一种1,8-萘酰亚胺荧光染料固载的介孔硅材料及其应用转让专利
申请号 : CN201010123639.0
文献号 : CN101968445B
文献日 : 2011-09-14
发明人 : 段春迎 , 孟庆涛 , 张晓琳 , 何成 , 何广杰 , 周硼
申请人 : 大连理工大学
摘要 :
本发明公开了一种1，8-萘酰亚胺荧光染料固载的介孔硅材料及其对铜离子检测与吸附方法，本发明属于识别结合和用于光学检测与吸附铜阳离子的离子检测与吸附技术领域。该方法是以4-溴-5-硝基-1，8萘酐和介孔硅材料(MS)为原料，在有机溶剂中，经过一系列反应，得到功能化的杂化材料(MS-P2)。该材料能检测水样中小于1ppb的铜离子，同时该材料还能吸附80％的铜离子，因此该介孔硅材料可以在环境治理方面具有很好的应用前景。活体组织和细胞荧光成像试验证明，该材料可以定量检测与吸附生物体内的铜离子，因此该功能材料可以用于急性铜中毒的解毒剂。此材料经适当处理可再生利用。
权利要求 :
1.一种1，8-萘酰亚胺荧光染料固载的介孔硅材料，其特征在于，在介孔硅材料(MS)的孔道内壁表面嫁接了一个高效铜离子荧光探针，合成了多功能材料MS-P2，其通式如下：其中反应原料4-溴-5-硝基-1，8萘酐是以苊为起始原料合成；4-溴-5-硝基-1，8萘酐和3-氨基丙基三乙氧基硅烷(APTES)在无水乙醇中，氮气气体保护和搅拌下，回流反应
4小时，生成N-3-氨基丙基4-溴-5-硝基-1，8萘酰亚胺；进而在与2-氨甲基吡啶在二甲氧基乙醇中，N2气体保护和搅拌下，回流反应12小时，得到有机探针小分子N-(3-氨基丙基)-4，5-二[(吡啶-2-甲基)氨基]-1，8萘酰亚胺，简称P2；最后将上述的P2和介孔硅材料(MS)在无水甲苯溶剂中，氮气保护下，回流反应24小时，过滤得到目标材料MS-P2。
2.根据权利要求1所述的一种1，8-萘酰亚胺荧光染料固载的介孔硅材料，其特征在于上述的功能材料以SBA系列介孔硅分子筛为载体的功能材料，其具有如下结构特征：
3.根据权利要求1所述的一种1，8-萘酰亚胺荧光染料固载的介孔硅材料，其特征在于上述的功能材料以MCM系列介孔硅分子筛为载体的功能材料，其具有如下结构特征：
4.根据权利要求1所述的一种1，8-萘酰亚胺荧光染料固载的介孔硅材料，其特征在于上述的功能材料以MSU系列介孔硅分子筛为载体的功能材料，其具有如下结构特征：
5.根据权利要求1所述的一种1，8-萘酰亚胺荧光染料固载的介孔硅材料，其特征在于上述的功能材料以HMS系列介孔硅分子筛为载体的功能材料，其具有如下结构特征：
6.权利要求1、2、3、4或5所述介孔硅材料的应用，其特征在于，该目标材料MS-P2用于对铜离子的检测与吸附。
说明书 :
一种1,8-萘酰亚胺荧光染料固载的介孔硅材料及其应用
技术领域
[0001] 本发明属于识别结合和用于光学检测与吸附铜阳离子的离子检测与吸附技术领域，具体设计利用1，8-萘酰亚胺衍生物固载的介孔硅材料为识别显色的对水中与生物体内铜离子荧光检测与吸附方法。
背景技术
[0002] 经过科学工作者数十年的不懈努力，阳离子分子荧光探针在基础理论研究方面取得了巨大的进步，实现了对水样中特定目标重金属离子的高选择、高灵敏的检测。尤其最近几年，科学工作者将分子探针成功应用到生物体系，通过荧光成像实现了对活体细胞和组织内特定重金属离子的定量检测。但是，目前绝大部分的阳离子探针要真正应用到现实生产生活中，科学工作者还需解决如下问题：
[0003] 1.小分子荧光探针检测操作一般是在均相溶液中进行，因而在环境应用方面不利于目标离子的分离、提取和富集，同时也不利于探针分子的再生利用。
[0004] 2.当小分子探针在生物体应用时，有机小分子会受到体内生物酶的分解作用，降低了探针分子的效率和寿命。
[0005] 3.分子荧光探针一般含有染料分子，因此当在生物体应用时会对活体组织和细胞造成伤害。
[0006] 为解决上述问题，打破阻碍分子荧光探针在环境和生物学应用方面的瓶颈，目前将荧光探针分子固载到无机材料上是一条行之有效的途径。在载体的选择方面，介孔硅材料(mesoporous silica，MS)尤其引人关注，这是因为和其他材料相比，它有如下优点： [0007] 1.介孔硅材料具有有序的孔道和相对较大的比表面积，有利于客体分子进入孔道内部。
[0008] 2.介孔硅材料孔道内壁层含有大量羟基(-OH)，可以利用硅胶化反应，便捷地将有机分子嫁接到内壁上，得到无机-有机杂化材料。
[0009] 3.由于介孔硅材料不溶于常见溶剂，因此基于介孔硅的材料，在应用时一般在非均相体系中进行，可以便捷地实现目标物的分离、提取、富集。
[0010] 4.介孔硅材料在可见光区域是透明的，因而有利于作为荧光分子探针的载体。 [0011] 5.介孔硅材料具有良好的生物兼容性，因此在生物领域有很好的应用前景。 [0012] 6.介孔硅材料的化学性质稳定、机械强度大、价格低廉和易于回收，易于大规模开发利用。
[0013] 基于介孔硅材料如此优良的性质，目前在介孔硅材料固载的荧光探针领域逐渐引起关注。Jong Hwa Jung(Adv.Mater.2008，20，3229-3234)和Chun Hua Yan(J.Mater.Chem.，2007，17， 4492-4498)等人将荧光探针小分子固载到介孔硅材料SBA-15上，实现了固态化的荧光探针对铜离子的选择性检测与吸附分离。Victor S.-Y.Lin等人研究发现，功能化的介孔硅材料能有效地透过细胞膜，实现药物地传递与生物传感应用。因此，选择性能优良的荧光探针分子，进而固载到介孔硅材料上，设计合成既能检测并修复水中的重金属离子，同时还能定量分析活体组织和细胞内重金属离子的多功能材料，将会在环境和生物领域方面有很好的应用前景。
发明内容
[0014] 本发明的目的是将一个铜离子探针分子，N-(3-氨基丙基)-4，5-二[(吡啶-2-甲基)氨基]-1，8萘酰亚胺(P2)荧光基团嫁接到介孔硅材料(MS，如：SBAs，MCMs，HMSs，MSUs，等类型)的孔道内壁，得到功能化的杂化材料，不仅可以检测与吸附水中的铜离子，而且还将其应用到生物活体细胞和组织中，通过荧光显微成像方法，定量检测生物体内的铜离子。由于此功能材料对铜离子具有较强的络合能力，同时由于硅材料的介孔保护，减弱了体内生物酶对分子探针的破坏和探针分子对生物机体的伤害，因而，此材料还可以用于急性铜中毒的有效解毒剂。该材料的特征在于：将高选择性、高灵敏度的铜离子探针固载到具有优良特性的介孔硅材料(MS)的孔道内壁，实现了优势的整合。
[0015] 本发明的技术方案是：
[0016] 在介孔硅材料(MS)的孔道内壁表面嫁接了一个高效铜离子荧光探针(P2)，合成了多功能材料MS-P2，其通式如下：
[0017]
[0018] 其中反应原料4-溴-5-硝基-1，8萘酐是以苊为起始原料参照文献方法合成(A.T.Peters，Y.S.S.Behesti，J.Soc.Dyers.Colour 1989，105，29.)。4-溴-5-硝基-1，8萘酐和3-氨基丙基三乙氧基硅烷(APTES)在无水乙醇中，氮气气体保护和搅拌下，回流反应4小时，生成N-3-氨基丙基4-溴-5-硝基-1，8萘酰亚胺(M)；进而在与2-氨甲基吡啶在二甲氧基乙醇中，N2气体保护和搅拌下，回流反应12小时，得到有机探针小分子N-(3-氨基丙基)-4，5-二[(吡啶-2-甲基)氨基]-1，8萘酰亚胺(P2)；最后将上述的P2和介孔硅材料(MS)在无水甲苯溶剂中，氮气保护下，回流反应24小时，过滤得到目标材料MS-P2。 [0019] 上述的功能材料MS-P2可以选择生成如下如下特征结构：
[0020] 一类以SBA系列介孔硅分子筛为载体的功能材料，可以具有如下结构特征： [0021]
[0022] 一类以MCM系列介孔硅分子筛为载体的功能材料，其具有如下结构特征： [0023]
[0024] 一类以MSU系列介孔硅分子筛为载体的功能材料，其具有如下结构特征： [0025]
[0026] 一类以HMS系列介孔硅分子筛为载体的功能材料，其具有如下结构特征： [0027]
[0028] 该目标材料MS-P2可以对铜离子进行检测与吸附。该材料在与铜离子相互作用荧光显色时，由于配位作用，引起分子中电子的分布变化而发生荧光强度的变化达到检测铜2+ 2+ 2+ 2+ 2+ 2+ 2+ + 3+
离子的目的。而Hg ，Zn ，Cd ，Pb ，Mn ，Ni ，Co ，Ag，Cr 等重金属离子不能与其作用产生荧光强 度的变化，表明材料MS-P2对铜离子具有高选择性。另外该材料在水体系中对铜离子的检测极限为0.65ppb，远低于最新国家引用水标准(1ppm)。同时该材料可以吸附
80％的水中铜离子，该材料经EDTA/base处理后可以再生利用。因此该材料在环境水中铜离子的检测与修复有很大的应用前景。
离子的目的。而Hg ，Zn ，Cd ，Pb ，Mn ，Ni ，Co ，Ag，Cr 等重金属离子不能与其作用产生荧光强 度的变化，表明材料MS-P2对铜离子具有高选择性。另外该材料在水体系中对铜离子的检测极限为0.65ppb，远低于最新国家引用水标准(1ppm)。同时该材料可以吸附
80％的水中铜离子，该材料经EDTA/base处理后可以再生利用。因此该材料在环境水中铜离子的检测与修复有很大的应用前景。
[0029] 本发明的效果和益处是P2固载的介孔硅材料反应简单容易操作，原料价格低廉，得到的功能材料化学性质稳定，易于大面积推广应用。由于介孔材料内部孔道的保护，该材料在生物领域也有很大应用前景。斑马鱼和人类乳腺癌细胞(MCF-7)的荧光成像试验证明，该材料可以定量检测活体组织和细胞内的铜离子含量。并且由于该材料良好的生物兼容性和对铜离子较强的络合能力，因此该材料还可以用作急性铜中毒的解毒剂。 附图说明
[0030] 图1是目标材料MS-P2对铜离子的选择、竞争试验光谱图。
[0031] 图2是目标材料MS-P2对铜离子浓度的荧光强度响应光谱图。
[0032] 图3是目标材料MS-P2再生性光谱图。
[0033] 图4是目标材料MS-P2对水中铜离子的吸附能力光谱图。
[0034] 图5是目标材料MS-P2检测活体细胞中的铜离子荧光成像图。
[0035] 图6是目标材料MS-P2检测活体组织中的铜离子荧光成像图。
具体实施方式
[0036] 为了更清楚地说明本发明内容，用具体实施例说明如下，具体实施例不限定本发明内容范围。
[0037] 实施例1(介孔硅材料的合成)
[0038] 4-溴-5-硝基-1，8萘酐(0.642g，2mmol)溶于40ml无水乙醇，然后，氮气保护下，逐滴加入含有3-氨基丙基三乙氧基硅烷(0.515ml，2.2mmol)的10ml无水乙醇溶液，回流10小时，减压蒸除溶剂，粗产物经硅胶柱提纯(洗脱液为，二氯甲烷∶乙酸乙酯＝40∶1)，
1
得浅黄色产物N-3-氨基丙基4-溴-5-硝基-1，8萘酰亚胺(M)，产率85％。H-NMR(CDCl3，
400MHz)δ0.758(m，Hz，2H；CH2)，1.212(t，9H；CH3)，1.634(m，2H；CH2)，3.812(t，6H；CH2)，
4.163(m，2H；CH2)，7.925(d，1H；Ar H)，8.211(d，1H；Ar H)，8.512(d，1H；Ar H)，8.704(d，+
1H；Ar H).HR-MS(ESI，m/z)：[M+Na]calcd for C21H25BrN2O7SiNa，547.06；found 547.1。 [0039] 实施例2(介孔硅材料的合成)
1
得浅黄色产物N-3-氨基丙基4-溴-5-硝基-1，8萘酰亚胺(M)，产率85％。H-NMR(CDCl3，
400MHz)δ0.758(m，Hz，2H；CH2)，1.212(t，9H；CH3)，1.634(m，2H；CH2)，3.812(t，6H；CH2)，
4.163(m，2H；CH2)，7.925(d，1H；Ar H)，8.211(d，1H；Ar H)，8.512(d，1H；Ar H)，8.704(d，+
1H；Ar H).HR-MS(ESI，m/z)：[M+Na]calcd for C21H25BrN2O7SiNa，547.06；found 547.1。 [0039] 实施例2(介孔硅材料的合成)
[0040] 100mL烧瓶中加入N-3-氨基丙基4-溴-5-硝基-1，8萘酰亚胺(M)(104.8mg，2mmol)，在加入40ml 2-甲氧基乙醇，氮气保护下，逐滴加入含有2-氨甲基吡啶(0.3ml)的10ml 2-甲氧基乙醇溶液，回流12小时，减压蒸除溶剂，粗产物硅胶柱提纯(洗脱液为，
1
二氯甲烷/乙酸乙酯，20∶1，V/V)，得黄色固体P2，产率45％。H-NMR(CDCl3，400MHz)δ0.961(m，2H；CH2)，1.193(t，9H；CH3)，1.810(m，2H；CH2)，3.805(m，6H；CH2)，4.306(m，
2H；CH2)，4.632(m，4H；CH2)，6.769(d，2H；Ar)，7.163(t，2H；Ar H)，7.561(d，2H；Ar H)，
7.529(s，N-H)，7.688(t，2H；Ar H)， 8.302(d，2H；Ar H)，8.409(d，2H；Ar H).HR-MS(ESI，m/z)：[M+H]calcd for C33H40N5O5Si614.27，found 614.3。
1
二氯甲烷/乙酸乙酯，20∶1，V/V)，得黄色固体P2，产率45％。H-NMR(CDCl3，400MHz)δ0.961(m，2H；CH2)，1.193(t，9H；CH3)，1.810(m，2H；CH2)，3.805(m，6H；CH2)，4.306(m，
2H；CH2)，4.632(m，4H；CH2)，6.769(d，2H；Ar)，7.163(t，2H；Ar H)，7.561(d，2H；Ar H)，
7.529(s，N-H)，7.688(t，2H；Ar H)， 8.302(d，2H；Ar H)，8.409(d，2H；Ar H).HR-MS(ESI，m/z)：[M+H]calcd for C33H40N5O5Si614.27，found 614.3。
[0041] 实施例3(介孔硅材料的合成)
[0042] 50mL烧瓶中加入40ml无水甲苯，再加入P2(0.245g)和介孔硅材料(MS)(1.0g)，N2气体保护和搅拌下，回流24小时，冷却到室温，过滤，并用甲苯和二氯甲烷洗涤3次，真空干燥既得目标产物MS-P2。如附图1所示。Anal.Calcd for：N，1.801，C，10.96，H 1.416.IR(KBr)：v ＝ 3430(vs；O-H)，2923(w；C-H)，2830(w；C-H)，1635(s；O-H)，1366(w；-C ＝C-H)，1090(vs；Si-O-Si)，807(w；SiO-Si)，465(m；Si-O)。
[0043] 实施例4(选择竞争试验)
[0044] 称取目标材料MS-P2，配制成20ppm的100ml水的标准储备悬浊液，金属离子盐+ + 2+ 2+ 2+ 2+ 2+ 2+ 2+ 2+ + 2+ 2+ 2+Li、K，Na，Ca ，Mg ，Co ，Ni ，Cu ，Mn ，Zn ，Cd ，Ag，Pb ，和Hg 的高氯酸盐溶液，Fe选用硫酸盐，且现配现用。离子分别测试试验中，取储备液2ml，分别加入10μM的离子溶液，用450nm处光激发，在478nm处测试其荧光强度变化。然后再向上述储备液中加入等量的铜离子溶液，同样在450nm处激发，在478nm处测试其荧光强度变化。结果见附图1。 [0045] 实施例5(荧光强度及浓度强度工作曲线)
[0046] 称取目标材料MS-P2，配制成20ppm的100ml水的标准储备悬浊液(1)，再配置-22×10 M的铜离子的储备液(2)。量取储备悬浊液(1)2ml，加入计算量的储备液(2)，配制成标准测试溶液。在450nm处激发，测试结果见附图2。
[0047] 实施例6(目标材料MS-P2的再生性)
[0048] 目标材料MS-P2的水悬浊液(20ppm)，加入10μM的铜离子水溶液，然后再分别加入10倍量的谷胱甘肽和5倍量的EDTA/碱的水溶液，观测荧光强度的变化。如附图3。 [0049] 实施例7(目标材料MS-P2对水中铜离子的吸附能力)
[0050] 20mg目标材料MS-P2加入到50ml 1pm的铜离子水溶液，搅拌4个小时，过滤，用电感耦合等离子体(ICP)检测经目标材料MS-P2吸附前后水样中铜离子的含量。如附图4。 [0051] 实施例8(目标材料MS-P2在活体细胞中的应用)
[0052] 在28℃下，用1ppm的目标材料MS-P2孵化人类乳腺癌细胞(MCF-7)1小时，用PBS缓冲溶液冲洗掉附着的颗粒，放在荧光显微镜下，用蓝光激发，观察细胞的荧光强度。然后用0.2mM的铜离子溶液继续孵化细胞半个小时，观测加入铜离子后的细胞荧光强度变化。如附图5。
[0053] 实施例9(目标材料MS-P2在活体组织中的应用)
[0054] 在28℃下，用4ppm的目标材料MS-P2孵化5日龄的斑马鱼1小时，用PBS缓冲溶液冲洗掉附着的颗粒，放在荧光显微镜下，用蓝光激发，观察斑马鱼的荧光。然后用0.2mM的铜离子溶液继续孵化半个小时，观测加入铜离子后的斑马鱼荧光变化。如附图6。