基于香豆素的钴离子荧光探针的合成及性能

Vol.42No.42019年8月JournalofUniversityofScienceandTechnologyLiaoning

Aug.2019

基于香豆素的钴离子荧光探针

的合成及性能

代永莲，贾宏敏，李瑾，金佳一，胡文博，张新宇，朱珮珣

（辽宁科技大学

化学工程学院，辽宁

鞍山

114051）

摘要：为了快速准确地检测生物样品和环境中钴离子（Co2+）的含量，以4-二乙氨基水杨醛和丙二酸二乙酯为

原料，合成7-二乙氨基香豆素-3-酰肼，与噻吩甲酰甲醛水合物通过席夫碱缩合反应制备探针CL，并通过核磁共振氢谱对其结构进行了表征。通过紫外-可见光谱和荧光发射光谱研究发现，在乙腈溶液中，CL可专一性检测Co2+，检测限为8μM。通过Job's-plot分析法和荧光滴定拟合，证明CL与Co2+按1：1模式配位。

关键词：香豆素；钴离子；荧光探针；识别

中图分类号：O657.3文献标识码：A文章编号：1674-1048（2019）04-0277-05DOI：10.13988/j.ustl.2019.04.008

钴是人体中一种必需的微量元素，在人体的1实验部分

生理活动中发挥着非常重要的作用。钴是维生素B12的重要组成部分，含量大约占4.35%，它使维1.1仪器与试剂

生素B12的生物活性提高数百倍甚至千倍以上［1］。主要仪器为：集热式恒温加热磁力搅拌器DF-人体内钴缺乏可表现为血红细胞数量减少，最后101S，巩义市予华仪器有限责任公司；荧光分光光导致巨幼红细胞性贫血等疾病［2-3］。但人体内钴过度计LS55PerkinElmer、紫外分光光度仪Lambda-量会产生毒性反应，引起胃肠功能紊乱、耳聋、甲

900，美国P.E.公司。

状腺肿大、心肌炎和甲状腺吸收碘的能力减弱等［4-5］

，

主要试剂为：4-二乙氨基水杨醛AR、丙二酸二甚至导致细胞癌变［6］。鉴于人体内钴元素的含量乙酯AR，上海思域化工科技有限公司；水合肼与健康状况的密切关系，迫切需要建立一种对环AR、1，4-二氧六环AR，国药集团化学试剂有限公境和生物体系中钴离子快速检测的方法［7-8］。近年司；二氧化硒≥99%，沈阳市试剂厂；2-噻吩乙酮来，荧光探针法由于具有灵敏度高、选择性好、实AR，北京化工厂。时实地检测等优点，已成为研究离子检测的热点1.2荧光探针CL的合成领域。目前检测钴离子的文献相对于Cu2+、Hg2+来1.2.1

2-噻吩甲酰甲醛水合物的合成

2-噻吩

说还比较少，所以设计钴离子探针具有重要意甲酰甲醛水合物的合成方法如图1所示。称取义。本文以荧光量子产率较高、发射波长都在可2.22gSeO2，倒入50mL两口烧瓶中，加入1mL的见光区、消光系数高的香豆素为荧光团［9-10］，设计H2O，搅拌至完全溶解，加入15mL二氧六环，搅拌合成了荧光探针CL，通过紫外-可见光谱、荧光光均匀后加入1.2617g噻吩乙酮，加热80℃，液相跟谱以及质谱研究了CL对Co2+的识别性能。

踪至原料全部消失，产品不再增加，即为反应终

收稿日期：2019-05-23。

基金项目：辽宁科技大学大学生创新创业训练计划（101462019233、101462019235）；辽宁省大学生创新创业训练计划（01462019041）。作者简介：代永莲（1995—），女，辽宁沈阳人。通讯作者：朱珮珣（1963—），女，辽宁鞍山人，副教授。

·278·辽宁科技大学学报

第42卷

图12-噻吩甲酰甲醛水合物的合成Fig.1

Synthesisof2-thenoylglyoxal

点，冷却后抽滤除去黑色的硒单质，得到黄绿色液（d，1H）。体，向滤液中加适量碳酸氢钠，直至不再产生气1.2.2

香豆酰肼的合成

香豆酰肼的合成方法

泡，抽滤除掉过量的碳酸氢钠，旋蒸除去溶剂，加如图2所示。称取4-二乙氨基水杨醛（l.93g，1015mL乙醇，有红色絮状不溶物，抽滤除去红色不mmol），丙二酸二乙酯（3.2g，20mmol）和哌啶（1溶物，旋蒸得到橙色油状物质，加入5mL的H2O，mL）在无水乙醇（30mL）中混和，混合液搅拌回流100℃水合4h，热过滤后旋蒸除水，得到黄色油状6h，减压蒸出乙醇。水合肼（3mL，60mmol）加入物质，放入冰箱5min后，有固体析出，若不凝固，上述产物（4.3g，15mmol）的40mL乙醇溶液中，静置使其干燥，干燥后用二氯甲烷重结晶，过滤掉反应混合物搅拌12min，冰浴冷却15min后，沉淀不溶物后，旋蒸后得黄色固体，产率82.3%。

过滤收集产物3.76g，产率91%。IR（KBr，cm-1）：3377（OH），3319（OH），16571.2.3

目标产物CL的合成

荧光探针CL的合

（C=O）。1HNMR（500MHz，CDCl3）δ：4.92（s，成方法如图3所示。将7-二乙氨基香豆素-3-酰肼1H），6.20（s，1H），7.19（t，1H），7.78（d，1H），8.07

0.291g（1.0mmol）和噻吩甲酰甲醛0.210g（1.5

图2

7-二乙氨基香豆素-3-酰肼的合成

Fig.2

Synthesisof7-diethylaminecoumarin-3-hydrazide

图3荧光探针CL的合成Fig3

SynthesisoffluorescentprobeCL

mmol）溶解于40mL甲醇溶剂中，回流搅拌6h后1H），7.75（d，1H），7.31（s，1H），6.89（s，1H），得到大量黄色沉淀，冷却至室温后过滤，滤饼用甲6.86（d，1H），6.81（t，1H），5.56（m，1H），3.52醇洗涤3次，干燥得目标产物，产率81.2%。

（d，1H），3.34（s，1H），2.67（s，4H），2.50（s，元素分析，理论值：C60.44，H4.82，N10.57，1H），2.42（d，1H），2.33（s，1H），1.13（m，6H）。

O16.10，S8.07；实验值：C60.50，H5.23，N10.67，O16.30，S7.97。IR（KBr，cm-1）：3402.812结果与讨论

（N-H），2074.78（-CH3），1693（C=O），1136.03（C-2.1荧光光谱分析

O-C），677.10（C-S）.1HNMR（500MHz，DMSO-图4为CL在乙腈溶液中对Co2+的荧光滴定谱d6）δ：8.77（s，1H），8.35（s，1H），8.19（d，

图，插图为CL在483nm处的Co2+的荧光强度。荧

第4期

代永莲，等：基于香豆素的钴离子荧光探针的合成及性能

·279·

光测试时配制CL浓度为10μmol/L的溶液，用430弱。如图5a所示，表明Co2+与CL的络合比为1：nm处光激发，CL呈现强的绿色荧光，逐渐加入1。同时依据CL在483nm处加入不同浓度Co2+所Co2+后，Co2+与探针CL结构中的羟基O、亚胺N以对应的荧光强度数值，根据Benesi-Hildebrand线性及噻吩上的S配位，由于Co2+的顺磁性淬灭作用，方程，按照1：1配位模式，进行线性拟合。结果如使得CL的荧光显著淬灭，当累积加入36倍的Co2+图5b所示，线性拟合得到一条直线，再次证明CL后，CL的荧光淬灭了80.0%。

与Co2+形成1：l的配合物，络合平衡常数为Ka=5.96×106。推测探针CL与Co2+的作用模式如图6所示。

同时，通过ESI-MS这种最直观、准确的表征手段研究了探针与Co2+的配位模式。质谱图中发现，M/z=517.9564处的峰可归属于［CL+Co3++NO3--H+］这一结构，质谱数据充分证明了CL与Co2+为1：1配合物。在质谱表征过程中发现，Co2+变成了Co3+［11-12］。

图4探针CL对Co2+的荧光滴定谱图

同时研究了探针对常见金属离子的选择性。

Fig.4FluorescentspectraofCLinpresenceofCo

2+

CL与各种金属离子及这些离子与Co2+共存时的荧利用Job's-plot法测定了CL与Co2+的络合光强度见图7a中相应的柱形示意图所示。CL（10比。从理论上讲，如果金属离子与配体形成配合μM）在CH3CN中的荧光强度设为1，即F0代表的物时能够淬灭探针的荧光强度，那么当该配合物是配体的荧光强度，

F表示加入金属离子后的荧形成最多即在溶液中浓度最大时，其荧光强度最

光强度。纵坐标表示Co2+加入后的F0/F的比值。

图5CL与Co2+按1：1模式配位

Fig.5Formationofstoichiometryratio1:1betweenCLandCo2+

图6

探针CL与Co2+的配位模式示意图

Fig.6

SchematicdiagramofcoordinationmodeofCLandCo2+

·280·辽宁科技大学学报

第42卷

图7

探针CL对金属离子的选择性和测定Co2+的检测限

Fig.7

SelectivityofprobeCLtometalionsanddeterminationofdetectionlimitforCo2+

结果表明，加入等量金属离子，

F03.498，而Cd2+、Ni2+、Hg2+、Zn2+和Mg2+/F分别是的值Co2+为择图。如图8a所示，在乙腈溶液中，CL在445nm1.518、处有一强的吸收峰，最大吸收值为0.78。随着Co2+2.151、1.365、1.433和1.384，而其他离子没有显著浓度的增加，445nm的吸收峰逐渐减弱，同时490地干扰。这一结果表明CL对Co2+的荧光响应具有nm处的吸收峰逐渐增强，当Co2+的浓度达到360较好的选择性。

μM后，吸收光谱基本不再变化，在388nm和455通过进一步研究探针CL在较低浓度下对Co2+

nm出现两个等吸收点。图8a中插图为CL的颜色的滴定结果，如图7b所示，表明Co2+在0~12μM范响应，（1）不加Co2+时呈现浅黄色，（2）加入Co2+时围内，CL在483nm处的荧光强度与Co2+的浓度呈呈现橙黄色。如图8b所示，加入等量的其他金属现较好的线性关系。在此条件下，探针CL对Co2+离子，Ca2+、Ni2+、Hg2+和Cu2+都会引起不同程度的的检测限为8μM。445nm处的吸收峰降低以及450~515nm处新吸2.2

紫外光谱分析

收峰的出现，但程度都比Co2+要低。紫外吸收光谱图8为探针CL的紫外光谱滴定和紫外光谱选

测试表明CL对Co2+具有最强的识别能力。

图8

探针CL的紫外滴定光谱和紫外选择光谱图

Fig.8

UV-VisabsorptionspectraofprobeCLinpresenceofCo2+andselectivityofCLtometalions

3结论

碱缩合反应制备了荧光探针CL，并通过H-NMR等方法对其结构进行了表征。

（1）通过合成噻吩甲醛和香豆酰肼，利用希夫

（2）荧光光谱测试表明CL在乙腈溶液中可以

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代永莲，等：基于香豆素的钴离子荧光探针的合成及性能

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选择性地识别Co2+。加入大约36mM的Co2+，CL［8］MACELOSC，LZABELCSF，KATIACMN，etal.

的荧光淬灭了80%。通过Job's-plot法以及Benesi-SelectivedeterminationofcobaltusingpolyurethaneHildebrand线性拟合，证明CL与Co2+生成了1：1的foamand2-（2-benzothiazolylazo）-2-P-cresolasaspec-络合结构。在此条件下，CL对Co2+的检测限为8trophotometricreagent［J］.Talanta，1996，43（10）：μM。

1675-1680.

（3）紫外光谱同样表明，CL对Co2+具有最强［9］YAMADAK，NOMURAY，CITTERIOD，etal.High-的识别能力。lysodium-selectivefluoroionophorebasedonconforma-tionalrestrictionofoligoethyleneglycolbridgedbiarylbo-参考文献：

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488-496.

Synthesisandpropertiesofcoumarin-basedfluorescentprobe

fordetectionofcobaltions

DAIYonglian，JIAHongmin，LIJin，JINJiayi，HUWenbo，ZHANGXinyu，ZHUPeixun

（SchoolofChemicalEngineering，UniversityofScienceandTechnologyLiaoning，Anshan114051，China）

Abstract：ThereisanurgentneedtonewsuitablemethodsforthedetectionofCo2+inbiologicalandenviron-mentalsystems.Inthispaper，acoumarin-basedfluorescentprobe，CL，wasdesignedandsynthesizedbycon-densationof7-diethylaminecoumarin-3-hydrazidewith2-thenoylglyoxalinmethanol.ThestructureoftheCLwascharacterizedbyaH-NMRspectroscopy.ItwasfoundthattheCLcanspecificallydetectCo2+inacetoni-trilecontainingothercompetingcationsbyinvestigatingUV-visandfluorescencespectra.ThedetectionlimitforCo2+wascalculatedtobeaslowas8µM.TheJob's-plotandLinearBenesi-Hildebrandexpressionresultsapprovethestoichiometryratioof1:1betweenCLandCo2+.Keywords：coumarin；fluorescentprobe；cobaltion；detection

（ReceivedMay23，2019）