吲哚-馬來腈化合物光學識別性能研究

目錄TOC\o"1-2"\h\u41411引言 1215681.1熒光分子探針 171691.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 248001.3本課題的研究內(nèi)容與意義 2262822實驗部分 371422.1實驗主要藥品 374152.2實驗儀器 3236562.3吲哚-馬來腈化合物(L)合成 3100762.4測試溶液配置 4304883.結(jié)果與討論 4206863.1化合物L在不同金屬離子存在時光譜學性質(zhì) 463623.2化合物L與不同濃度錳離子作用時光譜學性質(zhì) 6290193.3錳離子與其他金屬離子競爭實驗 913713.4化合物L在不同酸性條件下的光譜學性質(zhì) 1088404、結(jié)論 1027237參考文獻 1229644謝辭 15ContentsTOC\o"1-2"\h\u29561Introduction 197921.1Fluorescentmolecularprobe 1228911.2Researchstatusathomeandabroad 2166491.3Theresearchcontentandsignificanceofthistopic 297332Experimentalpart 315352.1Experimentaldrugs 3209822.2Themainpartoftheexperiment 382742.3Synthesisofindolemaleonitrile(L) 3319122.4Testsolutionconfiguration 4140383.Resultsanddiscussion 4272423.1SpectroscopicpropertiesofcompoundLinthepresenceofdifferentmetalions 4312973.2Spectroscopicpropertiesofcompoundlinteractingwithmanganeseionsofdifferentconcentrations 661993.3Competitionexperimentbetweenmanganeseandothermetalions 9118593.4SpectroscopicpropertiesofcompoundLunderdifferentacidicconditions 10211754、Conclusion 1019800References 124669Acknowledgments 15吲哚-馬來腈化合物光學識別性能研究摘要：本文利用吲哚與二氨基馬來腈反應(yīng)合成了吲哚-馬來腈化合物，并以不同金屬離子、不同濃度錳離子、及錳離子與其它金屬離子為基礎(chǔ)，對其競爭以及在不同濃度酸的條件下的光譜學性能展開深入探究。系列光譜學實驗研究表明，錳離子濃度會對化合物L的最大熒光發(fā)射強度構(gòu)成顯著影響。具體而言，其強度會呈現(xiàn)出先升后降的趨勢；與此同時，在Li+、Al3+、K+、Mg2+、Ba2+、Cd2+、Co2+、Cu2+、Fe3+、Ni2+、Pb2+、Zn2+加入后，該化合物熒光發(fā)射光譜幾乎沒變。表明該化合物對Mn2+具有顯著的熒光“關(guān)-開-關(guān)”動態(tài)監(jiān)測響應(yīng)。關(guān)鍵詞：吲哚；熒光發(fā)射；馬來腈；熒光分子探針1引言1.1熒光分子探針在特定情況下，分子熒光信號與物質(zhì)變化密切相關(guān)。與此同時，熒光光譜法與分子識別法是熒光分子探針的重要組成部分。在實驗過程中，研究人員要以待測目標上的受體以及分子識別基團為切入點，將兩者進行結(jié)合。通過這種方式，用檢測難度較小的熒光信號取代分子信號。需要注意的是，熒光壽命光強、激發(fā)與發(fā)射波長以及熒光強度均屬于主要研究內(nèi)容。在檢測過程中，熒光分子探針的優(yōu)勢極為明顯，具體包括：1.靈活性。通過熒光強度的變化可以檢測所檢測物質(zhì)是否存在，使得單分子水平上原位、實時的檢測夢想變成了現(xiàn)實。2.范圍廣。分子熒光探針因種類豐富多樣，所以檢測目標對象廣。3.便捷性。熒光分子探針操作方便、成本低，不需要預處理，對檢測物質(zhì)不會造成破壞。由此可見，熒光分子探針的優(yōu)勢非常明顯。現(xiàn)階段，熒光分子探針的覆蓋領(lǐng)域越來越廣，具體包括醫(yī)學、生物、化學以及環(huán)境檢測[1-4]，換而言之，熒光探針技術(shù)已逐漸成為生命科學以及現(xiàn)代醫(yī)學等各個領(lǐng)域中的重要組成部分。在這種情況下，詳細分析熒光探針技術(shù)的現(xiàn)狀及特點，既可以推動該技術(shù)的發(fā)展，又能完善相關(guān)領(lǐng)域的理論研究體系。從實際情況來看，分子識別受體基團、熒光基團以及連接基團均屬于熒光分子探針的核心要素。以熒光基團為例，促使待測物質(zhì)與識別基團發(fā)生反應(yīng)，從而獲得識別難度較小的物理信號；以連接基團為例，分子識別是該基團的主要作用；以分子識別受體基團為例，識別響應(yīng)是該基團的主要作用。在實踐過程中，筆者認為結(jié)構(gòu)變化致熒光增強型、激基締合物型、熒光共振導致能量轉(zhuǎn)移型、分子內(nèi)電荷轉(zhuǎn)移型（ICT）以及光誘導電子轉(zhuǎn)移型（PET）是較為常見的熒光分子探針類型。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀通過查找相關(guān)資料，筆者了解到韓國學者報道了基于吲哚嗪核骨架的氟離子熒光探針，該探針表現(xiàn)出對氟離子的高度選擇性，檢出限為1μM，在生物成像中同樣表現(xiàn)出優(yōu)越的性能[5]。丁志強等[6]以四苯乙烯為熒光團,設(shè)計合成一種陽離子的熒光探針,該熒光探針可以在水與二甲亞砜體積比為2︰5的混合溶液中對鋁離子做到特異性識別。在不加入離子和加入其它陽離子的情況下,熒光探針的熒光強度很低,而加入鋁離子后,熒光強度大幅增強。而且,在其它陽離子對熒光探針對鋁離子的熒光響應(yīng)影響不大。董娜等研究人員[7]以“Ｉ-3-RhB”為熒光探針測定苦參素膠囊中丙酮殘留，當丙酮的濃度分別在0.04～5.0μmol/L和5.0～12.0μmol/L范圍內(nèi)與熒光強度變化值（ΔF）呈線性關(guān)系（r=0.9919），該探針呈現(xiàn)高度靈敏性。1.3本課題的研究內(nèi)容與意義隨著科學技術(shù)發(fā)展，熒光分子探針的應(yīng)用范圍越來越廣。熒光分子探針作為一種新型的光化學傳感器，很多科學家和專家學者努力將其不斷完善和改良，將其列為科研目標。從實際情況來看，苯并吡咯是由苯并聯(lián)與吡咯共同構(gòu)成的，也就是所謂的吲哚。需要注意的是，其并合方式分為異吲哚與吲哚。據(jù)了解，天然花油是吲哚的主要“棲身地”。從物理性質(zhì)來看，熒光量子產(chǎn)量大、摩爾曉光系數(shù)高以及光穩(wěn)定性突出是吲哚燃料的主要特點。由此可見，吲哚燃料屬于優(yōu)質(zhì)的熒光信號基團。在檢測過程中，吲哚燃料的地位越來越高，適用范圍包括有毒小分子檢測、溶液酸堿性檢測以及重金屬離子檢測等等。因此筆者設(shè)計、合成了吲哚-馬來腈化合物并研究其光譜學性質(zhì)，為新型熒光探針分子的設(shè)計、合成及實際應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。吲哚類熒光染料因其良好的光物理性質(zhì)，得到廣泛的研究：湯昆等[8]首次合成了一種含非離子水溶性基團的水溶性不對稱三甲川吲哚菁熒光染料,實驗發(fā)現(xiàn)這種探針能有效區(qū)分活細胞和死細胞;陳基耘[9]在研究該領(lǐng)域時，選取吲哚類菁染料為切入點，對核殼熒光納米顆粒制備技術(shù)與吲哚類菁染料之間的關(guān)系展開深入探究，并以此為基礎(chǔ)，成功獲得了吲哚類菁染料核殼熒光納米顆粒,并發(fā)展了基于吲哚類菁染料核殼熒光納米顆粒的熒光標記方法,使吲哚類菁染料核殼熒光納米顆粒成為推動生物醫(yī)學發(fā)展的核心動力。人們通過對吲哚基團周圍位置的修飾及裁剪，在其周圍引入不同離子受體合成系列具有不同識別性能的熒光探針分子。但目前已報道的熒光分子探針以吲哚-馬來腈化合物探針為主題的熒光探針報道較少，鑒于此，筆者擬制備吲哚-馬來腈化合物并探究其金屬識別性能。2實驗部分2.1實驗主要藥品表2-1實驗所用主要試劑及藥品2.2實驗儀器表2-2實驗所用主要儀器2.3吲哚-馬來腈化合物(L)合成1.5mmol（0.218g）2-吲哚甲醛放入25mL圓底燒瓶后,用10mL無水甲醇將其溶解并升溫至回流；之后將溶于1mmol（0.108g）二氨基馬來睛加入圓底燒瓶中，繼續(xù)反應(yīng)5h。過濾、甲醇洗滌、干燥后得到2-吲哚醛修飾的馬來睛單希夫堿(L)0.143g，產(chǎn)率為61%。MS(MALDI-TOF):anisotopicclusterpeakingatm/z235.09,[Calcd.ForM+235.21];Anal.CalcdforC13H9N5:C,66.37;H,3.86;N,29.77.Found:C,66.35;H,3.72;N,29.74.2.4測試溶液配置稱取0.0047g吲哚-馬來睛化合物L加入10mL容量瓶中，用95%DMF水溶液溶解定容并搖勻，配制得到2.0×10-3mol/L的吲哚-馬來睛化合物母液待用；利用紫外吸收光譜找到該化合物的最適測試濃度為2.5×10-5mol/L；分別稱取一定量的Al3+、Fe3+、Pb2+、Co2+、Mn2+、Cu2+、Zn2+、Ni2+、Cd2+、Ca2+、Ba2+、Mg2+、Li+、Na+、K+15種對應(yīng)的金屬離子鹽一份，稱量后分別放入到10mL容量瓶中，然后用95%DMF水溶液溶解、定容、搖勻，配成的各種金屬離子母液的濃度為2.0×10-2mol/L；利用36％的鹽酸（濃度：11.7mol/L）分別配制2.5×10-3mol/L、2.5×10-2mol/L的鹽酸待用；根據(jù)不同測試需求，將濃度為2.5×10-5mol/L化合物與不同濃度的酸、金屬離子絡(luò)合半小時，并測試其紫外吸收與熒光發(fā)射光譜。3.結(jié)果與討論3.1化合物L在不同金屬離子存在時光譜學性質(zhì)為了研究吲哚-馬來腈化合物L對金屬離子的選擇識別性能，筆者選擇的研究對象分別是Li+、Al3+、K+、Mg2+、Ba2+、Mn2+、Cd2+、Co2+、Cu2+、Fe3+、Ni2+、Pb2+、Zn2+等金屬離子，在95%DMF水溶液中測試了化合物L與10倍摩爾量的不同金屬離子分別混合半小時、3小時后的熒光發(fā)射光譜和紫外發(fā)射光譜。吲哚-馬來腈化合物L與不同金屬離子混合半小時以后，得出如圖3-1所示的熒光發(fā)射光譜。從此圖可以得知，自由狀態(tài)的吲哚-馬來腈化合物L在470nm位置附近有一最大熒光發(fā)射峰；當加入10倍摩爾當量的Mn2+半小時后，該化合物最大熒光發(fā)射波長發(fā)生了紅移，移到了490nm，熒光強度也發(fā)生了變化，增強了約1.8倍；而加入10倍摩爾量的Cu2+之后，該化合物最大熒光發(fā)射波長也發(fā)生了變化，紅移到475nm，熒光發(fā)射強度大約減少一倍；其它金屬離子Li+、Al3+、K+、Mg2+、Ba2+、Cd2+、Co2+、Fe3+、Ni2+、Pb2+、Zn2+加入后，化合物L的熒光發(fā)射強度幾乎無明顯變化，表明化合物探針分子對Mn2+、Cu2+金屬離子具有一定的熒光響應(yīng)，具有識別這兩種金屬離子的潛能[10-11]。圖3-1化合物L與不同金屬離子絡(luò)合半小時后的熒光發(fā)射光譜為了進一步探究化合物L對Cu2+和Mn2+的靈敏性，筆者還測定了上述不同金屬離子與化合物L反應(yīng)后的紫外吸收光譜的變化。由圖3-2得知，吲哚-馬來腈化合物L在395nm和425nm位置附近有兩個紫外吸收峰、且395nm位置附近吸收較強；10倍摩爾量的Cu2+加入后，該化合物的紫外吸收在395、425nm位置處吸收降低，而在525nm左右吸收增強；其它金屬離子Li+、Al3+、K+、Mg2+、Ba2+、Cd2+、Co2+、Fe3+、Ni2+、Pb2+、Mn2+、Zn2+加入后，化合物L的紫外光譜變化不明顯，進一步表明化合物分子L對Cu2+具有顯著的紫外響應(yīng)，具有紫外識別Cu2+的潛能[12-13]。圖3-2化合物L與不同金屬離子絡(luò)合半小時后紫外吸收光譜圖3-3化合物L與不同金屬離子絡(luò)合3小時后熒光發(fā)射光譜（左）紫外吸收光譜（右）為了進一步了解吲哚-馬來腈化合物L對金屬離子的選擇識別性能，筆者又測試了該化合物L與不同金屬離子混合3小時后的的光譜學性質(zhì)。如圖3-3（左圖）所示，該化合物探針分子L在470nm位置附近具有最大的熒光發(fā)射波長；10倍摩爾量的Cu2+加入3小時后，該化合物的最大熒光發(fā)射波長發(fā)生了紅移，移到了480nm位置附近，最大熒光發(fā)射強度在350左右；當Mn2+加入到該化合物中后，該化合物的最大熒光發(fā)射峰同樣發(fā)生了紅移，到515nm位置附近，且熒光強度顯著增強了原來的7倍；其它金屬離子Li+、Al3+、K+、Mg2+、Ba2+、Cd2+、Co2+、Fe3+、Ni2+、Pb2+、Zn2+加入后，化合物L的熒光發(fā)射光譜變化較小，表明化合物探針分子L對Mn2+、Cu2+金屬離子混合3小時后具有一定的熒光響應(yīng)。如圖3-3（右圖）所示吲哚-馬來腈化合物探針分子L在395nm和425nm位置附近有紫外吸收峰，當分別加入Mn2+、Cu2+后，紫外分別在波長480nm和515nm左右出現(xiàn)峰值，表明化合物探針分子L對Mn2+、Cu2+金屬離子混合3小時后具有一定的熒光響應(yīng)[14-15]。3.2化合物L與不同濃度錳離子作用時光譜學性質(zhì)為了進一步探究吲哚-馬來腈化合物L與響應(yīng)金屬Mn2+離子的絡(luò)合關(guān)系，筆者分別測出了該化合物L與Mn2+二者比例為1:0.0、1:0.2、1:0.6、1:0.8、1:1.0、1:1.2、1:1.4、1:1.6、1:1.8、1:2.0、1:2.5、1:3.0、1:4.0、1:5.0、1:6.0、1:7.0、1:8.0、1:9.0、1:10.0在絡(luò)合半小時的熒光發(fā)射光譜和紫外吸收光譜學性質(zhì)。圖3-4、3-5清楚的表明了化合物L與不同濃度Mn2+離子混合半小時后的熒光發(fā)射光譜變化：Mn2+在0倍摩爾量左右時，化合物L大約在465nm左右具有最大熒光發(fā)射峰，其熒光強度值大約為100；隨著錳離子濃度增加，由0倍摩爾量到1倍摩爾量時，熒光發(fā)射峰強度也逐漸增強，Mn2+約在1倍摩爾量時，化合物L最大熒光發(fā)射強度增強為原來的4倍多，其強度約為450；之后繼續(xù)隨著Mn2+濃度增加，由1倍摩爾量增加到10倍摩爾量時，熒光強度逐漸降低。與之相對應(yīng)的紫外吸收光譜變化較小，如圖3-6所示：Mn2+在0倍摩爾量時，化合物L最大熒光發(fā)射峰大約在420nm左右，紫外吸收強度大約為0.4；Mn2+在1倍摩爾量時，化合物L最大紫外吸收峰大約在420nm，紫外吸收值在0.5左右。這些數(shù)據(jù)充分表明化合物L與Mn2+熒光“關(guān)-開-關(guān)”動態(tài)檢測響應(yīng)[16-18]。圖3-4化合物L與不同濃度的錳離子（0-1倍）絡(luò)合半小時后的熒光發(fā)射光譜圖3-5化合物L與不同濃度的錳離子（1-10倍）絡(luò)合半小時后的熒光發(fā)射光譜圖3-6化合物L與不同濃度錳離子絡(luò)合半小時后紫外吸收光譜為了進一步探究吲哚-馬來腈化合物L與響應(yīng)金屬Mn2+離子的絡(luò)合關(guān)系，筆者分別測出了該化合物L與Mn2+二者比例為1:0.0、1:0.2、1:0.6、1:0.8、1:1.0、1:1.2、1:1.4、1:1.6、1:1.8、1:2.0、1:2.5、1:3.0、1:4.0、1:5.0、1:6.0、1:7.0、1:8.0、1:9.0、1:10.0在絡(luò)合5小時的熒光發(fā)射光譜和紫外吸收光譜學性質(zhì)。圖3-7、3-8表明了化合物L與不同濃度Mn2+離子混合5小時后的熒光發(fā)射光譜變化：Mn2+在0倍摩爾量左右時，化合物L最大熒光發(fā)射峰大約在465nm左右，熒光強度大約為100；隨著錳離子濃度由0倍摩爾量到1倍摩爾量時，熒光發(fā)射峰強度呈上升趨勢，當Mn2+濃度逐漸增加到1倍摩爾量左右時，化合物L最大熒光發(fā)射發(fā)生了紅移，到了480nm位置附近，熒光強度值增加了9倍多，其值約為950；隨著Mn2+濃度繼續(xù)增加，由1倍摩爾量增加到10倍摩爾量時，熒光強度逐漸降低180，且藍移到475nm位置附近。但相對應(yīng)的紫外吸收光譜變化較小，如圖3-6所示。這些數(shù)據(jù)再一次表明，化合物L對與Mn2+熒光“關(guān)-開-關(guān)”動態(tài)檢測響應(yīng)。圖3-7化合物L與不同濃度的錳離子（0-1倍）絡(luò)合5小時后的熒光發(fā)射光譜圖3-8化合物L與不同濃度的錳離子（1-10倍）絡(luò)合5小時后的熒光發(fā)射光譜圖3-9化合物L與不同濃度錳離子絡(luò)合5小時后紫外吸收光譜3.3錳離子與其他金屬離子競爭實驗圖3-10Mn2+和其他金屬離子競爭熒光發(fā)射光譜為了確定吲哚-馬來腈化合物L對Mn2+的高度靈敏性和專一性，筆者再一次做了一組實驗，將該化合物L對Mn2+共同存在時再加入其它金屬離子的競爭實驗。將Li+、Al3+、K+、Mg2+、Ba2+、Cd2+、Co2+、Cu2+、Fe3+、Ni2+、Pb2+、Zn2+等各種金屬離子分別加入到裝有L-Mn2+混合體系的容量瓶后用95%的DMF溶液定容、搖勻，測試其熒光發(fā)射光譜。如圖3-10所示，L-Mn2+混合體系在470nm附近有一最大熒光發(fā)射光峰，隨著其它金屬離子的加入，整個趨勢變化不明顯，其他離子不會對錳離子造成熒光降低，說明該分子探針對錳離子具有良好的識別作用。3.4化合物L在不同酸性條件下的光譜學性質(zhì)既然吲哚-馬來腈化合物L中含有對質(zhì)子敏感的亞胺基團，鑒于此，筆者分別測試了該化合物在濃度為2×10-5mol/L的95%DMF水溶液里分別加入不同比例的HCl時的熒光發(fā)射光譜學性質(zhì)，二者比例分別為1:0、1:2、1:3、1:4、1:5、1:6、1:7、1:8、1:9、1:10、1:15、1:20、1:25、1:30、1:35、1:40、1:50、1:60、1:70、1:80、1:90、1:100。如圖3-11所示，隨著HCl濃度增加，從0增加到100倍摩爾比時，吲哚-馬來腈化合物L在470nm附近的最大熒光發(fā)射峰位置不變，但是發(fā)射強度稍微降低。說明吲哚-馬來腈化合物L在酸性環(huán)境下光譜學性質(zhì)較穩(wěn)定。圖3-11化合物L在不同濃度的酸性條件下的熒光發(fā)射光譜4、結(jié)論綜上所述，本文利用吲哚與二氨基馬來腈反應(yīng)合成了吲哚-馬來腈化合物，并研究了其與不同金屬離子、不同濃度錳離子、錳離子與其它金屬離子的競爭以及在不同濃度酸的條件下的光譜學性能。系列光譜學實驗研究表明，雖然化合物L對酸性環(huán)境比較穩(wěn)定，但其對Mn2+具有顯著的熒光“關(guān)-開-關(guān)”響應(yīng)，且具有良好的選擇性，表明化合物具有通過熒光信號變化動態(tài)監(jiān)測Mn2+性能。

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