基于香豆素对NO2的荧光增强效应的荧光探针及其制备方法和应用

摘要

本发明公开了一种基于香豆素对NO2的荧光增强效应的荧光探针及其制备方法和应用。利用3‑N,N‑二甲胺基苯酚、三氯氧磷和无水DMF制备4‑N,N‑二甲胺基‑2‑羟基‑苯甲醛，然后利用4‑N,N‑二甲胺基‑2‑羟基‑苯甲醛和三苯基膦烯基乙酸乙酯制备7‑N,N‑二甲胺基‑香豆素，再将其与三氯氧磷和无水DMF反应制得7‑N,N‑二甲胺基‑8‑醛基香豆素，最后利用7‑N,N‑二甲胺基‑8‑醛基香豆素和盐酸羟胺、三乙胺反应得到探针7‑N,N‑二甲胺基‑8‑肟基香豆素，该探针可用于对NO2进行检测，探针与NO2发生检测作用后，荧光强度增强6.7倍。

说明书

技术领域

本发明涉及二氧化氮检测技术领域，更具体地，本发明涉及一种基于香豆素对NO₂的荧光增强效应的荧光探针及其制备方法和应用。

背景技术

二氧化氮(NO₂)作为硝基脂肪族爆炸物的降解产物、空气环境中的大气污染物，发展针对NO₂的新型检测方法对于维护公共安全、预防环境污染等具有十分重要的意义。荧光分析法具有灵敏度高、选择性好、操作简单等优点，是分析检测领域近年来的发展趋势之一，其中香豆素分子具有制备简单、Stokes位移大、荧光亮度高等优点，在染料、传感和标记等分析检测领域具有很好的应用前景，目前国内外以香豆素分子为荧光团，发展了各式各样的荧光探针用于金属离子、自由基以及无机小分子的标记与检测，然而目前仍未见基于香豆素分子的荧光探针用于NO₂的荧光增强检测应用。

发明内容

本发明针对二氧化氮气体的荧光检测，发展基于香豆素的荧光探针，利用香豆素荧光团的自有特性，实现对NO₂高选择性的荧光增强检测。具体地，本发明针对NO₂的荧光增强检测，以香豆素分子为荧光团，经过设计、制备得到荧光探针，考察其荧光性质，并将其用于NO₂的荧光增强检测。为实现基于香豆素对NO₂的荧光增强检测，采用以香豆素为荧光团，肟基为NO₂识别基团，通过化学合成方法将肟基构筑于香豆素分子的8位上得到新型荧光探针，并考察新型探针的自身光谱性质，主要包括吸收波长、发射波长、荧光量子产率等，评估新型探针对NO₂的荧光增强响应行为，包括与NO₂发生检测作用后紫外吸收光谱、荧光发射光谱以及荧光量子产率的变化，获得新型探针对NO₂的荧光增强效果。

本发明的一种实施方式采用以下技术方案：

一种基于香豆素对NO₂的荧光增强效应的荧光探针，该探针的结构如下：

上述基于香豆素对NO₂的荧光增强效应的荧光探针的制备方法包括如下步骤：

(1)制备4-N,N-二甲胺基-2-羟基-苯甲醛

将3-N,N-二甲胺基苯酚溶于干燥的DMF中，并在室温下逐滴滴加至由三氯氧磷和无水DMF新制的Vilsmeier Haack试剂中，接着室温搅拌至少15min，然后升温至35～40℃反应至少15min，再升温至80～90℃反应30～40min，冷却至室温，将反应混合物快速倒入大量冰水中，所得溶液用Na₂CO₃中和，收集沉淀并经过滤、水洗、干燥后得到4-N,N-二甲胺基-2-羟基-苯甲醛；

(2)制备7-N,N-二甲胺基-香豆素

将4-N,N-二甲胺基-2-羟基-苯甲醛和三苯基膦烯基乙酸乙酯在氩气保护下加热至180～185℃反应1～1.5h，冷却至室温，粗产物经硅胶柱色谱分离纯化得到7-N,N-二甲胺基-香豆素；

(3)制备7-N,N-二甲胺基-8-醛基香豆素

将7-N,N-二甲胺基-香豆素溶于干燥的DMF中，并在室温下逐滴滴加至由三氯氧磷和无水DMF新制的Vilsmeier Haack试剂中，然后升温至50～55℃反应3.5～4h，冷却至室温并搅拌过夜，接着将反应混合液倒入大量冰水中，静置后过滤，收集滤液，减压真空浓缩至有沉淀析出，再静置至少2天后过滤，收集沉淀物干燥，得到7-N,N-二甲胺基-8-醛基香豆素；

(4)制备7-N,N-二甲胺基-8-肟基香豆素

首先将7-N,N-二甲胺基-8-醛基香豆素溶于乙醇溶液中，接着将盐酸羟胺和三乙胺加入上述溶液中，加热至65～70℃反应3～3.5h，将适量的水加入反应液中，并用二氯甲烷萃取，有机层用无水硫酸钠干燥、过滤、旋干得到粗产物，以体积比乙酸乙酯：二氯甲烷＝1：2为流动相经硅胶柱层析分离纯化得到7-N,N-二甲胺基-8-肟基香豆素。

上述基于香豆素对NO₂的荧光增强效应的荧光探针用于对NO₂进行检测。

将获得的新型探针7-N,N-二甲胺基-8-肟基香豆素溶于乙腈溶液中，通过紫外吸收光谱仪考察其紫外吸收光谱范围和中心吸收波长，通过荧光分光光度计考察其荧光发射光谱范围和中心发射波长。以荧蒽为参比物质，借助紫外吸收和荧光发射获得新型探针的荧光量子产率。

将新型探针溶于乙腈溶液中，通入一定浓度的NO₂，考察新型探针对NO₂的检测时间；加入不同的活性小分子，考察新型探针对NO₂的选择性响应；通入适量浓度NO₂反应一定时间后，考察新型探针对NO₂的荧光增强效果。

与现有技术相比，本发明通过分子设计、化学合成获得新型探针7-N,N-二甲胺基-8-肟基香豆素。新型探针紫外吸收光谱范围为275～425nm，中心吸收波长为361nm，新型探针荧光发射光谱范围为375～575nm，中心发射波长为440nm。新型探针与NO₂发生检测作用后，荧光量子产率由0.0025增加至0.045，荧光强度增强6.7倍，新型探针从无荧光到发射出深蓝色荧光。

附图说明

图1为本发明新型探针的制备路线。

图2为本发明新型探针自身的紫外吸收光谱。

图3为本发明新型探针自身的荧光发射光谱。

图4为本发明新型探针对NO₂的荧光响应行为图谱。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

7-N,N-二甲胺基-8-肟基香豆素的制备路线如图1所示。其中化合物1是7-N,N-二甲胺基-8-肟基香豆素，化合物2是7-N,N-二甲胺基-8-醛基香豆素，化合物3是7-N,N-二甲胺基-香豆素，化合物4是4-N,N-二甲胺基-2-羟基-苯甲醛，化合物5是3-N,N-二甲胺基苯酚。

实施例1 4-N,N-二甲胺基-2-羟基-苯甲醛的制备

3-N,N-二甲胺基苯酚(10.5g，0.075mol)溶于20mL干燥的DMF中，并在室温下逐滴滴加至由三氯氧磷(8.2mL，0.09mol)和无水DMF(17mL，0.22mol)新制的Vilsmeier Haack试剂中，接着室温搅拌20min，升温至40℃反应20min，再升温至80℃反应30min。冷却至室温，反应混合物快速倒入大量冰水中，上述溶液用NaHCO₃中和，收集沉淀并经过滤、水洗、干燥后得到目标产物8.8g，产率65％。

实施例2 7-N,N-二甲胺基-香豆素的制备

4-N,N-二甲胺基-2-羟基-苯甲醛(5g，30mmol)和三苯基膦烯基乙酸乙酯(12g，35mmol)在氩气保护下加热至180℃反应1h，冷却至室温，粗产物经硅胶柱色谱分离纯化得到目标产物5.5g，产率62％。

实施例3 7-N,N-二甲胺基-8-醛基香豆素的制备

7-N,N-二甲胺基-香豆素(0.75g，4.0mmol)溶于干燥的30mL的DMF中，并在室温下逐滴滴加至由三氯氧磷(1.8mL，20mmol)和无水DMF(4.0mL，50mmol)新制的Vilsmeier Haack试剂中，接着升温至55℃反应4h，冷却至室温并搅拌12h，接着将反应混合液倒入大量冰水中，静置后过滤，收集滤液，减压真空浓缩至有沉淀析出，再静置3天后过滤，收集沉淀物干燥，得到目标产物0.25g，产率25％。

实施例4 7-N,N-二甲胺基-8-肟基香豆素的制备

首先7-N,N-二甲胺基-8-醛基香豆素(0.10g，0.46mol)溶于15mL乙醇溶液中，接着将盐酸羟胺(0.097g，1.39mmol)和三乙胺(0.19mL，1.39mmol)加入上述溶液中，加热至65℃反应3h，将适量的水加入上述反应液中，并用二氯甲烷萃取，有机层用无水硫酸钠干燥、过滤、旋干得到粗产物，以乙酸乙酯/二氯甲烷(1/2)为流动相经硅胶柱层析分离纯化得到浅黄色目标产物85mg，产率85％。

实施例5 新型探针自身光谱性质

将新型探针7-N,N-二甲胺基-8-肟基香豆素(11.6mg)溶于DMSO溶液(5.0mL)配制成1.0×10^-2mol/L探针储备液，接着将探针储备液用乙腈稀释至1.0×10^-6mol/L探针测试液。将上述探针测试液置于紫外吸收光谱仪上在800～200nm范围内扫描紫外吸收光谱，如图2所示，紫外吸收光谱范围为275～425nm，中心吸收波长为361nm。将上述探针测试液置于比色池中放于荧光分光光度计中以361nm为固定激发波长扫描荧光发射光谱，如图3所示，荧光发射光谱范围为375～575nm，中心发射波长为440nm。

实施例6 新型探针对NO₂的荧光检测行为

从二氧化氮标准气瓶(50ppm，4L)引出经配气系统稀释成一定浓度的NO₂气体(20ppm)通入上述新型探针标准液中(1.0×10^-6mol/L)，分别反应1、3、6、10、15min，接着在荧光分光光度计上考察其荧光强度，发现探针在10min后对NO₂的荧光增强达到平台期；新型探针标准液中(1.0×10^-6mol/L)加入不同的潜在干扰物(H₂S、SO₂、NO、H₂O₂、NO₂^-和NO₃^-)，上述干扰物的浓度为NO₂的100倍，反应10min，发现除了NO₂外干扰物并没有引起探针荧光增强，表明新型探针对NO₂具有高选择性响应。将上述探针标准液与20ppm的NO₂反应10min，于荧光分光光度计上在361nm激发下测试440nm的荧光强度，如图4所示，荧光增强6.7倍，表明新型探针对NO₂发射出深蓝色的荧光增强响应，增强效果为6.7倍。

尽管这里参照本发明的解释性实施例对本发明进行了描述，但是，应该理解，本领域技术人员可以设计出很多其他的修改和实施方式，这些修改和实施方式将落在本申请公开的原则范围和精神之内。