一种检测Al3+的荧光探针及其制备方法和应用
阅读说明：本技术 一种检测Al3+的荧光探针及其制备方法和应用 (Detect Al3+Fluorescent probe and preparation method and application thereof ) 是由 刘卫 张晓敏 郭颖超 田戈 田玉新 王志华 马思远 孙佳琦 张文宇 吴春华 彭香 于 2021-09-09 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种检测Al～(3+)的荧光探针及其制备方法和应用,本发明以具有AIE(聚集诱导发光)性质的单羟基聚四苯乙烯为荧光团,与3-溴丁酸甲酯反应,再水解,制备一种对Al～(3+)具有选择性、特异性和灵敏性的荧光检测探针。该荧光检测探针相对于现有技术中的荧光检测技术,具有合成简单,成本低,反应速度快,灵敏度高的优点,可进行实时原位检测。(The invention discloses a method for detecting Al 3+ The invention takes monohydroxy poly tetraphenyl ethylene with AIE (aggregation induced emission) property as a fluorophore, reacts with 3-bromobutyric acid methyl ester, and then hydrolyzesPreparing a para-Al 3+ Fluorescent detection probes with selectivity, specificity and sensitivity. Compared with the fluorescence detection technology in the prior art, the fluorescence detection probe has the advantages of simple synthesis, low cost, high reaction speed and high sensitivity, and can be used for real-time in-situ detection.)
技术领域
本发明公开了一种检测Al3+的荧光探针及其制备方法和应用，属于化学材料制备及分析检测领域。
背景技术
铝是地壳中最丰富的金属之一，它与我们的生活息息相关，铝元素已经广泛的应用于食品添加剂、药品、净水和包装等行业，但是任何物质都具有两面性，比如含铝的硅酸盐矿物与酸雨接触时，容易从矿物中带出金属，从而提高环境或水体中铝的含量，不利于作物生长，还会加剧土壤酸化；又比如，长期暴露于铝离子或摄入过量的铝，人们会因在不同器官中积累大量铝离子而容易遭受各种疾病的困扰，最常见的是导致神经系统疾病。因此，对实际样品中微量的Al3+进行灵敏和选择性的检测非常重要。
现有技术中已存在多种检测铝的方法，例如原子吸收光谱法，等离子体原子发生光谱法等，这些方法通常耗时且昂贵，目前报道了一些使用荧光技术检测铝的探针，但是铝离子在水介质中的强水合作用通常会导致其具有较弱的配位能力，很容易受到其他物质的干扰。相比于现有技术中的荧光检测法，本发明使用AIE(聚集诱导发光)化合物通过聚集发光而给出检测信号，并制备出具有高度专一性和灵敏性、可用于实际生活中铝离子分析的荧光探针体系。
发明内容
本发明的目的在于提供一种检测Al3+的荧光探针及其制备方法和应用，以解决现有技术中荧光检测法检测铝离子易受其他物质干扰的问题。本发明以具有AIE性质的单羟基四苯乙烯(TPE-OH)为荧光团，与3-溴烷基酸甲酯反应，再水解，制备一种对Al3+具有选择性、特异性和灵敏性的荧光检测探针。该检测Al3+的荧光探针具有式(I)所示结构：
式(I)中n为3，所述荧光探针检测Al3+的检测下限低于20nM。所述荧光检测探针相对于现有技术中的荧光检测技术，具有合成简单，成本低，反应速度快，灵敏度高的优点，可进行实时原位检测。
相应的，本发明还提供了上述荧光探针的制备方法，所述方法包括以下步骤：
步骤一、合成TPE-OH
在一个两口反应瓶中依次加入锌粉、4-羟基二苯甲酮、二苯甲酮、无水四氢呋喃，并在冰浴下进行搅拌，得到混合溶液；在所述混合溶液中加入TiCl4，加完后撤冰浴进行室温反应，再进行加热回流反应12-24h后停止加热，冷却至室温后加淬灭溶液淬灭，然后用硅胶柱层析后收集产品并进行真空干燥，得TPE-OH。
步骤二、合成TPE-Cn-COOH
在另一个两口反应瓶中依次加入DMF、所述TPE-OH、溴烷基酸甲酯和K2CO3，在N2氛围中进行常温反应，反应完成后通过硅胶柱提纯，将提纯产物溶于甲醇溶液，然后与碱混合并在室温条件下进行搅拌反应，得到白色晶体；将所述白色晶体进行过滤后获得TPE-Cn-COOH，其中溴烷基酸甲酯为4-溴丁酸甲酯。
所述TPE-Cn-COOH的合成路线如下：
上述合成式中n＝2,3,4。
优选的，在所述步骤一中：在加入所述锌粉之前，先用抽真空充N2的方法除去两口反应瓶中的水和氧气3次。
优选的，在所述步骤一中：所述4-羟基二苯甲酮与所述二苯甲酮的摩尔比为1:1-1.5，所述锌粉的摩尔质量是所述4-羟基二苯甲酮的4-5倍。
优选的，在所述混合溶液中加入TiCl4，具体为：
在所述二苯甲酮加入两口反应瓶中20分钟后，通过注射器将所述TiCl4加入至所述混合溶液中。
优选的，在所述步骤一中：所述室温反应的反应时间是30分钟，所述加热回流反应的反应时间是12小时，所述淬灭溶液是10％的K2CO3水溶液。
优选的，在所述步骤二中：所述TPE-OH与所述4-溴丁酸甲酯的摩尔比为1:2-4，所述TPE-OH与所述K2CO3的摩尔比为1:4-5，所述常温反应的反应时间为6-18h。
优选的，在所述步骤二中：所述碱为NaOEt的水溶液，所述提纯产物与所述NaOEt的摩尔比为1:1-5，所述搅拌反应的反应时间为5-10h。
相应的，本发明还提供了上述荧光探针在检测Al3+中的应用，所述荧光探针检测Al3+的检测下限为14nM。
本申请合成了基于四苯乙烯的不同链段长度的荧光探针TPE-Cn-COOH，用于检测Al3+，通过比较不同链段长度的荧光探针检测效率，结果表明当n＝3时，该荧光探针对Al3+的检测效果最好，能够精确检测水体中Al3+的浓度，具有很好的选择性、灵敏度和专一性，检测下限低于20nM。
附图说明
图1为本发明不同实施例制备的的荧光探针检测Al3+的荧光发射光谱图；横坐标为波长(单位：nm)，纵坐标为荧光强度；1为实施例1，2为对比例1，3为对比例2，4为对比例3。
图2为本发明实施例1提供的荧光探针对各种金属离子的选择性对比数据图；横坐标为金属离子类别，纵坐标为荧光强度。
图3为本发明实施例1提供的荧光探针检测不同Al3+浓度时的荧光发射光谱变化图；横坐标为波长(单位：nm)，纵坐标为荧光强度。
图4为本发明实施例1提供的荧光探针随Al3+浓度变化的荧光强度的拟合曲线；横坐标为Al3+浓度(单位：μM)，纵坐标为荧光强度。
图5为本发明实施例1提供的荧光探针在Al3+与不同金属离子共存时的荧光发射光谱图；横坐标为金属离子类别，纵坐标为荧光强度。
具体实施方式
下面将结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明：
合成TPE-OH
准备一个250mL的两口反应瓶，先用抽真空充N2的方法除去反应瓶中水和氧气3次，然后在反应瓶中依次加入2.9g(44mmol)锌粉，2g(10mmol)4-羟基二苯甲酮，2.184g(12mmol)二苯甲酮，100mL无水THF，冰浴下搅拌，得混合溶液。20分钟后用注射器抽取2.5mL(22mmol)TiCl4缓慢加入到混合溶液中，加完后撤冰浴，室温放置0.5h，再加热回流过夜。第二天停止加热，冷却至室温，用10％的K2CO3水溶液淬灭，过滤，旋干滤液，然后用乙醚和水萃取3次，合并乙醚层，然后再用5％的盐水萃取乙醚层2次，取乙醚层，使用无水MgSO4干燥。旋干产物，用溶液层析硅胶法过柱。收集产品，真空干燥，得TPE-OH。所述TPE-OH的结构式为：
所述TPE-OH的核磁共振(NMR)波谱为：1H NMR(400MHz,DMSO-d6):δ9.34(s,1H),7.06-7.14(m,9H),6.93-6.98(m,6H),6.73-6.75(d,2h),6.47-6.52(d,2h)。其中9.34ppm的峰为OH上的H，7.14-6.47ppm的峰为苯环上的H。
实施例1 合成TPE-C3-COOH
在一个两口反应瓶中，依次加入15mL DMF、0.174g(0.5mmol)TPE-OH、181mg(1mmol)4-溴丁酸甲酯和276mg(2mmol)K2CO3，常温下通N2，反应12h，产物通过硅胶柱提纯。将提纯的产物448mg(1mmol)溶于甲醇溶液(10ml)，然后与103mg(1.5mmol)NaOEt水溶液混合，并在室温下搅拌，6h后，得到白色晶体，通过过滤获得TPE-C3-COOH。所述TPE-C3-COOH的结构式为：
所述TPE-C3-COOH的核磁共振(NMR)波谱为：1H NMR(400MHz,CD3OD):δ7.05(m,9H),6.97(m,6H),6.88(d,2H),6.64(d,2H),3.53(t,2H),1.84(t,2H),1.56(m,2H)。其中7.05-6.64ppm的峰为苯环上的氢，3.53ppm为a处的H，1.84ppm为b处的H，1.56ppm为c处的H。
对比例1 依据Anal.Chem.2015,87,1470-1474合成的TPE-C1-COOH
所述TPE-C1-COOH的结构式为：
所述TPE-C1-COOH的核磁共振(NMR)波谱为：1H NMR(400MHz,CD3OD):δ7.05(m,9H),6.98(m,6H),6.88(d,2H),6.66(d,2H),4.43(s,2H)。其中7.05-6.66ppm的峰为苯环上的氢，4.43ppm为a处的H。
对比例2 合成TPE-C2-COOH
在一个两口反应瓶中，依次加入15mL DMF、0.174g(0.5mmol)TPE-OH、167mg(1mmol)3-溴丙酸甲酯和276mg(2mmol)K2CO3，在常温下通N2，反应12h，产物通过硅胶柱提纯。将提纯的产物434mg(1mmol)溶于甲醇溶液(10ml)，与103mg(1.5mmol)NaOEt水溶液混合并在室温下搅拌，6h后，得到白色晶体，通过过滤获得TPE-C2-COOH。所述TPE-C2-COOH的结构式为：
所述TPE-C2-COOH的核磁共振(NMR)波谱为：1H NMR(400MHz,CD3OD):δ7.03(m,9H),6.95(m,6H),6.86(d,2H),6.63(d,2H),3.82(t,2H),2.26(t,2H)。其中7.03-6.63ppm的峰为苯环上的氢，3.82ppm为a处的H，2.26ppm为b处的H。
对比例3 合成TPE-C4-COOH
在一个两口反应瓶中，依次加入15mL DMF、0.174g(0.5mmol)TPE-OH、181mg(1mmol)5-溴戊酸甲酯和276mg(2mmol)K2CO3，在常温下通N2，反应12h，产物通过硅胶柱提纯。将提纯的产物462mg(1mmol)溶于甲醇溶液(10ml)，与103mg(1.5mmol)NaOEt水溶液混合并在室温下搅拌，6h后，得到白色晶体，通过过滤获得TPE-C4-COOH。所述TPE-C4-COOH的结构式为：
所述TPE-C4-COOH的核磁共振(NMR)波谱为：1H NMR(400MHz,CD3OD):δ7.06(m,9H),6.98(m,6H),6.87(d,2H),6.66(d,2H),3.52(t,2H),1.86(t,2H),1.12-1.46(m,4H)。其中7.06-6.66ppm的峰为苯环上的H，3.52ppm为a处的H，1.86ppm为b处的H，1.12-1.46ppm为c处的H。
实验例1 不同荧光探针对金属离子的响应性
用超纯水配制各种金属离子(Ba2+,Fe2+,Ca2+,Mg2+,Cr3+,Li+,Zn2+,Hg2+,Pb2+,Na+,Ag+,Fe3+,K+,Ni2+,Cu2+和Al3+)的储备液(0.25m M)，用DMSO配制探针(TPE-Cn-COOH)储备液(1mM)。
在检测时，取出探针储备液20μL、Al3+储备液10μL、加入455μL的去离子水和25μL的乙腈，配成待测溶液，在室温下孵育30min，用荧光光谱仪记录荧光发射光谱(激发波长：310nm，扫描波长范围：350nm-600nm，探针浓度为40μM，Al3+离子浓度为5μM)。
测试结果如图1所示，当使用探针为实施例1的荧光探针时，最强荧光在480nm处，荧光强度为415；当使用探针为对比例1-3的荧光探针时，最强荧光在475nm，荧光强度分别为105，66，60。由此可知，实施例1的探针对Al3+具有更高的响应性。这可能是因为TPE-C3-COOH的荧光探针与Al3+能够形成更稳定的络合，尺寸的配合性更好。
探针的选择性测试：以实施例1合成的TPE-C3-COOH为荧光探针，分别选择15种具有代表性的不同价态的金属离子进行与探针的结合实验，通过荧光光谱测定，考察探针与Al3+相互作用的选择性。在检测时，取出探针储备液20μL、单一金属离子储备液10μL、加入455μL的去离子水和25μL的乙腈，配成待测溶液，在室温下孵育30min，用荧光光谱仪记录荧光发射光谱(激发波长：310nm，扫描波长范围：350nm-600nm，探针浓度为40μM，金属离子浓度为5μM)。
测试结果如图2所示，以实施例1合成的TPE-C3-COOH为荧光探针，对常见的常见金属离子不响应，仅对Hg2+和Pb2+有较弱的响应，因此该探针对Al3+检测具有选择性。
实验例2 使用TPE-C3-COOH对Al3+的检测实验
按照实施例2的方法测试不同Al3+浓度的荧光强度，实验结果如图3所示，随着Al3+浓度增加，体系荧光不断增强，这可能是因为Al3+的加入导致探针的不断聚集，形成疏水性的聚集体，从而导致荧光的增强。
提取Al3+浓度为0，0.5，1，1.5，2μM，体系在480nm处最大荧光发射强度做校正，得到如图4的工作曲线。通过该工作曲线得到最低检测下限。检测下限(LOD)＝3×S.D./k。其中，k代表曲线的斜率，S.D代表在Al3+浓度为0时的标准偏差。
I480＝10+199.8×[Al3+]
LOD＝3×0.948/199.8＝0.014μM，所以得到该体系Al3+的检测下限为14nM，低于已知文献的检测下限。
实验例3 其它离子影响的对比检测实验。
以实施例1合成的TPE-C3-COOH为荧光探针，分别选择15种具有代表性的不同价态的金属离子和Al3+同时进行与探针的结合实验，通过荧光光谱测定，考察其他金属离子对Al3+检测的影响。在检测时，取出探针储备液20μL、金属离子储备液10μL、Al3+储备液10μL、加入455μL的去离子水和25μL的乙腈，配成待测溶液，在室温下孵育30min，用荧光光谱仪记录荧光发射光谱(激发波长：310nm，扫描波长范围：350nm-600nm，探针浓度为40μM，其他金属离子浓度为5μM，Al3+浓度5μM)。
测试结果如图5所示(Al3+组为对照组，不含其他金属离子)，结果表明，实施例1合成的TPE-C3-COOH为荧光探针，在存在上述金属离子的情况下，所制备的荧光探针检测Al3+的荧光强度没有明显影响，表明探针的抗干扰性较好。
实验例4 探针在自来水中检测Al3+的测试
为了考察探针对实际水样中Al3+的检测能力，在自来水中进行加标实验。
通过电感耦合等离子体原子发射光谱法测试自来水中Al3+的含量为2.1μM，而通过我们实施例1合成的荧光探针检测的结果是2.07μM，两者测试结果非常接近。再额外加入已知量的Al3+，通过上述荧光探针检测，将检测结果与电感耦合等离子体原子发射光谱法测试结果相比较，得出两者之间的差距，实验结果如下：
从测试结果可知，制备的探针具有较高的准确性和可信度(回收率在98.5％-102.5％之间)，自来水中的其他离子对探针的干扰小，通过相对标准偏差的计算，荧光检测较ICP-AES，通常具有更高的精度，因此荧光探针的精确度可以和ICP-AES相媲美，而且使用方便，一步检测。
以上公开的仅为本发明实施例的具体实施场景，并非是对本发明作其它形式的限制，任何与所记载内容相似或均等的方法及材料皆可应用于本发明方法中。文中所述的较佳实施方法与材料仅作示范作用，本申请实施例并非局限于此，任何熟悉本领域的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。上述序号仅仅为了描述，不代表实施场景的优劣。如非另行定义，文中所用的所有专业和科学用语与本领域技术人员所熟悉的意义相同。凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。
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