本發(fā)明屬于生物材料領(lǐng)域，涉及一種鉀離子熒光探針及其制備方法和應(yīng)用。

背景技術(shù)：

苯基氮雜-18-冠-6-胺是一種能夠與鉀離子特異響應(yīng)的識別基團；半菁染料作為熒光基團，可用于發(fā)光材料、化學(xué)傳感器以及標(biāo)記生物分子。

鉀離子是廣泛存在于人體、動物、植物和很多食品、飲品、藥品中，并在其中發(fā)揮著重要的作用。尿鉀正常值為25～125mmol/24h，當(dāng)人體患有原發(fā)性或繼發(fā)性醛固酮增多癥、腎性高血壓、糖尿病酮癥等疾病時，尿鉀會高過正常值；而當(dāng)患有艾迪生病、嚴(yán)重腎小球腎炎、腎盂腎炎、腎硬化、急性或慢性腎功能衰竭等疾病時，尿鉀會低于正常值。因此檢測尿鉀濃度能夠用來協(xié)助診斷某些疾病。鉀離子在中藥注射液中廣泛存在，《中藥注射劑研制指導(dǎo)原則及有關(guān)規(guī)定匯編》對中藥注射劑中鉀離子進行了限量控制，規(guī)定鉀離子應(yīng)在1.0mg/ml以下，鉀離子濃度過高時，中藥注射劑的有效性及安全性會受到影響。由此可見，鉀離子在人的疾病診斷和藥物安全方面發(fā)揮著重要作用。

目前已經(jīng)存在的鉀離子的檢測方法有離子電極法、火焰廣度法、電化學(xué)法等，但這些方法具有很大局限性，如儀器昂貴、處理復(fù)雜、費時等，不利于檢測。熒光探針檢測技術(shù)由于靈敏度高，操作方便，可以實時監(jiān)測等優(yōu)點而得到了廣泛應(yīng)用。

目前大部分熒光探針是通過單波長的光學(xué)信號強度來檢測鉀離子濃度，得到的結(jié)果受外界影響很大，因此開發(fā)一種可以用于水溶液的比率型探針是很重要的。另外，利用熒光分光光度計和紫外可見光分光光度計等儀器來檢測鉀離子的濃度變化，給檢測鉀離子帶來了很大的局限性，基于此，開發(fā)可以裸眼檢測水液體樣中鉀離子濃度的熒光探針成為目前亟待解決的課題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種鉀離子熒光探針及其制備方法和應(yīng)用。

為達到此發(fā)明目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

一方面，本發(fā)明提供一種鉀離子熒光探針，所述鉀離子熒光探針具有如下所示的結(jié)構(gòu)：

其中x為鹵素或磺酸根。

本發(fā)明的鉀離子熒光探針在加入鉀離子時，識別基團苯基氮雜-18-冠-6-胺與鉀離子螯合，使其供電子能力減弱，發(fā)生分子內(nèi)電荷轉(zhuǎn)移(ict)效應(yīng)，使探針的紫外吸收發(fā)生藍移，具有很好的比率響應(yīng)。其吸光度比值與鉀離子濃度有很好的線性關(guān)系，這樣就可以通過線性方程得到水溶液中鉀離子濃度。

在本發(fā)明中，所述鹵素為氟、氯、溴或碘。

優(yōu)選地，所述x為氯、溴或碘，進一步優(yōu)選為碘。

另一方面，本發(fā)明提供了如上所述鉀離子熒光探針的制備方法，所述方法為：利用式i所示化合物與式ii所示化合物反應(yīng)得到所述鉀離子熒光探針，反應(yīng)式如下：

優(yōu)選地，在本發(fā)明所述制備方法中，所述式i所示化合物與式ii所示化合物的摩爾比為(1-2):1，例如1:1、1.1:1、1.2:1、1.3:1、1.4:1、1.5:1、1.6:1、1.7:1、1.8:1、1.9:1或2:1。

優(yōu)選地，所述反應(yīng)的溶劑為無水乙醇、無水甲醇或無水乙腈中的任意一種或至少兩種的組合。

優(yōu)選地，所述反應(yīng)在回流下進行。

優(yōu)選地，所述反應(yīng)的時間為2-24小時，例如2小時、4小時、6小時、8小時、10小時、12小時、14小時、16小時、18小時、20小時、22小時或24小時，優(yōu)選5-12小時。

在本發(fā)明中，所用原料式i所示化合物與式ii所示化合物可以根據(jù)現(xiàn)有制備方法制備得到。

優(yōu)選地，以式iii所示化合物為原料經(jīng)vh反應(yīng)制備得到式i所示化合物，即利用式iii所示化合物與n,n-二甲基甲酰胺在三氯氧磷作用下發(fā)生反應(yīng)，得到式i所示化合物(例如根據(jù)hans-jürgenholdt課題組的文獻chem.eur.j.2013,19,14911-14917中報道的方法進行合成)，反應(yīng)式如下：

在本發(fā)明中，所述vh(vilsmeier-haauc)反應(yīng)是指芳香化合物與二取代甲酰胺在三氯氧磷作用下，反應(yīng)生成芳環(huán)上甲?；a(chǎn)物的過程，其是芳烴甲酰化的重要手段，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以知曉其具體的操作過程。

優(yōu)選地，式ii所示化合物通過式iv所示化合物與鹵代烷烴或磺酸酯在加熱回流下反應(yīng)得到(例如可以根據(jù)fuyouli課題組報道的文獻chemicalcommunications,2016,52,7466-7469的合成方法)，反應(yīng)式如下：

優(yōu)選地，所述式iv所示化合物與鹵代烷烴或磺酸酯的摩爾比為1:(1-3)，例如1:1、1:1.2、1:1.5、1:1.8、1:2、1:2.2、1:2.4、1:2.6、1:2.8或1:3。

優(yōu)選地，所述鹵代烷烴為氯代乙烷、溴代乙烷、溴代丙烷、碘乙烷或碘丙烷中的任意一種，優(yōu)選碘乙烷。

優(yōu)選地，所述磺酸酯為甲基磺酸甲酯、甲基磺酸乙酯或甲基磺酸丙酯。

優(yōu)選地，所述反應(yīng)的時間為5-20小時，例如5小時、6小時、7小時、8小時、9小時、10小時、12小時、14小時、16小時、18小時或20小時，優(yōu)選8-12小時。

另一方面，本發(fā)明提供一種鉀離子檢測試劑，所述鉀離子檢測試劑包括如上所述的鉀離子熒光探針。

本發(fā)明所述的鉀離子熒光探針可以作為鉀離子檢測試劑應(yīng)用于水溶液中鉀離子的檢測，具有紫外吸收比率響應(yīng)效應(yīng)，所以可以通過吸光度比值與鉀離子濃度的線性關(guān)系進行分析，可用于檢測各種樣品中鉀離子的含量，尤其是可用于檢測人體血液或尿液中鉀離子含量，對于評估人體健康以及疾病風(fēng)險具有重大意義。

另一方面，本發(fā)明提供一種鉀離子檢測試紙，所述鉀離子檢測試紙包含如上所述的鉀離子熒光探針。

在本發(fā)明中所述鉀離子檢測試紙上由于含有所述鉀離子熒光探針，使用時將檢測試紙放置于檢測樣品溶液中或者將檢測樣品溶液滴至檢測試紙上，觀察可見光下的顏色變化，結(jié)果顯示隨著鉀離子濃度增大，可見光下試紙由深紅色變?yōu)辄S色，可以實現(xiàn)樣品的及時檢測。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：

(1)本發(fā)明的鉀離子熒光探針以苯基氮雜-18-冠-6-胺為識別基團，以半菁染料基團為熒光基團，具有對環(huán)境敏感、水溶性好，檢測準(zhǔn)確度高，對鉀離子濃度變化響應(yīng)迅速等優(yōu)點，是一種比色的、即時的比率型鉀離子檢測探針。

(2)本發(fā)明的鉀離子檢測試紙可以選擇性地與鉀離子作用，由深紅色變?yōu)辄S色，可肉眼分辨，裸眼檢測液體樣中鉀離子含量高低，實現(xiàn)鉀離子含量的快速檢測。

(3)本發(fā)明的鉀離子熒光探針有望在中藥注射液和紅酒及人體尿液或血液等方面檢測鉀離子濃度，具有廣闊的應(yīng)用前景。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的鉀離子熒光探針的高分辨質(zhì)譜圖；

圖2a為本發(fā)明的鉀離子熒光探針的tris/ctab緩沖液體系在不同鉀離子濃度(0mm-200mm)下的紫外吸收光譜圖；

圖2b為本發(fā)明的鉀離子熒光探針的tris/ctab緩沖液體系在438nm和515nm下的紫外吸光度比值a438/a515以及a515/a438隨鉀離子濃度的變化圖；

圖3a為本發(fā)明的鉀離子熒光探針的水溶液體系在不同鉀離子濃度(0mm-200mm)下的紫外吸收光譜圖；

圖3b為本發(fā)明的鉀離子熒光探針的水溶液體系在438nm和515nm下的紫外吸光度比值a438/a515以及a515/a438隨鉀離子濃度的變化圖；

圖3c為顯示圖3a和圖3b上吸光度比值(a438/a515)差別的圖；

圖4a為本發(fā)明的鉀離子熒光探針對鉀離子溶液以及其他金屬離子溶液的紫外吸收譜圖；

圖4b為本發(fā)明的鉀離子熒光探針檢測鉀離子溶液以及其他金屬或堿金屬離子溶液時在438nm處與515nm處的紫外吸光度比值a438/a515；

圖5a為存在其他金屬或堿金屬離子時，本發(fā)明的鉀離子熒光探針檢測鉀離子時呈現(xiàn)的紫外吸收譜圖；

圖5b為存在其他金屬或堿金屬離子時，本發(fā)明的鉀離子熒光探針檢測鉀離子時在438nm處與515nm處的紫外吸光度比值a438/a515；

圖6a為向本發(fā)明的鉀離子熒光探針的tris//ctab緩沖液體系中加入鉀離子溶液前后的紫外吸收譜圖；

圖6b為向本發(fā)明的鉀離子熒光探針的tris//ctab緩沖液體系中加入鉀離子溶液后鉀離子熒光探針在在438nm處與515nm處的紫外吸光度比值a438/a515隨時間的變化；

圖7a為本發(fā)明的鉀離子熒光探針的緩沖液體系在激發(fā)波長λ＝438nm時的熒光發(fā)射光譜；

圖7b為本發(fā)明的鉀離子熒光探針的緩沖液體系在激發(fā)波長λ＝515nm時的熒光發(fā)射光譜；

圖8為本發(fā)明的鉀離子熒光探針制備得到的試紙條在不同濃度的氯化鉀溶液中的顯色情況。

具體實施方式

下面通過具體實施方式來進一步說明本發(fā)明的技術(shù)方案。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該明了，所述實施例僅僅是幫助理解本發(fā)明，不應(yīng)視為對本發(fā)明的具體限制。

實施例1

本發(fā)明所述熒光探針的制備方法是：由已知方法合成化合物i和化合物ii，然后二者反應(yīng)得到鉀離子熒光探針，具體是：

將化合物i(0.35mmol)和化合物ii(0.3mmol)加入到10ml無水乙醇中，加熱至回流，反應(yīng)10小時后冷至室溫。將反應(yīng)液減壓蒸發(fā)濃縮得粗產(chǎn)品，將粗產(chǎn)物通過柱色譜純化(硅膠，二氯甲烷/甲醇＝1：2，v/v)，得到紅色固體化合物，收率92.2％，其結(jié)構(gòu)如下：

如圖1為測定產(chǎn)物的高分辨質(zhì)譜圖，高分辨質(zhì)譜測定結(jié)果：calcd.[m-i]^-:611.3639；foundvalue[m-i]^-:611.3755。

實施例2

將化合物i(0.3mmol)和化合物ii(0.3mmol)加入到10ml無水甲醇中，加熱至回流，反應(yīng)5小時后冷至室溫。將反應(yīng)液減壓蒸發(fā)濃縮得粗產(chǎn)品，將粗產(chǎn)物通過柱色譜純化(硅膠，二氯甲烷/甲醇＝1：2，v/v)，得到紅色固體化合物，收率93.4％，其高分辨質(zhì)譜測定結(jié)果：calcd.[m-i]^-:611.3639；foundvalue[m-i]^-:611.3734。

實施例3

將化合物i(0.6mmol)和化合物ii(0.3mmol)加入到15ml無水乙腈中，加熱至回流，反應(yīng)12小時后冷至室溫。將反應(yīng)液減壓蒸發(fā)濃縮得粗產(chǎn)品，將粗產(chǎn)物通過柱色譜純化(硅膠，二氯甲烷/甲醇＝1：2，v/v)，得到紅色固體化合物，收率92.4％，其高分辨質(zhì)譜測定結(jié)果：calcd.[m-i]^-:611.3639；foundvalue[m-i]^-:611.3688。

實施例4

用tris(5mm,ph＝7.4)/ctab(0.5mm)的緩沖液配制實施例1制備得到的鉀離子熒光探針的溶液(2.5ml，5μm)，通過紫外可見分光光度法測試其在不同鉀離子濃度(0mm-200mm)下的紫外吸收光譜，如圖2a所示；并分析該探針溶液的紫外吸光度比值(a438/a515)與鉀離子濃度的線性關(guān)系，如圖2b所示。

結(jié)果顯示在探針溶液加入鉀離子后，紫外吸收光譜藍移，藍移程度隨著鉀離子濃度的增大而增大。而且鉀離子濃度在0mm到200mm范圍時，紫外吸收波長發(fā)生了77nm的藍移，具有很好的比率響應(yīng)性。該探針溶液紫外吸光度比值(a438/a515)與鉀離子濃度有很好的線性關(guān)系，線性方程為y＝0.5416+0.0056x(r²＝0.9957)。

實施例5

用自來水配制2.5ml實施例1制備的鉀離子熒光探針的溶液(5μm)，同樣通過紫外可見分光光度法測試其在不同鉀離子濃度(0mm-200mm)下的紫外吸收光譜，如圖3a所示。分析該探針溶液的紫外吸光度比值(a438/a515)與鉀離子濃度的線性關(guān)系，如圖3a所示。還分析了圖3a和圖3b上吸光度比值差別，如圖3c所示。

結(jié)果顯示用自來水樣配制的探針溶液和用tris(5mm,ph＝7.4)/ctab(0.5mm)的緩沖液配制的探針溶液的測試結(jié)果是非常相近的。在探針?biāo)芤杭尤脞涬x子后，紫外吸收光譜也會藍移，藍移程度也隨著鉀離子濃度的增大而增大。而且鉀離子濃度在0mm到200mm范圍時，該探針溶液紫外吸光度比值(a438/a515)與鉀離子濃度同樣有很好的線性關(guān)系，線性方程為y＝0.55595+0.0053x(r²＝0.9883)。用tris(5mm,ph＝7.4)/ctab(0.5mm)的緩沖液和自來水樣配制探針溶液后，吸光度比值(a438/a515)在各個鉀離子濃度下差別很小。

實施例6

用tris(5mm，ph＝7.4)/ctab(0.5mm)的緩沖液配制探針(2.5ml，5μm)，分別向不含鉀離子的探針溶液及含有200mm鉀離子的探針溶液中加入生理濃度的al(no3)3(2.5mm)，ba(no3)2(2.5mm),cacl2(0.5mm),cu(no3)2(16mm)，fe(no3)3(18mm)，mgcl2(0.9mm)，zn(no3)2(2.5mm)，nacl(15mm)。通過紫外可見分光光度法測試其對不同金屬離子的選擇性，圖4a示出了鉀離子熒光探針對鉀離子溶液以及如上所述的其他離子溶液(圖中標(biāo)記為其他)的紫外吸收譜圖，圖4b示出了鉀離子熒光探針檢測鉀離子溶液以及如上所述的其他金屬或堿金屬離子溶液時在438nm處與515nm處的紫外吸光度比值(a438/a515)。通過紫外可見分光光度法測試鉀離子熒光探針在檢測鉀離子時的抗干擾能力，如圖5a示出了在存在如上所述的其他金屬或堿金屬離子時，鉀離子熒光探針檢測鉀離子時呈現(xiàn)的紫外吸收譜圖，如圖5a可見存在al³⁺、ca²⁺、hg²⁺、cu²⁺、fe³⁺、zn²⁺、mg²⁺、mn²⁺和na⁺離子時，鉀離子熒光探針檢測鉀離子時呈現(xiàn)的紫外吸收譜圖幾乎重合，圖5b示出了存在如上所述的其他離子時，鉀離子熒光探針檢測鉀離子時在438nm處與515nm處的紫外吸光度比值(a438/a515)，由圖5b可見，存在al³⁺、ca²⁺、hg²⁺、cu²⁺、fe³⁺、zn²⁺、mg²⁺、mn²⁺和na⁺離子時，鉀離子熒光探針檢測鉀離子時在438nm處與515nm處的紫外吸光度比值幾乎相等。

結(jié)果顯示探針對鉀離子有很好的選擇性，只對鉀離子產(chǎn)生響應(yīng)，對其他金屬離子基本上沒有響應(yīng)；當(dāng)用鉀離子熒光探針檢測鉀離子時，存在其他不同的金屬離子時，鉀離子熒光探針的響應(yīng)沒有受到其他金屬或堿金屬離子的干擾。

實施例7

用tris(5mm，ph＝7.4)/ctab(0.5mm)的緩沖液配制實施例1制備得到的鉀離子熒光探針溶液(2.5ml，5μm)，加入鉀離子后，通過紫外可見分光光度法測試其紫外吸收光譜，圖6a示出了加入鉀離子溶液前后紫外吸收譜圖的變化，圖6b示出了在不同時間點鉀離子熒光探針對鉀離子響應(yīng)的a438/a515的紫外吸光度比值。

結(jié)果顯示，加入鉀離子溶液后，鉀離子熒光探針的紫外吸收峰發(fā)生藍移，并且該探針能夠快速響應(yīng)鉀離子，在加入鉀離子1min內(nèi)時，紫外吸收光譜就達到穩(wěn)定狀態(tài)。

實施例8

用tris(5mm，ph＝7.4)/ctab(0.5mm)的緩沖液配制實施例1制備得到的鉀離子熒光探針的溶液(2.5ml，5μm)，在不同鉀離子濃度(0mm-200mm)下，通過熒光分光光度法測試其熒光發(fā)射光譜，如圖7a為激發(fā)波長λ＝438nm時得到的熒光發(fā)射光譜，圖7b為激發(fā)波長λ＝515nm時得到的熒光發(fā)射光譜。

結(jié)果顯示，在加入鉀離子時，用熒光分光光度法分析顯示，探針的熒光光譜在加入鉀離子后發(fā)生藍移。

實施例9

用含有0.002mg/ml的實施例1所制備得到的鉀離子熒光探針的溶液浸泡濾紙，然后烘干制成試紙條，將其浸入不同濃度的氯化鉀水溶液(0mm、1mm、10mm、100mm、1000mm)，觀察試紙條在不同濃度的氯化鉀溶液中的顯色情況，并在可見光及紫外燈下拍照，如圖8所示。

結(jié)果顯示，隨著鉀離子濃度增大，試紙條的顏色由紅色逐漸變成了黃色，與利用探針溶液檢測鉀離子時的顏色變化一致。

申請人聲明，本發(fā)明通過上述實施例來說明本發(fā)明的鉀離子熒光探針及其制備方法和應(yīng)用，但本發(fā)明并不局限于上述實施例，即不意味著本發(fā)明必須依賴上述實施例才能實施。所屬技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該明了，對本發(fā)明的任何改進，對本發(fā)明所選用原料的等效替換及輔助成分的添加、具體方式的選擇等，均落在本發(fā)明的保護范圍和公開范圍之內(nèi)。