一种1,8-萘酰亚胺衍生物作为多离子光谱探针的应用

摘要

本发明公开了一种1,8-萘酰亚胺衍生物作为多离子光谱探针的应用，其特征在于：所述1,8-萘酰亚胺衍生物为6-[1-氨基-3-(苯基)-硫脲]-2-正丁基苯并异喹啉-1,3-二酮，用于检测Pb2+、Fe3+和Hg2+。本发明实现了一个探针检测多种金属离子，将特定的1,8-萘酰亚胺衍生物用于多种阳离子检测，扩展了1,8-萘酰亚胺衍生物的应用范围，检测溶剂体系从纯有机溶剂发展到了含水体系，获得的探针有很好的选择性、灵敏度和很强的抗干扰能力。

说明书

技术领域

本发明涉及一种多离子光谱探针，具体涉及一种1,8-萘酰亚胺衍生物在作为检测阳离子的探针中的应用。

背景技术

随着荧光探针领域研究的深入和发展，一种新的探针概念“单个探针检测多种离子”正越来越受到人们的关注，这种多离子探针的概念可参见文献Schmittel M, Lin H W. Quadruple‐Channel Sensing: A Molecular Sensor with a Single Type of Receptor Site for Selective and Quantitative Multi‐Ion Analysis[J]. Angewandte Chemie International Edition, 2007, 46(6): 893-896.。比色探针和荧光探针是两种重要的检测金属离子的方法，将这两种方法结合起来，可以增加检测多种离子的可能性。已报道的多离子探针大多数属于罗丹明类，因为其与金属离子作用引起螺内酰胺环发生开环，引起紫外可见吸收和荧光光谱变化，伴随的颜色和荧光的变化甚至肉眼可见，从而达到检测不同金属离子的目的。例如，文献He G, Zhang X, He C, et al. Ratiometric fluorescence chemosensors for copper (II) and mercury (II) based on FRET systems[J]. Tetrahedron, 2010, 66(51): 9762-9768.公开了一种具有香豆素供体和罗丹明受体的FRET系统，用作检测Cu²⁺和Hg²⁺的比率荧光探针。文献Yan Lu H. Highly sensitive and selective turn-on fluorescent chemosensor for Pb²⁺ and Hg²⁺ based on a rhodamine–phenylurea conjugate[J]. Chemical Communications, 2010, 46(21): 3765-3767.公开了基于罗丹明的Pb²⁺ 和Hg²⁺探针。文献Liu A, Yang L, Zhang Z, et al. A novel rhodamine-based colorimetric and fluorescent sensor for the dual-channel detection of Cu²⁺ and Fe³⁺ in aqueous solutions[J]. Dyes and Pigments. 2013, 99, 472-479.公开了基于罗丹明的Cu²⁺和Fe³⁺的比色探针。

上述探针都是基于罗丹明的，研发其它种类的多离子光谱探针对于检测技术的发展有着重要意义。

1,8-萘酰亚胺被广泛用作荧光探针的报告基团，其萘环4和5位氨基上取代基团的变化不但能改变光诱导电子转移情况而产生荧光强度变化，而且能引起分子内电荷转移变化而改变紫外-可见吸收波长及强度，所以1,8-萘酰亚胺也可以作为比色探针的发色团。具有硫脲结构的1,8-萘酰亚胺衍生物是常用的阴离子比色和荧光探针，如在文献Liu B, Tian H. A highly selective chromogenic and fluorogenic chemosensor for fluoride ion[J]. Chemistry Letters, 2005, 34(5): 686-687.中，6-[1-氨基-3-(苯基)-硫脲]-2-正丁基苯并异喹啉-1,3-二酮（BTBN）被用于检测阴离子F^-。文献Gunnlaugsson T, Kruger P E, Jensen P, et al. Colorimetric “naked eye” sensing of anions in aqueous solution[J]. The Journal of organic chemistry, 2005, 70(26): 10875-10878.研究了基于硫脲结构对阴离子的裸眼比色。欧洲专利申请EP 2251687A1公开了一种基于1,8-萘酰亚胺的阴离子比色传感元件。

这些基于1,8-萘酰亚胺的衍生物均用作阴离子探针。如何通过检测条件的变化将1,8-萘酰亚胺的衍生物用于多种阳离子检测，是本申请希望解决的问题。

发明内容

本发明的发明目的是提供一种1,8-萘酰亚胺衍生物作为多离子光谱探针的应用，通过选择特定的衍生物，限定检测条件，实现对多种阳离子的探测。

为达到上述发明目的，本发明采用的技术方案是：1,8-萘酰亚胺衍生物作为多离子光谱探针的应用，所述1,8-萘酰亚胺衍生物为6-[1-氨基-3-(苯基)-硫脲]-2-正丁基苯并异喹啉-1,3-二酮（BTBN），用于检测Pb²⁺、Fe³⁺和Hg²⁺。

上述技术方案中，BTBN可以通过下列步骤合成：

(1)中间体N-正丁基-4-溴-1,8-萘酰亚胺（BBN）的合成：将4-溴-1,8-萘酐溶于乙醇中，加热到50 ℃，加入正丁胺加热回流24 h，冷却，倒入冰水中，过滤，洗涤，用乙醇重结晶，得到淡黄色固体。

(2)中间体N-正丁基-4-肼基-1,8-萘酰亚胺（BNN）的合成：将BBN溶于乙二醇单甲醚，加热到50 ℃，加入水合肼，回流反应4小时，反应结束，冷却至室温，倒入水中静置，过滤，用少量乙醇洗涤，烘干，得到橙黄色固体。

(3)探针6-[1-氨基-3-(苯基)-硫脲]-2-正丁基苯并异喹啉-1,3-二酮（BTBN）的合成：将BNN加入乙腈中，再加入异硫氰酸苯酯，加热至回流反应18小时，待反应结束冷却至室温，过滤，用少量乙腈洗涤。得到黄色固体，即为BTBN。 

上述合成过程可以用下式表达：

上述技术方案中，所述1,8-萘酰亚胺衍生物为Pb²⁺和Fe³⁺的比色探针。

所述比色探针的检测方法是，在乙腈/水混合溶剂体系中检测紫外-可见吸收光谱，通过检测362nm处的吸光度获得Fe³⁺的浓度，检测550 nm处的吸光度获得Pb²⁺的浓度；所述乙腈/水混合溶剂体系中乙腈与水的体积比是25∶1～99∶1；所述1,8-萘酰亚胺衍生物的浓度为10～50 μM。

所述1,8-萘酰亚胺衍生物为Hg²⁺的荧光探针。

所述荧光探针的检测方法是，在乙腈/水混合溶剂体系中检测荧光光谱，通过检测517nm处的荧光强度获得Hg²⁺的浓度；所述乙腈/水混合溶剂体系中乙腈与水的体积比是50∶50～99∶1；所述1,8-萘酰亚胺衍生物的浓度为10～50 μM；荧光激发波长是400 nm。

由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：

1、本发明实现了一个探针检测多种金属离子，可以比色检测Fe³⁺和pb²⁺，还可以荧光检测Hg²⁺。

2、本发明将特定的1,8-萘酰亚胺衍生物用于多种阳离子检测，扩展了1,8-萘酰亚胺衍生物的应用范围。

3、本发明的检测溶剂体系从纯有机溶剂发展到了含水体系。

4、本发明的探针有很好的选择性、灵敏度和很强的抗干扰能力。

5、相比于背景技术中F^-使荧光猝灭，本发明中检测Hg²⁺时使荧光增强，检测灵敏度提高。

附图说明

图1-图3是本发明实施例二中对不同金属离子的紫外-可见吸收光谱图；

图4是本发明实施例三中不同Fe³⁺浓度时的紫外-可见吸收光谱图；

图5是实施例四中共存金属离子对含Fe³⁺的溶液的紫外-可见吸收光谱的影响；

图6是实施例五中紫外-可见吸收光谱与Pb²⁺浓度的关系；

图7是实施例六中共存金属离子对含Pb²⁺的溶液的紫外-可见吸收光谱的影响；

图8-图11是实施例七中含有不同的金属阳离子的BTBN溶液的荧光发射光谱；

图12是实施例八中含有不同浓度Hg²⁺的BTBN溶液的荧光发射光谱；

图13是实施例九中共存金属离子对含有Hg²⁺的BTBN溶液最大荧光强度的影响。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

实施例一：探针（BTBN）的制备

中间体N-正丁基-4-溴-1,8-萘酰亚胺（BBN）的合成：

参照文献  王建新, 毕晨光, 袁冰, 李宗石, 乔卫红, 栾吉梅. 荧光类非离子表面活性剂的设计与合成[J]. 石油化工. 2006, 35 (5), 464-468，将2 g 4-溴-1,8-萘酐溶于30 mL乙醇中，加热到50 ℃，加入1.5 mL正丁胺加热回流24 h，冷却，倒入50 mL冰水中，过滤，洗涤，用乙醇重结晶，得到淡黄色固体1.8961 g，产率：78.3%。熔点：102-104 ℃，与文献值相符。

中间体N-正丁基-4-肼基-1,8-萘酰亚胺（BNN）的合成：

参照文献  Gunnlaugsson T, Veale E. Colorimetric anion sensor element: European Patent EP2251687[P]. 2010-11-17，将0.5 g BBN溶于15 mL乙二醇单甲醚，加热到50 ℃，加入0.5 mL水合肼，回流反应4小时，反应结束，冷却至室温，倒入50 mL水中静置，过滤，用少量乙醇洗涤，烘干，得到橙黄色固体0.3847 g，产率：89.9%。熔点：220-222 ℃，与文献值相符。

探针6-[1-氨基-3-(苯基)-硫脲]-2-正丁基苯并异喹啉-1,3-二酮（BTBN）的合成：将0.1 g (0.35 mmol) BNN加入15 mL乙腈中，再加入0.06 ml (1.41 mmol) 异硫氰酸苯酯，加热至回流反应18小时，待反应结束冷却至室温，过滤，用少量乙腈洗涤。得到黄色固体BTBN 0.0867 g，产率：58.7%。

质谱图中m/e=419.0为BTBN的[M+H]⁺分子离子峰。¹H NMR (DMSO-d_6，400 MHz，δ/ppm)核磁谱图中各峰与BTBN结构中的质子峰对应：δ 10.12 (d, J = 8.0 Hz, 2H), 9.89 (s, 1H), 8.70 (d, J = 8.7 Hz, 1H), 8.50 (d, J = 7.2 Hz, 1H), 8.43 (d, J = 8.5 Hz, 1H), 7.85 ~7.69 (m, 1H), 7.42 (d, J = 7.5 Hz, 2H), 7.32 (t, J = 7.7 Hz, 2H), 7.16 (t, J = 7.4 Hz, 1H), 6.99 (d, J = 8.4 Hz, 1H), 4.15~3.97 (m, 2H), 1.73~1.52 (m, 2H), 1.34 (d, J = 14.8, 7.4 Hz, 2H), 0.92 (t, J = 7.3 Hz, 3H)。

实施例二：BTBN紫外-可见吸收光谱对金属离子的选择性

在体积比25∶1～99∶1的MeCN/H₂O体系中，测定了BTBN在加入金属离子Na⁺、K⁺、Mg²⁺、Ca²⁺、Cr³⁺、Mn²⁺、Fe³⁺、Fe²⁺、Co²⁺、Ni²⁺、Cu²⁺、Zn²⁺、Cd²⁺、Hg²⁺、Pb²⁺前后的紫外-可见吸收光谱，发现BTBN的紫外-可见吸收光谱对多个离子有响应。

附图1是.含有不同金属阳离子的BTBN溶液的紫外-可见吸收光谱。溶剂：MeCN/H₂O (99/1, v/v)，浓度：10 μM (BTBN)，100 μM（金属离子）。

在MeCN/H₂O (99/1, v/v)体系中，参见附图1，不同离子对BTBN的紫外-可见吸收光谱影响差别很大，其中加入Fe³⁺、Pb²⁺、Co²⁺、Ni²⁺后的BTBN溶液的紫外-可见吸收光谱不但明显区别于其他BTBN溶液的紫外-可见吸收光谱，而且各有特色。通过进一步实验，发现BTBN能够通过紫外-可见吸收光谱定量检测Fe³⁺和Pb²⁺。

附图2是加入Fe³⁺前后的BTBN溶液的紫外-可见吸收光谱。溶剂：MeCN/H₂O (25/1, v/v)，浓度：10 μM (BTBN)，100 μM（金属离子）。可见在MeCN/H₂O (25/1, v/v)溶剂体系中，BTBN的紫外-可见吸收光谱对Fe³⁺也有明显的响应，BTBN能够通过紫外-可见吸收光谱检测Fe³⁺。

附图3是加入Fe³⁺和Pb²⁺前后的BTBN溶液的紫外-可见吸收光谱。溶剂：MeCN/H₂O (99/1, v/v)，浓度：50 μM (BTBN)，500 μM（金属离子）。由附图3可知，浓度为50 μM的BTBN溶液的紫外-可见吸收光谱对Fe³⁺和Pb²⁺也有明显的响应，BTBN能够通过紫外-可见吸收光谱检测Fe³⁺和Pb²⁺。

实施例三：BTBN检测Fe³⁺：BTBN紫外-可见吸收光谱与Fe³⁺浓度的关系

图4是加入不同浓度的Fe³⁺后，BTBN在MeCN/H₂O (99/1, v/v)体系中的紫外-可见吸收光谱图。

其中，溶剂：MeCN/H₂O (99/1, v/v)，浓度：10 μM (BTBN)，Fe³⁺当量从下至上：0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、18、20、22。插图：在362 nm处吸光度A与Fe³⁺浓度的关系。

从图中可以看出，随着Fe³⁺浓度从0升高到220 μM，在392 nm处的吸收峰渐渐蓝移到362 nm处，吸光度逐渐增大，并且在Fe³⁺浓度0 ~ 150 μM范围内，362 nm处的吸光度A与Fe³⁺浓度[Fe³⁺]呈良好的线性关系，线性方程为A = 0.07542 + 0.12457 [Fe³⁺]，相关系数R=0.99306。可见，BTBN可以用于Fe³⁺的定量检测。

实施例四：BTBN检测Fe³⁺：BTBN检测Fe³⁺时的抗干扰性

图5是环境和生物相关共存离子对BTBN/Fe³⁺ 的MeCN/H₂O (99/1, v/v) 溶液在362 nm处吸光度的影响。

其中，溶剂：MeCN/H₂O (99/1, v/v)，浓度：10 μM (BTBN)，50 μM（Zn²⁺、Pb²⁺），100 μM（其他金属离子），灰柱：BTBN/Fe³⁺，斜线柱：BTBN/Fe³⁺/其他金属离子。

从图中可见，Hg²⁺、Cu²⁺、Fe²⁺、Co²⁺、Cr³⁺、Mg²⁺、Na⁺、Ca²⁺、K⁺、Ni²⁺、Mn²⁺、Cd²⁺ (100 μM)、Pb²⁺、Zn²⁺  (50 μM) 对 Fe³⁺ (100 μM) /BTBN (10 μM) 在362 nm处的吸光度影响不大，因此，BTBN是可靠的Fe³⁺比色探针。

实施例五：BTBN检测Pb²⁺：BTBN紫外-可见吸收光谱与Pb²⁺浓度的关系

图6是加入不同浓度的Pb²⁺后，BTBN在MeCN/H₂O (99/1, v/v) 体系中的紫外-可见吸收光谱图。

其中，溶剂：MeCN/H₂O (99/1, v/v)，浓度：10 μM (BTBN)，Pb²⁺当量从下至上：0、1、2、3、4、5、6、7、9、10、11、8倍。插图：在550 nm处吸光度A与Pb²⁺浓度的关系。

从图中可以看出，随着Pb²⁺浓度从0升高到110 μM，在550 nm处的吸收峰逐渐增大并趋于平稳。在Pb²⁺浓度达到80 μM前，550 nm处的吸收峰强度A与Pb²⁺浓度[Pb²⁺]呈良好的线性关系，线性方程为A=0.02876+0.01928[Pb²⁺]，相关系数R=0.99327。可见，BTBN可以用于Pb²⁺的定量检测。

实施例六：BTBN检测Pb²⁺：BTBN检测Pb²⁺时的抗干扰性

图7是环境和生物相关共存离子对BTBN/Pb²⁺ 的MeCN/H₂O (99/1, v/v) 溶液在550 nm处吸光度的影响。

溶剂：MeCN/H₂O (99/1, v/v)，浓度：10 μM (BTBN)，40 μM（Hg²⁺、Fe³⁺、Co²⁺、Cr³⁺），100 μM（其他金属离子），灰柱：BTBN/Pb²⁺，斜线柱：BTBN/Pb²⁺/其他金属离子。

从图中可见，Cu²⁺、Fe²⁺、Mg²⁺、Na⁺、Ca²⁺、 Zn²⁺、K⁺、Ni²⁺、Mn²⁺、Cd²⁺ (100 μM)、Hg²⁺、Fe³⁺、Co²⁺、Cr³⁺ (40 μM) 对Pb²⁺ (100 μM)/BTBN (10 μM) 在550 nm处的吸光度影响不大，因此，BTBN是可靠的Pb²⁺比色探针。

实施例七：BTBN荧光光谱对金属离子的选择性

在不同体积比 (从99/1至50/50) 的MeCN/H₂O体系中，测定了BTBN在加入金属离子Na⁺、K⁺、Mg²⁺、Ca²⁺、Cr³⁺、Mn²⁺、Fe³⁺、Fe²⁺、Co²⁺、Ni²⁺、Cu²⁺、Zn²⁺、Cd²⁺、Hg²⁺、Pb²⁺前后的荧光光谱，发现BTBN对Hg²⁺有很好的响应性，而其余离子对BTBN的荧光光谱影响不大，结果如图8-图11所示。

图8、图9、图10是含有不同的金属阳离子的BTBN溶液的荧光发射光谱。溶剂分别为MeCN/H₂O (99/1, v/v)，MeCN/H₂O (85/15, v/v), MeCN/H₂O (50/50, v/v)，浓度：10 μM (BTBN)，100 μM (金属离子)，激发波长λ_ex: 400 nm, 狭缝宽度: 5 nm。图中只有Hg²⁺使荧光强度大大增强，说明BTBN在MeCN/H₂O (体积比从99/1至50/50) 体系中对Hg²⁺有很好的选择性和灵敏度。图11是加入Hg²⁺前后的BTBN溶液的荧光发射光谱。溶剂：MeCN/H₂O (85/15, v/v)，浓度：50 μM (BTBN)，500 μM (金属离子)，激发波长λ_ex: 400 nm, 狭缝宽度: 5 nm。从图11可见，50 μM的BTBN溶液的荧光发射光谱对Hg²⁺也有很好的选择性和灵敏度。

实施例八：BTBN荧光检测Hg²⁺：BTBN荧光光谱与Hg²⁺浓度的关系

以MeCN/H₂O (85/15, v/v)体系为例，测试浓度分别为0、10、20、30、40、50、60、70、80、90、100、110、120、130 μM的Hg²⁺对10 μM的BTBN的MeCN/H₂O (85:15,v/v) 溶液的荧光光谱的影响，结果如图12。

其中，λ_ex: 400 nm, λ_F: 517 nm, 狭缝宽度: 5 nm。 插图：最大荧光强度F与Hg²⁺浓度的关系。

从图12可以看到，在0 ~ 90 μM浓度范围内，随着Hg²⁺浓度的升高，BTBN的荧光强度逐渐增强，并且最大荧光强度F与Hg²⁺浓度[Hg²⁺]呈现良好的线性关系，线性方程为F= -95087+220839[Hg²⁺]，相关系数为R=0.97241。可见，BTBN可以定量检测Hg²⁺。

实施例九：BTBN荧光检测Hg²⁺：BTBN检测Hg²⁺时的抗干扰性

图13是环境和生物相关共存离子对BTBN/Hg²⁺ 的MeCN/H₂O (85/15, v/v) 溶液荧光强度的影响。

其中，溶剂：MeCN/H₂O (85/15, v/v)。浓度：10 μM (BTBN)，100 μM（其他金属离子），λ_ex: 400 nm, λ_F: 517 nm, 狭缝宽度: 5 nm。灰柱：BTBN/Hg²⁺，斜线柱：BTBN/Hg²⁺/其他金属离子，黑柱：BTBN/其他金属离子。

从图13看出，Cu²⁺、Fe²⁺、Mg²⁺、Na⁺、Ca²⁺、 Zn²⁺、K⁺、Ni²⁺、Mn²⁺、Cd²⁺、Pb²⁺、Fe³⁺、Co²⁺、Cr³⁺ (100 μM) 对 Hg²⁺ (100 μM)/BTBN (10 μM) 荧光强度影响不大。因此，BTBN是可靠的Hg²⁺荧光探针。

根据上述实施例可以看出，本发明提供了一种可以在含水体系中高选择性、高灵敏度、高抗干扰检测Fe³⁺、Pb²⁺和Hg²⁺ 的比色和荧光探针。