專利名稱：一種鎘離子熒光探針及制備方法和用途的制作方法
技術領域：
本發明涉及環境分析、生物分析檢測領域，主要涉及一種鎘離子熒光探針及其制備方法，該探針分子能夠高選擇性、定性乃至半定量的檢測水體中的鎘離子。
背景技術：
鎘在工業生產中應用非常廣泛。因其良好的抗堿性物質腐蝕能力被應用于塑膠制造和金屬電鍍，還被用來制造電池、生產顏料和熒光粉等。但是隨之而來的鎘污染的問題也日益嚴重。鎘不是人體的必需元素，人體內的鎘是通過食物、水和空氣而進入體內蓄積下來。作為最易在人體內蓄積的毒性物質，鎘的排出速度很慢，人腎皮質鎘的生物學半衰期是10-30年。有關鎘生物毒理性研究表明，一般人群中在低劑量鎘環境暴露中易引起腎功能損傷、骨礦密度降低、鈣排泄增加及生殖毒性。鎘污染土壤，可造成公害病痛痛病。因此，有關鎘的環境衛生標準非常嚴格。美國環境保護署限制排入湖、河、棄置場和農田的鎘量并禁止 殺蟲劑中含有鎘。美國環境保護署允許飲用水含有IOppb的鎘。美國食品和藥物管理局規定食用色素的含鎘量為不得多于15ppm。因此研究可以快速有效地檢測生態環境及生物體內的鎘離子含量的方法對化學、生物學、環境化學、醫學都具有重要意義。迄今為止，人們已經研究出了多種檢測方法，如傳統的鎘離子檢測方法主要有原子吸收光譜法(Atomic Absorption Spectroscopy)、紫外分光光度法(Ultra-violet Spectroscopy)、陽極溶出伏安法(Anodic StrippingVoltammetr )、示波極譜法(Oscillopolarography)和各種儀器聯用技術,如電感稱合等離子體質譜法(Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry)、電感稱合等離子體原子發身寸光譜分析(Inductively Coupled Plasma Atomic Emission Spectrometry)等。但大多需要大型儀器，成本較高，樣品要經過消解，只能逐個測定單種重金屬濃度，同時檢測步驟繁瑣，不適合現場、在線分析檢測。而熒光探針因具有靈敏度高、選擇性好、分辨率好及原位檢測等特點，非常適合應用于環境和生物體系內鎘離子的檢測。目前設計鎘離子熒光探針最主要的問題就是區分Zn2+與Cd2+很困難，鋅與鎘位于同一族，它們響應的陽離子的化學性質也十分接近。所以僅有少數熒光探針實現了對于Cd2+的檢測，然而這些探針還存在不少弊端，如水溶性差、紫外激發及絡合能力小等，這也促使人們去解決這些問題。
發明內容
本發明目的在于提供一種鎘離子熒光探針及其制備方法，該鎘離子熒光探針是在喹啉2位經雜冠醚修飾的衍生物，采用將雜冠醚基團鍵合到具有輔助配位功能的喹啉發色團上，合成出具有特異性響應的鎘離子熒光探針，利用鎘、鋅作為同族過渡金屬離子與S、O和N供體的相互作用很緊密，相較而言鎘與S和N供體的連接比鋅要緊密，這些特性來設計新的熒光探針。克服鋅離子對鎘離子熒光探針專一性響應的影響。該熒光探針可應用于水體中鎘離子的選擇性熒光快速檢測，且選擇性很好、抗其它金屬離子干擾能力強，是一種理想的可應用于鎘離子現場檢測的傳感分子。本發明所述的一種鎘離子熒光探針，該熒光探針是在喹啉2位經雜冠醚修飾的衍生物，其結構式(I )為
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◎
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(I )。所述的鎘離子熒光探針的制備方法，按下列步驟進行
a、以1，2-二氯乙烷為溶劑，加入中間體I為8-氧基乙酸乙酯喹啉-2-甲醛與雜冠醚，在室溫下攪拌10分鐘，再分批加入NaBH(OAc)3，室溫反應過夜，其中8-氧基乙酸乙酯喹啉-2-甲醛、雜冠醚和三乙酰氧基硼氫化鈉的摩爾比為1:1:1. I ;
b、反應結束后,用IN的鹽酸酸化至pH=4-5,然后用IN氫氧化鈉溶液中和至pH=7-8,再用乙酸乙酯萃取3次，收集有機相，用無水硫酸鈉干燥，減壓蒸餾除去溶劑，經硅膠色譜柱，用溶劑二氯甲烷/25%乙酸乙酯提純，得到中間體II為2-亞甲基-(1，4 二氧-7，13 二硫-氮雜15冠5)-(喹啉-8-氧基)乙酸乙酯；
C、將步驟b得到的中間體II以乙醇為溶劑，加入10 mg NaOH，室溫下攪拌過夜；d、反應完畢后用二氯甲烷萃取，萃取后的有機相用無水硫酸鈉干燥，減壓蒸餾除去溶齊U，即可得到鎘離子熒光探針為2-亞甲基-(1，4 二氧-7，13 二硫-氮雜15冠5)-(喹啉-8-氧基)乙酸鈉。所述的鎘離子熒光探針的用途，該鎘離子熒光探針用于水環境體系或生物細胞體系中的鎘離子的傳感檢測，分析及示蹤。本發明所述的一種鎘離子熒光探針及制備方法和用途，該鎘離子熒光探針的合成路線如下
ΟO、A
0 丄。'O^ONa
TOWa屯'_2子。本發明所述的一種鎘離子熒光探針及制備方法和用途，該鎘離子熒光探針在中性緩沖溶液中，通過簡單的熒光增強數值F/R)可以有效檢測Cd2+，并剔除鋅離子的影響；熒光探針與鎘離子的結合誘導體系熒光增強8倍；該金屬離子配合物的離解常數為3. 61 土O. 24 PM ;具有非常高的檢測靈敏度，在pH = 6 10的范圍內熒光發射光譜測試結果表明該熒光探針能夠快速靈敏的檢測鎘離子，并且比較穩定。這說明探針分子可以在更寬泛的環境中檢測鎘離子。因此，本發明是一種簡單、快速、靈敏的鎘離子專一性檢測試劑，其性能將在實施例中結合附圖基于詳細說明。
圖I為本發明熒光發射光譜圖，利用F-4600熒光分光光度計(日本日立公司)，在緩沖溶液體系中(25 mM HEPES,0. I M NaClO4, pH = 7. 4)進行測試。熒光探針分子的濃度為5μΜ，鎘離子濃度依次為O、I. 25,2. 5,3. 75、5、6、8、10、20 μ Μ，激發波長為310nm，狹縫寬為5nm\5nm,橫坐標為波長、縱坐標為相對突光強度。圖2為本發明探針選擇性光譜圖，其中I為加入等當量鎘離子；2為加入等當量競爭金屬離子；3為加入等當量競爭金屬離子與鎘離子，配置一定濃度的探針溶液，然后向溶液中分別加入等當量的不同金屬離子 Ag+、K+、Ca2+、Mg2+、Mn2+、Fe2+、Co2+、Ni2+、Cu2+、 Zn2+、Cd2+、Hg2+、Pb2+，在各金屬離子存在條件下，探針分子的熒光發射光譜，隨后繼續滴加等當量的鎘離子，測定在不同金屬離子存在下探針檢測鎘離子的抗干擾能力。圖3為本發明探針分子及其金屬配合物熒光發射譜在不同pH值下的變化，配置一定濃度探針分子溶液，分別加入不同濃度的鹽酸或氫氧化鈉溶液以調節溶液的PH值，測定每組對應PH值溶液的熒光發射光譜(上曲線為金屬配合物的熒光；下曲線為探針分子的熒光)O
具體實施例方式本發明所述鎘離子熒光探針的制備方法
實施例I
a、在室溫下將中間體I為8-氧基乙酸乙酯喹啉-2-甲醒(25.9 mg, O. I mmol)與雜冠醚(25. I mg，O. Immol)溶解在1,2-二氯乙烷(10 mL)中，攪拌10分鐘，再分批加入NaBH(OAc)3 (O. 22 g,0. 11 mmol )，室溫反應過夜;
b、反應結束后,用IN的鹽酸酸化至pH=4-5,然后用IN氫氧化鈉溶液中和至pH=7-8,再用乙酸乙酯萃取3次，收集有機相，用無水硫酸鈉干燥，減壓蒸餾除去溶劑，經硅膠色譜柱用(二氯甲烷/25%乙酸乙酯)提純得到中間體II為2-亞甲基-(I, 4 二氧-7，13 二硫-氮雜15冠5)-(喹啉-8-氧基)乙酸乙酯，產率46%;
C、將步驟b得到的將中間體II (O. 45 g, I. O mmol)溶解在乙醇(5 mL)中,加入10 mgNaOH,室溫攪拌過夜；
d、反應完畢后加入二氯甲烷(10 mLX3)萃取，萃取后的有機相用無水硫酸鈉干燥，減壓蒸餾除去溶劑，即可得到鎘離子熒光探針為2-亞甲基-(1，4 二氧-7，13 二硫-氮雜15冠5)-(喹啉-8-氧基)乙酸鈉，產率96%。本發明所述鎘離子熒光探針的用途
實施例2
在緩沖溶液中(25 mM HEPES,0. I M NaC104，pH = 7. 4)，熒光探針的濃度為5 μ M，鎘離子濃度依次為O、I. 25,2. 5,3. 75、5、6、8、10、20μΜ，激發波長為310nm，狹縫寬為5nm\5nm ；在緩沖溶液中(25 mM HEPES，0. I M NaClO4, pH = 7. 4)，熒光探針自身的最大吸收峰在241 nm，在長波長方向270 330 nm有一寬的吸收帶，當向溶液中加入Cd2+ (O I. 5equiv)后，241 nm吸收峰逐漸減弱，并且稍微紅移，而由于Cd2+與喹啉的配位作用，長波長處吸收帶稍微紅移至300-350 nm ;同時，在滴加Cd2+后，它們在245 nm、257 nm、310nm處產生3個等吸光點，這說明在溶液中僅形成了一種鎘離子配合物，而且當滴加完1.0當量Cd2+后繼續滴加Cd2+，吸收光譜基本無變化，說明熒光探針分子與Cd2+絡合比為1:1;
在緩沖溶液中，以310 nm光激發(激發和發射波長狹縫分別為5 nm)，熒光探針分子在360 550 nm呈現較弱的熒光發射峰，量子產率較低(Φ = O. 022)，當向溶液中滴加Cd2+(O 1.6 equiv)，體系的熒光強度產生了明顯的增強，當滴加飽和后形成相應鎘離子配合物，其量子產率達到了 O. 21，很顯然，這樣的熒光增強歸因于鎘離子與三級胺配位，使三級胺上孤對電子不能有效地猝滅體系的熒光，是典型的PET抑制過程；
通過對熒光強度隨自由鎘離子濃度的變化曲線經最小二乘法曲線擬合得到該金屬離 子配合物的離解常數為Kd = 3.61 土 0.24 pM (R = O. 99)，熒光發射光譜測試結果表明本發明所述的鎘離子熒光探針能夠快速靈敏的檢測鎘離子(圖I)。實施例3
配置5 μ M熒光探針溶液，然后向溶液中分別加入等當量的不同金屬離子Ag+、K+、Ca2+、 Mg2+、Mn2+、Fe2+、Co2+、Ni2+、Cu2+、Zn2+、Cd2+、Hg2+、Pb2+，測定在各金屬離子存在下，熒光探針分子的熒光發射光譜；
參照鎘離子對探針分子的熒光光譜滴定實驗，本發明通過競爭金屬離子滴定實驗來判定探針對鎘離子的選擇性，在溶液中分別加入等當量的Ag+、Mn2+、Fe2+、Co2+、Ni2+、Cu2+、Zn2+、Hg2+、Pb2+以及100當量的K+、Ca2+、Mg2+后，熒光光譜也沒有明顯變化，只有加入Cd2+后，熒光光譜才產生了很大增強，通過對熒光發射強度積分面積的比值F/R)監測表明本發明十分適合作為鎘離子熒光探針(圖2)。實施例4
配置5 μ M熒光探針溶液，然后向溶液中分別加入等當量的不同金屬離子Ag+、K+、Ca2+、Mg2+、Mn2+、Fe2+、Co2+、Ni2+、Cu2+、Zn2+、Cd2+、Hg2+、Pb2+，隨后繼續滴加等當量的鎘離子，測定在不同金屬離子存在下探針檢測鎘離子的抗干擾能力，其結果表明金屬離子如K+、Ca2+、Mg2+、Mn2+、Fe2+、Co2+、Ni2+、Zn2+、Cd2+對探針識別銀離子的熒光信號增強程度影響很小，但是Hg2+、Cu2+、Pb2+、Ag+會造成一定程度的干擾(圖2)。實施例5
熒光發射譜在不同PH值下的變化，配置5 μ M熒光探針溶液，分別加入不同濃度的鹽酸或氫氧化鈉溶液以調節溶液的PH值，測定每組對應pH值溶液的熒光發射光譜。為了考察pH值對探針分子及其鎘離子配合物熒光發射光譜的影響，探針分子及其鎘離子配合物熒光發射峰的積分面積隨PH值的變化(圖3)所示，該結果表明在pH =6 10的范圍內都具有很好鎘離子響應，并且比較穩定，這說明本發明所述的鎘離子熒光探針可以在更寬泛的環境中檢測鎘離子。
權利要求
1.一種鎘離子熒光探針，其特征在于該熒光探針是在喹啉2位經雜冠醚修飾的衍生物，其結構式(I )為
2.根據權利要求I所述的鎘離子熒光探針的制備方法，其特征在于按下列步驟進行 a、以1，2-二氯乙烷為溶劑，加入中間體I為8-氧基乙酸乙酯喹啉-2-甲醛與雜冠醚，在室溫下攪拌10分鐘，再分批加入NaBH(OAc)3，室溫反應過夜，其中8-氧基乙酸乙酯喹啉-2-甲醛、雜冠醚和三乙酰氧基硼氫化鈉的摩爾比為1:1:1. I ; b、反應結束后,用IN的鹽酸酸化至pH=4-5,然后用IN氫氧化鈉溶液中和至pH=7-8,再用乙酸乙酯萃取3次，收集有機相，用無水硫酸鈉干燥，減壓蒸餾除去溶劑，經硅膠色譜柱，用溶劑二氯甲烷/25%乙酸乙酯提純，得到中間體II為2-亞甲基-(1，4 二氧-7，13 二硫-氮雜15冠5)-(喹啉-8-氧基)乙酸乙酯； C、將步驟b得到的中間體II以乙醇為溶劑，加入10 mg NaOH，室溫下攪拌過夜； d、反應完畢后用二氯甲烷萃取，萃取后的有機相用無水硫酸鈉干燥，減壓蒸餾除去溶齊U，即可得到鎘離子熒光探針為2-亞甲基-(1，4 二氧-7，13 二硫-氮雜15冠5)-(喹啉-8-氧基)乙酸鈉。
3.根據權利要求I所述的鎘離子熒光探針的用途，其特征在于該鎘離子熒光探針用于水環境體系或生物細胞體系中的鎘離子的傳感檢測，分析及示蹤。
全文摘要
本發明涉及一種鎘離子熒光探針及其制備方法，該鎘離子熒光探針是在喹啉2位經雜冠醚修飾的衍生物，采用將雜冠醚基團鍵合到具有輔助配位功能的喹啉發色團上，合成出具有特異性響應的鎘離子熒光探針，鎘、鋅作為同族過渡金屬離子與S、O和N供體的相互作用很緊密，相較而言鎘與S和N供體的連接比鋅要緊密，利用這些特性來設計新的熒光探針。克服鋅離子對鎘離子熒光探針專一性響應的影響。該熒光探針可應用于水體中鎘離子的選擇性熒光快速檢測，且選擇性很好、抗其它金屬離子干擾能力強，是一種理想的可應用于鎘離子現場檢測的傳感分子。
文檔編號G01N21/64GK102876323SQ20121041108
公開日2013年1月16日 申請日期2012年10月25日 優先權日2012年10月25日
發明者王歡歡, 王傳義, 袁群惠 申請人:中國科學院新疆理化技術研究所