CN102899032B - 可电聚合的荧光传感材料及在金属离子的荧光或电化学检测中的应用 - Google Patents

Abstract

本发明属于金属离子传感技术领域，具体涉及一类以2，7芴和2，2′-联吡啶（或1，10-菲咯啉）为主链，侧链经烷基连接咔唑基团的可电聚合的荧光传感材料及该类材料在金属离子的荧光或电化学检测中的应用。本发明化合物的刚性主链结构保证了荧光传感材料具有高的荧光效率，而强金属识别单元侧链则保证了检测材料的选择性。另外，电化学聚合制备的薄膜所具有的微孔结构可以有效的保证金属离子在薄膜中的快速扩散，提高了薄膜检测的灵敏度。本发明中的荧光传感材料原料廉价易得、合成相对简单，是一类较理想且有很大潜力的金属离子荧光/电化学传感薄膜材料。

Description

可电聚合的荧光传感材料及在金属离子的荧光或电化学检测中的应用

技术领域

本发明属于金属离子传感技术领域，具体涉及一类以2，7芴和2，2′-联吡啶（或1，10-菲咯啉）为主链，侧链经烷基连接咔唑基团的可电聚合的荧光传感材料及该类材料在金属离子的荧光或电化学检测中的应用。

背景技术

金属离子的检测与人类生活息息相关。一方面，随着工业化的迅速发展，环境污染日趋严重。特别是重金属离子，因其不能被微生物分解易在土壤内沉积，而成为一类严重威胁人类健康的物质。如上世纪50年代日本出现的水俣病和骨痛病就是由于汞污染和镉污染所引起的。因此金属离子的检测对于人类健康有着重大意义。另一方面，很多金属离子又在生物体内发挥了积极的作用，如Fe²⁺、Cu²⁺、Co²⁺、Mo²⁺、Zn²⁺等可以在生物体内形成金属酶参与生命体系的过程，是维持生命活动所必不可少的，因此检测金属离子又对人体的生理活动及病理十分重要。

在常见的金属离子的传感器中，化学传感器是人们主要的研究方向。根据所应用的检测方法，化学传感器可以分为电化学传感器、荧光传感器和生色传感器等。其中荧光传感器是利用荧光来表达传感分子与分析对象作用后的化学信息变化，具有方便快捷、高选择性和高灵敏度等优点，其灵敏度可达10^-9甚至10^-12数量级。其原理是通过将对被分析物的识别信息转换为荧光基团的光物理性质的改变，如荧光增强或减弱、光谱移动、荧光寿命变化等，实现对被分析物的检测。而荧光聚合物表现出的特殊“分子导线效应”（即光或电激发产生的激子或载流子可沿整个分子流动，整个分子类似于一根导线，使其能在不改变功能基团与识别分子结合常数的情况下成百倍地放大响应信号），使其有了更高的灵敏度。正因为荧光检测技术的这些优点使其在分析化学、生物化学等领域被广泛应用。

目前金属离子的荧光检测多是在液相中进行，但从实际应用的角度出发，固态薄膜要优于溶液。不过至今很少有高效的金属离子的薄膜荧光检测的报道，这主要是因为伴随着荧光检测物以薄膜形式来使用，致密的薄膜阻碍了待测金属离子的快速扩散，薄膜荧光量子效率的减弱，膜材料不稳定，使用时易溶胀、溶解、衰减快、稳定性差，选择性差等问题。

电化学聚合（简称电聚合）制备薄膜与其它薄膜制备方法相比在具有很大的优越性，其原理为应用电化学方法在阳极或阴极上进行聚合反应，即利用聚合物或聚合反应在电极表面形成修饰膜。首先电化学聚合制备的薄膜具有无序的、交联的网状结构确保了薄膜的通透性以及荧光效率；其次电化学聚合反应是一种原位交联反应，经该法制备的薄膜稳定无Tg（玻璃化转变温度），与衬底的附着强度可控，确保了薄膜的稳定性，为应用于金属离子的荧光/电化学薄膜检测提供了基础。

电化学聚合不但可以为金属离子的薄膜荧光检测提供一种可行的薄膜制备方法，而且也是一种化学修饰电极的方法，可以应用到金属离子的电化学检测中。从而为金属离子的荧光检测信号提供电化学信号支持，提高检测的选择性和灵敏度。其原理主要是通过电化学聚合方法在电极上引入带有特定官能团的薄膜，使金属离子有效的富集，使电极周围有较高的金属离子浓度，同时由于引入不同的离子，在电化学扫描过程中会产生特异的氧化还原峰位、峰型，是一种很好的金属离子传感手段。将电化学检测和荧光光谱结合进行金属离子的荧光和电化学双重检测，不但克服了以往单一检测方法所面对的选择性差，缺乏其他信号支持这一缺陷，也可以形成互补从而拓宽可检测的金属离子范围。该方法结合了荧光方法和电化学方法的各自的优点，能够比较有效地检测金属离子，具有高灵敏度、高选择性等特点。传统的荧光光谱电化学方法是利用电化学氧化还原法在电极上对无荧光或弱荧光物质进行氧化或还原以产生荧光产物。

发明内容

本发明的目地是提供一类对金属离子有识别功能的以2，7芴和2，2′-联吡啶（或1，10-菲咯啉）为刚性主链，侧链经烷基连接咔唑基团的可电聚合的荧光传感材料及该类材料在高灵敏度、高稳定性的金属离子的荧光或电化学检测中的应用。

本发明化合物的刚性主链结构保证了荧光传感材料具有高的荧光效率，而强金属识别单元则保证了检测材料的选择性。另外，电化学聚合制备的薄膜所具有的微孔结构，可以有效的保证金属离子在薄膜中的快速扩散，提高了薄膜检测的灵敏度。而且本发明中的荧光传感材料原料廉价易得、合成相对简单，是一类较理想且有很大潜力的金属离子荧光/电化学传感薄膜材料。

我们拟开展的用于金属离子的荧光/电化学双重检测，是通过将既具有金属响应能力又具有电化学活性的荧光传感材料与待分析的金属离子作用后荧光光谱信号以及电化学信号的变化相结合，来对金属离子进行高选择性检测。

1、可电化学聚合的荧光传感材料

本发明所述的对于金属离子具有高效选择性的荧光传感材料结构式如下式所示，主链由高发光效率的单元（Ar₁）和它们相互键连而形成的衍生物及强金属离子识别中心（Ar₂）构成，Ar₁可以是苯乙烯、苯炔、芴、梯形聚苯，Ar₂可以是2，2′-联吡啶、1，10-菲咯啉、9，10-菲醌等。侧链的电化学聚合活性基团（Ar₃）可采用较强电子活性的含氮基团，可以为咔唑、二苯胺、三苯胺、噻吩或者乙撑二氧噻吩以及它们的衍生物。主链与电化学聚合活性基团的连接链R可以是烷基链、氧基链或烷氧基链，例如：-(CH₂)_m-，-O-，-(CH₂)_m—O-等。烷基链、烷氧基链的长度可由碳的个数确定（m为1～20的整数），与选择的具体的离子活性基团和发光单元无关。

经过优化，我们选择梯形聚苯或芴等含有联苯结构的材料来构筑分子主链骨架。强金属离子响应中心可以为2，2-联吡啶，1，10-菲咯啉，侧链的电化学聚合活性基团是含有氮原子的咔唑、二苯胺、三苯胺。

进一步，通过合成难易程度以及所需的响应基团特征来优选Ar₁以及Ar₃的基团。从具体实施角度出发，我们选择经典高效率的蓝光材料芴做为主链，常见而稳定的咔唑作为电化学聚合活性基团。在本发明所涉及的荧光传感材料，最有代表性的材料是以9位碳通过2个柔性链连接咔唑的芴为重复单元的齐聚物，烷基链的长度由碳原子的个数决定，在进一步的实施方案中，烷基链、烷氧基链中的m为4～18的整数。

以烷基链为例其结构式如下：

进一步的，本发明中的荧光传感材料的结构式如下：

本发明具备如下优点：

首先，由于材料本身的刚性结构保证了材料高的荧光效率；其二，材料引入了强金属离子识别单元（2，2′-联吡啶，1，10-菲咯啉）增强了金属离子响应能力；其三，材料引入了电化学活性中心咔唑基团保证了在电化学聚合过程中形成稳定的薄膜；其四，齐聚物发光中心与电化学活性中心咔唑基团相分离，保证了电化学聚合薄膜的高的发光效率；其五，电化学聚合薄膜聚集态结构可控，保证了电化学聚合薄膜的通透性与稳定性，为金属离子的扩散提供了有效的途径。利用本发明所述的荧光传感材料，对于Fe³⁺离子淬灭程度可以达到70％（0.4mmol/L），并且对于Fe³⁺离子有很好的选择性。

2应用电聚合方法制备电化学聚合薄膜及后处理

将预处理好的氧化铟锡（ITO）工作电极放入含有一定浓度的本发明制备的荧光传感材料和支持电解质的有机溶剂的电化学聚合体系中，通过电化学氧化还原引发，具体采用的是循环伏安（CV）法，使电活性的咔唑基团的3，6位进行交联并在ITO表面发生聚合，生成电聚合荧光传感薄膜。其厚度可通过电化学扫描圈数，单体浓度等控制，其薄膜通透性可通过扫描速度等控制。

在优选的实施方式中，支持电解质可以是TBABF₄，TBAPF₆，TBAAsF₆等；有机溶剂是二氯甲烷和乙腈的混合，体积比为1：0.5～2；电化学聚合起始氧化电位可以是-0.6V～-0.9V等，终止氧化还原电位为0.85V；扫描速度可以是50～200mv/s；扫描圈数可以为4～20圈；齐聚物或共聚物的浓度可以为0.5～5mg/mL。

经过进一步的优选，支持电解质为TBAPF₆，有机溶剂为二氯甲烷/乙腈=2：3（体积比），电聚合起始电位为-0.9V，终止电位为0.85V，扫描圈数为12圈，齐聚物或共聚物的浓度为1mg/mL。

经电化学聚合方法在工作电极上制备的荧光传感薄膜，在真空烘箱内进行热处理，热处理时间为0.5～24小时，在进一步优化实施中热处理时间为2～5小时。温度为30°C～200°C，在更进一步的优化实施中热处理温度为40°C～60°C。

3电化学聚合薄膜对于金属离子的荧光检测

本发明的荧光薄膜检测均是在甲醇溶液下进行的离子检测。经过优化，金属离子溶液的浓度为0.1mol/L，所用溶剂为甲醇。金属离子的种类有Co²⁺，Cr³⁺，Cu²⁺，Fe³⁺，Hg²⁺，Mn²⁺，Ni²⁺，Pb²⁺，Na⁺，Mg²⁺和Al³⁺，均为Cl^-盐。其具体测试方法为：将电化学制备的荧光传感薄膜置于石英比色皿中，取3mL甲醇溶液置于比色皿里，测出荧光传感薄本身的荧光强度，然后分别加入不同浓度的金属离子溶液，在充分搅拌均匀后再测荧光传感薄的荧光强度，之后重复此步骤。在测试金属离子传感的实验过程中，每次添加后的累计的金属离子溶液的量分别为0.6，1.2，3，6，9，12，15，18，21，27，33，39，45，50μL，分别对应的金属离子浓度为0.02，0.04，0.1，0.2，0.3，0.4，0.5，0.6，0.7，0.9，1.1，1.3，1.5，1.7mmol/L。

4电化学检测

基于本发明中所设计电化学聚合荧光传感材料的分子结构特点，利用其对金属离子特定的络合作用，可将其作为化学修饰电极材料修饰到电极上开展金属离子的电化学传感工作。

本发明中拟开展的金属离子的电化学传感工作，电极表面作用是金属离子的络合作用，可以使稀溶液中金属离子得到富集，使电极周围有较高的金属离子浓度；同时由于引入不同的离子，会产生特异的氧化还原曲线峰位、峰型。主要的检测方法是电化学方法中常见的循环伏安分析法。

为了进一步提高检测的灵敏性，可以采用微分脉冲伏安法（DPV）。微分脉冲伏安法是目前伏安法中灵敏度最高的方法之一，能检测10^-6mol/L的物质。具有很高灵敏度和低检测限。

5金属离子荧光传感和电化学传感双重检测

基于所设计材料对金属离子既可以有荧光响应，又可以有电化学信号的响应。我们设计了可以同时对金属离子进行荧光检测和电化学检测的实验装置。主要是在电化学池的基础上，又引进了光源和检测器来实现金属离子的荧光检测。我们采用钛板作为对电极，在氧化还原中不发生反应，性质稳定，且价格低廉。采用ITO作为工作电极，一方面可以使光路通过，反射。另一方面可以便于电极表面处理（图案化），此外其成本较低，便于未来广泛应用。我们在光源的选择上，选择发射为350nm的激光器，其激发光能量较高，且能控制能量，接收器为光纤。

附图说明

图1：化合物M1在溶液下的紫外吸收光谱（图a曲线1）和荧光发射光谱（图a曲线2）；其荧光发射曲线的最大发射峰值为395nm和418nm；及溶液状态下荧光发射光谱（图b曲线1）与电聚合薄膜荧光发射光谱的对比（图b曲线2），电聚合薄膜的荧光发射曲线的最大发射峰为415nm和436nm，相对溶液状态下的荧光发射曲线的最大发射峰值分别红移了20nm和18nm。

图2：电聚合薄膜加入0.4mmol/L不同金属离子荧光淬灭柱状图，由图中可见，当加入0.4mmol/L的Fe³⁺离子时，其荧光淬灭程度达到了70％，相对于其他离子具有很好的选择性和灵敏度。

图3：电化学聚合薄膜对于Fe³⁺的滴定曲线，曲线所对应的Fe³⁺离子浓度分别为0，0.02，0.1，0.2，0.3，0.4，0.6，0.8mmol/L。

具体实施方式

实施例1：可电聚合的以2，2′-联吡啶为金属离子识别中心的化合物M1

我们仅以化合物M1的合成为例（其它化合物的制备方法与化合物M1的合成相类似，通过Suzuki等反应合成），对本发明进行说明，而不是对本发明的限制。凡是侧链上带有电聚合活性基团（咔唑、二苯胺、三苯胺、噻吩或者乙撑二氧噻吩等）的聚芴、聚苯、聚苯乙烯、聚苯炔以及梯形聚苯类发光材料的合成思想或合成路线，并将其用于金属离子的荧光电化学聚合薄膜传感，均在本发明的设计思想范围以内。

合成路线：

1、合成N-（6-溴-己烷）-咔唑

将5g(30mmol)咔唑和5ml(31mmol)1，6-双溴己烷溶解在四氢呋喃中滴加到已洗去氧化膜的氢化钠中，室温搅拌24h。过滤剩余氢化钠，减压蒸馏浓缩滤液。以二氯甲烷和石油醚混合溶剂为展开剂，薄层析得到白色固体（3.15g），产率43％。¹H NMR(500MHz，CDCl₃)：δ8.11(d，2H)，7.47(dd，2H)，7.41(d，2H)，7.23(t，2H)，4.32(t，2H)，3.37(t，2H)，1.91(m，2H)，1.82(m，2H)，1.48(m，2H)，1.41(m，2H)。

2、合成2-溴-9,9-（N-咔唑-己基）芴

先将0.7g(2.8mmol)2-溴代芴和四丁基溴化铵用20mL二甲基亚砜溶解，加入5mL浓氢氧化钠水溶液并搅拌。再将2g(6.05mmol)N-（6-溴-己烷）-咔唑用二甲基亚砜溶解，缓慢滴加到上述混合体系中，60℃反应48h。冷却后用乙醚萃取，浓缩。以二氯甲烷和石油醚混合溶剂为展开剂，薄层析得到白色固体（1.67g），产率80％。¹H NMR(500MHz，DMSO)：δ8.11(d，4H)，7.76(d，1H)，7.72(d，1H)，7.57(s，1H)，7.48(d，4H)，7.42(t，4H)，7.28(m，4H)，7.18(t，4H)，4.25(m，4H)，1.83(m,4H)，1.55(m，4H)，1.02(m，8H)，0.40(m，4H)。

3、合成2-（4,4,5,5-四甲基-1，3,2-二氧杂硼）-9,9-（N-咔唑-己基）芴

取1.5g(2.68mmol)2-溴-9，9-（N-咔唑-己基）芴，0.62g(3.23mmol)双戊酰二硼，0.6g(8mmol)醋酸钾和0.05g(0.08mmol)Pd(dppf)Cl₂于50mL圆底烧瓶中，加入9mL的1，4-二氧六环溶解，冷冻脱气，在80℃下搅拌过夜。冷却后水洗，二氯甲烷萃取三次，无水硫酸镁干燥。浓缩后，以二氯甲烷和石油醚混合溶剂为展开剂，薄层析得到白色固体（0.84g），产率41％。¹H NMR(500MHz，CDCl₃)：δ8.06(d，3H)，7.81(d，1H)，7.70(dd，3H)，7.42(t，4H)，7.28(m，6H)，7.24(d，1H)，7.19(t，4H)，4.14(t，4H)，1.91(m，4H)，1.65(dt，4H)，1.36(d，12H)，1.10(m，8H)，0.55(m，4H)。

4、合成5，5′-双（9，9-二（6-（9H-咔唑-9基）己基-9H-芴-2基）-2，2′-联吡啶(M1)

取50mg 5，5′-二溴-2，2′-联吡啶于圆底烧瓶中，加入3mL精制甲苯和2mL2mol/L的Na₂C0₃水溶液，冷冻脱气，快速加入29.9mg Pd（PPh₃）₄和250.3mg 2-（4，4，5，5-四甲基-1，3，2-二氧杂硼）-9，9-（N-咔唑-己基）芴，冷冻脱气3次，在80℃下搅拌反应3天。冷却后水洗，二氯甲烷萃取三次，无水硫酸镁干燥。浓缩后，以二氯甲烷和石油醚混合溶剂为展开剂，薄层析得到黄色固体（0.12g），产率40％。¹H NMR(500MHz，DMSO)：δ9.12(d，2H)，8.53(d，2H)，8.32(d，2H)，8.06(d，8H)，7.8(m，8H)，7.45(d，8H)，7.35(m，8H)，7.30(m，6H)，7.12(t，8H)，4.22(t，8H)，1.96(m，8H)，1.52(t，8H)，1.03(m，16H)，0.48(m，8H)。MALDI-TOF-MS(m/z)：1481.80[M+]1483.1。由核磁共振谱、质谱结果可知我们得到的物质为目标化合物。

实施例2：合成5，5′-双（9，9-二（6-（9H-咔唑-9基）己基-9H-芴-2基）-1，10-菲咯啉(M2)

化合物M2合成的前三部分与化合物M1相同，故不再赘述。取30mg 3，8-二溴-1，10-菲咯啉于圆底烧瓶中，加入3mL精制甲苯和2mL 2mol/L的Na₂C0₃水溶液，冷冻脱气，快速加入17.5mg Pd（PPh₃）₄和150mg 2-（4，4，5，5-四甲基-1，3，2-二氧杂硼）-9，9-（N-咔唑-己基）芴，冷冻脱气3次，在90℃下搅拌反应3天。冷却后水洗，二氯甲烷萃取三次，无水硫酸镁干燥。浓缩后，以二氯甲烷和石油醚混合溶剂为展开剂，薄层析得到黄色固体（60mg），产率50％。¹H NMR(500MHz，DMSO)：δ9.55(d，2H)，8.84(d，2H)，8.11(d，2H)，8.06(d，8H)，8.02(s，2H)，7.97(m，4H)，7.86(m，2H)，7.45(d，8H)，7.34(m，12H)，7.27(m，2H)，7.1(t，8H)，4.23(t，8H)，2.1(m，8H)，1.52(m，8H)，1.03(m，16H)，0.50(m，8H)。MALDI-TOF-MS(m/z)：1506.01[M+]1507.3。由核磁共振谱、质谱结果可知我们得到的物质为目标化合物。

实施例3：电化学聚合薄膜的制备

电化学聚合是在上海辰华公司生产的CHI660C电化学工作站完成。电解池为三电极体系：工作电极为ITO电极，依次使用半导体清洗液、水、甲苯、丙酮、乙醇超声清洁，每种溶剂超声3遍，每遍15min，使用前对其进行紫外线辐照；对电极为金属钛板，参比电极为Ag/Ag⁺。电解质为TBAPF₆，其浓度为0.1molL^-1。将预处理好的氧化铟锡（ITO）工作电极放入含有1mg/mL化合物M1和支持电解质TBAPF₆的电化学工作站体系中，有机溶剂为二氯甲烷（2mL）乙腈（3mL）混合溶液，电聚合起始电位为-0.9V，终止电位为0.85V，扫描圈数为12圈。采用CV法通过电化学氧化还原引发，使电活性的咔唑基团的3，6位进行交联并在ITO表面发生聚合，生成电聚合薄膜，厚度为30nm左右。薄膜的厚度可以通过不同的电化学参数的设置进行调节。

实施例4：电化学聚合薄膜的后处理

电化学聚合薄膜在真空45°C的条件下加热3小时，以此来消除电化学聚合时的溶剂。

实施例5：电化学聚合薄膜对金属离子的荧光响应性质

在本体系中，将薄膜置于比色皿中，加入不同金属离子后，薄膜的荧光强度会发生不同程度的减弱，通过荧光发射仪（RF-5301）进行检测。电化学聚合薄膜对金属离子荧光响应性质的灵敏度主要是依据材料的荧光淬灭程度来判断。在所测试的金属离子中（Co²⁺，Cr³⁺，Cu²⁺，Fe³⁺，Hg²⁺，Mn²⁺，Ni²⁺，Pb²⁺，Na⁺，Mg²⁺和Al³⁺），化合物M1对于Fe³⁺荧光响应十分敏感：当体系中Fe³⁺的浓度为0.4mmol/L时，薄膜的荧光就已经淬灭了70％，而对于其他金属离子的加入则并没有Fe³⁺响应程度好，因此该薄膜材料是一种对于Fe³⁺具有很高灵敏度和选择性的荧光传感材料。

Claims (8)

1.可电聚合的荧光传感材料，其结构式如下所示：

2.权利要求1所述的可电聚合的荧光传感材料在金属离子的荧光或电化学检测中的应用。

3.如权利要求2所述的可电聚合的荧光传感材料在金属离子的荧光或电化学检测中的应用，其特征在于：金属离子为Co²⁺、Cr³⁺、Cu²⁺、Fe³⁺、Hg²⁺、Mn²⁺、Ni²⁺或Pb²⁺。

4.如权利要求2所述的可电聚合的荧光传感材料在金属离子的荧光或电化学检测中的应用，其特征在于：荧光传感材料制备成荧光传感薄膜后应用于金属离子的荧光或电化学检测。

5.如权利要求4所述的可电聚合的荧光传感材料在金属离子的荧光或电化学检测中的应用，其特征在于：用电化学聚合的方法制备荧光传感薄膜。

6.如权利要求5所述的可电聚合的荧光传感材料在金属离子的荧光或电化学检测中的应用，其特征在于：电化学聚合是以氧化铟锡ITO为工作电极，将工作电极放入含有支持电解质和权利要求1所述荧光传感材料的有机溶剂的电化学聚合体系中，通过电化学氧化还原和热处理后，在工作电极上制备得到荧光传感薄膜。

7.如权利要求6所述的可电聚合的荧光传感材料在金属离子的荧光或电化学检测中的应用，其特征在于：支持电解质是TBABF₄、TBAPF₆或TBAAsF₆；有机溶剂是二氯甲烷和乙腈的混合，体积比为1：0.5～2；电化学聚合的起始氧化电位为-0.6V～-0.9V，终止氧化还原电位为0.85V；扫描速度为50～200mv/s；扫描圈数为4～20圈；权利要求1所述荧光传感材料在有机溶剂中的浓度为0.5～5mg/mL。

8.如权利要求7所述的可电聚合的荧光传感材料在金属离子的荧光或电化学检测中的应用，其特征在于：热处理是在真空烘箱内进行，热处理时间为0.5～24小时，温度为30℃～200℃。

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