一种检测焦磷酸根阴离子荧光传感器、制备方法和应用

1.本发明属于荧光传感器技术领域，具体涉及一种新型检测焦磷酸根阴离子荧光传感器的制备方法。


背景技术：

2.负离子在环境和我们的健康中起着非常重要的作用。其中，磷酸根阴离子由于其在生物系统中无处不在的性质和对生命过程的强烈影响而引起了人们极大的兴趣。它们参与能量转换和代谢过程。因为在许多相关的生物过程中伴随着atp水解过程中焦磷酸根阴离子的释放，因此，这些阴离子被认为是监测这些过程的重要目标。一些疾病，如关节炎和门克伯格动脉硬化，都与血清中磷酸根阴离子的异常水平有关。到目前为止，许多研究工作致力于通过配位化学为磷酸根阴离子开发高选择性和高灵敏度的传感器。已经建立了多种检测磷酸根阴离子的技术，如比色法和电化学发光法。特别是基于荧光的受体，由于其在体内和体外成像中的高灵敏度和易操作性，已经引起了广泛的关注。
3.尽管已经报道了几种用于磷酸根阴离子传感的化学传感器。然而，由于溶剂结合的破坏和来自其它类似阴离子的竞争，发展高选择性和高灵敏度的磷酸根阴离子荧光传感器仍然存在很大的困难，特别是在水环境中。克服这些挑战的一个有效策略是开发具有针对感兴趣的特定目标预先组织的多个结合单元的化学传感器。大环非常适合于这样的目的。过去，基于大环的基质材料已用于传感、封装和自组装。因此，大环化学传感器在进一步开发各种阴离子的高选择性和高灵敏度荧光探针方面具有巨大潜力。然而，这种类型的荧光传感器仍然令人害怕。
4.聚集诱导发射(aie)是一种独特的现象，在聚集状态下会产生强荧光，通常会淬灭荧光。荧光团的这种不寻常的行为使它们成为简单的荧光开启或关闭传感器的非常好的候选者，这些传感器通过分析物的聚集或通过用猝灭剂猝灭聚集发射来诱导。这种基于aiegens的传感器获得了巨大成功。使用这种类型的设计，假阳性响应会显著削弱检测的可信度。克服这个问题的一个可能方法是使用比率探头。这种类型的设计不太可能产生假阳性反应，因为它是基于两个不同波长的相对强度。一些特定分析物的比率荧光传感器的成功开发。基于aiegens的比率探针非常罕见，因为大多数aiegens不会同时显示两种发射。
5.焦磷酸根阴离子的检测，多在专业机构大型仪器上进行测试，数据比较准确，但是实用限制较多，时间花费长，或者部分定性检测，试纸之类，准确度不高，难以两全。这种在精确度和时间的选择中，现有技术难免会有限制，需要一种适中实用的新方案来解决。


技术实现要素：

6.针对现有技术中存在的问题，本发明提供了一种新型检测焦磷酸根阴离子荧光传感器的制备方法和应用，本发明使用的一种新型aie活性咪唑鎓大环，利用aie效应，对焦磷酸根阴离子进行有效检测，在传感器的放大转化下，变成光电信号，进行强度的精确识别。
7.本发明还提供利用该离子荧光传感器制备的便携式聚集诱导发光磷酸根阴离子
的检测仪，该检测仪能够实现手持实用，简单快速。
8.为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：一种检测焦磷酸根阴离子荧光传感器，所述荧光传感器为下式所示化合物：。
9.本发明所述的检测焦磷酸根阴离子荧光传感器的制备方法，其特征在于制备路线如下所示：；具体合成方法如下：（1）化合物4的制备：在氮气氛下向配备有磁力搅拌器的烧瓶中加入锌粉和thf，将混合物冷却至0℃，并通过注射器缓慢加入ticl4，所得混合物加热至回流2.5小时后，冷却至室温，然后加入4,4'-二甲氧基二苯甲酮 3 和 9-芴酮 2 的thf溶液，并将混合物回流 12 h，得化合物4；（2）化合物5的制备：将化合物4、六亚甲基四胺hmta和三氟乙酸tfa加入烧瓶中，所得混合物在搅拌下回流30分钟，冷却至室温并用水淬灭后，将混合物搅拌 4 小时，然后萃取、干燥，过滤，真空蒸发至干，将所得浓缩液用柱色谱纯化，得到化合物5；（3）化合物6的制备：向烧瓶中加入化合物5、nabh4、etoh与thf，所得混合物在室温下搅拌 3 小时，然后用水洗涤并用二氯甲烷萃取，合并的有机相用无水硫酸钠干燥，过滤，真空蒸发至干，对残余物进行柱层析，得到化合物6；
（4）化合物7 的制备： 向烧瓶中加入化合物6、吡啶和二氯甲烷，在室温下搅拌10分钟后，在30分钟内逐滴加入socl2的二氯甲烷溶液，所得混合物在搅拌下在 40℃加热6小时，然后将其淬灭并用水洗涤，合并的有机相用无水硫酸钠干燥，过滤，真空蒸发至干，残余物重结晶，得到化合物7；（5）化合物8的制备：向烧瓶中加入化合物7、咪唑、碳酸钾和ch3cn，所得混合物在搅拌下回流5小时后，将其冷却至室温，用水洗涤，并用二氯甲烷萃取，合并的有机层用无水硫酸钠干燥，过滤，真空蒸发至干，过柱色谱法纯化，得到化合物8；（6）化合物1的制备：向烧瓶中加入化合物7、化合物8和四丁基氯化铵tbac和乙腈，所得混合物在搅拌下回流12小时并冷却至室温后，过滤收集所得沉淀物并用二氯甲烷洗涤，得到化合物1。
10.进一步，所述步骤（1）中锌粉与ticl4的摩尔比为2:1，4,4'-二甲氧基二苯甲酮 3 和 9-芴酮 2的总摩尔与ticl4的摩尔比为1:8，其中4,4'-二甲氧基二苯甲酮 3 和 9-芴酮 2 的摩尔比为1:1.5。
11.进一步，所述步骤（2）中化合物4和六亚甲基四胺的摩尔比为1:10，以1g化合物4为基准，需要三氟乙酸20 ml。
12.进一步，所述步骤（3）中化合物5和nabh4的摩尔比为1:10，etoh和thf的体积比为3:2。
13.进一步，所述步骤（4）中化合物6、吡啶的摩尔比为1:2，以0.4 mmol化合物6为基准，需要socl 2 0.17 ml。
14.进一步，所述步骤（5）中化合物7、咪唑和碳酸钾的摩尔比为1:10:2。
15.进一步，所述步骤（6）中化合物7、化合物8、四丁基氯化铵tbacl，的摩尔比为1:1:5。
16.利用本发明所述的制备方法制得的荧光传感器在检测焦磷酸根阴离子中的应用。
17.一种便携式聚集诱导发光磷酸根阴离子的检测仪，其组成包括：通气管，气泵，光电倍增管，玻璃皿，含有aie的有机溶剂，紫外光管，连接器a，电流放大器，连接器b，a/d转换器，连接器c，处理器，连接器d，警报器，led显示屏，锂电池和开关，所述aie采用本发明所述的制备方法制得的荧光传感器即化合物1；所述含有aie的有机溶剂中，化合物1的浓度为1x10-5
m。
18.本发明的有益效果：本发明利用大环不寻常的双重发射，并将其用作比率探针来检测水溶液中的焦磷酸根阴离子。在锌离子存在下，该芳香大环对焦磷酸根阴离子表现出高选择性增强的聚集体发射和减少的单体发射的比率荧光变化。再将检测原理设计到手持检测器里，做出一种手持实用，高灵敏度的检测系统。
19.在大环限制静电作用下，使aie效应在焦磷酸离子检测里很好体现，通过探针检测，可以对ppi 的检测限估计为 67 nm，属于最佳相似探针的范围。再通过制备的检测器，可以很好的在各种场所快速使用。
附图说明
20.图1为化合物1对不同阴离子选择性识别荧光图。
21.图2为在锌 (ii) 存在下化合物 1 在含有 50% dmso 和 ppi 的水中的荧光变
化。插图为550 nm 处的强度与 ppi 浓度的曲线。ex = 378 nm，ex/em 狭缝 = 10/10 nm。
22.图3为1 在含有 50% dmso 的水中与 ppi 的吸收光谱变化。 插图为253 nm 处的吸光度与 ppi 浓度的曲线。 [化合物1] = [zn(oac)2] = 1.0
ꢀ×ꢀ
10-5 m。
[0023]
图4为dmso-d
6 中化合物 1 的 1
h nmr。
[0024]
图5为dmso-d
6 中化合物 1 的 13
c nmr。
[0025]
图6为便携式聚集诱导发光磷酸根阴离子的检测仪结构示意图。
[0026]
图7为便携式聚集诱导发光磷酸根阴离子的检测仪的电路图。
具体实施方式
[0027]
下面结合具体实施例，对本发明做进一步说明。应理解，以下实施例仅用于说明本发明而非用于限制本发明的范围，该领域的技术熟练人员可以根据上述发明的内容作出一些非本质的改进和调整。
[0028]
实施例1本实施例新型检测焦磷酸根阴离子荧光传感器的制备方法，其制备路线如下所示：；具体合成方法如下：（1）化合物4的制备：在氮气氛下向配备有磁力搅拌器的烧瓶中加入锌粉(16g，160mmol)和thf(100ml)。将混合物冷却至0℃，并通过注射器缓慢加入ticl4(8.8ml，80mmol)。在将混合物加热至回流2.5小时后，将其冷却至环境温度。然后加入在 thf (60 ml) 中的 4,4'-二甲氧基二苯甲酮 3 和 9-芴酮 2 (1:1.5 摩尔比，总计 10 mmol)，并将混合物回流 12 h。 用10% k
2 co3水溶液(100 ml)淬灭反应，然后用二氯甲烷萃取。 有机层用无水硫酸钠干燥，过滤，真空蒸发至干。 通过柱色谱法纯化残余物，得到黄色粉末(1.3g，
33％)。
[0029]
（2）化合物5的制备：向装有4 (1.0 g, 2.56 mmol)、六亚甲基四胺(3.58 g, 25.6 mmol)和三氟乙酸(20 ml)的烧瓶中。将所得混合物在搅拌下回流30分钟。冷却至室温并用 15 ml 水淬灭后，将混合物搅拌 4 小时，然后用二氯甲烷 (3
×
25 ml) 萃取。合并的有机层用无水硫酸钠干燥，过滤，真空蒸发至干。将所得浆液用柱色谱纯化，得到橙红色粉末(410mg，36％)。
[0030]
（3）化合物6的制备：向烧瓶中加入5(410mg，0.92mmol)、nabh4(350mg，9.19mmol)和etoh/thf(3:2，v/v，总共25ml)。将混合物在环境温度下搅拌 3 小时，然后用水洗涤并用二氯甲烷 (3
×
25 ml) 萃取。合并的有机相用无水硫酸钠干燥，过滤，真空蒸发至干。对残余物进行柱层析，得到黄色粉末(170mg，41％)。
[0031]
（4）化合物7的制备： 向烧瓶中加入二醇6（180 mg，0.4 mmol）、吡啶（60 μl，0.8 mmol）和 10 ml 二氯甲烷。在室温下搅拌10分钟后，在30分钟内逐滴加入socl 2 (0.17 ml)的二氯甲烷(5 ml)溶液。将混合物在搅拌下在 40℃加热 6 小时，然后将其淬灭并用水洗涤。合并的有机相用无水硫酸钠干燥，过滤，真空蒸发至干。残余物用ch2cl2和meoh重结晶，得到黄色固体(172mg，88％)。
[0032]
（5）化合物8的制备：向烧瓶中加入二氯化物7(96mg，0.2mmol)、咪唑(136mg，2mmol)、碳酸钾(54mg，0.4mmol)和再蒸馏的ch3cn(8ml)。将混合物在搅拌下回流5小时后，将其冷却至室温，用水洗涤，并用二氯甲烷(3
×
15ml)萃取。合并的有机层用无水硫酸钠干燥，过滤，真空蒸发至干。通过柱色谱法纯化残余物，得到黄色粉末(100mg，91％)。
[0033]
（6）化合物1的制备：向烧瓶中加入6（106mg，0.19mmol）、8（94mg，0.19mmol）和四丁基氯化铵（268mg，0.96mmol）和乙腈（8ml）。 将混合物在搅拌下回流12小时并冷却至室温后，过滤收集所得沉淀物并用二氯甲烷洗涤，得到红黄色粉末(150mg，76％)。
[0034]
图1为化合物1对不同阴离子选择性识别荧光图，通过荧光检测，对不同阴离子进行选择性识别。从图1可以看出，本发明的化合物1可以在众多阴离子中，对ppi有效识别。
[0035]
图2为在锌 (ii) 存在下化合物 1 在含有 50% dmso 和 ppi 的水中的荧光变化。插图为550 nm 处的强度与 ppi 浓度的曲线。通过荧光滴定实验，测出浓度与荧光强度的曲线，可以求出检测极限。
[0036]
图3为化合物1 在含有 50% dmso 的水中与 ppi 的吸收光谱变化。 插图为253 nm 处的吸光度与 ppi 浓度的曲线。通过光谱测试，可以很好的看到，随着ppi的加入，253nm处吸收不断减弱，证明大环化合物和ppi相互作用生成络合物。
[0037]
表1为ppi检测能力对照表
ꢀ
检测限计算，用lod=3σ/sσ，即3倍标准方差除以斜率。在荧光滴定实验中，取前6个点，换算成浓度和（i-i0）/i0关系，做线性拟合，得标准方差，斜率，计算得到检测限为67nm。
[0038]
实施例2本实施例的便携式聚集诱导发光磷酸根阴离子的检测仪，如图6所示，其组成包括：通气管，气泵，光电倍增管，玻璃皿，含有aie的有机溶剂，紫外光管，连接器a，电流放大器，连接器b，a/d转换器，连接器c，处理器，连接器d，警报器，led显示屏，锂电池，开关1和开关2。
[0039]
元件连接：通气管连接气泵，气泵连接玻璃皿，玻璃皿内装有aie有机溶液和光电倍增管（使用光化学硅脂使光电倍增管与玻璃皿密合）。光电倍增管通过连接器a与电流放大器连接，电流放大器通过连接器b与a/d转换器连接，a/d转换器通过连接器c与处理器连接，处理器分别通过连接器d与警报器、led显示屏连接。气泵，紫外光管，电流放大器，处理器，警报器，led显示屏分别通过导线与锂电池连接。开关1，2控制电路连通。
[0040]
各元件作用：通气管：连接空气与气泵；气泵：将空气压入玻璃皿中；光电倍增管：将光信号转换为电信号；紫外光管：使有机溶液显示为荧光；连接器a：连接光电倍增管与电流放大器；电流放大器：放大电信号；连接器b：连接电流放大器与a/d转换器；a/d转换器：将电信号转化为数字信号；连接器c：连接a/d转换器与处理器；处理器：将数字信号进行处理，系统预先设定一个警报值，当信号高于预设的值时，进行自动报警；连接器d：连接处理器与警报器、led显示屏；警报器：发出警报；led显示屏：显示数据信息；开关：控制整个电路；锂电池：为用电器提供电力。
[0041]
工作原理：含有aie的有机溶液在紫外光管的照射下发荧光。荧光通过光电倍增管由光信号转化为电信号，电信号通过电流放大器放大，a/d转换器接收经放大的电信号，并将电信号转化为数字信号，数字信号通过连接器输入处理器中，之后在led显示屏上出来，待显示屏上数值稳定后，则显示出未通入空气时的荧光强度并将该数值保存在处理器中。之后接通气泵，通入空气，将待测样品用水稀释，通过雾化空气带入，与有机溶剂反应，使荧
光增强、荧光不变；荧光变化后，再通过光电倍增管由光信号转化为电信号，电信号通过电流放大器放大电信号，再通过a/d转换器将电信号转化为数字信号，数字信号输入处理器中，经过处理器处理，将在led显示屏上显示处理结果，从而得出磷酸根阴离子含量对应值，如果超出设定值报警器将发出警报。
[0042]
气泵、处理器、led显示屏、紫外光管、电流放大器、警报器与电源通过导线相连，分别由两个开关1、2控制，电路图如图7所示。
[0043]
操作步骤:先打开开关2，待led显示屏数值稳定后，处理器将会记录下这一数值；然后打开开关1，气泵开始抽气，如果雾化空气中含有磷酸根阴离子，将会引起显示屏的数值变化，数值的变化经处理器处理过后，将会引起报警器工作，从而提醒使用人员，引起使用人员的注意，达到检测目的。使用结束后，关闭开关1、2。
[0044]
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征以及本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。