一种检测微量Zn2+、F-或AcO-的荧光光谱分析法

摘要

一种检测微量Zn2+、F-或AcO-的荧光光谱分析法，属分析化学技术领域。建立了一种以1,5-二(7-羟基-8-香豆素亚甲基)-二氨基脲为荧光试剂s3，用于荧光法检测微量Zn2+、F-或AcO-。在DMF（N,N-二甲基甲酰胺）/H2O（2/3，v/v）溶液中，测定Zn2+时，以360nm为荧光激发波长，测定454nm处的荧光强度，检测的浓度线性范围为两个数量级，检测限低至10-8mol·L-1；在DMF溶剂，测定F-或AcO-时，以400nm为荧光激发波长，测定480nm处的荧光强度，检测的浓度线性范围为两个数量级，检测限低至10-8mol·L-1。试剂s3为发明人研制合成，结构式为：。

说明书

技术领域

本发明属分析化学领域，具体地说是一种检测微量Zn²⁺、F^- 或AcO^-的荧光光谱分析法。

背景技术：荧光探针作为一类重要的分析检测技术，被广泛应用。尤其是基于重要金属离子在环境科学和生命科学研究中的作用，设计、合成结构新颖，具备更优异选择性和灵敏度，以特定金属离子和阴离子为识别测定对象的荧光探针分子具有研究意义和应用价值。

锌是继铁之后人体内含量最丰富的过渡金属离子，是许多生物过程如大脑功能和病理学、基因转录、免疫功能和哺乳动物繁殖中的重要辅助因子。锌还参与病理过程，如阿尔茨海默氏症、癫痫、缺血性中风和婴儿腹泻等。尽管大多数生物组织中锌离子或是被紧密地绑定于蛋白、或游离、或螯合等多种形态存在。荧光传感器的主要目标是对出现在人体各种组织中，包括大脑、肠道、胰腺和视网膜的锌离子的检测。到目前为止，对锌离子的荧光传感器已经成功应用在活体细胞、海马切片的锌离子荧光成像。因此，研制高选择性、高灵敏度检测锌离子的传感器具有研究意义。

阴离子在环境和生物体系中成都着重要作用，研制测试成本低廉、样品处理简单、测定方法快捷、性能优越的阴离子荧光探针具有开发价值。荧光光谱法由于操作简单，无需昂贵仪器设备，更具应用价值。但是由于有些显色剂过程需要经过萃取、分离等复杂的预处理才能用于检测，关键的是检测的灵敏度和选择性不能满足越来越高的需求。大多数的荧光探针只能用于金属离子的检测，能同时检测特定金属离子和阴离子的荧光试剂为数很少。

香豆素及其衍生物在许多领域有着广泛的应用。它不仅具有生物活性，而且发光量子产率高、Stokes（斯托克斯）位移大、光化学稳定，被广泛用作激光染料，非线性发色团、荧光增白剂及荧光标记、分子探针等。香豆素衍生物的另一个特性是其光物理化学性质易于改造，通过在香豆素环上不同位置引入不同取代基，能够产生不同光学性能。香豆素及其衍生物可作为构建荧光探针的优秀荧光基团。文献报道的一种基于7-二乙氨基-3-醛基香豆素基团的荧光探针，对 Cu²⁺具有较好的选择性识别作用；文献报道的一种基于7-二乙氨基-3-醛基香豆素基团的荧光探针，对 CN^-具有较好的选择性识别作用，通过肉眼可直接观察到颜色的变化，且该探针对CN^-的检测限可低至3.0μmol·L^-1；文献报道的一种香豆素衍生物荧光探针可用于水溶液中定量检测亚硫酸根离子。

发明内容：本发明的目的在于研究一种能高灵敏、高选择的检测微量Zn²⁺、F^- 或AcO^-的荧光光谱分析新方法。本发明的目的通过发明人研制合成的新的荧光试剂，采用增强荧光光谱强度对Zn²⁺、F^- 或AcO^-进行荧光光谱分析。

本发明一种检测微量Zn²⁺、F^- 或AcO^-的荧光光谱分析法，是用化学名称为1,5-二(7-羟基-8-香豆素亚甲基)-二氨基脲的化合物，简写为s3，作为荧光法用于检测微量Zn²⁺、F^-或AcO^-的荧光试剂；具体方法是（1）试剂s3在DMF（N,N-二甲基甲酰胺）/H₂O（2/3，v/v）溶液中作为荧光检测微量Zn²⁺的试剂，测定Zn²⁺时，以360nm为荧光激发波长，测定454nm处的荧光强度增强，在Zn²⁺一定浓度范围内，荧光强度与Zn²⁺浓度成线性关系，用荧光法测定Zn²⁺；（2）试剂s3在DMF溶剂中作为荧光法检测微量F^-或AcO^-的试剂，在测定F^-或AcO^-时，以400nm为荧光激发波长，测定480nm处的荧光强度增强，在F^-或AcO^-一定浓度范围内，荧光强度与F^-或AcO^-浓度成线性关系，用荧光法测定F^-或AcO^-。

上述的一种检测微量Zn²⁺、F^- 或AcO^-的荧光光谱分析法是（1）测定Zn²⁺时其它共存金属离子：Li⁺，Na⁺，K⁺，Mg²⁺，Ca²⁺，Ba²⁺,Sr²⁺，Hg²⁺，Co²⁺，Ni²⁺，Cu²⁺，Cd²⁺，Pb²⁺，Ag⁺，Al³⁺，Fe³⁺，Cr³⁺之一，在浓度与Zn²⁺浓度相当时，除Hg²⁺，Cu²⁺，Fe³⁺离子有共存影响外，其它实验金属离子不干扰Zn²⁺的测定；（2）测定F^-时，其它共存阴离子：Cl^-，Br^-，I^-，HSO₄^-，AcO^-，NO₃^-，ClO₄^-，PF₆^-，H₂PO₄^-，PF₆^-之一，在浓度与F^-浓度相当时，不干扰F^-的测定；（3）测定AcO^-时，其它共存阴离子：F^-，Cl^-，Br^-，I^-，HSO₄^-，NO₃^-，ClO₄^-，PF₆^-，H₂PO₄^-，PF₆^-之一，在浓度与AcO^-浓度相当时，除F^-外，其它共存离子不干扰AcO^-的测定。

上述的一种检测微量Zn²⁺、F^- 或AcO^-的荧光光谱分析法是（1）检测Zn²⁺时，检测的浓度线性范围为1.0×10^-7～2.2×10^-5 mol·L^-1，检测限低至10^-8 mol·L^-1；检测F^-或AcO^-时，检测的浓度线性范围均为1.0×10^-7～1.1×10^-5，检测限均低至10^-8 mol·L^-1。

上述的一种检测微量Zn²⁺、F^- 或AcO^-的荧光光谱分析法，是所述试剂s3化学结构式为：

s3

   分子式：C₂₁H₁₄N₄O₇

分子量：434.09

熔  点：大于300℃

溶解性：微溶于氯仿、二甲亚砜、N,N-二甲基甲酰胺等，不溶于乙醇。

光谱性质：在N,N-二甲基甲酰胺（DMF）溶液与水的混合溶剂（v/v，2/3）中的荧光激发波长是310nm，发射波长是454nm，紫外吸收波长是310nm。

上述的一种检测微量Zn²⁺、F^- 或AcO^-的荧光光谱分析法，是所述试剂s3的制备方法为以7-羟基香豆素为原料，以二氯甲烷为溶剂，用乙酸酐对7-羟基香豆素中7-位的羟基进行保护得到7-乙酰氧基香豆素后，以三氟乙酸为催化剂和溶剂，与六次甲基四胺反应，合成得到中间体8-甲酰基-7-羟基香豆素；再由中间体8-甲酰基-7-羟基香豆素与碳酰肼在乙醇溶液中反应合成得到对称构型的香豆素荧光试剂s3：1,5-二(7-羟基-8-香豆素亚甲基)-二氨基脲，合成路线如下：

上述的一种检测微量Zn²⁺、F^- 或AcO^-的荧光光谱分析法，是荧光试剂s3合成工艺条件为：

（1）7-乙酰氧基香豆素的合成

N₂保护下，三口烧瓶中加入7-羟基香豆素，二氯甲烷，乙酸酐，吡啶，摩尔比按7-羟基香豆素:乙酸酐=1:2~2.5，室温搅拌反应，滤液减压蒸馏除去溶剂，用水溶解后用乙酸乙酯萃取，饱和食盐水洗涤，硫酸钠干燥，过滤，柱层析纯化制得7-乙酰氧基香豆素：

反应温度：室温

反应时间：12h

反应溶剂：二氯甲烷

洗脱剂：氯仿

（2）中间体8-甲酰基-7-羟基香豆素的合成

N₂保护的冰浴下，三口烧瓶中加入7-乙酰氧基香豆素，三氟乙酸，搅拌，待温度降至0℃时，加入六次甲基四胺，摩尔比按7-乙酰氧基香豆素: 六次甲基四胺=1:1.5~1.8，回流，减压蒸馏除去溶剂，加入水升温至60℃搅拌，过滤，滤液用氯仿萃取，饱和食盐水洗涤，干燥，过滤，减压蒸馏除去溶剂，将所有沉淀部分柱层析纯化得到中间体8-甲酰-7-羟基香豆素：

反应温度：回流

反应时间：8 h

反应溶剂：三氟乙酸

洗脱剂：氯仿/甲醇（v/v =100/1）

（3）1,5-二(7-羟基-8-香豆素亚甲基)-二氨基脲

N₂保护下，三口烧瓶中加入8-甲酰-7-羟基香豆素，无水乙醇，碳酰肼，摩尔比按8-甲酰-7-羟基香豆素: 碳酰肼=1:0.4~0.6，回流，过滤，用氯仿和甲醇重结晶得到乳白色固体1,5-二(7-羟基-8-香豆素亚甲基)-二氨基脲：

反应温度：回流

反应时间：5 h

反应溶剂：乙醇

本发明合成的试剂s3在与Zn²⁺、F^- 或AcO^-作用时能使试剂s3荧光强度增强，在一定浓度范围内荧光强度与浓度成正比，用作Zn²⁺、F^- 或AcO^-的定量测定。本发明对Zn²⁺、F^- 或AcO^-的检测限同样低至10^-8 mol·L^-1，反应相当灵敏。本发明操作简单、分析准确度高，能在水溶性或非水介质条件下测试等优点。

本发明合成的荧光试剂s3的结构经核磁共振波谱、质谱和红外光谱进行了表征。结构表征数据列于表1。 

附图说明：

图1试剂s3的DMF/H₂O溶液在不同金属离子存在下的荧光光谱。浓度为1.00×10^-5 mol·L^-1试剂s3的DMF/H₂O（2/3，v/v）溶液，分别不加金属离子或加入2.00×10^-4 mol·L^-1金属离子Zn²⁺，Li⁺，Na⁺，K⁺，Mg²⁺，Ca²⁺，Ba²⁺,Sr²⁺，Hg²⁺，Co²⁺，Ni²⁺，Cu²⁺，Cd²⁺，Pb²⁺，Ag⁺，Al³⁺，Fe³⁺，Cr³⁺后的荧光光谱。Zn²⁺的加入使s3在454nm处的荧光强度增强。而其他上述实验金属离子的加入，除Cd²⁺略有增加外，几乎不会改变s3的荧光强度。测试的激发波长为360nm。

图2 共存金属离子对试剂s3检测Zn²⁺的荧光强度影响。

在浓度为1.00×10^-5 mol·L^-1的s3的DMF/H₂O（2/3，v/v）溶液中，加入2.00×10^-4 mol·L^-1的Zn²⁺后测定s3在波长为454nm处的荧光强度值。再分别向s3-Zn²⁺混合溶液中加入等量的其他金属离子：Li⁺，Na⁺，K⁺，Mg²⁺，Ca²⁺，Ba²⁺,Sr²⁺，Hg²⁺，Co²⁺，Ni²⁺，Cu²⁺，Cd²⁺，Pb²⁺，Ag⁺，Al³⁺，Fe³⁺，Cr³⁺后的荧光强度值的变化。黑色条表示在s3溶液中分别加入不同金属离子的荧光强度。红色条表示在s3-Zn²⁺混合溶液再分别加入上述其他共存金属离子后在454nm处的荧光强度值的变化。表明s3检测Zn²⁺的荧光强度除受到Hg²⁺，Cu²⁺，Fe³⁺离子共存的影响外，其它实验金属离子没有引起s3-Zn²⁺体系荧光强度的变化。测试的激发波长为360nm，荧光发射波长为454nm。

图3 不同浓度的Zn²⁺对试剂s3的荧光滴定光谱图。

在浓度为1.00×10^-5 mol·L^-1试剂s3的DMF/H₂O（2/3，v/v）溶液中分别加入不同浓度Zn²⁺到s3溶液中，随着Zn²⁺的加入，分别测得的荧光光谱。在454nm处的发射峰逐渐升高。测试的激发波长为360nm。 

图4 试剂s3的荧光光谱法检测Zn²⁺的校准曲线。纵坐标为发射波长为454nm处的荧光强度值，横坐标为Zn²⁺的浓度。激发波长为360nm。Zn²⁺响应的浓度线性范围为1.0×10^-7～2.2×10^-5 mol·L^-1。

图5 试剂s3的DMF溶液在不同阴离子存在下的荧光光谱。

浓度为1.00×10^-5 mol·L^-1试剂s3的DMF溶液，分别不加阴离子或加入2.00×10^-4 mol·L^-1阴离子F^-，Cl^-，Br^-，I^-，HSO₄^-，AcO^-，NO₃^-，ClO₄^-，PF₆^-，H₂PO₄^-后的荧光光谱。F^-或AcO^-的加入使s3在480nm处的荧光显著增强。而其他上述实验阴离子的加入几乎不会改变s3的荧光强度。最大激发和发射波长分别为400nm和480nm。

图6 共存阴离子对试剂s3荧光法检测F^-的影响。

在浓度为1.00×10^-5 mol·L^-1试剂s3的DMF溶液中，加入2.00×10^-4 mol·L^-1的F^-后荧光显著增强。再分别向s3-F^-混合溶液中加入同等量的其他阴离子Cl^-，Br^-，I^-，HSO₄^-，AcO^-，NO₃^-，ClO₄^-，PF₆^-，H₂PO₄^-后的荧光强度变化。黑色条表示在s3溶液中分别加入不同阴离子的荧光强度。红色条表示在s3-F^-混合溶液中分别加入上述其他阴离子共存后的荧光强度变化。表明s3检测F^-的荧光强度不受上述其他阴离子包括AcO^-共存的影响。最大激发和发射波长分别为400nm和480 nm。

图 7 共存阴离子对试剂s3荧光法检测AcO^-的影响。

在浓度为1.00×10^-5 mol·L^-1试剂s3的DMF溶液中，加入2.00×10^-4 mol·L^-1的AcO^-后荧光显著增强。再分别向s3-AcO^-混合溶液中加入同等量的其他阴离子F^-，Cl^-，Br^-，I^-，HSO₄^-，NO₃^-，ClO₄^-，PF₆^-，H₂PO₄^-后的荧光强度变化。黑色条表示在s3溶液中分别加入不同阴离子的荧光强度。红色条表示在s3-AcO^-混合溶液中分别加入上述其他阴离子共存后的荧光强度变化。表明荧光试剂s3检测AcO^-的荧光强度，除受到F^-的干扰外，不受上述其他阴离子的影响。最大激发和发射波长分别为400nm和480nm。

图8 不同浓度的F^-对s3的荧光法滴定光谱图。

在浓度为1.00×10^-5 mol·L^-1s3的DMF溶液中分别加入不同浓度F^-到s3溶液中，随着F^-的加入，分别测得的荧光光谱。在480nm处的发射峰逐渐升高。测试的激发波长为400nm。 

图9 荧光光谱法用s3检测F^-的校准曲线。

纵坐标为发射波长为480nm处的荧光强度，横坐标为F^-的浓度。激发波长为400nm。线性范围为1.0×10^-7～1.1×10^-5 mol·L^-1。

图10 不同浓度的AcO^-对s3的荧光法滴定光谱图。

在浓度为1.00×10^-5 mol·L^-1s3的DMF溶液中分别加入不同浓度AcO^-到s3溶液中，随着AcO^-的加入，分别测得的荧光光谱曲线。在480nm处的发射峰逐渐升高。测试的激发波长为400nm。 

图11 荧光光谱法用s3检测AcO^-的校准曲线。纵坐标为发射波长为480nm处的荧光强度，横坐标为AcO^-的浓度。激发波长为400nm。AcO^-响应的浓度线性范围为1.0×10^-7~1.1×10^-5 mol·L^-1。

 

具体实施方式

实施例一：

本发明分析方法中各试剂的配制方法是：

（1）试剂s3溶液的配制：称取44mg的s3，用DMF溶解，配制成100mL溶液，浓度为1.00×10^-3mol·L^-1；

（2）Zn²⁺标准溶液：称取59.5mg分析纯Zn(NO₃)₂，用二次蒸馏水溶解，并配制成100mL溶液，Zn²⁺的浓度为2.00×10^-3 mol·L^-1；根据需要用二次蒸馏水逐级稀释到适宜的浓度；其它共存金属离子溶液的配制相同。

（3）AcO^-，F^-储备液(2.00×10^-3 mol×L^-1)：分别称取60.3 mg，52.2 mg四丁基醋酸铵，四丁基氟化铵用DMSO溶解，配制成100 mL溶液。其他阴离子的配制相同。

本发明所用荧光分光光度计型号为 Cary Eclipse荧光分光光度计，美国VARIAN公司生产。 

本发明方法中的荧光试剂s3，可作为微量Zn²⁺、F^-或AcO^-离子的荧光检测试剂。具有检测性能优越、检测的稳定性好、背景干扰小、选择性高、检测限低、不需要分离、能在水溶性或非水介质条件下测试等优点。操作及控制方法简便，性能独特。

 

实施例二：

（1）对金属离子检测

在10.0 mL 容量瓶中加入试剂s3的DMF储备液（1.00×10^-4 mol·L^-1，1mL），金属离子Zn²⁺（2.00×10^-3 mol·L^-1，1 mL），用DMF/H₂O（2/3，v/v）溶液稀释至刻度，摇匀进行荧光光谱测定。

设置荧光激发波长为360nm，在1cm的比色皿中加入约3ml的试剂s3（1.00×10^-5 mol·L^-1）的DMF/H₂O（2/3，v/v）溶液进行荧光光谱测试，试剂s3在454nm波长处有弱荧光发射，在紫外灯下基本观察不到荧光。加入Zn²⁺（2.00×10^-4 mol·L^-1）后，试剂s3溶液的在454nm处的荧光强度显著增强（增加6.7倍），相同条件下，在试剂s3溶液中分别加入Li⁺，Na⁺，K⁺，Mg²⁺，Ca²⁺，Ba²⁺,Sr²⁺，Hg²⁺，Co²⁺，Ni²⁺，Cu²⁺，Ag⁺，Pb²⁺，Cd²⁺，Al³⁺，Cr³⁺，Fe³⁺金属离子后，除Cd²⁺略有增加外，几乎不会改变试剂s3的荧光光谱及强度。试剂s3仅对Zn²⁺有选择性荧光检测响应性能，选择波长为454nm波长处的荧光强度值进行定量测定（附图1）。

与上述荧光法相同测试条件下，试剂s3检测Zn²⁺在454nm波长处的荧光值在上述其他金属离子分别作为共存离子存在于试剂s3-Zn²⁺混合溶液中，当共存金属离子浓度与测试的Zn²⁺离子相当时试剂s3检测Zn²⁺的荧光强度除受到Hg²⁺，Cu²⁺，Fe³⁺离子共存的影响外，其它金属离子均不影响试剂s3对Zn²⁺的荧光测定（附图2）。

在上述荧光测试条件下，分别测定Zn²⁺浓度改变与试剂s3的荧光光谱变化，获得荧光滴定光谱曲线（附图3）及校准曲线(附图4)。由校准曲线的斜率和测定10次空白值的标准偏差，测定并计算得到试剂s3荧光法检测Zn²⁺的浓度线性范围和检出限列于表2。

（2）对阴离子检测

在10.0 mL 容量瓶中加入试剂s3的DMF储备液(1.00×10^-4 mol·L^-1，1mL)，阴离子F^-或AcO^-（2.00×10^-3 mol·L^-1，1 mL）。用DMF溶液稀释至刻度，摇匀，移入1cm的石英比色皿进行荧光光谱测定。试剂s3溶液荧光光谱测定的激发波长为400nm。

所用试剂、试验用水及荧光分光光度计型号及制造厂家均同上。

在DMF溶液中，试剂s3（1.00×10^-5 mol·L^-1）本身具有很弱的荧光发射，在紫外灯下基本观察不到荧光。分别加入F^-或AcO^-（2.00×10^-4 mol·L^-1）后使试剂s3溶液在480nm处的荧光显著增强（F^-增强85%，AcO^-增强70%），除F^-、AcO^-的加入有显著的荧光增强外，其他实验阴离子Cl^-，Br^-，I^-，HSO₄^-，NO₃^-，ClO₄^-，PF₆^-，H₂PO₄^-对试剂s3溶液均无明显的信号响应，表明试剂s3仅对F^-或AcO^-有选择性荧光增强检测响应性能（附图5）。

在上述荧光法测试条件下，试剂s3检测F^-、AcO^-的荧光强度在上述阴离子分别作为共存离子存在于试剂s3-F^-混合溶液中，当共存离子浓度与测试的F^-离子相当时，包括AcO^-在内的上述共存离子对试剂s3检测F^-的荧光强度影响的相对偏差在 3%以内，不干扰测定（附图6）。

在上述荧光法测试条件下，试剂s3检测AcO^-的荧光强度在上述阴离子分别作为共存离子存在于试剂s3-AcO^-混合溶液中，当共存离子浓度与测试的AcO^-离子相当时，除F^-外，其他上述共存阴离子对试剂s3检测AcO^-的荧光强度影响的相对偏差在 3%以内，不干扰测定（附图7）。

在DMF溶液中，以400/480nm为荧光激发和发射波长，分别测定F^-、AcO^-浓度改变时相应的试剂s3溶液的荧光强度变化（附图8、10），获得校准曲线（附图9、11）。分别由校正曲线的斜率和测定10次空白值的标准偏差，测定并计算得到试剂s3检测特定离子的浓度线性范围和检出限列于表3。

实施例二：试剂s3的制备合成方法

（1） 7-乙酸酐香豆素的合成

N₂保护下，在250mL的圆底烧瓶中，加入7-羟基香豆素（9.3g, 57.3 mmol），二氯甲烷 120 mL，搅拌，再加入乙酸酐（11.7g，114.6mmol），吡啶7-8滴，室温下反应12h，反应完成后先减压蒸馏除去溶剂，用水溶解后用乙酸乙酯萃取，饱和食盐水洗涤，硫酸钠干燥，过滤，减压蒸馏除去溶剂，粗产品柱层析分离（洗脱剂：氯仿）得白色产品7-乙酸酐香豆素11.16g，产率95.4%。

（2） 中间体原料7-羟基-8-醛基香豆素的合成

N₂保护下，冰浴下，在250mL的圆底烧瓶中，加入7-乙酸酐香豆素（15g，73.51 mmol），三氟乙酸 100 mL，搅拌，待温度降至0℃时，再加入六次甲基四胺（15g，106.26mmol），冰浴下反应1h，将反应温度逐渐升至室温，再回流搅拌反应8h，减压蒸馏除去溶剂，在剩余溶液中加入水150mL，将混合物升至60℃搅拌30min，过滤，滤液用氯仿萃取，饱和食盐水洗涤，硫酸钠干燥，过滤，减压蒸馏除去溶剂，沉淀部分合并，柱层析分离（洗脱剂：氯仿/甲醇，v/v，100/1）得乳白色产品7-羟基-8-醛基香豆素2.61g，产率18.6%。

（3）荧光试剂s3即1,5-二(7-羟基-8-香豆素亚甲基)-二氨基脲的合成

N₂保护下，在250ml三口烧瓶中，加入7-羟基-8-醛基香豆素（600mg，3.16mmol）和70mL无水乙醇，搅拌，升温待其溶解后，降至室温。将碳酰肼（142mg，1.58mmol）溶于20mL无水乙醇后逐滴加入，加热回流反应5h。反应完成后过滤，用氯仿甲醇重结晶，得到乳白色目标产物470mg，产率为68.7%。m.p. ＞300 ℃; ¹H NMR (CDCl₃,  400MHz), δ(ppm): 4.349(s, 1H), 6.282(d, 1H, J=9.6Hz), 6.881(d, 1H, J=8.8Hz), 7.559(d, 1H, J=8.8Hz), 7.969(d, 1H, J=9.2Hz), 8.822(s, 1H), 11.391(s, 1H); ESI-MS: m/z 457.0 [M+Na]⁺。