一种钌聚合物及其制备方法和pH值检测荧光探针

摘要

本发明涉及配合物技术领域，尤其涉及一种钌聚合物及其制备方法和pH值检测荧光探针。本发明公开了一种具有式(Ⅰ)所示化学式的钌聚合物，该钌聚合物结构新颖，具有较好的发光特性，光学性质优良，激发态寿命长，对pH响应敏感，响应范围宽，线性范围宽，在pH＝4～pH＝8之间尤其明显。该钌聚合物可以利用荧光技术灵敏检测生物体内pH水平的变化，可作为一种新型荧光高分子探针，应用于生命科学研究中的荧光生物成像领域。

权利要求

1.一种钌聚合物，其特征在于，具有式(Ⅰ)所示化学式或式(Ⅱ)所示结构；

{Ru[(N^N)(bipb)]}nX2n式(Ⅰ)；

其中，式(Ⅰ)中的(N^N)和式(Ⅱ)中的 为1,10‑邻菲罗啉或联吡啶，X为无机盐阴离子，n＝2～20。

‑ ‑

2.根据权利要求1所述的钌聚合物，其特征在于，所述无机盐阴离子选自ClO4 、NO3 、‑ ‑PF6或Br。

3.一种钌聚合物的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：将bipb和钌的有机配合物在反应溶剂中混合，进行回流反应，然后加入无机盐，得到式(Ⅰ)所示化学式或式(Ⅱ)所示结构的钌聚合物；

{Ru[(N^N)(bipb)]}nX2n式(Ⅰ)；

其中，式(Ⅰ)中的(N^N)和式(Ⅱ)中的 为1,10‑邻菲罗啉或联吡啶，X为无机盐阴离子，n＝2～20。

4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述钌的有机配合物选自Ru(phen)Cl4或Ru(bpy)Cl4。

5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述bipb的制备方法包括以下步骤：将1,10‑菲啰啉‑5,6‑二酮、乙酸铵和对苯二甲醛在溶剂中进行回流反应，得到bipb。

6.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述反应溶剂为乙醇、乙二醇或N,N‑二甲基甲酰胺；

所述反应的温度为140℃，时间为6～8h。

7.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述bipb和所述钌的有机配合物的摩尔比为(1～3):1。

8.权利要求1或2所述的钌聚合物或权利要求3至7任意一项所述的制备方法制得的钌聚合物在pH值检测荧光探针中的应用。

9.一种pH值检测荧光探针，其特征在于，包括权利要求1所述的钌聚合物或权利要求3至7任意一项所述的制备方法制得的钌聚合物。

说明书

一种钌聚合物及其制备方法和pH值检测荧光探针

技术领域

[0001] 本发明涉及配合物技术领域，尤其涉及一种钌聚合物及其制备方法和pH值检测荧光探针。

背景技术

[0002] pH值在生产工艺、环境监测和医学病因筛查等领域发挥着至关重要的作用。例如，许多疾病如2型糖尿病、阿尔兹海默症、癌症等都会引起体内pH的细微波动。因此，研发出能够迅速、精确检测pH值并监测其变化的传感器很有必要。与传统的pH检测方法如pH试纸法、NMR法和电化学方法相比，荧光检测法具有操作简便、响应迅速、灵敏度高、可连续动态监测等优点，是作为此类传感器的理想材料之一。而目前报道的pH荧光传感器，尤其是pH‑MOF传感器存在着稳定性差、pH响应范围小、线性关系不明显以及不能循环利用等缺点，在实际应用中，有时需要多种检测方式协同进行才能实现对目标样品pH值的有效监测。

发明内容

[0003] 有鉴于此，本发明提供了一种钌聚合物及其制备方法和pH值检测荧光探针，该钌聚合物具有较好的发光特性，光学性质优良，激发态寿命长，对pH响应敏感，响应范围宽，线性范围宽。

[0004] 其具体技术方案如下：

[0005] 本发明提供了一种钌聚合物，具有式(Ⅰ)所示化学式和式(Ⅱ)所示结构；

[0006] {Ru[(N^N)(bipb)}nX2n  式(Ⅰ)；

[0007]

[0008] 其中，式(Ⅰ)中的(N^N)和式(Ⅱ)中的 均为1,10‑邻菲罗啉或联吡啶，X为无机盐阴离子，n＝2～20，优选为2、9、10、11、12、13，更优选为10。

[0009] 当(N^N)为1,10‑邻菲罗啉时，所述钌聚合物的结构式如下：

[0010]

[0011] 当(N^N)为联吡啶时，所述钌聚合物的结构式如下：

[0012]

[0013] 本发明提供的钌聚合物结构新颖，该钌聚合物具有较好的发光特性，光学性质优良，激发态寿命长，合成步骤简单，对pH响应敏感，响应范围宽，线性范围宽，可作为一种新型pH检测荧光探针。

[0014] 本发明中，所述无机盐阴离子为水溶性，所述无机盐阴离子选自ClO4‑、NO3‑、PF6‑或‑Br；

[0015] 本发明还提供了一种钌聚合物的制备方法，包括以下步骤：

[0016] 将bipb和钌的有机配合物在反应溶剂中混合，进行回流反应，然后加入无机盐，得到式(Ⅰ)所示化学式和式(Ⅱ)所示结构的钌聚合物；

[0017] {Ru[(N^N)(bipb)]}nX2n  式(Ⅰ)；

[0018]

[0019] 其中，式(Ⅰ)中的(N^N)和式(Ⅱ)中的 为1,10‑邻菲罗啉或联吡啶，X为无机盐阴离子，n＝2～20。

[0020] 本发明提供的钌聚合物的合成路线简单安全，合成原料廉价易得。

[0021] 本发明中，bipb(1，4‑双(1L2‑咪唑[4，5‑f][1，10]菲罗啉‑2‑基)苯)具有如下结构：

[0022]

[0023] 所述bipb的制备方法包括以下步骤：

[0024] 将1,10‑菲啰啉‑5,6‑二酮、乙酸铵和对苯二甲醛在溶剂中进行回流反应，得到bipb；所述溶剂选自冰醋酸、丙酸、乙醇或甲醇；所述1,10‑菲啰啉‑5,6‑二酮、乙酸铵和对苯二甲醛的摩尔比为1:20:0.5；所述回流反应的温度为118℃，所述反应的时间为3h～6h，优选为3h。

[0025] 本发明中，所述钌的有机配合物选自Ru(phen)Cl4或Ru(bpy)Cl4，优选为Ru(phen)Cl4。

[0026] 本发明中，bipb和钌的有机配合物在反应溶剂中进行混合，然后进行回流反应；所述反应溶剂选自乙醇、乙二醇或N,N‑二甲基甲酰胺，优选为N,N‑二甲基甲酰胺；所述回流反应优选在氮气或惰性气体的存在下进行；所述回流反应的温度为140℃，时间为6～8h，优选为6h；所述bipb和所述钌的有机配合物的摩尔比为(1～3):1，优选为1：1。

[0027] 本发明中，所述回流反应结束后，加入无机盐，得到所述钌聚合物；所述无机盐选自高氯酸钠或六氟磷酸铵。

[0028] 本发明还提供了一种钌聚合物，具有式(Ⅰ)所示化学式和式(Ⅱ)所示结构的水合物。

[0029] 本发明还提供了式(Ⅰ)和式(Ⅱ)所示化合物，或上述制备方法制得的钌聚合物，或式(Ⅰ)和式(Ⅱ)所示化合物的水合物在pH值检测荧光探针中的应用。

[0030] 本发明还提供了pH值检测荧光探针，包括式(Ⅰ)所示化合物和式(Ⅱ)，或上述制备方法制得的钌聚合物，或式(Ⅰ)和式(Ⅱ)所示化合物的水合物的钌聚合物。

[0031] 本发明提供的两种钌聚合物在乙腈中进行浓度滴定，并测定相应浓度的荧光，可以发现在一定浓度下，荧光强度和化合物浓度呈负相关。

[0032] 本发明还提供了一种荧光检测pH的方法，将上述任意一种钌聚合物在缓冲溶液中进行pH滴定，并测出相应pH的荧光，可以由荧光强度的变化灵敏检测pH。

[0033] 本发明还提供了一种荧光寿命检测pH的方法，将上述任意一种钌聚合物在缓冲溶液中进行pH滴定，并测出相应pH的荧光寿命，可以由荧光寿命的变化灵敏检测pH。

[0034] 从以上技术方案可以看出，本发明具有以下优点：

[0035] 本发明提供了一种具有式(Ⅰ)所示化学式的钌聚合物，该钌聚合物结构新颖，具有较好的发光特性，光学性质优良，激发态寿命长，对pH响应敏感，响应范围宽，线性范围宽，，在pH＝4～8之间尤其明显。该钌聚合物可以利用荧光技术灵敏检测生物体内pH水平的变化，可作为一种新型荧光高分子探针，应用于生命科学研究中的荧光生物成像领域。

附图说明

[0036] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

[0037] 图1为本发明实施例4制得的{Ru[(phen)(bipb)]}n(ClO4)2n质谱图；

[0038] 图2为本发明实施例4制得的{Ru[(phen)(bipb)]}n(ClO4)2n的粒径分布图；

[0039] 图3为本发明提供的[Ru2(phen)4(bipb)](ClO4)4的粒径分布图；

[0040] 图4为本发明实施例4制得的{Ru[(phen)(bipb)]}n(ClO4)2n在375nm激发下乙腈中的浓度荧光滴定结果图；

[0041] 图5为本发明实施例4制得的{Ru[(phen)(bipb)]}n(ClO4)2n在450nm激发下乙腈中的浓度荧光滴定结果图；

[0042] 图6为本发明实施例4制得的{Ru[(phen)(bipb)]}n(ClO4)2n在450nm激发下缓冲液中pH响应实验的荧光滴定结果图；

[0043] 图7为本发明实施例4制得的{Ru[(phen)(bipb)]}n(ClO4)2n在375nm激发下缓冲液中pH响应实验的荧光滴定结果图；

[0044] 图8为本发明实施例4制得的{Ru[(phen)(bipb)]}n(ClO4)2n在316nm激发下缓冲液中pH＝4和pH＝8的荧光寿命测定结果图；

[0045] 图9为本发明实施例4制得的{Ru[(phen)(bipb)]}n(ClO4)2n在450nm激发下缓冲液中pH＝4和pH＝8的荧光寿命测定结果图。

具体实施方式

[0046] 为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

[0047] 实施例1有机配体bipb的合成

[0048] 将1,10‑菲啰啉‑5,6‑二酮(1.89g，9mmol)，乙酸铵(13.86g，180mmol)，对苯甲醛(0.603g，4.5mmol)加入150mL冰醋酸中，在圆底烧瓶中加入回流3小时，反应结束后，冷却至室温，得到橙色沉淀，过滤收集沉淀，并用水和乙醇将沉淀充分冲洗三次。放入真空干燥箱40℃干燥12h，得橙黄色固体，产量为1.327g，产率：57.4％。

[0049] 实施例2钌的有机配合物Ru(phen)Cl4的制备

[0050] 三氯化钌水合物(1g，3.8mmol)，1,10‑菲啰啉(0.9g，4.5mmol)加入100mL1N的盐酸中，氮气保护的条件下，在黑暗处搅拌30min，反应温度为室温，过夜，收集沉淀，用水充分洗涤三次，真空40℃下干燥12h，得黑色粉末固体，产量为1.692g，产率：80％。

[0051] 实施例3钌的有机配合物Ru(bpy)Cl4的制备

[0052] 三氯化钌水合物(1g，3.8mmol)，联吡啶(0.22g，3.8mmol)加入5mL 1N的盐酸中，混合搅拌30分钟，放在一个塞住的烧瓶里3周，过滤，用水和乙醚洗涤，干燥，得棕色粉末固体，产量1.4g，产率：92.1％。

[0053] 实施例4聚合物{Ru[(phen)(bipb)]}n(ClO4)2n的合成

[0054] 将实施例1制得的bipb(0.514g，1mmol)和Ru(phen)Cl4(0.423g,1mmol)加入圆底烧瓶中，加入25mL N,N‑二甲基甲酰胺，将混合物在氮气保护下回流6小时，得到澄清溶液，加水稀释，加入饱和的高氯酸钠溶液，得到黑色固体，抽滤，用水将沉淀充分洗涤三次。放入真空中干燥12h，得到黑色固体，产量为0.498g，产率：47.5％。

[0055] 如图1所示，该谱图525.10峰位即为n＝2时的聚合物组分。

[0056] 如图2所示，聚合物{Ru[(phen)(bipb)]}n(ClO4)2n的粒径主要分布在两个范围：116.3nm‑174.9nm，594.6‑894.1nm，其中700nm的粒子丰度最高，为主要成分。为了分析其聚合程度，我们同时测了双核配合物[Ru2(phen)4(bipb)](ClO4)4(图3)的粒径进行比较。如图
3所示，[Ru2(phen)4(bipb)](ClO4)4粒径分布范围为123.1‑142.7nm，平均粒径为133nm。聚合物中116.3nm‑174.9nm的成分与[Ru2(phen)4(bipb)](ClO4)4的粒径基本一致，说明存在n值为2的双核聚合物。594.6‑894.1nm约为双核配合物平均粒径的4.5‑6.5倍，说明存在n值为9‑13的聚合物，其中700nm的粒子丰度最高，为n＝10的聚合物，是其主要成分。综合图2和图3说明，{Ru[(phen)(bipb)]}n(ClO4)2n中n值为2、9、10、11、12、13，其中n＝10为主要成分。

[0057] 实施例5聚合物{Ru[(bpy)(bipb)]}n(ClO4)2n的合成

[0058] 将实施例1制得的bipb(0.514g，1mmol)和Ru(bpy)Cl4(0.400g,1mmol)加入圆底烧瓶中，加入25mL N,N‑二甲基甲酰胺，将混合物在氮气保护下回流6小时，得到澄清溶液，加水稀释，加入饱和的高氯酸钠溶液，得到黑色固体，抽滤，用水将沉淀充分洗涤三次。放入真空中干燥12h，得到黑色固体，产量为0.563g，产率：55.35％。

[0059] 实施例6聚合物{Ru[(phen)(bipb)]}n(ClO4)2n的聚集诱导猝灭

[0060] 配制浓度为10μmol/L的{Ru[(phen)(bipb)]}n(ClO4)2n的乙腈溶液，用紫外可见分光光度计测定其吸光度并绘制吸收光谱曲线，从而获得聚合物的特征吸收峰波长，以波长作为激发波长，然后采用荧光光谱仪测试它的荧光强度，该聚合物是双荧光发射且荧光强度较强。

[0061] 如图4和图5所示，配制一定浓度梯度的{Ru[(phen)(bipb)]}n(ClO4)2n的乙腈溶液，测定荧光强度，观察发现有很明显的聚集诱导猝灭现象，较低浓度时，由于溶质量少荧光较弱，随着浓度增加荧光迅速增强，在100μg/mL是到达顶峰，之后随着浓度的增加，由于聚集诱导猝灭，荧光强度迅速衰减。

[0062] 实施例7聚合物{Ru[(phen)(bipb)]}n(ClO4)2n的pH响应

[0063] 配制含40mM H3BO3，40mM H3PO4和40mM CH3COOH的缓冲液250mL，将DMSO配制的1mg/mL的{Ru[(phen)(bipb)]}n(ClO4)2n用缓冲液稀释100倍，得到10μg/mL的缓冲液母液。

[0064] 取稀释后的溶液3mL(溶液a)，测定pH值，记录；每次滴加3μL 5M的NaOH，测定pH值并记录，直至测定的pH达到11，滴定结束。取与滴定实验来源相同的稀释母液3mL(溶液a')，相同地，逐次滴加5M NaOH，每次3μL。每次滴加后溶液的pH值应为对应的滴定时的pH值，并测定对应pH的荧光强度。

[0065] 如图6所示，{Ru[(phen)(bipb)]}n(ClO4)2n在600nm处发射的荧光强度随着pH的增加而减弱。且pH＝4～pH＝8降低明显。因此可以由荧光强度来检测pH。如图7所示，聚合物是双荧光发射的，且荧光发射强度也是随着pH的改变而有所改变的。在600nm处，其荧光信号强度随着pH的增加而减弱，这与图3的结果是一致的。而在428nm处的另一个峰，荧光强度随着pH的增加而减弱，且在pH＝4时有明显的红移，荧光强度先增强后减弱。并且如图8和图9所示测定了pH＝4和pH＝8的荧光寿命，观察发现，在Ex＝316nm和Ex＝450nm下的荧光寿命有一定的差距，可以由荧光寿命检测pH的大小。而且，以缓冲液为溶剂时，聚合物在这个pH值下的荧光寿命都符合双指数衰减曲线，其中，Ex＝316nm的pH＝4和pH＝8的荧光寿命为2.152ns、0.337ns，Ex＝450nm的pH＝4和pH＝8的荧光寿命为104.979ns、66.329ns。

[0066] 以上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。