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(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及環(huán)境分析、生物分析檢測領(lǐng)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(shù)：
鎘在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用非常廣泛。因其良好的抗堿性物質(zhì)腐蝕能力被應(yīng)用于塑膠制造和金屬電鍍，還被用來制造電池、生產(chǎn)顏料和熒光粉等。但是隨之而來的鎘污染的問題也日益嚴(yán)重。鎘不是人體的必需元素，人體內(nèi)的鎘是通過食物、水和空氣而進入體內(nèi)蓄積下來。作為最易在人體內(nèi)蓄積的毒性物質(zhì)，鎘的排出速度很慢，人腎皮質(zhì)鎘的生物學(xué)半衰期是10-30年。有關(guān)鎘生物毒理性研究表明，一般人群中在低劑量鎘環(huán)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(guān)鎘的環(huán)境衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)非常嚴(yán)格。美國環(huán)境保護署限制排入湖、河、棄置場和農(nóng)田的鎘量并禁止 殺蟲劑中含有鎘。美國環(huán)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(guī)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(tài)環(huán)境及生物體內(nèi)的鎘離子含量的方法對化學(xué)、生物學(xué)、環(huán)境化學(xué)、醫(yī)學(xué)都具有重要意義。迄今為止，人們已經(jīng)研究出了多種檢測方法，如傳統(tǒng)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(lián)用技術(shù),如電感稱合等離子體質(zhì)譜法(Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry)、電感稱合等離子體原子發(fā)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(jīng)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(xiàn)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(yīng)用于環(huán)境和生物體系內(nèi)鎘離子的檢測。目前設(shè)計鎘離子熒光探針最主要的問題就是區(qū)分Zn2+與Cd2+很困難，鋅與鎘位于同一族，它們響應(yīng)的陽離子的化學(xué)性質(zhì)也十分接近。所以僅有少數(shù)熒光探針實現(xiàn)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(fā)及絡(luò)合能力小等，這也促使人們?nèi)ソ鉀Q這些問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)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(jīng)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(fā)色團上，合成出具有特異性響應(yīng)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(shè)計新的熒光探針?？朔\離子對鎘離子熒光探針專一性響應(yīng)的影響。該熒光探針可應(yīng)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(yīng)用于鎘離子現(xiàn)場檢測的傳感分子。本發(fā)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(jīng)雜冠醚修飾的衍生物，其結(jié)構(gòu)式(I )為
,S O飛
QOilJ
◎
X
O^ONa
(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(yīng)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(yīng)結(jié)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(jīng)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(yīng)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(huán)境體系或生物細(xì)胞體系中的鎘離子的傳感檢測，分析及示蹤。本發(fā)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(fā)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(shù)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(jié)合誘導(dǎo)體系熒光增強8倍；該金屬離子配合物的離解常數(shù)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(nèi)熒光發(fā)射光譜測試結(jié)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(wěn)定。這說明探針分子可以在更寬泛的環(huán)境中檢測鎘離子。因此，本發(fā)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(jié)合附圖基于詳細(xì)說明。


圖I為本發(fā)明熒光發(fā)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(fā)波長為310nm，狹縫寬為5nm\5nm,橫坐標(biāo)為波長、縱坐標(biāo)為相對突光強度。圖2為本發(fā)明探針選擇性光譜圖，其中I為加入等當(dāng)量鎘離子；2為加入等當(dāng)量競爭金屬離子；3為加入等當(dāng)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(dāng)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(fā)射光譜，隨后繼續(xù)滴加等當(dāng)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(fā)明探針分子及其金屬配合物熒光發(fā)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(diào)節(jié)溶液的PH值，測定每組對應(yīng)PH值溶液的熒光發(fā)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(fā)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(yīng)過夜;
b、反應(yīng)結(jié)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(jīng)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(chǎn)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(yīng)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(chǎn)率96%。本發(fā)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(fā)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(dāng)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(chǎn)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(dāng)?shù)渭油?.0當(dāng)量Cd2+后繼續(xù)滴加Cd2+，吸收光譜基本無變化，說明熒光探針分子與Cd2+絡(luò)合比為1:1;
在緩沖溶液中，以310 nm光激發(fā)(激發(fā)和發(fā)射波長狹縫分別為5 nm)，熒光探針分子在360 550 nm呈現(xiàn)較弱的熒光發(fā)射峰，量子產(chǎn)率較低(Φ = O. 022)，當(dāng)向溶液中滴加Cd2+(O 1.6 equiv)，體系的熒光強度產(chǎn)生了明顯的增強，當(dāng)?shù)渭语柡秃笮纬上鄳?yīng)鎘離子配合物，其量子產(chǎn)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(jīng)最小二乘法曲線擬合得到該金屬離 子配合物的離解常數(shù)為Kd = 3.61 土 0.24 pM (R = O. 99)，熒光發(fā)射光譜測試結(jié)果表明本發(fā)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(dāng)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(fā)射光譜；
參照鎘離子對探針分子的熒光光譜滴定實驗，本發(fā)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(dāng)量的Ag+、Mn2+、Fe2+、Co2+、Ni2+、Cu2+、Zn2+、Hg2+、Pb2+以及100當(dāng)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(chǎn)生了很大增強，通過對熒光發(fā)射強度積分面積的比值F/R)監(jiān)測表明本發(fā)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(dāng)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(xù)滴加等當(dāng)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(jié)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(fā)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(diào)節(jié)溶液的PH值，測定每組對應(yīng)pH值溶液的熒光發(fā)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(fā)射光譜的影響，探針分子及其鎘離子配合物熒光發(fā)射峰的積分面積隨PH值的變化(圖3)所示，該結(jié)果表明在pH =6 10的范圍內(nèi)都具有很好鎘離子響應(yīng)，并且比較穩(wěn)定，這說明本發(fā)明所述的鎘離子熒光探針可以在更寬泛的環(huán)境中檢測鎘離子。
權(quán)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(jīng)雜冠醚修飾的衍生物，其結(jié)構(gòu)式(I )為
2.根據(jù)權(quán)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(yīng)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(yīng)結(jié)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(jīng)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(yīng)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(jù)權(quán)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(huán)境體系或生物細(xì)胞體系中的鎘離子的傳感檢測，分析及示蹤。
全文摘要
本發(fā)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(jīng)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(fā)色團上，合成出具有特異性響應(yīng)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(shè)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(yīng)的影響。該熒光探針可應(yīng)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(yīng)用于鎘離子現(xiàn)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(yōu)先權(quán)日2012年10月25日
發(fā)明者王歡歡, 王傳義, 袁群惠 申請人:中國科學(xué)院新疆理化技術(shù)研究所