熒光探針聚酰亞胺的制備方法
【專利摘要】本發明公開一種熒光探針聚酰亞胺的制備方法，包括：(1)、準備苝四酸二酐和三聚氰胺；(2)、將準備好的苝四酸二酐和三聚氰胺按摩爾比1～2:1分散到熔化的咪唑中，攪拌2～4小時，溫度設定為150～200攝氏度，得到懸濁液；(3)、將獲得的懸濁液升溫至210～250攝氏度，攪拌6～8小時，得到反應縮聚液；以及(4)、制備好的反應縮聚液冷卻至120℃～160℃后，加入甲醇冷卻至室溫后過濾，得到熒光探針聚酰亞胺。在步驟(2)中，采用恒溫磁力攪拌，三聚氰胺和苝四酸二酐的總質量與咪唑的質量比為1～3:50。本發明制得的熒光探針聚酰亞胺特異選擇性強、靈敏度高、可用于復雜環境下探測鈷離子。
【專利說明】
熒光探針聚酰亞胺的制備方法
技術領域
[0001] 本發明涉及溶液中離子探測領域，尤其涉及一種用于鈷離子探測的熒光探針的制 備方法。
【背景技術】
[0002] 在分子識別領域中，具有分子器件性質的熒光探針通過與目標物質選擇性鍵合， 使結合前后的熒光增強或猝滅、熒光偏振、波長及峰形、熒光壽命等參數變化，將微觀領域 的作用通過光信息表現出來，從而實現在分子水平上的原位實時檢測，達到對金屬離子、有 機分子、生物分子等的有效識別。利用探針分子與非熒光或弱熒光物質以共價或其它形式 結合形成發熒光的配合物、超分子或聚集體進行測定，即所謂"熒光探針"技術。由于熒光分 析的高靈敏和高選擇性，實時原位檢測，設備簡單，并能提供豐富的光譜信息，在分析化學、 生物化學、環境科學、醫藥學等領域中各種離子檢測、DNA及蛋白質分子標記、細胞成像、免 疫分析等方面發揮著重要作用。
[0003] 鈷是一種毒性較強的過渡金屬，微量存在于所有多細胞生物體的氰鈷胺素和金屬 蛋白中。鈷也是人體必需的微量元素，在新陳代謝和血色素的合成中，主要以維生素 B12及 B12輔酶形式發揮其生物學作用和生理功能。Co2+的缺乏可引起心血管疾病，而Co2+過量存在 于環境中，會導致人體肺部損傷、支氣管敏感和肺纖維化等疾病。但是，一旦生物體細胞內 的鈷離子含量過高可導致嚴重的鈷離子中毒，主要涉及的損害機制包括細胞的氧化應激和 缺氧性損害以及損害引起的細胞凋亡。此外鈷中毒還可以降低許多酶的活性，降低機體的 抵抗力甚至激發癌變，因此國際癌變機構將鈷及其化合物列為人類可能致癌物質的2A級。
[0004] 海水中的鈷含量可達0.5yg//L~1.2yg/L，人們在硬質金屬工業、金剛石研磨和瓷 器、化學及制藥工業中都會接觸到鈷。由于鈷在工業生產中的應用領域十分廣泛，常用于有 色玻璃制造、顏料生產、有色金屬冶煉等。這也意味著鈷離子更容易進入環境，危害環境和 人體健康。因此，實現對檢測環境中鈷離子的探測具有重要意義。
[0005] 采用熒光探針法探測金屬離子因其具有靈敏度高、選擇性好、操作簡便以及便于 觀察的特點而受到廣泛關注。但是目前對于鈷離子的探測報道較少，少數用于鈷離子探測 的熒光探針(基于苯并噻唑和三聯吡啶熒光探針的設計合成及功能研究-譚軼群)合成過程 需要加入有毒催化劑等，在成本上極大的制約了鈷離子探針的應用，大多數對鈷離子響應 的熒光基團需要在氧化劑的存在下或堿性條件下才能作用，或者一些熒光探針選擇性差， 背景干擾嚴重。
[0006] 如中國專利申請第201510969475.6號揭示的一種識別鈷離子熒光探針，合成步驟 是：以乙腈為溶劑，將原料8-(2-(2-甲氧基乙氧基）乙氧基)喹啉-2-甲醛和吡啶-2-甲酰肼， 加熱回流反應后，減壓旋出乙腈，得到的粗產物用硅膠柱色譜法進行純化，用乙酸乙酯和石 油醚作為洗脫劑進行分離，得到熒光探針L。然而，該方法制備的識別鈷離子熒光探針在PH 值為7~11的堿性條件下對鈷離子進行檢測，推廣條件受到限制。
[0007] 又如中國專利申請第201210389131.4號揭示的一種合成鈷離子探針的方法，包括 以下步驟:在室溫條件下，取氟硼二吡咯熒光染料和N，N'-間苯撐雙馬來酰亞胺溶解在乙苯 和N，N-二甲基甲酰胺的混合溶液中，然后加入二鹽基亞磷酸鉛做催化劑，加熱回流，點板跟 蹤至原料反應完全后，減壓蒸發溶劑后，柱層析，減壓蒸餾除去溶劑后，得到紅棕色產物，即 為鈷離子探針本發明以氟硼二吡咯為熒光母體、4-N，N-二乙酰胺醇苯甲醛為受體合成了一 種新型鈷離子探針。然而，該方法制備的鈷離子探針不適用于對鈷離子在復雜情況下的探 測 。
[0008] 再如中國專利申請第201210202305.1號揭示的一種鈷離子的高靈敏、高選擇熒光 猝滅光譜分析法，方法中在含H 20量為60 %的DMF/H20混合液中，用Tris-HCl緩沖溶液控制 pH~8，Co2+可將化合物二[(1-羥基，2-萘基)-次甲基]腙的熒光猝滅，測定溶液熒光強度的 降低可以確定溶液中Co 2+的含量。設計了特定的介質條件，使化合物成為檢測鈷離子的熒光 猝滅型探針，實施對不同樣品中鈷離子的高靈敏、高選擇識別檢測。然而，該專利申請沒有 提供與熒光猝滅光譜分析法適用的鈷離子熒光探針。
[0009] 因此，提供一種合成方法簡單、特異選擇性強、靈敏度高、可用于復雜環境下探測 鈷離子且適合推廣應用的鈷離子熒光探針是及其制備方法成為業內急需解決的問題。
【發明內容】
[0010]本發明的目的是提供一種特異選擇性強、靈敏度高、可用于復雜環境下探測鈷離 子的焚光探針。
[0011]本發明基于電荷轉移機理制備熒光探針，將廉價的三聚氰胺和茈四酸二酐作為單 體合成聚酰亞胺。在光激發下，產生較強熒光峰，當與鈷離子結合時，造成體系的偶極矩發 生變化出現熒光發射峰強度明顯變化，實現對鈷離子的探測。
[0012] 根據本發明的一個方面，提供一種熒光探針聚酰亞胺的制備方法，包括：（1)、準備 茈四酸二酐(CAS號128-69-8)和三聚氰胺(CAS號108-78-1); (2)、將準備好的茈四酸二酐和 三聚氰胺按摩爾比1~2:1分散到熔化的咪唑中，攪拌2~4小時，溫度設定為150~200攝氏 度，得到懸濁液；（3)、將獲得的懸濁液升溫至210~250攝氏度，攪拌6~8小時，得到反應縮 聚液；以及(4)、制備好的反應縮聚液冷卻至120°C~160°C后，加入甲醇冷卻至室溫后過濾， 得到熒光探針聚酰亞胺。
[0013] 優選地，在步驟（2)中，采用恒溫磁力攪拌，三聚氰胺和茈四酸二酐的總質量與咪 唑的質量比為1~3:50。
[0014] 可選擇地，在步驟(3)中，采用恒溫磁力攪拌，溫度設定為220~230攝氏度。
[0015] 可選擇地，在步驟(4)中，將甲醇加入反應縮聚液中，甲醇與反應縮聚液的質量比 為1:1~1.5。可選擇地，將甲醇分多次加入反應縮聚液中，比如分三次或五次。
[0016] 可選擇地，在步驟(4)中，制備好的熒光探針聚酰亞胺經過洗滌后，真空干燥5~12 小時。
[0017] 可選擇地，依次采用甲醇和四氫呋喃洗滌得到的熒光探針聚酰亞胺各3~5次，真 空干燥溫度設定為130~180攝氏度。
[0018] 可選擇地，可以采用99 %體積乙醇溶液代替甲醇洗滌得到的熒光探針聚酰亞胺。 [0019]可選擇地，步驟(2)、步驟(3)中的恒溫磁力攪拌是在恒溫磁力攪拌器中進行的。 [0020]根據本發明的第二方面，提供一種根據本發明制備方法獲得的熒光探針聚酰亞 胺，其結構式為：
[0021]
[0022]可選擇地，熒光探針聚酰亞胺是以茈四酸二酐和三聚氰胺為聚合單體縮聚得到。 [0023]茈四酸二酐和三聚氰胺合成反應式如下：
[0024]
[0025] 根據本發明的第三方面，提供一種熒光探針聚酰亞胺在鈷離子探測中的應用，將 聚酰亞胺溶液按體積比1:2~20加入到待測溶液中，分散均勻后測試待測溶液的熒光光譜， 根據熒光發射峰強度變化來確定在待測溶液中是否含有鈷離子。比如，取待測溶液3~ 10ml，將0.5~1.5ml的聚酰亞胺溶液加入到待測溶液中，搖勻后測試待測溶液的熒光光譜， 確定在待測溶液中是否含有鈷離子。
[0026] 優選地，熒光探針聚酰亞胺探測鈷離子時，加入到待測溶液中的聚酰亞胺溶液是 濃度為〇. 1~〇. 5g/L的聚酰亞胺四氫呋喃分散液。
[0027]具體的，使用熒光探針聚酰亞胺探測鈷離子時，用波長為300nm~360nm的激發光 激發待測溶液，測定待測溶液的熒光發射光譜，確定待測溶液中是否含有鈷離子。
[0028] 熒光發射光譜:使激發光的波長和強度保持不變，而讓熒光物質所發出的熒光通 過發射單色器照射于檢測器上，亦即進行掃描，以熒光波長為橫坐標，以熒光強度為縱坐標 作圖，即為熒光光譜，又稱熒光發射光譜。
[0029] 本發明的制備方法，采用三聚氰胺與茈四酸二酐為反應單體，在溶液條件下氮原 子與羧基碳之間的親核加成，形成環狀四面體的中間體，接著是從四面體中間體進行羧酸 分子內異構形成酰胺酸，經脫水反應形成環狀酰亞胺，即親核加成-異構兩步機理的親核酰 基置換反應。上述聚合過程，三聚氰胺作為親核試劑，在高溫下完成熱酰亞胺化，形成熒光 探針聚酰亞胺。
[0030] 其中，根據本發明的制備方法得到的熒光探針聚酰亞胺，在光激發下會產生較強 熒光峰，當與鈷離子結合時，造成體系的偶極矩發生變化出現熒光發射峰強度明顯變化，實 現對鈷離子的探測。
[0031] 其中，鈷離子與熒光探針聚酰亞胺的酰亞胺形成絡合物，使得熒光探針聚酰亞胺 的熒光峰出現強烈的猝滅作用，因此熒光探針聚酰亞胺在含有鈷離子的溶液中熒光發射峰 的強度會有明顯的變弱，可以實現溶液環境中鈷離子的探測，即，若熒光發射峰強度明顯變 弱則可確定在待測溶液中含有鈷離子，若熒光發射峰強度無明顯變化則可確定在待測溶液 中不含鈷離子。
[0032] 本發明的有益效果是：（1)、本發明制得的熒光探針聚酰亞胺分子具有較大的共輒 平面，發光強度高，穩定性好；（2)、選用堿性咪唑作為溶劑提高茈四酸二酐的反應體系的溶 解度，使反應可以更加容易進行；（3)、本發明制備的熒光探針聚酰亞胺的制備工藝簡單，合 成單體價格低廉易得，制備成本較低；（4)、熒光探針聚酰亞胺探測鈷離子時，鈷離子可以與 熒光探針聚酰亞胺形成絡合作用，使聚酰亞胺的電荷轉移作用受到抑制，造成熒光猝滅，實 現鈷離子的探測，因此對鈷離子具有良好的選擇性；（5)、當該熒光探針的酰亞胺結構與鈷 離子配位，使其吸電子效應有大幅度增加，抑制了分子間電荷轉移，熒光發射峰強度會有大 幅度衰減，可以將鈷離子區分出來；（6)、本發明制備的熒光探針聚酰亞胺以電荷轉移機理 實現鈷離子探測，對待測溶液的環境要求低，該熒光探針可用于探測復雜干擾環境下的鈷 離子的探測，適用于工業廢水監測，生態環境的檢測及排污檢驗。
【附圖說明】
[0033] 圖1為本發明制備得到的熒光探針聚酰亞胺的紅外光譜圖。
[0034]圖2為本發明的熒光探針聚酰亞胺對不同離子溶液的待測液在激發波長為330nm 時的熒光發射光譜。
[0035] 圖3為本發明的熒光探針聚酰亞胺在加入干擾離子前后的熒光發射光譜的強度對 比圖。
[0036] 圖4為本發明的熒光探針聚酰亞胺制備方法的流程示意圖。
【具體實施方式】
[0037] 根據本發明的一種非限制性實施方式，提供一種熒光探針聚酰亞胺的制備方法， 該方法包括以下步驟：（1)、準備茈四酸二酐和三聚氰胺；（2)、將準備好的茈四酸二酐和三 聚氰胺按摩爾比1.5:1分散到熔化的咪唑熱溶液中，三聚氰胺和茈四酸二酐的總質量與咪 唑的質量比為1:34，攪拌3小時，溫度設定為180攝氏度，得到懸濁液；（3 )、將獲得的懸濁液 升溫至220攝氏度，攪拌6小時，得到反應縮聚液；以及(4)、制備好的反應縮聚液冷卻至150 °(：后，將甲醇加入反應縮聚液后冷卻至室溫后過濾，甲醇與反應縮聚液的質量比為1:1.15 得到熒光探針聚酰亞胺。
[0038] 在步驟(4)中，制備好的熒光探針聚酰亞胺依次采用甲醇和四氫呋喃洗滌得到的 熒光探針聚酰亞胺各3次，經過洗滌后，真空干燥小時，真空干燥溫度設定為150攝氏度，得 到熒光探針聚酰亞胺。
[0039] 如圖1所示，其中三聚氰胺中的氨基在3400CHT1附近的吸收峰在反應后幾乎已經消 失，茈四酸二酐在1872CHT 1和1749CHT1處的羰基吸收峰在聚合后相低波數移動，1350CHT1處 的吸收峰為C-N-C鍵吸收，表明聚合后產物為聚酰亞胺，并且轉化比較完全。
[0040] 根據本發明的制備方法得到的熒光探針聚酰亞胺可應用在鈷離子探測中，將聚酰 亞胺溶液按體積比約1:5加入到待測溶液中，分散均勻后用波長約為330nm的激發光激發待 測溶液，測定待測溶液的熒光發射光譜，確定待測溶液中是否含有鈷離子。
[0041] 熒光探針聚酰亞胺探測鈷離子時，加入到待測溶液中的聚酰亞胺溶液是濃度約為 0.2g/L的聚酰亞胺四氫呋喃分散液。
[0042] 如圖2所示，分別配置濃度為5mmol/L的鈷離子(C〇2+)、鈉離子(Na+)、鋅離子(Zn2 + )、鐵離子(Fe3+)、鉛離子(Pb2+)、銅離子(Cu2+)的溶液，分別取不同離子溶液5ml，分別加入 濃度為0.2g/L的聚酰亞胺四氫呋喃分散液lml，搖晃均勻后測試其熒光光譜。測試條件為： 激發波長330nm，狹縫寬度6nm/6nm。熒光探針378nm處有熒光發射峰，強度較強。當加入不同 的離子之后，鈉離子、鋅離子、鐵離子、鉛離子、銅離子使熒光聚酰亞胺的發射峰的強度有略 微下降，其中所有離子對聚酰亞胺的熒光響應不相同，除了鈷離子以外的其它離子的熒光 強度比較大并且相差不大，而鈷離子存在明顯的熒光強度的衰減，可以明顯的區別鈷離子， 主要由于鈷離子具有很好的配位作用，造成電荷轉移受限熒光猝滅。說明所述熒光探針聚 酰亞胺具對鈷離子具有明顯的熒光探測響應，可以作為鈷離子的熒光探針。
[0043]如圖3所示，分別配置濃度為5mmol/L的2112+^2+、(：112+、似 +和?63+離子水溶液，并各 取4mL分別向其中加入濃度為0.2g/L的聚酰亞胺四氫呋喃分散液lml，再分別加入lml濃度 為5mmol/L Co2+搖晃均勻后測試其熒光光譜。測試條件為:激發波長330nm，狹縫寬度6nm/ 6nm。可以看出在加入鈷離子前后聚酰亞胺的熒光峰的強度出現了大幅度下降，強度下一個 數量級，表明聚酰亞胺對鈷離子具有明顯探針作用，在上述常見的干擾離子存在的情況下 仍然具有良好的探測性能。
[0044] 下面結合具體實施例和對比例對本發明作出進一步詳細闡述，但實施例和對比例 不應理解為對本發明保護范圍的限制。
[0045] 實施例1
[0046] 請參照圖4,一種熒光探針聚酰亞胺的制備方法，包括以下步驟S1-S5。
[0047]在步驟S1中，準備茈四酸二酐和三聚氰胺。
[0048]接下來，在步驟S2中，稱取三聚氰胺0.21克和茈四酸二酐0.98克依次加入140攝氏 度溶化后的40克咪唑熱溶液中，磁力攪拌下形成分散液，并將體系溫度升高到180攝氏度， 恒溫磁力攪拌3小時，得到懸濁液。
[0049] 在步驟S3中，將獲得的懸濁液升溫至220攝氏度，恒溫磁力攪拌6小時，得到反應縮 聚液。
[0050] 在步驟S4中，制備好的反應縮聚液冷卻至140°C后，將45ml甲醇分五次緩慢加入反 應縮聚液后冷卻至室溫，用砂芯漏斗將反應縮聚液抽濾得到熒光探針聚酰亞胺。
[0051] 在步驟S5中，將抽濾得到的熒光探針聚酰亞胺依次采用甲醇、四氫呋喃分別洗滌3 次，然后將所得熒光探針聚酰亞胺真空干燥5小時，真空干燥溫度設定為150攝氏度，即可得 到熒光探針聚酰亞胺，產率62 %。
[0052] 實施例2
[0053] 除了步驟S2中，除稱取三聚氰胺0.21克和茈四酸二酐0.5克之外，其它條件同實施 例1〇
[0054] 實施例3
[0055] 除了步驟S2中，除咪唑用量為30克之外，其它條件同實施例1。
[0056] 實施例4
[0057]除了步驟S4中，除甲醇用量為50ml之外，其它條件同實施例1。
[0058] 對比例1
[0059] 除了步驟S3中，將獲得的懸濁液升溫至200攝氏度之外，其它條件同實施例1，所得 產物的紅外光譜測試表明茈四酸二酐與三聚氰胺并沒有發生反應。
[0060] 盡管在此已詳細描述本發明的優選實施方式，但要理解的是本發明并不局限于這 里詳細描述和示出的具體結構和步驟，在不偏離本發明的實質和范圍的情況下可由本領域 的技術人員實現其它的變型和變體。此外，本發明中的溫度、濃度或時間等參數可以根據具 體使用條件在本發明所公開的范圍內適當選取。
【主權項】
1. 一種熒光探針聚酰亞胺的制備方法，包括： (1 )、準備茈四酸二酐和三聚氰胺； (2) 、將準備好的茈四酸二酐和三聚氰胺按摩爾比1~2:1分散到熔化的咪唑中，攪拌2 ~4小時，溫度設定為150~200攝氏度，得到懸濁液； (3) 、將獲得的懸濁液升溫至210~250攝氏度，攪拌6~8小時，得到反應縮聚液；以及 (4 )、制備好的反應縮聚液冷卻至120 °C~160 °C后，加入甲醇冷卻至室溫后過濾，得到 熒光探針聚酰亞胺。2. 如權利要求1所述的熒光探針聚酰亞胺的制備方法，其特征在于，在步驟(2)中，采用 恒溫磁力攪拌，三聚氰胺和茈四酸二酐的總質量與咪唑的質量比為1~3:50。3. 如權利要求2所述的熒光探針聚酰亞胺的制備方法，其特征在于，在步驟(3)中，采用 恒溫磁力攪拌，溫度設定為220~230攝氏度。4. 如權利要求3所述的熒光探針聚酰亞胺的制備方法，其特征在于，在步驟(4)中，將甲 醇加入反應縮聚液中，甲醇與反應縮聚液的質量比為1:1~1.5。5. 如權利要求4所述的熒光探針聚酰亞胺的制備方法，其特征在于，在步驟(4)中，制備 好的熒光探針聚酰亞胺經過洗滌后，真空干燥5~12小時。6. 如權利要求5所述的熒光探針聚酰亞胺的制備方法，其特征在于，依次采用甲醇和四 氫呋喃洗滌得到的熒光探針聚酰亞胺各3~5次，真空干燥溫度設定為130~180攝氏度。7. -種如權利要求1~6中任一項所述的方法制備的熒光探針聚酰亞胺，其特征在于， 熒光探針聚酰亞胺的結構式為：8. 如權利要求7所述的熒光探針聚酰亞胺，其特征在于，所述熒光探針聚酰亞胺是以茈 四酸二酐和三聚氰胺為聚合單體縮聚得到。9. 一種如權利要求7或8所述的熒光探針聚酰亞胺在鈷離子探測中的應用，其特征在 于，將聚酰亞胺溶液按體積比1:2~20加入到待測溶液中，分散均勻后測試待測溶液的熒光 光譜，根據熒光發射峰強度變化來確定在待測溶液中是否含有鈷離子。10. 如權利要求9所述的熒光探針聚酰亞胺在鈷離子探測中的應用，其特征在于，熒光 探針聚酰亞胺探測鈷離子時，加入到待測溶液中的聚酰亞胺溶液是濃度為0.1~0.5g/L的 聚酰亞胺四氫呋喃分散液。
【文檔編號】C07D519/00GK106008971SQ201610349093
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年5月23日
【發明人】趙靈智, 楊輝, 劉保健, 歐陽劍
【申請人】華南師范大學