一種水溶性樹枝狀苝單酰亞胺化合物熒光探針及其制備方法和應用與流程

本發(fā)明涉及一種多離子光譜探針，具體涉及一種用于水溶性樹枝狀苝單酰亞胺化合物在作為檢測金屬離子和氫離子的熒光探針中的應用。

背景技術：

苝酰亞胺類化合物具有優(yōu)異的光、熱、化學穩(wěn)定性和優(yōu)良的染色性能，熒光量子產率高，熒光發(fā)射峰窄，能夠與細胞背景熒光分開，在蛋白質、核酸、細胞檢測等生物領域具有廣闊的應用前景，因此，廣泛應用于有機半導體材料、激光染料和生物熒光探針等領域。

樹枝狀大分子是一類結構可以改變和設計的功能高分子，外圍高濃度端基的設計可構造出不同功能化的樹枝狀大分子，被廣泛應用于光學、電學、醫(yī)學、催化劑、納米新材料、液晶等方面。同時，樹枝狀大分子具有穩(wěn)定，無免疫原性，對生物活性劑的轉運效率高等優(yōu)點，因此已成為一種最廣泛的藥物載體。熒光化合物標記的樹枝狀大分子是科學家們研究的熱點之一。樹枝狀熒光材料具有光捕獲、光誘導電子轉移(PET)、熒光開關、能量存儲和轉換等特殊功能，在化學傳感器、生物檢測和藥物傳輸?shù)阮I域有著潛在的應用價值。

苝類衍生物水溶性差，限制了其在生物體系中的應用，科學家們嘗試了很多方法改善苝類衍生物的水溶性。但現(xiàn)有技術的苝酰亞胺類化合物在提高水溶性的同時大大降低了苝類衍生物的熒光量子產率，甚至在水溶液中幾乎都沒有熒光。如何提高苝酰亞胺類化合物水溶性的同時，不降低其熒光量子產率，并能應用于多離子探針，是本申請希望解決的問題。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是在于提供一種光、熱、化學穩(wěn)定性好的水溶性樹枝狀苝單酰亞胺化合物，并將其用于熒光探針；并且通過選擇特定的條件，限定檢測條件，實現(xiàn)對多種陽離子的探測。

為達到以上發(fā)明目的，本發(fā)明的第一方面的具體技術方案是：提供一種水溶性樹枝狀苝單酰亞胺化合物，其結構式式I如下：

首先合成端基為胺基的樹枝狀大分子，然后以3,4,9,10-苝四羧酸酐作為熒光發(fā)射團，利用胺基與酸酐反應制備樹枝狀苝單酰亞胺化合物式I，用于檢測Fe³⁺、Cr³⁺和H⁺。

本發(fā)明的第二方面提供一種水溶性樹枝狀苝單酰亞胺化合物的制備方法，其包括如下步驟：

(1)中間體端基為8個丙烯酸酯的樹枝狀大分子PAE(＝)₈的合成：將三羥甲基丙烷三丙烯酸酯、乙二胺、無水甲醇混合，加熱進行反應，反應完畢用無水甲醇洗滌，得到無色透明的粘稠液體，反應式如下；

(2)中間體端基為8個伯胺基的樹枝狀大分子PAE(NH₂)₈的合成：將PAE(＝)₈和乙二胺混合，加熱進行反應，減壓蒸餾，用乙酸乙酯洗滌，得到淡黃色透明粘稠液體，反應式如下；

(3)中間體3,4,9,10-苝四羧-3,4-酸酐-9-羧酸-10-羧酸鉀的合成：將3,4,9,10-苝四羧酸酐在KOH水溶液中水解為苝四羧酸鉀鹽，用鹽酸調節(jié)pH值至4-6之間，生成3,4,9,10-苝四羧-3,4-酸酐-9-羧酸-10-羧酸鉀，反應式如下；

(4)水溶性樹枝狀苝單酰亞胺化合物的合成：將PAE(NH₂)₈提前混合于異丙醇-水混合溶液中，向混合溶液中加入3,4,9,10-苝四羧-3,4-酸酐-9-羧酸-10-羧酸鉀，常溫下反應4-6小時，然后升溫至80℃-95℃后反應，然后加入稀鹽酸酸化，最后過濾洗滌，用堿溶液室溫處理后加入KCl飽和溶液后靜置分離，過濾，洗滌，得到棕紅色固體式I產物水溶性樹枝狀苝單酰亞胺化合物，反應式如下；

本發(fā)明的一優(yōu)選技術方案，所述步驟(1)、步驟(2)中加熱到25℃-35℃進行反應。

本發(fā)明的一優(yōu)選技術方案，所述步驟(3)中，pH范圍為4-6。

本發(fā)明的一優(yōu)選技術方案提供一種水溶性樹枝狀苝單酰亞胺化合物的制備方法，其包括如下步驟：

(1)中間體端基為8個丙烯酸酯的樹枝狀大分子PAE(＝)₈的合成：將三羥甲基丙烷三丙烯酸酯、乙二胺、無水甲醇混合，加熱到30℃，反應6小時，用無水甲醇洗滌，得到無色透明的粘稠液體；

(2)中間體端基為8個伯胺基的樹枝狀大分子PAE(NH₂)₈的合成：將PAE(＝)₈和乙二胺混合，加熱到30℃，反應24小時，減壓蒸餾，用乙酸乙酯洗滌，得到淡黃色透明粘稠液體；

(3)中間體3,4,9,10-苝四羧-3,4-酸酐-9-羧酸-10-羧酸鉀的合成：將3,4,9,10-苝四羧酸酐在KOH水溶液中水解為苝四羧酸鉀鹽，調節(jié)pH值至4-6,生成3,4,9,10-苝四羧-3,4-酸酐-9-羧酸-10-羧酸鉀；

(4)水溶性樹枝狀苝單酰亞胺化合物的合成：將PAE(NH₂)₈提前混合于異丙醇-水混合溶液中，向混合溶液中加入3,4,9,10-苝四羧-3,4-酸酐-9-羧酸-10-羧酸鉀，常溫下反應4小時，然后升溫至90℃后反應2小時，然后加入20％的稀鹽酸酸化1-2小時，過濾，洗滌，用5％KOH水溶液室溫處理兩小時后加入KCl飽和溶液后靜置分離，過濾，洗滌，得到棕紅色固體式I產物水溶性樹枝狀苝單酰亞胺化合物。

本發(fā)明的第三方面提供一種結構式為式I的水溶性樹枝狀苝單酰亞胺化合物的用途，其用于作為檢測Fe³⁺或Cr³⁺或H⁺的熒光探針。

所述熒光探針的檢測Fe³⁺的方法是，在水溶液中檢測熒光光譜，通過檢測547nm處的熒光強度獲得Fe³⁺的濃度；所述水溶性樹枝狀苝單酰亞胺化合物的濃度為100μM；熒光激發(fā)波長為497nm。

所述熒光探針的檢測Cr³⁺的方法是，在水溶液中檢測熒光光譜，檢測547nm處的熒光強度獲得Cr³⁺的濃度；所述水溶性樹枝狀苝單酰亞胺化合物的濃度為100μM；熒光激發(fā)波長為497nm。

所述熒光探針檢測H⁺的方法是，在水溶液中檢測熒光光譜，通過檢測547nm處的熒光強度獲得不同pH值水溶性樹枝狀苝單酰亞胺化合物的濃度；所述水溶性樹枝狀苝單酰亞胺化合物的濃度為100μM；熒光激發(fā)波長為497nm。

本發(fā)明中要求保護的具有式I結構的水溶性樹枝狀苝單酰亞胺化合物，在文中也可以用PAE-PM表示，具有同等的含義。

由于上述技術方案運用，本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比具有下列優(yōu)點：

1.本發(fā)明實現(xiàn)了水溶性苝單酰亞胺的合成，提高了苝類衍生物的水溶性。

2.本發(fā)明實現(xiàn)了一個探針檢測多種金屬離子和氫離子。

3.本發(fā)明的探針有很好的選擇性、靈敏度和很強的抗干擾能力。

4.相比于現(xiàn)有技術本發(fā)明的苝酰亞胺類化合物在提高水溶性的同時使熒光猝滅，本發(fā)明中檢測Fe³⁺和Cr³⁺使熒光增強，檢測靈敏度提高。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實施例2中含有不同金屬離子的PAE-PM溶液的熒光發(fā)射光譜；

圖2A是本發(fā)明實施例3中含有不同濃度Fe³⁺的PAE-PM溶液的熒光發(fā)射光譜；圖2B是PAE-PM溶液的熒光發(fā)射光譜與Fe³⁺濃度的關系圖。

圖3A是本發(fā)明實施例4中含有不同濃度Cr³⁺的PAE-PM溶液的熒光發(fā)射光譜；圖3B是PAE-PM溶液的熒光發(fā)射光譜與Cr³⁺濃度的關系圖。

圖4是本發(fā)明實施例5中共存金屬離子對含有Fe³⁺的PAE-PM溶液最大熒光強度的影響；

圖5是本發(fā)明實施例6中共存金屬離子對含有Cr³⁺的PAE-PM溶液最大熒光強度的影響；

圖6A是本發(fā)明實施例7中不同pH值的PAE-PM溶液的熒光發(fā)射光譜,圖6B是PAE-PM溶液的熒光發(fā)射光譜與pH的關系圖。

具體實施方式

下面的實施例是對本發(fā)明的進一步闡述，但本發(fā)明的內容不限于此。本發(fā)明說明書中的實施方式僅用于對本發(fā)明進行說明，其并不對本發(fā)明的保護范圍起到限定作用。本發(fā)明的保護范圍僅由權利要求限定，本領域技術人員在本發(fā)明公開的實施方式的基礎上所做的任何省略、替換或修改都將落入本發(fā)明的保護范圍。

實施例1

熒光探針的制備

中間體端基為8個丙烯酸酯的樹枝狀大分子(PAE(＝)₈)的合成：

將60g三羥甲基丙烷三丙烯酸酯、2.4g乙二胺、30mL無水甲醇混合，加熱到30℃，反應6小時，用無水甲醇洗滌，得到無色透明的粘稠液體。

中間體端基為8個伯胺基的樹枝狀大分子(PAE(NH₂)₈)的合成：

將4.665重量份的PAE(＝)₈和108重量份乙二胺混合，加熱到30-50℃，反應24小時，減壓蒸餾，用乙酸乙酯洗滌，得到淡黃色透明粘稠液體。

中間體3,4,9,10-苝四羧-3,4-酸酐-9-羧酸-10-羧酸鉀的合成：

將3g 3,4,9,10-苝四羧酸酐加入35mL 5％的KOH水溶液中，加熱到90℃，反應4小時。冷卻至室溫，再加入12.5mL 10％磷酸溶液，繼續(xù)在90℃反應1小時，過濾，水洗后真空烘干。

水溶性樹枝狀苝單酰亞胺化合物(PAE-PM)的合成：

將1g PAE(NH₂)₈提前混合于50mL異丙醇-水(7:3)混合溶液中。向混合溶液中加入4.16g 3,4,9,10-苝四羧-3,4-酸酐-9-羧酸-10-羧酸鉀，常溫下反應4小時，然后升溫至90℃后反應2小時。加入40mL 20％的稀鹽酸酸化1-2小時，過濾，洗滌，用60mL 5％KOH水溶液室溫處理2小時后加入20mL KCl飽和溶液后靜置分離，過濾，洗滌，得到棕紅色固體2.14g，產率：78.21％。

FT-IR(KBr，cm^-1)：ν＝3442，1687，1646，1594，1472，1243，812，752，611.¹H-NMR(CHCl₃-d₆，400MHz，δ/ppm)核磁譜圖中各峰與PAE-PM結構中的質子峰對應：δ8.56(d，32H)，8.18(d，32H)，4.68(t，16H)，4.234(m，16H)，4.171(m，16H)，3.509(m，8H)，2.963(d，24H)，2.862(t，8H)，2.601(t，4H)，2.269(t，16H)，1.798(m，8H)，1.264(t，12H)。

實施例2

PAE-PM熒光光譜對金屬離子的選擇性

在水溶液中，測定了PAE-PM在加入金屬離子Cr³⁺、Fe²⁺、Fe³⁺、Co²⁺、Ni²⁺、Cu²⁺、Zn²⁺、Hg²⁺、Pb²⁺前后的熒光光譜，發(fā)現(xiàn)PAE-PM對Fe³⁺和Cr³⁺有很好的響應性，結果如圖1所示。

圖1是含有不同金屬離子的PAE-PM溶液的熒光發(fā)射光譜。溶劑為水，濃度：PAE-PM(40μM)，金屬離子(100μM)，激發(fā)波長λex：497nm，狹縫寬度：10/10nm，電壓：650V。圖中有Fe³⁺、Cr³⁺使熒光強度大大增強，說明PAE-PM在水中對Fe³⁺、Cr³⁺有很好的選擇性和靈敏度。

實施例3

PAE-PM熒光檢測Fe³⁺：PAE-PM熒光光譜與Fe³⁺濃度的關系

以水為溶劑，測試濃度分別為0、2.5、10、20、50、100、150、180、200、250μM的Fe³⁺對10μM的PAE-PM的水溶液的熒光光譜的影響，結果如圖2。

其中，λex＝497nm，λem＝547nm，狹縫寬度：10/10nm，電壓：650V。最大熒光強度F與Fe³⁺濃度的關系。

從圖2A,2B可以看出，在0～180μM濃度范圍內，隨著Fe³⁺濃度的增大，PAE-PM的熒光強度逐漸增強，并且熒光強度與Fe³⁺濃度呈一定的線性關系，線性方程為F＝312120[Fe³⁺]+1240，相關系數(shù)為R＝0.9385。可見，PAE-PM可以定量檢測Fe³⁺。

實施例4

PAE-PM熒光檢測Cr³⁺：PAE-PM熒光光譜與Cr³⁺濃度的關系

以水為溶劑，測試濃度分別0、2.5、10、20、50、100、150、180、200、250μM的Cr³⁺對10μM的PAE-PM的水溶液的熒光光譜的影響，結果如圖3。

其中，λex＝497nm，λem＝547nm，狹縫寬度：10/10nm，電壓：650V。最大熒光強度F與Cr³⁺濃度的關系。

從圖3A,3B可以看出，在0～150μM濃度范圍內，隨著Cr³⁺濃度的增大，PAE-PM的熒光強度逐漸增強，并且熒光強度與Cr³⁺濃度呈一定的線性關系，線性方程為F＝8573000[Cr³⁺]+1771，相關系數(shù)為R＝0.9734?？梢姡琍AE-PM可以定量檢測Cr³⁺。

實施例5

PAE-PM熒光檢測Fe³⁺：PAE-PM檢測Fe³⁺時的抗干擾性

圖4是環(huán)境和生物相關共存離子對PAE-PM/Fe³⁺的水溶液熒光強度的影響。

其中，溶劑為水，濃度：PAE-PM(40μM)，金屬離子(100μM)，激發(fā)波長λex：497nm，狹縫寬度：10/10nm，電壓：650V。

從圖4看出，Zn²⁺、Cr³⁺、Co²⁺、Pb²⁺、Ni²⁺、K⁺、Cu²⁺、Na⁺、Hg²⁺和Fe²⁺對Fe³⁺/PAE-PM熒光強度影響不大。因此，在水中PAE-PM是可靠的高選擇性和高靈敏度Fe³⁺熒光探針。

實施例6

PAE-PM熒光檢測Cr³⁺：PAE-PM檢測Cr³⁺時的抗干擾性

圖5是環(huán)境和生物相關共存離子對PAE-PM/Cr³⁺的水溶液熒光強度的影響。

其中，溶劑為水，濃度：PAE-PM(40μM)，金屬離子(100μM)，激發(fā)波長λex：497nm，狹縫寬度：10/10nm，電壓：650V。

從圖5看出，Zn²⁺、Co²⁺、Pb²⁺、Ni²⁺、K⁺、Cu²⁺、Na⁺、Hg²⁺、Fe²⁺和Fe³⁺對Cr³⁺/PAE-PM熒光強度影響不大。因此，在水中PAE-PM是可靠的高選擇性和高靈敏度Cr³⁺熒光探針。

實施例7

PAE-PM熒光檢測H⁺：PAE-PM熒光光譜與H⁺濃度的關系

以水為溶劑，測試濃度分別pH為2.07、3.10、3.98、4.94、6.21、7.08、8.05、8.95、9.99、10.94、12.02對10μM的PAE-PM水溶液的熒光光譜的影響，結果如圖6。

其中，λex＝497nm，λem＝547nm，狹縫寬度：10/10nm，電壓：650V。最大熒光強度F與pH濃度的關系。

從圖6B可以看出，不同pH值下，PAE-PM的水溶液熒光強度變化明顯，并且除了體系的熒光強度發(fā)生變化外，波形和熒光波長都產生了變化。當pH值為酸性即在2.07～4.94的范圍內時，PAE-PM的熒光強度隨pH值的增大而降低；當pH值由酸性向堿性過渡即6.21～8.05范圍內時，PAE-PM的熒光強度達到最低甚至非常弱；當pH值為堿性即在8.95～12.02的范圍內時，PAE-PM的熒光強度急劇上升并且伴隨波形的改變，發(fā)射波長發(fā)生明顯紅移，由547nm左右紅移至585nm左右。因此，在水中PAE-PM是可靠的高選擇性和高靈敏度H⁺熒光探針。

上述實例只為說明本發(fā)明的技術構思及特點，其目的在于讓熟悉此項技術的人是能夠了解本發(fā)明的內容并據(jù)以實施，并不能以此限制本發(fā)明的保護范圍。凡根據(jù)本發(fā)明精神實質所做的等效變換或修飾，都應涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內。