专利名称：一种镉离子荧光探针及制备方法和用途的制作方法
技术领域：
本发明涉及环境分析、生物分析检测领域，主要涉及一种镉离子荧光探针及其制备方法，该探针分子能够高选择性、定性乃至半定量的检测水体中的镉离子。
背景技术：
镉在工业生产中应用非常广泛。因其良好的抗碱性物质腐蚀能力被应用于塑胶制造和金属电镀，还被用来制造电池、生产颜料和荧光粉等。但是随之而来的镉污染的问题也日益严重。镉不是人体的必需元素，人体内的镉是通过食物、水和空气而进入体内蓄积下来。作为最易在人体内蓄积的毒性物质，镉的排出速度很慢，人肾皮质镉的生物学半衰期是10-30年。有关镉生物毒理性研究表明，一般人群中在低剂量镉环境暴露中易引起肾功能损伤、骨矿密度降低、钙排泄增加及生殖毒性。镉污染土壤，可造成公害病痛痛病。因此，有关镉的环境卫生标准非常严格。美国环境保护署限制排入湖、河、弃置场和农田的镉量并禁止 杀虫剂中含有镉。美国环境保护署允许饮用水含有IOppb的镉。美国食品和药物管理局规定食用色素的含镉量为不得多于15ppm。因此研究可以快速有效地检测生态环境及生物体内的镉离子含量的方法对化学、生物学、环境化学、医学都具有重要意义。迄今为止，人们已经研究出了多种检测方法，如传统的镉离子检测方法主要有原子吸收光谱法(Atomic Absorption Spectroscopy)、紫外分光光度法(Ultra-violet Spectroscopy)、阳极溶出伏安法(Anodic StrippingVoltammetr )、示波极谱法(Oscillopolarography)和各种仪器联用技术,如电感稱合等离子体质谱法(Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry)、电感稱合等离子体原子发身寸光谱分析(Inductively Coupled Plasma Atomic Emission Spectrometry)等。但大多需要大型仪器，成本较高，样品要经过消解，只能逐个测定单种重金属浓度，同时检测步骤繁琐，不适合现场、在线分析检测。而荧光探针因具有灵敏度高、选择性好、分辨率好及原位检测等特点，非常适合应用于环境和生物体系内镉离子的检测。目前设计镉离子荧光探针最主要的问题就是区分Zn2+与Cd2+很困难，锌与镉位于同一族，它们响应的阳离子的化学性质也十分接近。所以仅有少数荧光探针实现了对于Cd2+的检测，然而这些探针还存在不少弊端，如水溶性差、紫外激发及络合能力小等，这也促使人们去解决这些问题。
发明内容
本发明目的在于提供一种镉离子荧光探针及其制备方法，该镉离子荧光探针是在喹啉2位经杂冠醚修饰的衍生物，采用将杂冠醚基团键合到具有辅助配位功能的喹啉发色团上，合成出具有特异性响应的镉离子荧光探针，利用镉、锌作为同族过渡金属离子与S、O和N供体的相互作用很紧密，相较而言镉与S和N供体的连接比锌要紧密，这些特性来设计新的荧光探针。克服锌离子对镉离子荧光探针专一性响应的影响。该荧光探针可应用于水体中镉离子的选择性荧光快速检测，且选择性很好、抗其它金属离子干扰能力强，是一种理想的可应用于镉离子现场检测的传感分子。本发明所述的一种镉离子荧光探针，该荧光探针是在喹啉2位经杂冠醚修饰的衍生物，其结构式(I )为
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(I )。所述的镉离子荧光探针的制备方法，按下列步骤进行
a、以1，2-二氯乙烷为溶剂，加入中间体I为8-氧基乙酸乙酯喹啉-2-甲醛与杂冠醚，在室温下搅拌10分钟，再分批加入NaBH(OAc)3，室温反应过夜，其中8-氧基乙酸乙酯喹啉-2-甲醛、杂冠醚和三乙酰氧基硼氢化钠的摩尔比为1:1:1. I ;
b、反应结束后,用IN的盐酸酸化至pH=4-5,然后用IN氢氧化钠溶液中和至pH=7-8,再用乙酸乙酯萃取3次，收集有机相，用无水硫酸钠干燥，减压蒸馏除去溶剂，经硅胶色谱柱，用溶剂二氯甲烷/25%乙酸乙酯提纯，得到中间体II为2-亚甲基-(1，4 二氧-7，13 二硫-氮杂15冠5)-(喹啉-8-氧基)乙酸乙酯；
C、将步骤b得到的中间体II以乙醇为溶剂，加入10 mg NaOH，室温下搅拌过夜；d、反应完毕后用二氯甲烷萃取，萃取后的有机相用无水硫酸钠干燥，减压蒸馏除去溶齐U，即可得到镉离子荧光探针为2-亚甲基-(1，4 二氧-7，13 二硫-氮杂15冠5)-(喹啉-8-氧基)乙酸钠。所述的镉离子荧光探针的用途，该镉离子荧光探针用于水环境体系或生物细胞体系中的镉离子的传感检测，分析及示踪。本发明所述的一种镉离子荧光探针及制备方法和用途，该镉离子荧光探针的合成路线如下
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0 丄。'O^ONa
TOWa屯'_2子。本发明所述的一种镉离子荧光探针及制备方法和用途，该镉离子荧光探针在中性缓冲溶液中，通过简单的荧光增强数值F/R)可以有效检测Cd2+，并剔除锌离子的影响；荧光探针与镉离子的结合诱导体系荧光增强8倍；该金属离子配合物的离解常数为3. 61 土O. 24 PM ;具有非常高的检测灵敏度，在pH = 6 10的范围内荧光发射光谱测试结果表明该荧光探针能够快速灵敏的检测镉离子，并且比较稳定。这说明探针分子可以在更宽泛的环境中检测镉离子。因此，本发明是一种简单、快速、灵敏的镉离子专一性检测试剂，其性能将在实施例中结合附图基于详细说明。
图I为本发明荧光发射光谱图，利用F-4600荧光分光光度计(日本日立公司)，在缓冲溶液体系中(25 mM HEPES,0. I M NaClO4, pH = 7. 4)进行测试。荧光探针分子的浓度为5μΜ，镉离子浓度依次为O、I. 25,2. 5,3. 75、5、6、8、10、20 μ Μ，激发波长为310nm，狭缝宽为5nm\5nm,横坐标为波长、纵坐标为相对突光强度。图2为本发明探针选择性光谱图，其中I为加入等当量镉离子；2为加入等当量竞争金属离子；3为加入等当量竞争金属离子与镉离子，配置一定浓度的探针溶液，然后向溶液中分别加入等当量的不同金属离子 Ag+、K+、Ca2+、Mg2+、Mn2+、Fe2+、Co2+、Ni2+、Cu2+、 Zn2+、Cd2+、Hg2+、Pb2+，在各金属离子存在条件下，探针分子的荧光发射光谱，随后继续滴加等当量的镉离子，测定在不同金属离子存在下探针检测镉离子的抗干扰能力。图3为本发明探针分子及其金属配合物荧光发射谱在不同pH值下的变化，配置一定浓度探针分子溶液，分别加入不同浓度的盐酸或氢氧化钠溶液以调节溶液的PH值，测定每组对应PH值溶液的荧光发射光谱(上曲线为金属配合物的荧光；下曲线为探针分子的荧光)O
具体实施例方式本发明所述镉离子荧光探针的制备方法
实施例I
a、在室温下将中间体I为8-氧基乙酸乙酯喹啉-2-甲醒(25.9 mg, O. I mmol)与杂冠醚(25. I mg，O. Immol)溶解在1,2-二氯乙烷(10 mL)中，搅拌10分钟，再分批加入NaBH(OAc)3 (O. 22 g,0. 11 mmol )，室温反应过夜;
b、反应结束后,用IN的盐酸酸化至pH=4-5,然后用IN氢氧化钠溶液中和至pH=7-8,再用乙酸乙酯萃取3次，收集有机相，用无水硫酸钠干燥，减压蒸馏除去溶剂，经硅胶色谱柱用(二氯甲烷/25%乙酸乙酯)提纯得到中间体II为2-亚甲基-(I, 4 二氧-7，13 二硫-氮杂15冠5)-(喹啉-8-氧基)乙酸乙酯，产率46%;
C、将步骤b得到的将中间体II (O. 45 g, I. O mmol)溶解在乙醇(5 mL)中,加入10 mgNaOH,室温搅拌过夜；
d、反应完毕后加入二氯甲烷(10 mLX3)萃取，萃取后的有机相用无水硫酸钠干燥，减压蒸馏除去溶剂，即可得到镉离子荧光探针为2-亚甲基-(1，4 二氧-7，13 二硫-氮杂15冠5)-(喹啉-8-氧基)乙酸钠，产率96%。本发明所述镉离子荧光探针的用途
实施例2
在缓冲溶液中(25 mM HEPES,0. I M NaC104，pH = 7. 4)，荧光探针的浓度为5 μ M，镉离子浓度依次为O、I. 25,2. 5,3. 75、5、6、8、10、20μΜ，激发波长为310nm，狭缝宽为5nm\5nm ；在缓冲溶液中(25 mM HEPES，0. I M NaClO4, pH = 7. 4)，荧光探针自身的最大吸收峰在241 nm，在长波长方向270 330 nm有一宽的吸收带，当向溶液中加入Cd2+ (O I. 5equiv)后，241 nm吸收峰逐渐减弱，并且稍微红移，而由于Cd2+与喹啉的配位作用，长波长处吸收带稍微红移至300-350 nm ;同时，在滴加Cd2+后，它们在245 nm、257 nm、310nm处产生3个等吸光点，这说明在溶液中仅形成了一种镉离子配合物，而且当滴加完1.0当量Cd2+后继续滴加Cd2+，吸收光谱基本无变化，说明荧光探针分子与Cd2+络合比为1:1;
在缓冲溶液中，以310 nm光激发(激发和发射波长狭缝分别为5 nm)，荧光探针分子在360 550 nm呈现较弱的荧光发射峰，量子产率较低(Φ = O. 022)，当向溶液中滴加Cd2+(O 1.6 equiv)，体系的荧光强度产生了明显的增强，当滴加饱和后形成相应镉离子配合物，其量子产率达到了 O. 21，很显然，这样的荧光增强归因于镉离子与三级胺配位，使三级胺上孤对电子不能有效地猝灭体系的荧光，是典型的PET抑制过程；
通过对荧光强度随自由镉离子浓度的变化曲线经最小二乘法曲线拟合得到该金属离 子配合物的离解常数为Kd = 3.61 土 0.24 pM (R = O. 99)，荧光发射光谱测试结果表明本发明所述的镉离子荧光探针能够快速灵敏的检测镉离子(图I)。实施例3
配置5 μ M荧光探针溶液，然后向溶液中分别加入等当量的不同金属离子Ag+、K+、Ca2+、 Mg2+、Mn2+、Fe2+、Co2+、Ni2+、Cu2+、Zn2+、Cd2+、Hg2+、Pb2+，测定在各金属离子存在下，荧光探针分子的荧光发射光谱；
参照镉离子对探针分子的荧光光谱滴定实验，本发明通过竞争金属离子滴定实验来判定探针对镉离子的选择性，在溶液中分别加入等当量的Ag+、Mn2+、Fe2+、Co2+、Ni2+、Cu2+、Zn2+、Hg2+、Pb2+以及100当量的K+、Ca2+、Mg2+后，荧光光谱也没有明显变化，只有加入Cd2+后，荧光光谱才产生了很大增强，通过对荧光发射强度积分面积的比值F/R)监测表明本发明十分适合作为镉离子荧光探针(图2)。实施例4
配置5 μ M荧光探针溶液，然后向溶液中分别加入等当量的不同金属离子Ag+、K+、Ca2+、Mg2+、Mn2+、Fe2+、Co2+、Ni2+、Cu2+、Zn2+、Cd2+、Hg2+、Pb2+，随后继续滴加等当量的镉离子，测定在不同金属离子存在下探针检测镉离子的抗干扰能力，其结果表明金属离子如K+、Ca2+、Mg2+、Mn2+、Fe2+、Co2+、Ni2+、Zn2+、Cd2+对探针识别银离子的荧光信号增强程度影响很小，但是Hg2+、Cu2+、Pb2+、Ag+会造成一定程度的干扰(图2)。实施例5
荧光发射谱在不同PH值下的变化，配置5 μ M荧光探针溶液，分别加入不同浓度的盐酸或氢氧化钠溶液以调节溶液的PH值，测定每组对应pH值溶液的荧光发射光谱。为了考察pH值对探针分子及其镉离子配合物荧光发射光谱的影响，探针分子及其镉离子配合物荧光发射峰的积分面积随PH值的变化(图3)所示，该结果表明在pH =6 10的范围内都具有很好镉离子响应，并且比较稳定，这说明本发明所述的镉离子荧光探针可以在更宽泛的环境中检测镉离子。
权利要求
1.一种镉离子荧光探针，其特征在于该荧光探针是在喹啉2位经杂冠醚修饰的衍生物，其结构式(I )为
2.根据权利要求I所述的镉离子荧光探针的制备方法，其特征在于按下列步骤进行 a、以1，2-二氯乙烷为溶剂，加入中间体I为8-氧基乙酸乙酯喹啉-2-甲醛与杂冠醚，在室温下搅拌10分钟，再分批加入NaBH(OAc)3，室温反应过夜，其中8-氧基乙酸乙酯喹啉-2-甲醛、杂冠醚和三乙酰氧基硼氢化钠的摩尔比为1:1:1. I ; b、反应结束后,用IN的盐酸酸化至pH=4-5,然后用IN氢氧化钠溶液中和至pH=7-8,再用乙酸乙酯萃取3次，收集有机相，用无水硫酸钠干燥，减压蒸馏除去溶剂，经硅胶色谱柱，用溶剂二氯甲烷/25%乙酸乙酯提纯，得到中间体II为2-亚甲基-(1，4 二氧-7，13 二硫-氮杂15冠5)-(喹啉-8-氧基)乙酸乙酯； C、将步骤b得到的中间体II以乙醇为溶剂，加入10 mg NaOH，室温下搅拌过夜； d、反应完毕后用二氯甲烷萃取，萃取后的有机相用无水硫酸钠干燥，减压蒸馏除去溶齐U，即可得到镉离子荧光探针为2-亚甲基-(1，4 二氧-7，13 二硫-氮杂15冠5)-(喹啉-8-氧基)乙酸钠。
3.根据权利要求I所述的镉离子荧光探针的用途，其特征在于该镉离子荧光探针用于水环境体系或生物细胞体系中的镉离子的传感检测，分析及示踪。
全文摘要
本发明涉及一种镉离子荧光探针及其制备方法，该镉离子荧光探针是在喹啉2位经杂冠醚修饰的衍生物，采用将杂冠醚基团键合到具有辅助配位功能的喹啉发色团上，合成出具有特异性响应的镉离子荧光探针，镉、锌作为同族过渡金属离子与S、O和N供体的相互作用很紧密，相较而言镉与S和N供体的连接比锌要紧密，利用这些特性来设计新的荧光探针。克服锌离子对镉离子荧光探针专一性响应的影响。该荧光探针可应用于水体中镉离子的选择性荧光快速检测，且选择性很好、抗其它金属离子干扰能力强，是一种理想的可应用于镉离子现场检测的传感分子。
文档编号G01N21/64GK102876323SQ20121041108
公开日2013年1月16日 申请日期2012年10月25日 优先权日2012年10月25日
发明者王欢欢, 王传义, 袁群惠 申请人:中国科学院新疆理化技术研究所