一种单个荧光分子标记的聚苯乙烯磺酸盐及其制备方法.pdf

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1、(10)申请公布号 CN 102070734 A (43)申请公布日 2011.05.25 CN 102070734 A *CN102070734A* (21)申请号 200910238046.6 (22)申请日 2009.11.24 C08F 112/08(2006.01) C08F 8/36(2006.01) C08F 8/34(2006.01) C08F 8/30(2006.01) C09K 11/06(2006.01) (71)申请人 中国科学院化学研究所 地址 100190 北京市海淀区中关村北一街 2 号 (72)发明人 杨京法 杨青波 赵江 (74)专利代理机构 北京中海智圣知识。

2、产权代理 有限公司 11282 代理人 胡静 (54) 发明名称 一种单个荧光分子标记的聚苯乙烯磺酸盐及 其制备方法 (57) 摘要 本发明提供了一种单个荧光分子标记的聚电 解质， 其为单个荧光分子标记的聚苯乙烯磺酸盐， 结构式如下 ： 该单个荧光分子标记的聚苯乙烯磺酸盐可以通过 如下方法制得 ： 首先将罗丹明系列荧光染料分子 进行酰氯化， 使之具备进一步反应的化学活性。 然 后， 将此活化分子与氨基封端的聚苯乙烯反应生 成荧光标记的聚苯乙烯， 随后将荧光标记的聚苯 乙烯进行磺化与中和， 最终制得荧光分子标记的 聚苯乙烯磺酸盐。 (51)Int.Cl. (19)中华人民共和国国家知识产权局 (。

3、12)发明专利申请 权利要求书 2 页 说明书 6 页 CN 102070738 A1/2 页 2 1. 一种单个荧光分子标记的聚苯乙烯磺酸盐， 其特征在于， 结构式如下 ： 式中， R1、 R2、 R3和 R4各自为氢、 取代或未取代的烷基、 羧基、 氨基、 环烷基、 芳基和磺酸 基中的一种 ； R5、 R6、 R7和 R8各自为氢、 取代或未取代的烷基、 羧基、 氨基、 环烷基、 芳基、 磺酸 基、 烷基醚、 卤素、 烷氧基和烷基硫醚中的一种 ； R9、 R10、 R11和 R12各自为氢、 不含有活泼 H 的 取代或未取代烷基和芳香烃基中的一种 ； x、 y 为自然数， 其中 1 x 1。

4、0， 10 y 10000， An-为在水溶液中稳定的阴离子， 选 自高氯酸根、 氯离子、 溴离子和硝酸根离子中的一种， Cn1+和 Cn2+为在水溶液中稳定的阳离 子， 选自氢离子、 钠离子、 钾离子、 锂离子和氨根离子中的一种。 2. 根据权利要求 1 所述的单个荧光分子标记的聚苯乙烯磺酸盐， 其特征在于， 所述取 代或未取代的烷基的碳原子数为 1 3， 所述环烷基的碳原子数为 1 3， 所述芳基的碳原 子数为 1 3， 所述烷基醚的碳原子数为 1 3， 所述烷氧基和所述烷基硫醚的碳原子数为 13， 所述不含有活泼H的取代或未取代烷基的碳原子数为13， 所述芳香烃基的碳原子 数为 1 3。。

5、 3. 一种单个荧光分子标记的聚苯乙烯磺酸盐的制备方法， 其特征在于， 包含以下步 骤 ： (1) 制得罗丹明酰氯化活化产物 ； (2) 将所述罗丹明酰氯化活化产物与氨基封端的聚苯乙烯及有机溶剂 A 溶解于有机溶 剂 B 中， 在惰性气体 C 气氛保护下常温反应 10 24 小时， 反应完毕后， 将反应溶液滴入有 机溶剂 D 中， 沉析出固态产物。将该固态产物溶于有机溶剂 E 中， 把溶液滴入溶剂 D 中， 将 上述步骤重复 1 10 次， 最后干燥获得红褐色产物， 其中， 有机溶剂 A 为吡啶或三乙基胺 ； 有机溶剂 B 为四氢呋喃或二氯甲烷 ； 惰性气体 C 选自氮气、 氦气、 氩气和氖气。

6、中的一种 ； 有 机溶剂D选自甲醇、 乙醇、 丙酮和异丙醇中的一种 ； 有机溶剂E选自二氯甲烷、 四氢呋喃和甲 苯中的一种 ； (3) 将步骤 2 得到的红褐色产物溶于有机溶剂 F 中， 恒温于 20 100， 加入酸 G， 搅 拌， 恒温515小时， 随着反应的进行， 红褐色生成并沉淀析出， 反应完毕后将溶液冷却， 除 去溶剂， 然后将产物溶于水， 同时采用浓度为 0.1 1.0M 的碱 H 溶液将溶液的 pH 值调节为 8 14， 然后将此溶液装入透析袋中， 在去离子水中进行透析， 透析完毕后， 将溶液进行冷 冻干燥， 最终获得红褐色粉末状产物， 其中， 有机溶剂F为环己烷或二氯乙烷 ； 。

7、酸G为乙酸酐 和浓硫酸混合物或发烟硫酸 ； 碱 H 为 NaOH、 KOH 和 NaHCO3中的一种。 4. 根据权利要求 3 所述的方法， 其特征在于， 步骤 (1) 中， 罗丹明酰氯化活化产物是利 用二氯亚砜将罗丹明荧光分子酰氯化而制得。 权 利 要 求 书 CN 102070734 A CN 102070738 A2/2 页 3 5. 根据权利要求 4 所述的方法， 其特征在于， 制备反应中， 罗丹明荧光分子与二氯亚砜 的质量体积比为 1g 1 50ml。 6. 根据权利要求 3 所述的方法， 其特征在于， 步骤 (2) 中， 所述罗丹明酰氯化活化产 物、 氨基封端的聚苯乙烯、 有机溶剂。

8、 A、 有机溶剂 B 的量化比例为 1g 1 10g 10 100ml 0.1 1ml， 滴入有机溶剂 D 的反应液总体积与该有机溶剂 D 的体积比为 1 1 10， 溶于有机溶剂中的固态产物与有机溶剂 E 的量化比例为 1g 1 100ml ； 步骤 (3) 中， 溶于有机溶剂F中的红褐色产物、 有机溶剂F和酸G的量化比例为1g110ml0.1 10ml。 7. 根据权利要求 3 所述的方法， 其特征在于， 步骤 (3) 中， 除去溶剂， 然后将产物溶于 水， 得到的水溶液的浓度为 0.001 0.1g/ml， 注入截留分子量 7000-20000 的透析袋， 在去 离子水中透析 3 7 天。

9、。 8. 根据权利要求 3 所述的方法， 其特征在于， 步骤 (3) 中， 酸 G 为乙酸酐和浓硫酸混合 物， 浓硫酸浓度为 98以上， 乙酸酐和浓硫酸的体积比为 1 5。 权 利 要 求 书 CN 102070734 A CN 102070738 A1/6 页 4 一种单个荧光分子标记的聚苯乙烯磺酸盐及其制备方法 技术领域 0001 本发明涉及一种荧光标记聚合物及其制备方法， 具体地， 涉及一种单个荧光分子 标记的聚苯乙烯磺酸盐及其制备方法。 背景技术 0002 罗丹明类化合物是一种具有较强摩尔吸收系数和荧光量子产率的荧光染料， 常作 为荧光分子进行荧光标记和检测。 聚电解质在水处理、 食品。

10、工业、 农业等领域具有重要的应 用， 但是关于聚电解质的物理化学性质的根本理解还很不够， 这要求采用全新的方法展开 全面深入的研究。 采用单分子荧光手段可以使得探测聚电解质分子链的极限浓度较传统方 法 ( 如 ： 散射方法 ) 降低 2-3 个数量级。因此， 对聚电解质分子链进行荧光标记， 对其分子 链进行荧光示踪和观测对于工业、 生物学与基础研究具有十分重要的意义。此项工作的重 要性尤其体现在单分子水平上进行的科学研究之中。 这都要求对聚电解质研究对象进行高 效的荧光标记。 由于聚电解质在传统有机溶剂中的低溶解度， 传统标记方法的效率很低， 难 以满足单分子研究的需求。 0003 公开号 C。

11、N101418215 的中国专利申请 ( 申请号 CN200810243777.5) 公开了一种含 有罗丹明基团的高分子荧光探针， 其表达式如下， 0004 0005 式中， R1、 R2、 R3和 R4各自选自氢、 不含有活泼 H 的取代或未取代烷基或芳基中的一 种 ； R5、 R6、 R7、 R8各自选自氢、 不含有活泼 H 的取代或未取代烷基或芳基中的一种、 烷氧基、 卤素、 氨基 ； R9、 R10、 R11、 R12各自选自氢、 不含有活泼 H 的取代或未取代烷基中的一种。n、 x、 y 为自然数， 其中 1 n 9， 1 x 10， 100 (y x) 200 ； An- 选自氯离。

12、子、 溴离子、 硫酸根或高氯酸根中的一种。 0006 该高分子荧光探针的合成方法为 ： 通过以 3- 位带有羧基的罗丹明类分子与二氯 说 明 书 CN 102070734 A CN 102070738 A2/6 页 5 亚砜或三氯氧磷反应生成罗丹明酰氯， 再将其和丙烯酸羟乙酯反应制得含有罗丹明基团的 单体， 最后将该单体和丙烯酸羟乙酯共聚得到高分子荧光探针。 0007 然而， 上述含有罗丹明基团的高分子荧光探针是通过含有荧光染料的单体和其它 单体进行共聚而制备的。由于在每个分子中不同单体共聚比例不同， 这样的制备方法必然 导致在单个聚合物分子中含有不同数目的荧光分子， 而且荧光分子在聚合物链中。

13、处于无规 分布， 难以达到对于聚合物进行规则单分子标记的要求。这种方法的另一个缺点在于它不 适用于聚苯乙烯磺酸盐这种典型的强聚电解质的荧光标记。 发明内容 0008 为了解决上述问题， 本发明提供了一种单个荧光分子标记的聚电解质， 其为单个 荧光分子标记的聚苯乙烯磺酸盐， 结构式如下 ： 0009 0010 式中， R1、 R2、 R3和 R4各自为氢、 取代或未取代的烷基、 羧基、 氨基、 环烷基、 芳基和 磺酸基中的一种 ； R5、 R6、 R7和 R8各自为氢、 取代或未取代的烷基、 羧基、 氨基、 环烷基、 芳基、 磺酸基、 烷基醚、 卤素、 烷氧基和烷基硫醚中的一种 ； R9、 R1。

14、0、 R11和 R12各自为氢、 不含有活泼 H 的取代或未取代烷基、 和芳香烃基中的一种 ； 0011 x、 y 为自然数， 其中 1 x 10， 10 y 10000， An-为在水溶液中稳定的阴离 子， 选自高氯酸根、 氯离子、 溴离子和硝酸根离子中的一种， Cn1+和Cn2+为在水溶液中稳定的 阳离子， 选自氢离子、 钠离子、 钾离子、 锂离子和氨根离子中的一种。 0012 较佳地， 所述取代或未取代的烷基的碳原子数为 1 3， 所述环烷基的碳原子数为 1 3， 所述芳基的碳原子数为 1 3， 所述烷基醚的碳原子数为 1 3， 所述烷氧基和所述 烷基硫醚的碳原子数为 1 3， 所述不含。

15、有活泼 H 的取代或未取代烷基的碳原子数为 1 3， 所述芳香烃基的碳原子数为 1 3。 0013 该单个荧光分子标记的聚苯乙烯磺酸盐可以通过如下方法制得 ： 首先将罗丹明系 列荧光染料分子进行酰氯化， 使之具备进一步反应的化学活性。 然后， 将此活化分子与氨基 封端的聚苯乙烯反应生成荧光标记的聚苯乙烯， 随后将荧光标记的聚苯乙烯进行磺化与中 和， 最终制得荧光分子标记的聚苯乙烯磺酸盐。具体地讲， 该方法包含以下步骤 ： 0014 (1) 制得罗丹明酰氯化活化产物 ； 0015 (2) 将所述罗丹明酰氯化活化产物与氨基封端的聚苯乙烯及有机溶剂 A 溶解于有 机溶剂 B 中， 在惰性气体 C 气。

16、氛保护下常温反应 10 24 小时， 反应完毕后， 将反应溶液滴 入有机溶剂D中， 沉析出固态产物。 将该固态产物溶于有机溶剂E中， 把溶液滴入溶剂D中， 说 明 书 CN 102070734 A CN 102070738 A3/6 页 6 将上述步骤重复 1 10 次， 最后干燥获得红褐色产物， 其中， 有机溶剂 A 为吡啶或三乙基 胺 ； 有机溶剂 B 为四氢呋喃或二氯甲烷 ； 惰性气体 C 选自氮气、 氦气、 氩气和氖气中的一种 ； 有机溶剂D选自甲醇、 乙醇、 丙酮和异丙醇中的一种 ； 有机溶剂E选自二氯甲烷、 四氢呋喃和 甲苯中的一种 ； 0016 (3)将步骤2得到的红褐色产物溶于。

17、有机溶剂F中， 恒温于20100， 加入酸G， 搅拌， 恒温515小时， 随着反应的进行， 红褐色生成并沉淀析出， 反应完毕后将溶液冷却， 除去溶剂， 然后将产物溶于水， 同时采用浓度为 0.1 1.0M 的碱 H 溶液将溶液的 pH 值调节 为 8 14， 然后将此溶液装入透析袋中， 在去离子水中进行透析， 透析完毕后， 将溶液进行 冷冻干燥， 最终获得红褐色粉末状产物， 其中， 有机溶剂F为环己烷或二氯乙烷 ； 酸G为乙酸 酐和浓硫酸混合物或发烟硫酸 ； 碱 H 为 NaOH、 KOH 和 NaHCO3中的一种。 0017 其中， 步骤 (1) 中， 罗丹明酰氯化活化产物可以利用二氯亚砜将。

18、罗丹明荧光分子 酰氯化而制得。 较佳地， 制备反应中， 罗丹明荧光分子与二氯亚砜的质量体积比为1g1 50ml。 0018 较佳地， 步骤 (2) 中， 所述罗丹明磺酰化活化产物、 氨基封端的聚苯乙烯、 有机溶 剂 A、 有机溶剂 B 的量化比例为 1g 1 10g 10 100ml 0.1 1ml， 滴入有机溶剂 D 的反应液总体积与该有机溶剂 D 的体积比为 1 1 10， 溶于有机溶剂中的固态产物与 有机溶剂 E 的量化比例为 1g 1 100ml ； 步骤 (3) 中， 溶于有机溶剂 F 中的红褐色产物、 有机溶剂 F 和酸 G 的量化比例为 1g 1 10ml 0.1 10ml。 0。

19、019 较佳地， 步骤 (3) 中， 除去溶剂， 然后将产物溶于水， 得到的水溶液的浓度为 0.001 0.1g/ml， 注入截留分子量 7000-20000 的透析袋， 在去离子水中透析 3 7 天 .。 0020 较佳地， 步骤(3)中， 酸G为乙酸酐和浓硫酸混合物， 浓硫酸浓度为98以上， 乙酸 酐和浓硫酸的体积比为 1 5。 0021 该方法的反应过程如下式所示 ： 0022 说 明 书 CN 102070734 A CN 102070738 A4/6 页 7 0023 本发明具有下列优点 ： 0024 1. 由于分子链末端的氨基与活化的荧光分子的磺酰氯基团具有很高的反应活性， 而且其。

20、产物具有很高的稳定性， 所以采用本发明制备荧光标记聚电解质具有很高的染色效 率， 远远高于传统方法， 如 ： 文献 J.ColloidInterface Sci.1996， 177， 31 所报道的对聚苯 乙烯磺酸钠进行荧光标记的方法中， 荧光标记的表观效率仅为 50， 实际标记效率还要远 低于此数值。 0025 2. 由于采用一端以氨基封端的聚苯乙烯作为原始聚合物分子， 其仅在末端含有 一个反应性基团， 所以采用本发明方法制备的聚苯乙烯磺酸盐分子链仅在末端与荧光基 团具有化学键合， 因此一根分子链上仅标记一个荧光分子， 真正做到了一比一的荧光标 记。而这是传统方法 ( 公开号 CN10141。

21、8215 的中国专利申请和文献 J.Colloid Interface Sci.1996， 177， 31) 无法达到的。 0026 3. 由于聚苯乙烯磺酸盐具有阳离子交换能力， 所以本方法制备的标记产物通过在 加有不同阳离子盐水溶液中进行透析， 可以很方便地得到不同阳离子的聚苯乙烯磺酸盐。 说 明 书 CN 102070734 A CN 102070738 A5/6 页 8 0027 4. 采用本发明方法可以通过调节磺化剂的加入量方便地制备不同磺化度的聚苯 乙烯磺酸盐， 具有很好的可控性。 具体实施方式 0028 实施例 1 0029 将20mg磺化罗丹明B与1ml二氯亚砜加入容量为10ml。

22、的单口瓶中， 使反应体系搅 拌回流 5 小时。反应完全后减压抽取二氯亚砜， 得到磺化罗丹明 B 酰氯化产物。向产物中 加入 1ml 无水二氯甲烷， 搅拌使磺化罗丹明 B 酰氯化产物完全溶解。在室温下加入 0.01ml 三乙胺与 0.1g 分子量为 30kg/mol 的氨基聚苯乙烯， 搅拌反应 10 小时。反应完全后， 将反 应溶液滴入乙醇中， 产物沉淀析出。将该固态产物溶于二氯甲烷， 然后滴入乙醇中， 将此过 程重复 5 次， 最后经过真空干燥得到红褐色粉末。将染色聚合物溶于二氯甲烷， 配置成浓度 为 10nM 的溶液， 然后通过荧光关联光谱测量， 数据表明染色效率为 90。 0030 把步骤。

23、 1 得到的产物溶于 0.5ml 二氯乙烷中， 在氮气气氛保护下于 50恒温 1 小 时。然后缓慢滴入 0.15ml 乙酸酐与 0.1ml 浓硫酸， 恒温反应 15 小时。之后， 除去二氯乙 烷， 加入去离子水 1ml。采用浓度为 0.1M 的 NaOH 溶液将体系的 pH 值调节至 8.0。将此溶 液装入截留分子量为 7000 的透析袋， 产品在 0.1M NH4HCO3中透析 2 天， 在超纯水中透析 3 天。将溶液经过冷冻干燥后即得到单分子标记的聚苯乙烯磺酸钠 PSSNH4-1。元素分析光谱 测量结果表明产物中 N、 C、 H、 S 元素的含量分别为 ： 6.48、 43.46、 5.7。

24、4、 13.39， 从而 得知产物的磺化度为 78.9。 0031 实施例 2 0032 按照实施例 1 的方法制备 PSS NH4-2。保持相同实验条件， 将磺化剂的投入量变化 为 0.09ml 乙酸酐与 0.06ml 浓硫酸， 即可制备得到 PSS NH4-2。元素分析光谱测量结果表明 产物中 N、 C、 H、 S 元素的含量分别为 ： 5.61、 50.60、 6.11、 11.39， 从而得知产物的磺 化度为 71。 0033 实施例 3 0034 按照实施例 1 的方法制备 PSSNH4-3。保持相同实验条件， 将磺化罗丹明 B 的加入 量改变为 10mg， 将磺化剂的投入量改变为 。

25、0.12ml 乙酸酐与 0.08ml 浓硫酸， 即可制的 PSS NH4-3。元素分析光谱测量结果表明产物中 N、 C、 H、 S 元素的含量分别为 ： 6.25、 43.17、 5.99、 13.30， 从而得知产物的磺化度为 64.4。 0035 实施例 4 0036 按照实施例 1 的方法制备 PSSNH4-1。将产物直接在超纯水中透析 3 天 ( 不在 0.1MNH4HCO3中透析 )， 即可制得 PSSNa。 0037 实施例 5 0038 按照步骤 1 的方法制备荧光标记的聚苯乙烯。保持相同实验条件， 磺化罗丹明 B 加入量为 10mg， 将染色聚合物溶于二氯甲烷， 配置成浓度为 10nM 的溶液， 然后通过荧光关 联光谱测量， 数据表明染色效率为 89。 0039 实施例 6 0040 按照步骤 1 的方法制备荧光标记的聚苯乙烯。保持相同实验条件， 磺化罗丹明 B 加入量为 30mg， 将染色聚合物溶于二氯甲烷， 配置成浓度为 10nM 的溶液， 然后通过荧光关 说 明 书 CN 102070734 A CN 102070738 A6/6 页 9 联光谱测量， 数据表明染色效率为 90。 说 明 书 CN 102070734 A 。