一種多羧基螢光共軛聚電解質及製備方法和應用的製作方法

2023-06-02 13:09:31 2

專利名稱：一種多羧基螢光共軛聚電解質及製備方法和應用的製作方法
技術領域：
本發明屬化學、材料以及生化傳感等技術領域，尤其涉及一種帶有多個羧基官能 團的螢光共軛聚電解質傳感材料及其製備方法和用途。
背景技術：
近年來，螢光共軛聚合物(FluorescentConjugated Polymers，FCPs)憑藉其一系 列十分獨特而優越的光、電、磁等屬性，已經在高靈敏的生物、化學傳感領域獲得了越來越 廣泛的研究與應用。與傳統的有機螢光染料相比，螢光共軛聚合物由於其獨特的共 軛分子導線結構，使得電子或者激子能夠在整個聚合物骨架內自由、快速地遷移。從而，一 個猝滅劑分子即可以引起與之相結合的整條聚合物鏈的螢光超猝滅，螢光響應信號得到了 成百上千倍的放大。正是由於這種信號的放大作用，使得具有各種結構與功能的螢光共軛 聚合物正在生化傳感領域受到日益廣泛的關注。尤其是帶有離子化側鏈的螢光共軛聚電解 質，由於其水溶性的特點，而在生物分子檢測方面具有很大的優勢。但截至目前，用於生化 傳感領域的螢光共軛聚電解質仍主要集中在帶有磺酸基側鏈或者季銨鹽結構的聚芴、聚苯 撐乙烯撐以及聚苯撐乙炔撐等幾類共軛聚合物。而帶有羧基等生物親合性基團的螢光共軛 聚電解質，特別是聚苯撐乙炔撐類聚合物(PPE)，則由於具有較長的剛性憎水骨架，加之羧 基的弱電離性質，而水溶性較差，螢光量子產率偏低並且不穩定，從而大大地限制了其在生 化傳感領域的研究和應用。樹枝狀聚合物也是當前正在蓬勃發展的一類合成高分子。其中，聚醯胺-胺 (PAMAM)是目前研究最廣泛、最深入的樹枝狀大分子之一。除具有此類聚合物的共同特性 (如精確的分子結構，大量的表面官能團，相對分子質量的可控性與單分散性等)外，PAMAM 還兼具自身的一些特色，如良好的相容性，較低的溶液粘度，以及易於修飾性等等。結合PPE 類螢光共軛聚合物與PAMAM樹枝狀高分子，將有望發展一系列帶有多個側鏈官能團的新型 螢光共軛聚電解質，並有效改善此類聚合物的水溶性與螢光穩定性。

發明內容
本發明的目的在於克服現有技術的不足，提供一種具有良好水溶性以及高螢光穩 定性的多羧基螢光共軛聚電解質，其結構通式如下formula see original document page 5其中k為修飾烷氧取代基的長度，k的值可以為0、0. 5、1、1. 5或者2 ;η代表聚電
解質的重複單元數，為1 200之間的整數。本發明的另一個目的是提供所述多羧基螢光共軛聚電解質的製備方法，通過以下 步驟實現1)將IOg對苯二酚溶解在含有0.2 0.6mol鹼的二甲亞碸溶液中(100 200mL)，然後加入滷代酯(滷代酯與對苯二酚的摩爾比為2 6)，並在室溫下攪拌3 10 天；反應結束後，加入大量冷水，然後將析出的白色沉澱過濾、真空乾燥，得到1，4_二(氧代 酯基)苯產物；其中，所述的滷代酯可以為氯代(或溴代、碘代)_乙酸(或丙酸、丁酸、戊酸、己 酸)甲酯(或乙酯)，例如2-氯乙酸甲酯，3-溴丙酸乙酯，4-溴丁酸乙酯等；所述的鹼為氫 氧化鉀、氫氧化鈉、碳酸鈉、碳酸鉀或者碳酸氫鈉；2)在含有水和濃硫酸的乙醇溶液中(80 150mL)加入IOg 1，4_ 二(氧代酯基) 苯，水和濃硫酸所佔的體積比分別為1 5%和4 10% ；攪拌均勻後，加入等當量的單質 碘和碘酸鉀；反應混合物在60 80°C下攪拌1 3天；反應結束後過濾，並用大量的乙醇 和水反覆衝洗，真空乾燥後，得到白色粉末狀產物，為1，4_ 二碘-2，5-二(氧代酯基)苯；3)將IOg 1，4-二碘-2，5-二(氧代酯基)苯加入到40 120mL三氯甲烷和SOmL 甲醇中，攪拌均勻後，加入60 150mL乙二胺，反應混合物在20 40°C條件下攪拌3 5 天；反應結束後，向體系中加入大量的乙醚，有白色絮狀沉澱析出，收集沉澱、洗滌，然後真 空乾燥，得到帶有氨基官能團的白色粉末狀產物；4)將步驟3得到的白色粉末狀產物(5g)溶於60 150mL甲醇與二甲基亞碸的混 合液中(甲醇與二甲基亞碸的體積比1 3)，然後緩慢加入2 6倍量的丙烯酸甲酯；反 應混合物在20 40°C下攪拌3 5天；向體系內加入大量的蒸餾水，劇烈攪拌，有白色固 體析出，過濾、洗滌、真空乾燥，得白色粉末狀固體，即帶有四個酯基官能團的聚合單體；5)將步驟4所得的聚合單體(3g)以及1，4-二乙炔基苯(360 480mg)溶於60 120mL三氯甲烷、二異丙胺和三乙基胺的混合液中(體積比6 1 1)，在無氧條件下加入 鈀催化劑和碘化亞銅，反應混合物在40 80°C下攪拌3 5天，反應結束後，加入大量的乙醚，攪拌，過濾，再用大量的去離子水衝洗，真空乾燥，得到帶有四個酯基官能團的聚苯撐乙炔撐類螢光共軛聚合物。其中，所述的鈀催化劑為四(三苯基膦)鈀或者二(三苯基膦)
二氯化鈀。6)將步驟5所得的螢光共軛聚合物(60 IOOmg)溶解在80 150mL甲醇溶液中， 攪拌均勻後加入鹼水溶液，將反應混合物回流3 5天後，加入大量無水乙醚，有淡黃色固 體析出，過濾、收集該淡黃色固體，真空乾燥，得到帶有多羧基官能團的螢光共軛聚電解質。 其中，所述的鹼為氫氧化鉀、氫氧化鈉、碳酸鈉、碳酸鉀或者碳酸氫鈉。本發明的再一個目的是提供多羧基螢光共軛聚電解質在銅離子檢測中的應用。多羧基螢光共軛聚電解質用於銅離子檢測的步驟如下1)用磷酸鹽緩衝溶液將多羧基螢光共軛聚電解質配製成濃度為10-6-l(T5mOl/L的 稀溶液；2)將不同濃度的銅離子標準溶液加入到前述的多羧基螢光共軛聚電解質稀溶液 中，測定其螢光發射光譜，並根據螢光強度變化繪製標準曲線；3)將待測銅離子配製成10-6-10_5mOl/L的溶液，然後加入到前述的螢光共軛聚電 解質溶液中，測定其螢光發射光譜，並根據螢光強度的變化來確定待測溶液中銅離子的濃度。本發明通過結合聚苯撐乙炔撐類螢光共軛聚合物與聚醯胺_胺型樹枝狀高分子 兩種合成路線，提供了一種帶有多羧基官能團的螢光共軛聚電解質及其製備方法。它以聚 苯撐乙炔撐為共軛骨架，並且每個重複單元帶有四個羧基官能團。多羧基的引入使得該共 軛聚電解質的水溶性大大改善，螢光穩定性增強，並且易於與生物分子偶聯，因此也更加適 用於生物分子的檢測分析。本發明所述的多羧基螢光共軛聚電解質具有類EDTA結構的側 鏈官能團，因而與金屬離子之間具有更強的絡合作用。在磷酸鹽緩衝體系中，金屬銅離子對 於該共軛聚電解質具有非常靈敏的螢光猝滅作用，並且相對於其它常見金屬離子，具有極 高的選擇性，可作為一種高靈敏、高特異性的銅離子螢光探針。


圖1為本發明提供的一種多羧基螢光共軛聚電解質(以k = 1為例)在磷酸鹽緩 衝溶液(10mM，pH 7.4)中被Cu2+猝滅的曲線，激發波長400nm，多羧基螢光共軛聚電解質的 濃度為5 μ M。圖2為本發明提供的一種多羧基螢光共軛聚電解質(以k = 1為例)被不同金屬 離子的猝滅程度對比圖，除銅離子的濃度為3 μ M外，其他金屬離子的濃度均為20 μ Μ。
具體實施例方式為了更好地理解本發明的內容，下面結合附圖和具體實施例來進一步描述本發明 的技術方案。但並不能以此來限制本發明的權利範圍，本發明的權利範圍應以權利要求書 的闡述為準。實施例1 一種多羧基螢光共軛聚電解質(以k = 1為例)的製備1)將22. 4g氫氧化鉀研磨成粉末後溶於170mL 二甲基亞碸中，在無氧條件下迅速 加入8. Sg對苯二酚；攪拌均勻後，緩慢滴加4-溴丁酸乙酯46mL ；反應混合物室溫下攪拌3天；反應結束後加入IL冰水並快速攪拌，有白色固體析出；過濾後用大量蒸餾水衝洗，真 空乾燥得到1，4_ 二(4-氧代丁酸乙酯)苯，見合成路線中的化合物(1)。1H-NMR(⑶Cl3, δ ppm) :1. 25(t，6H)，2· 08 (quintet, 4H) ,2. 50(t，4H)，3· 95(t，4H)，4· 13(q，4H)，6· 80 (s， 4H) ；ESI-TOF 361.3，[M+Na] ；FTIR(KBr, cnf1) :2980，1729，1510，1472，1420，1378，1358， 1273，1226，1181，1117，1098，1061，1037，918，881，859，837，807，774，526，466，415，347.2)在250mL三頸瓶中加入120mL乙醇，2mL濃硫酸，5mL去離子水；攪拌均勻後依 次加入9.8g 1，4-二(4-氧代丁酸乙酯)苯，3. Ig碘酸鉀和8. Og單質碘；反應混合物在 60°C下攪拌3天；反應結束後冷卻至室溫，有大量固體析出；過濾後用水和乙醇反覆衝洗； 真空乾燥，得到淡粉色產物，1，4_ 二碘-2，5-二(4-氧代丁酸乙酯)苯，見合成路線中的化 合物(2)。1H-匪R(CDCl3, δ_) 1. 27(t,6H) ,2. 13 (quintet, 4H), 2. 59(t,4H) ,3. 99(t,4H), 4. 17(q，4H)，7· 18(s，2H) ；ESI-T0F613. 2, [M+Na] ；FTIR(KBr, cm-1) =2985,2944,1730,1491, 1462，1421，1388，1373，1354，1342，1263，1224，1216，1203，1176，1095，1057，1027,956， 941,870,771,619,440.3)將9.44g 1，4-二碘_2，5_二(4_氧代丁酸乙酯)苯加入到60mL三氯甲烷中； 攪拌均勻後，加入ISOmL甲醇與乙二胺的混合液(8 10)；反應混合物在室溫下攪拌5天； 反應結束後，向體系中加入大量乙醚，有白色絮狀沉澱析出；收集沉澱、洗滌，然後真空幹 燥，得到帶有氨基官能團的白色粉末狀產物，見合成路線中的化合物(3)。1H-NMR(DMS0-d6, δ ppm) :1. 91 (quintet, 4H)，2· 27(t，4H)，2· 57(t，4H)，3· 06(q，4H)，3· 96(t，4H)，7· 32 (s， 2H)，7. 79(t，2H) ；ESI-TOF 619.26，[M+H] ；FTIR(KBr, cnT1) :3304，3082，2935，1637，1552， 1488，1464，1351，1265，1215，1059，1039，941，846，821，754，586，490，436.4)將步驟3得到的白色粉末狀產物2. 6g溶於15mL 二甲基亞碸和30mL甲醇中， 然後緩慢加入5mL丙烯酸甲酯；反應混合物在室溫下攪拌5天；反應結束後，向體系內加 入大量的蒸餾水，劇烈攪拌，有白色固體析出；過濾、洗滌、真空乾燥，得白色粉末狀固體， 即帶有四個酯基官能團的聚合單體，見合成路線中的化合物(4)。1H-NMR (CDCl3, δ _)
2.16 (quintet, 4Η) ,2. 42(t，8H)，2· 48(t，4H)，2· 53(br，4H)，2· 73(t，8H)，3· 34(q，4H)，
3.68(s，12H)，4· 00(t，4H)，6· 57(br，2H)，7· 18(s，2H) ；ESI-TOF 963.55，[M+H] ；FTIR(KBr, cnT1) :3298，2949，2831，2204，1736，1647，1517，1437，1377，1265，1213，1041，837，721，544.5)將步驟4所得的聚合單體(1. 6g)和1，4_二乙炔基苯(210mg)溶於36mL三氯甲 烷，6mL 二異丙胺和6mL三乙基胺中；在無氧狀態下加入23. Img四(三苯基膦)鈀和3. Smg 碘化亞銅；反應混合物在50°C下攪拌5天；反應結束後，加入大量的乙醚，攪拌，過濾，再用 大量的去離子水衝洗；真空乾燥後，得到帶有四個酯基官能團的聚苯撐乙炔撐類螢光共軛 聚合物，見合成路線中的聚合物(5) O1H-NMR(O)Cl3, δ ppm) 2. 24 (quintet, 4H), 2. 38(t，8H)， 2. 51 (br,8H) ,2. 70 (t，8H)，3· 33(q，4H)，3· 63 (s, 12H)，4· 12(t，4H)，6· 63(br,2H) ,7. 03 (s, 2H)，7· 51(d，4H) ；FTIR(KBr, cnT1) :3298，2949，2831，2204，1736，1647，1518，1437，1377， 1265，1213，1041,837,721,588,544.6)將步驟5所得的螢光共軛聚合物83. 2mg溶解在IOOmL甲醇中，攪拌均勻後加 入0. 5g氫氧化鉀的水溶液；將反應混合物回流5天後，加入過量的無水乙醚，有黃色固體 析出；過濾、收集該淡黃色固體，即得到帶有多羧基官能團的螢光共軛聚電解質，見合成路 線中的聚合物(6)。1H-NMR(O)3OD, δ ppm) :2· 16 (quintet，4H)，2· 36 (t，8H)，2· 51 (t，4H)，2. 70(t，4H)，2· 88(t，8H)，3· 37(q，4H)，4· 12(t，4H)，7· 13(s，2H)，7· 54 (d, 4H). FTIR (KBr, cnT1) =3421,2945,2725,1631，1402，1215，1124，1009，833，704，633，619.本發明的多羧基螢光共軛聚電解質(以k = 1為例)的一種合成路線
formula see original document page 8實施例2 —種多羧基螢光共軛聚電解質(以k = 1為例)用於銅離子的高靈敏檢 測1)用磷酸鹽緩衝溶液(10mM，pH 7. 4)將多羧基螢光共軛聚電解質配製成濃度為 5 X ICT6M的稀溶液；2)將不同濃度的銅離子標準溶液加入到前述的多羧基螢光共軛聚電解質稀溶液 中，測定其螢光發射光譜，並根據螢光強度的變化繪製標準曲線。在0-3 μ M濃度範圍內，多 羧基螢光共軛聚電解質的螢光猝滅程度與銅離子濃度呈線性關係(參見圖1)，並且其他多 數金屬離子均無明顯幹擾(參見圖2)。3)將待測銅離子稀釋成O 3Χ ICT6M的溶液，然後加入到步驟一所述的多羧基熒 光共軛聚電解質溶液中，測定其螢光發射光譜，並根據螢光強度的變化來確定待測溶液中 銅離子的含量。
權利要求
一種多羧基螢光共軛聚電解質，其結構通式為其中k是修飾烷氧取代基的長度，k的值選用0、0.5、1、1.5或者2；n是聚電解質的重複單元數，為1～200之間的整數。FSA00000068172700011.tif
2.根據權利要求1所述的多羧基螢光共軛聚電解質的製備方法，其特徵在於，通過以 下步驟實現(1)將IOg對苯二酚溶解在含有0.2 0. 6mol鹼的二甲亞碸溶液中，然後加入滷代酯， 滷代酯與對苯二酚的摩爾比為2 6，並在室溫下攪拌3 10天，反應結束後，加入冷水，然 後將析出的白色沉澱過濾、真空乾燥，得到1，4_ 二(氧代酯基)苯產物；(2)在含有水和濃硫酸的乙醇溶液中加入IOg1，4_ 二(氧代酯基)苯，水和濃硫酸所 佔的體積比分別為1 5%和4 10%，攪拌均勻後，加入等當量的單質碘和碘酸鉀，反應 混合物在60 80°C下攪拌1 3天，反應結束後過濾，並用乙醇和水反覆衝洗，真空乾燥 後，得到白色粉末狀產物，為1，4_ 二碘-2，5-二(氧代酯基)苯；(3)將IOg1，4_ 二碘-2，5-二(氧代酯基)苯加入到40 120mL三氯甲烷和80mL 甲醇中，攪拌均勻後，加入60 150mL乙二胺，反應混合物在20 40°C條件下攪拌3 5 天，反應結束後，向體系中加入乙醚，有白色絮狀沉澱析出，收集沉澱、洗滌，然後真空乾燥， 得到帶有氨基官能團的白色粉末狀產物；(4)將步驟(3)得到的白色粉末狀產物溶於甲醇與二甲基亞碸的混合液中，甲醇與二 甲基亞碸的體積比1 3，然後緩慢加入2 6倍量的丙烯酸甲酯，反應混合物在20 40°C 下攪拌3 5天，向體系內加入大量的蒸餾水，劇烈攪拌，有白色固體析出，過濾、洗滌、真空 乾燥，得白色粉末狀固體，即帶有四個酯基官能團的聚合單體；(5)將步驟(4)所得的聚合單體以及1，4_二乙炔基苯溶於三氯甲烷、二異丙胺和三乙 基胺的混合液中，體積比6 1 1，在無氧條件下加入鈀催化劑和碘化亞銅，反應混合物在 40 80°C下攪拌3 5天，反應結束後，加入乙醚，攪拌，過濾，再用去離子水衝洗，真空幹 燥，得到帶有四個酯基官能團的聚苯撐乙炔撐類螢光共軛聚合物。(6)將步驟(5)所得的螢光共軛聚合物溶解在80 150mL甲醇溶液中，攪拌均勻後加入鹼水溶液，將反應混合物回流3 5天後，加入無水乙醚，有淡黃色固體析出，過濾、收集 該淡黃色固體，真空乾燥，得到帶有多羧基官能團的螢光共軛聚電解質。
3.根據權利要求2所述的多羧基螢光共軛聚電解質的製備方法，其特徵在於，步驟(1) 所述的滷代酯選用氯代-乙酸甲酯，或己酸乙酯。其中用溴代或碘代替換氯代，用丙酸、丁 酸、戊酸或己酸替換乙酸，用乙酯替換甲酯。
4.根據權利要求2所述的多羧基螢光共軛聚電解質的製備方法，其特徵在於，步驟(1) 所述的滷代酯選用2-氯乙酸甲酯、3-溴丙酸乙酯或4-溴丁酸乙酯。
5.根據權利要求2所述的多羧基螢光共軛聚電解質的製備方法，其特徵在於，步驟(5) 所述的鈀催化劑為四(三苯基膦)鈀或二(三苯基膦)二氯化鈀。
6.根據權利要求1所述的多羧基螢光共軛聚電解質在銅離子檢測中的應用。
全文摘要
本發明公開了一種帶有多個羧基官能團的螢光共軛聚電解質及其製備方法，是以聚苯撐乙炔撐為共軛骨架，每個重複單元包含有四個羧基官能團，其側鏈所帶有的多個羧基官能團容易與生物分子偶聯，具有良好的生物親合性，適用於各種生化分析實驗。本發明製備方法操作簡單，產物水溶性好，並具有穩定的螢光特性。與其他的聚苯撐乙炔撐類聚電解質相比，本發明成功解決了此類聚合物溶解度較差的不足，同時還兼具良好的螢光特性以及生物親合性好等優點，是一種綜合性能優良的螢光傳感材料，可以用於銅離子的高靈敏檢測，並且相對於其他金屬離子，具有十分出色的選擇性；本發明的結構通式
文檔編號C08G61/02GK101824139SQ20101013616
公開日2010年9月8日 申請日期2010年3月30日 優先權日2010年3月30日
發明者張濤, 範宏亮, 金欽漢 申請人:浙江大學