一种芘衍生物及由其制备的用于暗场的荧光温度指示器

摘要

本发明属于荧光检测技术领域，公开了一种芘衍生物及由其制备的用于暗场的荧光温度指示器。所述芘衍生物为芘‑1‑亚甲基二氢化磷酸酯，其结构式如式(1)所示，其制备方法为：将1‑芘甲醇用乙腈溶解，分别加入磷酸和吡啶，然后滴加N,N‑二异丙基乙胺，最后滴加乙酸酐，加热回流反应，得到产物芘‑1‑亚甲基二氢化磷酸酯。本发明所得芘‑1‑亚甲基二氢化磷酸酯可与聚乙烯亚胺在水溶液中构成荧光温度指示器，可以实现对环境温度的监测以及获得暗场环境温度分布的信息，具有空间分辨率高、灵敏度好、远程可控的特点。

权利要求

1.一种荧光温度指示器，由水、芘-1-亚甲基二氢化磷酸酯和聚乙烯亚胺组成，所述聚乙烯亚胺的重均分子量为25000，所述芘-1-亚甲基二氢化磷酸酯的结构式如下：

2.根据权利要求1所述的一种荧光温度指示器，其特征在于：所述荧光温度指示器中芘-1-亚甲基二氢化磷酸酯的浓度为20μM，所述聚乙烯亚胺的浓度为0.003mg/mL。

说明书

一种芘衍生物及由其制备的用于暗场的荧光温度指示器

技术领域

[0001] 本发明属于荧光检测技术领域，具体涉及一种芘衍生物及由其制备的用于暗场的荧光温度指示器。

背景技术

[0002] 荧光温度指示器继承了荧光检测体系的操作灵活、响应快捷、高度灵敏的优点，在对微观环境及宏观环境中温度响应的研究上展示出良好的发展前景。温度作为一个常见的物理参素，无论在生物化学还是其他工业、农业领域都起着不可忽视的作用。对于一些重要的仪器设备或治疗系统，必须保持对它们的运行温度与温度分布实施实时监控，了解、掌握温度在系统环境中的变化，防止故障甚至危险的发生；例如发电和变电站中的全封闭的高压开关柜的在线温度监测，因开关柜过热会导致火灾事故，造成大面积停电；热疗治癌中人体内病灶区的温度必须控制在42-44℃范围为宜，温度过高会杀死人体的正常细胞，过低则达不到治疗目的。许多传统的温度计缺乏能够在复杂条件下精确、高空间分辨率地测量温度的能力；例如，利用传统测量温度的方法难以准确获得暗场中体系的温度及其分布。中国专利CN204705418U报道了一种经传统体温计改良的夜光温度计，将荧光粉填充入传统体温计的凹槽中，能够实现在黑暗中测量读取体温的目的；但是此方法无法克服传统温度计测量精度低、空间分辨率不高的缺陷，而且其测量是属于荧光增强型的，易于受到环境因素的干扰，测量准确度较低。

[0003] 目前已有报道的荧光温度指示器，也称温度响应荧光传感器，主要分为温度响应的小分子荧光传感器、聚合物荧光传感器和纳米荧光传感器；荧光传感器通过检测荧光信号变化来获得温度变化的信息，在暗场中也可应用。小分子荧光传感器中，例如一种含有两个芘基的三芳基硼化物(Angew.Chem.Int.Ed.,2011,50,8072–8076)，其分子内的两个芘基的空间位置会随着温度的变化而发生改变，使荧光信号随之变化，达到温度测量的目的。但是有机小分子荧光传感器水溶性较差、需要在有机溶剂中溶解，不符合绿色环保的发展方向。Mao等利用罗丹明B和4-(2-丙烯酰胺基-乙胺)-7-硝基-2,1,3-苯并噻二唑修饰热敏性的聚(N-异丙基丙烯酰胺)(J.Mater.Chem.B,2014,2,7544–7550)，利用该聚合物具有低临界溶解温度的特性构建一个温度指示荧光传感器；此方法可检测的温度范围较狭窄为30-40℃，应用范围有限；此外，该体系也属于荧光增强型的检测，测量准确度较低。中国专利CN105018083A公开了一种基于碳点的荧光纳米温度计，以核酸碱基为碳源制得碳点，利用碳点溶液的荧光强度变化实现对溶液温度变化的监测；但此方法也属于荧光增强型的检测，测量准确度较低。

[0004] 因此，需要发展一种设计简便、环境友好、抗干扰性强以及能准确地在暗场中监测温度变化及其分布信息的荧光温度指示器。

发明内容

[0005] 为了解决以上现有技术的缺点和不足之处，本发明的首要目的在于提供一种芘衍生物。

[0006] 本发明的另一目的在于提供上述芘衍生物的制备方法。

[0007] 本发明的再一目的在于提供一种荧光温度指示器。该荧光温度指示器由上述溶于水带负电荷的芘衍生物和带正电荷的聚乙烯亚胺构成。该荧光温度指示器利用静电相互作用与芘特有的单体-激基缔合物之间的荧光信号转换的协同作用，实现了对温度的比率型的测量。

[0008] 本发明目的通过以下技术方案实现：

[0009] 一种芘衍生物，所述芘衍生物为芘-1-亚甲基二氢化磷酸酯(Py-P)，其结构式如下：

[0010]

[0011] 上述芘衍生物的制备方法，包括如下制备步骤：

[0012] 将1-芘甲醇用乙腈溶解，分别加入磷酸和吡啶，然后滴加N,N-二异丙基乙胺，最后滴加乙酸酐，加热回流反应，得到产物芘-1-亚甲基二氢化磷酸酯。

[0013] 优选地，所述用乙腈溶解是指每1mmol的1-芘甲醇用8～10mL的乙腈溶解。

[0014] 优选地，所述的磷酸是指有效物含量≥99.0％的晶体状磷酸。

[0015] 优选地，所述1-芘甲醇与磷酸的摩尔比为1:(0.8～1)，1-芘甲醇与吡啶的摩尔比为1:(4～5)，1-芘甲醇与N,N-二异丙基乙胺的摩尔比为1:(1.6～2)，1-芘甲醇与乙酸酐的摩尔比为1:(1.6～2)。

[0016] 优选地，所述的加热回流反应是指在85～90℃下回流反应18～24h。

[0017] 所述制备方法中，所得产物芘-1-亚甲基二氢化磷酸酯优选通过如下方法纯化：将反应体系冷却至室温，通过减压蒸发除去多余的乙腈，再用二氯甲烷和水萃取，收集水层并除去水，所得固体用丙酮:水＝9:1的混合液溶解，同时加入环己胺，出现白色沉淀；通过过滤除去白色沉淀并收集清液，再次通过减压蒸发除去溶剂，所得固体用少量的二氯甲烷和甲醇1:1混合液完全溶解，加入过量乙醚进行沉淀，通过离心的方法收集产物芘-1-亚甲基二氢化磷酸酯。

[0018] 本发明所得的芘-1-亚甲基二氢化磷酸酯，分子式为：C17H13O4P，相对分子质量为312.26，白色固体粉末，溶于水，易溶于乙醇、二甲基亚砜等溶剂。在纯水中电离成带负电的芘衍生物。

[0019] 一种荧光温度指示器，由水、芘-1-亚甲基二氢化磷酸酯和聚乙烯亚胺组成。

[0020] 优选地，所述荧光温度指示器中芘-1-亚甲基二氢化磷酸酯的浓度为20μM，所述聚乙烯亚胺的浓度为0.003mg/mL。

[0021] 优选地，所述聚乙烯亚胺的重均分子量为25000。

[0022] 本发明中荧光温度指示器可归纳为一种根据静电吸引与芘单体-激基缔合物荧光信号转换的协同作用设计的荧光温度指示器，它的作用机理为：

[0023] 溶解在纯水中的芘衍生物带负电荷，能够通过静电作用吸附在带正电荷的聚合物上，形成的聚集体在受到激发光照射时会发射出属于芘激基缔合物(发射波长在499nm左右)的荧光。若温度升高，芘衍生物分子获得足够能量可挣脱聚合物对其的静电吸引力而远离聚合物，即发生解聚集；此时在相同条件下进行激发，体系只会发射出属于芘单体(发射波长在399nm左右)的荧光。本发明利用温度引起的两个荧光峰的强度变化构建了比率型荧光温度指示器，使得测量方法的抗干扰性提高、准确度提高。此外，本发明使用的体系灵敏度好、制备方法简单、水溶性好、对环境无污染，有利于推广应用。

[0024] 本发明具有如下优点及有益效果：

[0025] (1)与传统温度计量方法相比，本发明中的荧光温度指示器采用荧光检测的技术获得温度的信息，具有空间分辨率高、灵敏度好、远程可控的特点。

[0026] (2)本发明采用温度诱导的芘单体-激基缔合物之间荧光信号的转换实现对温度的比率型监测，利用发射波长399nm与490nm处荧光强度比值作为检测信号，克服了激发光强度等外界因素的干扰，提高检测方法的准确度。

[0027] (3)本发明中的荧光温度指示器不但可以用于测定暗场中定点温度，还可以通过荧光颜色的分布获得一定范围内的温度分布信息，具有在复杂环境中应用的潜力。

附图说明

[0028] 图1为本发明芘-1-亚甲基二氢化磷酸酯的合成线路图；

[0029] 图2为本发明实施例所得产物芘-1-亚甲基二氢化磷酸酯的核磁共振氢谱图；

[0030] 图3为本发明实施例所得产物芘-1-亚甲基二氢化磷酸酯的ESI质谱图；

[0031] 图4为实施例3所得荧光温度指示器随不同浓度聚乙烯亚胺的荧光光谱变化曲线图；

[0032] 图5为实施例3所得荧光温度指示器(含20μM Py-N与0.003mg/mL的聚乙烯亚胺)在不同温度下(10～68℃)的荧光光谱变化曲线图；

[0033] 图6为实施例3所得荧光温度指示器(含20μM Py-N与0.003mg/mL的聚乙烯亚胺)的荧光强度比值I399/I490随温度变化的工作曲线图。

具体实施方式

[0034] 下面结合实施例对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

[0035] 实施例1

[0036] 本实施例芘-1-亚甲基二氢化磷酸酯(Py-P)的制备，具体制备步骤如下：

[0037] 根据图1所示合成线路图进行制备，将116mg(0.5mmol)的1-芘甲醇用4mL的乙腈溶解，并置于50mL的圆底反应瓶中，在氮气保护下搅拌。分别加入49mg(0.5mmol)固体磷酸(有效物含量≥99.0％的晶体状磷酸)与197.5mg(2.5mmol)吡啶，缓慢滴加129mg(1mmol)N,N-二异丙基乙胺，待反应混合液变澄清后，缓慢滴加102mg(1mmol)乙酸酐于反应瓶中，升温至85℃，让反应回流24h。将反应溶液冷却至室温，减压蒸发除去多余的乙腈，所得粗产物用二氯甲烷和纯净水萃取，收集水相，通过减压蒸发除去水，再用混合液(丙酮：水＝9:1)溶解粗产物，并加入148.8mg(1.5mmol)环己胺，有白色沉淀出现。将上述悬浊液静置30分钟后过滤去除白色沉淀，残余的液体再次经过减压蒸发除去溶剂，并重新溶解于1mL二氯甲烷与1mL甲醇的混合液中。再加入50mL乙醚进行沉淀，采用9000r/min的转速离心5分钟，收集白色沉淀，并用乙醚洗涤沉淀，得到82mg芘-1-亚甲基二氢化磷酸酯(产率为53％)。

[0038] 通过图2核磁共振氢谱进行表征，1H-NMR(600MHz,D2O)δ8.42(s,1H),8.28(s,2H),8.20–8.15(m,1H),8.15(s,4H),8.06(s,1H),5.51(s,2H).图2中8.06-8.47ppm处代表芳环上特征质子峰，5.51ppm处代表了苄基亚甲基上的特征质子峰，两者的峰面积比约为9:2，与对应的质子个数比相符。此外，通过图3质谱图进行辅证，ESI-MS:m/z 311.56[M-H]-。核磁共振氢谱图和质谱图分析表明所得产物芘-1-亚甲基二氢化磷酸酯(Py-P)的结构与预想相符。

[0039] 实施例2

[0040] 本实施例芘-1-亚甲基二氢化磷酸酯(Py-P)的制备，具体制备步骤如下：

[0041] 根据图1所示合成线路图进行制备，将116mg(0.5mmol)的1-芘甲醇用5mL的乙腈溶解，并置于50mL的圆底反应瓶中，在氮气保护下搅拌。分别加入39.2mg(0.4mmol)固体磷酸与158mg(2.0mmol)吡啶，缓慢滴加103.2mg(0.8mmol)N,N-二异丙基乙胺，待反应混合液变澄清后，缓慢滴加81.6mg(0.8mmol)乙酸酐于反应瓶中，升温至90℃，让反应回流18h。将反应溶液冷却至室温，减压蒸发除去多余的乙腈，所得粗产物用二氯甲烷和纯净水萃取，收集水相，通过减压蒸发除去水，再用混合液(丙酮：水＝9:1)溶解粗产物，并加入148.8mg(1.5mmol)环己胺，有白色沉淀出现。将上述悬浊液静置30分钟后过滤去除白色沉淀，残余的液体再次经过减压蒸发除去溶剂，并重新溶解于1mL二氯甲烷与1mL甲醇的混合液中。再加入50mL乙醚进行沉淀，采用9000r/min的转速离心5分钟，收集白色沉淀，并用乙醚洗涤沉淀，得到芘-1-亚甲基二氢化磷酸酯。产物核磁共振氢谱与质谱图与实施例1相同。

[0042] 实施例3

[0043] 本实施例的一种荧光温度指示器的制备，具体过程如下：

[0044] 以纯净水为溶剂体系，在20μM Py-P溶液中加入不同浓度的聚乙烯亚胺(重均分子量为25000)，得到荧光温度指示器。

[0045] 以350nm为激发波长测试温度为25℃时含不同浓度的聚乙烯亚胺的体系中荧光谱图变化，结果如图4所示。由图4可以看出，随着加入聚乙烯亚胺浓度的升高，芘激基缔合物的荧光发射强度逐渐升高，同时芘单基体荧光发射强度的逐渐下降。

[0046] 选取20μM Py-P与0.003mg/mL的聚乙烯亚胺为配比，作为测试方法中的荧光温度指示器的示例。

[0047] (1)测试荧光温度指示器在不同温度下荧光响应

[0048] 具体测试方法为：在含有20μM Py-N与0.003mg/mL的聚乙烯亚胺的水溶液中，以350nm为激发波长测试不同温度下(10～68℃)该体系荧光光谱的变化，结果如图5所示。由图5可以看出，随着温度的升高，芘激基缔合物的荧光逐渐下降，同时芘单基体的荧光逐渐增强。当温度升至68℃时，490nm处属于激基缔合物的荧光发射消失。

[0049] (2)测试荧光温度指示器的荧光强度比值随环境温度变化

[0050] 取不同环境温度下体系在399nm处与490nm处荧光强度的比值I399/I490，以荧光强度的比值I399/I490为纵坐标，以温度为横坐标得到荧光强度随环境温度变化曲线，如图6所示。随着温度逐渐增强，荧光强度比值I399/I490逐渐增大，该工作曲线可以被一个五次项式非线性拟合，得到：

[0051] I399/499＝2.12333－0.39436×T+0.02629×T2－7.08208×10-4×T3+7.23998×10-6×T4－2.70031×10-9×T5(R2＝0.99975)。

[0052] 由以上结果可以看出，本发明选用荧光量子产率高的芘作为荧光团，带负电荷的芘衍生物能够通过静电作用吸附在带正电荷的聚合物上，形成的聚集体在受到激发光激发时会发射出位于490nm左右芘激基缔合物的荧光。当温度升高时，芘衍生物获得可挣脱聚合物静电吸引的能量而发生解聚集。此时在相同条件下进行激发，荧光传感器只会发射出在399nm左右属于芘单体的荧光。图5～6表明，本发明制备的荧光温度指示器对所处环境温度的变化响应性好，可以通过该指示器来获得暗场中定点环境温度，还可以通过荧光变化的分布获得一定范围内的温度分布信息。

[0053] 与传统温度计相比，本发明中采用荧光检测的技术获得温度的信息，具有高空间分辨率、高灵敏度、远程可控的优点；再者本发明利用温度诱导的荧光强度比值(I399/499)变化构建比率型荧光温度指示器，有效克服了外界因素的干扰，提高了准确度；最后，本发明中温度指示器具有灵敏度好、制备简便、水溶性好、对环境无污染等优势，有利于推广应用。

[0054] 上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其它的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。