检测。4. 根据权利要求3所述的氯根离子探针的应用方法，其特征在于，探针对氯根离子的检 测在日光裸眼条件下进行比色判断。5. 根据权利要求3所述的氯根离子探针的应用方法，其特征在于，探针对氯根离子的检 测在紫外光照射下进行巧光判断。6. 根据权利要求3所述的氯根离子探针的应用方法，其特征在于，探针对氯根离子产生 稳定的巧光响应时，待检测溶液中氯根与探针的摩尔比为3:1。7. 根据权利要求3所述的氯根离子探针的应用方法，其特征在于，探针对氯根离子产生 稳定巧光响应的时间不超过20s。8. 根据权利要求3所述的氯根离子探针的应用方法，其特征在于，探针对氯根离子浓度 的检测下限为55nM。9. 根据权利要求3所述的氯根离子探针的应用方法，其特征在于，探针在全水介质中对 氯根离子进行检测。
【文档编号】C09K11/06GK105837492SQ201610186488
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2016年3月28日
【发明人】夏敏, 卢晓林
【申请人】浙江理工大学