CN101672780A - 一种基于荧光颜色变化检测水介质中痕量汞的分析方法 - Google Patents

Abstract

一种基于传感体系荧光颜色的变化来检测水介质中Hg²⁺的高灵敏，高选择的识别方法，其包括以下具体步骤：(1)通过化学及电化学技术合成水溶性的寡聚芘的衍生物；(2)将其与富含碱基T的短链均聚核酸在水相进行等摩尔比的分子复合，即可得到用于Hg²⁺检测的荧光探针。本发明通过Hg²⁺所诱导的分子链间π电子相互作用而产生的传感体系荧光颜色的变化，实现了对水介质中痕量Hg²⁺的高灵敏，高选择性检测，为水介质中痕量离子检测提供了的一种有效、简便、直观的分析方法，对于环境水中的Hg²⁺的检测具有重要的意义和实际应用价值。

Description

一种基于荧光颜色变化检测水介质中痕量汞的分析方法

技术领域

本发明涉及一种基于荧光颜色变化检测水介质中痕量汞的分析方法，属材料制备技术领域。

技术背景

重金属离子的污染可破坏生态环境并危害人体健康。其中，汞离子的污染尤为受到重视，因为它的污染是普遍存在的，而且低浓度的汞即可在生物体中积聚，引起人的认知能力和运动功能的紊乱，损伤肝和肾的功能，打破免疫系统间的平衡。所以设计合成可用于汞离子检测的高灵敏的荧光传感器已成为当今科学研究领域的热点之一。然而，一个巨大的挑战是发展一种能在水中检测Hg²⁺的价格便宜、灵敏的传感器，且可以高选择性地区分水溶液中其他竞争分析物的干扰。目前，大多数的Hg²⁺离子荧光传感器是基于有机小分子，而且通常是在有机溶剂中使用。不仅如此，它们还表现出响应时间慢、灵敏度低、对其它金属离子的交叉传感的缺点。所以其实际应用价值受到了限制。与有机小分子荧光传感器不同，共轭高分子的荧光传感器具有优异的光电性能，它是一种具有分子导线功能的化学传感器。在生物及化学分子检测时，后者可产生相应的单体的上万倍的光学响应信号，从而实现对体系中目标分子的灵敏检测。

但采用基于水溶性共额聚合物，特别是水溶性共额寡聚物的Hg²⁺离子荧光传感器鲜有报道。而且，基于可肉眼识别的荧光颜色的变化对Hg²⁺离子进行直接灵敏检测的报道则更少。

本发明采用水溶性的寡聚芘的衍生物与短链富含碱基T的均聚核酸形成的复合物作为荧光探针，通过寡聚芘的衍生物间形成π-π的堆积而产生荧光自淬灭，实现了基于荧光颜色变化对水介质中痕量汞的高灵敏，高选择性的识别。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于水溶性的寡聚芘的衍生物与短链富含碱基T的均聚核酸形成的复合物荧光探针，并通过传感液荧光颜色的变化来检测水介质中Hg²⁺。本发明的方法操作简单，并具有很好的可重复性。本发明最大优点在于所制备的复合物荧光探针，具有水溶性，无需荧光探针标记，制备成本低廉，另一方面，该荧光探针通过肉眼可识别的传感体系的荧光颜色变化实现对水介质中痕量Hg²⁺进行即时、直接、方便、特异的高灵敏检测。

本发明所合成的寡聚物荧光探针分子的化学结构式为：

寡聚物名称：寡聚(N¹，N¹，N¹，N⁴，N⁴，N⁴-六甲基-2-(芘基-1-甲酰氧基)丁基-1，4-二甲基溴化胺合成路线如下：

                化合物1       化合物2       化合物3       化合物4

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：基于荧光颜色变化，该寡聚芘的衍生物复合物荧光探针检测水介质中Hg²⁺的方法包括以下具体步骤：

1)化合物1的合成：在50mL的圆底烧瓶中加入芘甲酸(200mg，0.813mmol)及20mL二氯甲烷，并加入一滴N，N二甲基甲酰胺作为催化剂。混合溶液用冰水浴冷却。然后，在10min内逐步滴加入0.21mL草酰氯(2.44mmol)。反应8h后

经旋转蒸发除去溶剂。之后加入50mL甲苯后，再经旋转蒸发后得到淡琥珀色的粗产品。将该产物用甲苯和正己烷的混合溶剂(v/v＝1/1)于-20℃下重结晶纯化24h，最后得到白色的晶体，产率97％(242mg)，熔点：88-90℃；

2)化合物2的合成：将碳酸钾(88mg，0.813mmol)和芘甲酰氯(200mg，0.813mmol)溶解在5mL二氯甲烷中并加入一滴N，N-二甲基甲酰胺作为催化剂。然后，在5分钟内逐步滴加0.2mL 1，4-二溴-2-丁醇(0.39mL，1.19mmol)。混合溶液用冰水浴控制反应温度在0℃。待反应冷却后，浓缩混合溶液，然后用3×40mL 5％碳酸钾水溶液(重量比)和3×40mL水溶液反复洗涤三次，并放入真空烘箱中干燥。该粗产物以氯仿为洗脱剂采用硅胶柱进行纯化，得到浅黄色粘性油状物303mg，产率：95％；

3)化合物3的合成：化合物2的电化学聚合在EG&G普林斯顿应用研究所制造的273A和电化学综合分析仪上进行。工作电极和对电极是一对平行放置的面积为1.0cm²的铂电极，它们间的垂直距离为1.0cm。参比电极为新制备的自制的Ag/AgCl。典型的电解液为5mmoL^-1化合物2的三氟化硼乙醚溶液。聚合前，首先在电解液通入高纯氮气，然后在0.75V(vs.Ag/AgCl)的工作电压下电化学聚合22小时。反应结束后，将聚合膜从铂电极上剥下，并立即用无水乙醚清洗。所得的产物在真空条件下干燥，得到31mg产物，产率为35％；

4)化合物4(荧光共轭寡聚芘衍生物)的合成：将2.3mL三甲胺加入到化合物3(10mg)的四氢呋喃(3mL)溶液中。混合液在室温条件下搅拌50小时。然后在减压条件下将溶剂除去。得到的固体样品用四氢呋喃清洗三次，然后在真空条件下干燥，得到11.7mg产物，产率为93％；

5)将荧光共轭寡芘衍生物溶解及短链富含碱基T的均聚核酸分别配制成一定浓度的水溶液，然后混合。该复合得到的荧光探针溶液即可通过观察其荧光颜色的变化方便地对Hg²⁺样品进行检测。

所述步骤(3)中，使用的工作电极和对电极也可是其它惰性电极。

所述步骤(5)中，使用的DNA为含8个T碱基的单链寡聚核酸。

所述步骤(5)中，样品检测时，使用的激发光源为手提UV-紫外灯，激发波长为365nm。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

基于有机小分子的Hg²⁺荧光传感器通常是在有机溶剂中使用的，因而其应用性受到了限制。与之相比，本发明通过观察肉眼可识别的传感溶液荧光颜色的变化，实现了直接对水介质中痕量Hg²⁺进行高灵敏和特异性识别，所以在环境水的检测分析上，具有很好的实际应用价值。

1.与传统原子吸收光谱，诱导耦合的等离子质谱检测Hg²⁺的方法相比，本发明所涉及的荧光探针制备成本低，灵敏度高，具有对水介质中痕量Hg²⁺即时响应的特点；

2.本发明通过观察肉眼可识别的传感溶液荧光颜色的变化即方便地对Hg²⁺样品进行检测；

3.制备工艺较为简单，检测结果具有较高可重复性。

附图说明

图1为本发明实施例一所制得的共轭寡芘衍生物溶解及短链富含碱基T的均聚核酸复合物在纯水介质中，室温下，与各金属离子间选择性荧光颜色变化图；

图2为本发明实施例一所制得的共轭寡芘衍生物溶解及短链富含碱基T的均聚核酸复合物在缓冲介质(pH＝7.5)中，室温下，与各金属离子间选择性荧光颜色变化图；

图3为本发明实施例一所制得的共轭寡芘衍生物溶解及短链富含碱基T的均聚核酸复合物在缓冲介质(pH＝7.5)中，40℃下，与各金属离子间选择性荧光颜色变化图；

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步的详细描述。

实施例一

称取适量所合成的共轭寡聚芘衍生物及含8个碱基T的均聚核酸分别置于两试剂瓶中，并用超纯水溶解配制成等摩尔浓度的水溶液，其浓度值为2.5×10^-5mol L^-1。之后将两溶液在室温下混合，并静置10min。移取13份5mL该溶液作为检测液。然后，向该体系中滴加待测的K⁺，Ba²⁺，Ca²⁺，Cd²⁺，Co²⁺，Cu²⁺，Fe³⁺，Fe²⁺，Mg²⁺，Mn²⁺，Ni²⁺，Pb²⁺，Zn²⁺样品。各离子的最后浓度均为1.25×10^-4mol L^-1 mol L^-1。复合物检测液对Hg²⁺的荧光响应，于25℃下，用手提UV-紫外灯对荧光传感体系激发，激发波长为365nm。结果表明，传感体系的蓝色荧光未受水介质环境背景中相关的碱金属和碱土间金属及过渡金属离子的影响。一些重要特征金属离子及前述13种混合离子的影响如图1(a)所示。之后，向该体系中滴加待测的Hg²⁺，浓度为1×10^-5mol L^-1，如图1(a)所示，此时，通过肉眼，我们可观察到传感体系的荧光颜色由之前的蓝色迅速转变为浅黄色。实验结果还揭示，如图1(b)所示，当加入探针体系中待测的Hg²⁺浓度为5×10^-6mol L^-1时，即可使传感体系的荧光颜色由蓝色迅速转变为浅黄色，检测限为5×10^-6mol L^-1，表明，本发明的荧光探针可以高灵敏、高选择检测纯水介质中的Hg²⁺。

实施例二

称取适量所合成的共轭寡聚芘衍生物及含8个碱基T的均聚核酸分别置于两试剂瓶中，并用浓度为10m mol L^-1；pH＝7.5的Tris-HCl缓冲液溶解，配制成等摩尔浓度的水溶液，其浓度值为2.5×10^-5 mol L^-1。之后将两溶液在室温下混合，并静置10min。移取13份5mL该溶液作为检测液。然后，向该体系中滴加待测的K⁺，Ba²⁺，Ca²⁺，Cd²⁺，Co²⁺，Cu²⁺，Fe³⁺，Fe²⁺，Mg²⁺，Mn²⁺，Ni²⁺，Pb²⁺，Zn²⁺样品。各离子的最后浓度均为1.25×10^-4molL^-1mol L^-1。复合物检测液对Hg²⁺的荧光响应，于25℃下，用手提UV-紫外灯对荧光传感体系激发，激发波长为365nm。结果表明，传感体系的蓝色荧光未受水介质环境背景中相关的碱金属和碱土间金属及过渡金属离子的影响。一些重要特征金属离子及前述13种混合离子的影响如图2(a)所示。之后，向该体系中滴加待测的Hg²⁺，浓度为1×10^-5mol L^-1，如图2(a)所示，此时，通过肉眼，我们可观察到传感体系的荧光颜色由之前的蓝色迅速转变为浅黄色。实验结果还揭示，如图2(b)所示，当加入探针体系中待测的Hg²⁺浓度为5×10^-6mol L^-1时，即可使传感体系的荧光颜色由蓝色迅速转变为浅黄色，检测限为5×10^-6mol L^-1，表明，本发明的荧光探针可以高灵敏、高选择检测缓冲水介质中的Hg²⁺。

实施例三

称取适量所合成的共轭寡聚芘衍生物及含8个碱基T的均聚核酸分别置于两试剂瓶中，并用浓度为10m mol L^-1；pH＝7.5的Tris-HCl缓冲液溶解，配制成等摩尔浓度的水溶液，其浓度值为2.5×10^-5mol L^-1。之后将两溶液在40℃下混合，并静置10min。移取13份5mL该溶液作为检测液。然后，向该体系中滴加待测的K⁺，Ba²⁺，Ca²⁺，Cd²⁺，Co²⁺，Cu²⁺，Fe³⁺，Fe²⁺，Mg²⁺，Mn²⁺，Ni²⁺，Pb²⁺，Zn²⁺样品。各离子的最后浓度均为1.25×10^-4mol L^-1。复合物检测液对Hg²⁺的荧光响应，于25℃下，用手提UV-紫外灯对荧光传感体系激发，激发波长为365nm。结果表明，传感体系的蓝色荧光未受水介质环境背景中相关的碱金属和碱土间金属及过渡金属离子的影响。一些重要特征金属离子及前述13种混合离子的影响如图3(a)所示。之后，向该体系中滴加待测的Hg²⁺，浓度为1×10^-5mol L^-1，如图3(a)所示，此时，通过肉眼，我们可观察到传感体系的荧光颜色由之前的蓝色迅速转变为浅黄色。实验结果还揭示，如图3(b)所示，当加入探针体系中待测的Hg²⁺浓度为5×10^-6mol L^-1时，即可使传感体系的荧光颜色由蓝色迅速转变为浅黄色，检测限为5×10^-6mol L^-1，表明，本发明的荧光探针可以高灵敏、高选择检测缓冲水介质中的Hg²⁺。

本发明提出了一种基于传感体系荧光颜色的变化来检测水介质中Hg²⁺的高灵敏，高选择性的识别方法。通过电化学技术可得到水溶性的寡聚芘的衍生物。将其与富含碱基T的短链均聚核酸在水相进行等摩尔比的分子复合，可得到复合物荧光探针。该荧光探针通过Hg²⁺诱导的分子链间π电子相互作用而产生传感体系荧光颜色的变化，可最终实现对水介质中Hg²⁺的高灵敏，高选择性的检测。本发明所涉及的荧光探针具有较好的水溶性，无需有机或有机混合溶剂的溶解。而且操作过程方便、直观。因而，在与Hg²⁺相关的环境水检测分析上，具有重要的实际应用价值或潜在的应用前景。

Claims (10)

1、一种检测水介质中痕量Hg²⁺的高灵敏，高选择性的识别的方法，其包括以下具体步骤：

1)化合物1的合成：以N，N二甲基甲酰胺作为催化剂，将芘甲酸与草酰氯进行反应；

2)化合物2的合成：以N，N二甲基甲酰胺作为催化剂，将化合物1与1，4-二溴-2-丁醇进行反应；

3)化合物3的合成：在EG&G普林斯顿应用研究所制造的273A和电化学综合分析仪上，将化合物2进行电化学聚合；

4)化合物4(荧光共轭寡聚芘衍生物)的合成：将化合物3与三甲胺进行反应；

5)将荧光共轭寡芘衍生物溶解(化合物4)及短链富含碱基T的均聚核酸分别配制成一定浓度的水溶液，然后混合。复合得到的荧光探针溶液即可用于Hg²⁺样品的荧光分析。

2、根据权利要求1所述的检测水介质中痕量Hg²⁺的高灵敏，高选择性的识别的方法，其特征在于：所述步骤(1)中，化合物1的合成原料选自：芘甲酸、草酰氯。

3、根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤(1)中，化合物1的合成的催化剂选自：N，N二甲基甲酰胺。

4、根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤(2)中，化合物1的合成原料选自：1，4-二溴-2-丁醇。

5、根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤(2)中，化合物2的合成的催化剂选自：N，N二甲基甲酰胺。

6、根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤(3)中，聚合溶剂选自：三氟化硼乙醚溶液。

7、根据权利要求8所述的方法，其特征在于：所述步骤(3)中，工作电压为：0.75V

8、根据权利要求9所述的方法，其特征在于：所述步骤(3)中，参比电极选自：Ag/AgCl。

9、根据权利要求1所述的检测方法，其特征在于：所述步骤(5)中通过荧光共轭寡芘衍生物及富含碱基T的短链均聚核酸首先在水相中溶解，然后混合来实现分子复合物荧光探针的制备。

10、根据权利要求2所述的检测水介质中痕量Hg²⁺的高灵敏，高选择性的识别的方法，其特征在于：所述步骤(5)中Hg²⁺的识别是通过观察其荧光颜色的变化来实现的。

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