CN103709321B - 增色检测Cu2+的罗丹明B基亲水聚合物探针及制备方法与应用 - Google Patents

Abstract

本发明属于材料制备及金属离子检测技术领域，涉及一类直接在水介质中增色检测Cu²⁺的罗丹明B基亲水聚合物探针及基于该亲水聚合物探针的Cu²⁺检测试纸。该类罗丹明B基亲水聚合物是由含罗丹明B衍生物基团的（甲基）丙烯酸酯类单体与水溶性单体通过自由基共聚合而成的，具有良好的水溶性，能在纯水介质中对Cu²⁺选择性检出，并且可通过由无色到有色的颜色变化达到裸眼目视检测的效果。加入乙二胺四乙酸根离子后，乙二胺四乙酸根离子与Cu²⁺结合，使体系由有色变为无色，实现了该聚合物探针的可逆操作。

Description

增色检测Cu2+的罗丹明B基亲水聚合物探针及制备方法与应用

技术领域

本发明属于材料制备及金属离子检测技术领域，涉及一类可直接在水介质中增色检测Cu²⁺的罗丹明B基亲水聚合物探针及基于该聚合物探针的Cu²⁺检测试纸。

背景技术

铜是动植物体内所必需的微量重金属元素，参与了二十多种酶在生物机体中的作用。但是，高浓度的铜会对生物体系和环境造成危害，如细胞受损或坏死、水环境生物处理系统受损等。因此，对水环境中Cu²⁺检测研究已成为当今世界范围内包括化学科学、材料科学、环境科学等学科共同关注的热点。

传统的Cu²⁺检测方法包括冷原子吸收法、X射线荧光光谱法、质谱法、电感耦合等离子体发射光谱法、冷原子荧光光谱法等，然而上述方法都存在仪器昂贵、运行成本高、分析步骤复杂等缺点，难以满足现场快速检测的实际需求。因此，高效便捷的Cu²⁺检测方法研究引起了人们的极大关注。近年来，基于金属离子诱导产生颜色或荧光变化检测金属离子的比色指示剂和荧光分子探针技术由于高效便捷特征而被广泛应用于重金属离子的识别和检测领域。由于罗丹明类衍生物具有较长的激发波长和发射波长、较大的摩尔消光系数及较好的光学稳定性等优异的光物理学性质，自1997年Dujols等[J.Am.Chem.Soc.,1997,119,7386-7387]报道罗丹明B酰肼成功选择性识别Cu²⁺以来，不同结构的罗丹明类衍生物作为比色或荧光分子探针检测Cu²⁺被广泛研究。然而，由于多数罗丹明类衍生物小分子难以溶于水中，需要添加有机溶剂才能进行检测，有机溶剂的使用无形中又增加了污染环境的潜在可能，这就限制了其实际应用。因此，研发一种能直接在水中检测Cu²⁺且可裸眼识别的高效便捷探针将具有极大的实用价值。

本发明采用含罗丹明B衍生物基团的不饱和单体与水溶性单体的自由基共聚合制备了罗丹明B基亲水聚合物探针，该类聚合物探针具有良好的水溶性，能直接在水介质中通过显色变化实现对Cu²⁺的高效识别，而且具有可逆性。将该类聚合物涂覆在基材表面制备成检测试纸，使得Cu²⁺的检测更为便捷。

发明内容

本发明的目的是提供一种能裸眼识别、能循环利用、能够直接在水介质中对Cu²⁺实现选择性增色检测的罗丹明B基亲水聚合物探针及其制备方法。同时，提供一种利用该聚合物探针制备的可检测Cu²⁺的便携试纸。

本发明的技术方案是：一类增色检测Cu²⁺的罗丹明B基亲水聚合物探针，结构式如下：

式中R₁为H或CH₃；n/(m+n)为0.002~0.05。

前面所述罗丹明B基亲水聚合物探针的制备方法，首先合成罗丹明B基不饱和单体，然后罗丹明B基不饱和单体与水溶性单体自由基共聚合，步骤如下：

（1）罗丹明B酰肼参考文献[Org.Lett.,2006,13,2863-2866]介绍的方法合成。

（2）将罗丹明B酰肼和2,4-二羟基苯甲醛加入溶剂中，回流反应，冷却至室温，抽滤，得到2,4-二羟基苯甲醛罗丹明B酰腙，所述溶剂选用无水乙醇或甲醇；

（3）将2,4-二羟基苯甲醛罗丹明B酰腙、不饱和酰氯、缚酸剂加入溶剂中，2,4-二羟基苯甲醛罗丹明B酰腙、不饱和酰氯、缚酸剂的摩尔比为1:1:1.2，室温反应过夜，提纯，得到罗丹明B基不饱和单体；

（4）将罗丹明B基不饱和单体、水溶性单体和偶氮二异丁腈溶解在溶剂中，所述罗丹明B基不饱和单体与水溶性单体的摩尔比控制在49.9:0.1至19:1的范围内，在惰性气体保护下恒温反应，经沉淀干燥得到目标产物。

前面所述的制备方法，优选的方案在于，步骤（3）所述不饱和酰氯选用丙烯酰氯或甲基丙烯酰氯中的一种。

前面所述的制备方法，优选的方案在于，步骤（3）所述溶剂选用二氯甲烷。

前面所述的制备方法，优选的方案在于，步骤（3）所述缚酸剂选用三乙胺或吡啶。

前面所述的制备方法，优选的方案在于，步骤（4）所述水溶性单体选用丙烯酸羟乙酯或甲基丙烯酸羟乙酯。

前面所述的制备方法，优选的方案在于，步骤（4）所述溶剂选用异丙醇。

前面所述的制备方法，优选的方案在于，步骤（4）所述惰性气体选用氮气或氦气。

本发明所述罗丹明B基亲水聚合物作为Cu²⁺探针对水介质中的Cu²⁺有较高的选择性和灵敏度。一般将本发明的亲水聚合物配成水溶液，溶液pH值控制在6~8范围，通过观察颜色变化对Cu²⁺进行识别与检测，随着Cu²⁺浓度的增加，溶液颜色逐渐加深，接着向溶液中加入乙二胺四乙酸根离子后，乙二胺四乙酸根离子与Cu²⁺结合，溶液由有色变为无色，实现了探针的可逆操作。溶液浓度可以由测试条件决定，对于本发明的亲水聚合物，可以配成浓度为0.005g/L~1.0g/L，常规的测试浓度可配成0.02g/L~0.5g/L。具体测试可以采用裸眼目视比色法或利用标准工作曲线推算出Cu²⁺浓度。为获取更为精确的结果，可以利用紫外-可见分光光度法进行测试。

本发明所述罗丹明B基亲水聚合物可以方便的制成检测Cu²⁺的试纸。可以将本发明所述聚合物配成一定浓度的溶液，直接喷涂或浸覆于基材表面制成检测试纸，经烘干或自然晾干后使用。配制溶液可以选用水、甲醇、乙醇、异丙醇或它们的混合液作为溶剂，溶液浓度可以由试纸的颜色变化程度决定，一般为0.1g/L~20g/L，基材可以选用试纸、无纺布、纤维素膜、聚合物膜或淀粉膜等。通过观察试纸颜色的变化实现对Cu²⁺进行便捷检测。根据不同Cu²⁺含量使试纸颜色变化不同可以制成标准色板，象pH试纸一样测试水样，根据试纸的颜色变化判断Cu²⁺的含量。

本发明的优点是：（1）本发明的罗丹明B基亲水聚合物可溶于水，无需添加有机溶剂，通过裸眼观察水溶液颜色变化即可对水介质中的Cu²⁺实现高效识别，对水样中其它金属离子（Ba²⁺、Cd²⁺、Co²⁺、Cr³⁺、Fe²⁺、Fe³⁺、Hg²⁺、Mn²⁺、Na⁺、K⁺、Pb²⁺、Zn²⁺）的抗干扰能力强，具有高选择性，同时该聚合物探针具有可逆操作性，可循环使用；（2）该类聚合物探针反应速度快，响应时间在20s以内，Cu²⁺浓度大于5.0X10^-7mol/L即可通过裸眼观察到紫红色颜色的产生；（3）本发明的聚合物探针具有原料易得、合成工艺简单、成本较低、选择性好、灵敏度高、响应速度快等优点，适合实际生产应用；（4）本发明的Cu²⁺检测试纸，价格低廉，使用方便，适合日常使用。

附图说明

图1为本发明所述罗丹明B基不饱和单体的合成路线；

图2为实施例所制得的聚合物水溶液中加入不同金属离子的紫外-可见光吸收谱图；

图3为实施例所制得的聚合物水溶液在不同干扰金属离子存在下加入Cu²⁺后的相对吸光强度变化柱状图；

图4为加入乙二胺四乙酸根离子后实施例所制得的聚合物对Cu²⁺的可逆吸光度响应，其中（a）为实施例所制得的聚合物水溶液的吸光度响应，（b）为实施例所制得的聚合物水溶液加入Cu²⁺后的吸光度响应，（c）为加入乙二胺四乙酸根离子后实施例所制得的聚合物水溶液对Cu²⁺的可逆吸光度响应；

图5为实施例所制得的聚合物水溶液中加入不同浓度Cu²⁺后的紫外-可见光吸收谱图；

图6为实施例所制得的聚合物水溶液的吸光强度随Cu²⁺浓度的变化曲线。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步说明，本发明的保护内容不局限于以下实施例。在不背离发明构思的精神和范围下，本领域技术人员能够想到的变化和优点都被包括在本发明中。

实施例1罗丹明B基亲水聚合物的合成

（1）2,4-二羟基苯甲醛罗丹明B酰腙的合成：将0.86g罗丹明B酰肼和0.38g2,4-二羟基苯甲醛加入40mL无水乙醇中，回流反应8小时，冷却至室温，抽滤，得到2,4-二羟基苯甲醛罗丹明B酰腙；

（2）罗丹明B基丙烯酸酯单体的合成：将0.41g2,4-二羟基苯甲醛罗丹明B酰腙、0.086g三乙胺加入50mL无水二氯甲烷中，然后将0.064g丙烯酰氯与5mL无水二氯甲烷的混合液缓慢滴加到上述溶液中，室温反应过夜。反应液经水洗后，用无水硫酸钠干燥，抽滤，滤液浓缩后得浅黄褐色固体0.35g，即为产物罗丹明B基丙烯酸酯单体，产率78.1%。

核磁共振氢谱测定：¹H-NMR(400MHz,CDCl₃),δ(ppm):1.15(t,12H,NCH₂CH₃),3.32(q,8H,NCH₂CH₃),5.98(dd,1H,H₂C=),6.26(dd,2H,Xanthene-H),6.28(dd,1H,=CH),6.48(d,2H,Xanthene-H),6.55(dd,1H,H₂C=),6.59(d,2H,Xanthene-H),6.64(dd,1H,Phen-H),6.94(d,1H,Phen-H),7.10(d,1H,Phen-H),7.19(d,1H,Ar-H),7.53(m,2H,Ar-H),7.98(d,1H,Ar-H),9.17(bs,1H,N=C-H),11.00(bs,1H,Phen-OH)。

核磁共振碳谱测定：¹³C-NMR(100MHz,CDCl₃),δ(ppm):12.6,44.3,45.8,66.4,97.9,105.2,108.1,112.4,116.7,123.3,124.1,127.7,128.0,128.5,129.9,132.1,132.6,133.4,149.1,150.7,151.8,152.6,153.5,159.7,164.1。

罗丹明B基不饱和单体的合成路线如图1所示。

（3）罗丹明B基亲水聚合物的合成：将0.052g罗丹明B基丙烯酸酯、0.96g丙烯酸羟乙酯和2.7mg偶氮二异丁腈溶解在1mL异丙醇中，在惰性气体保护下于65^oC恒温反应2小时。产物在体积比为1:1的乙酸乙酯与石油醚混合液中沉淀，再用异丙醇溶解，重复3次，干燥后得到罗丹明B基亲水聚合物。

实施例2水介质中Cu²⁺的检测

取实施例1所合成聚合物溶于去离子水中，配成浓度为0.12g/L的水溶液作为储备液，其中罗丹明衍生物官能团的浓度为10μM。

取14份3mL储备液作为检测液，向其中分别加入5当量的Ba²⁺、Cd²⁺、Co²⁺、Cr³⁺、Fe²⁺、Fe³⁺、Hg²⁺、Mn²⁺、Na⁺、K⁺、Pb²⁺、Zn²⁺、Cu²⁺和空白，发现只有加入Cu²⁺的检测液发生了由无色到紫红色的颜色变化，实现了对Cu²⁺检测的裸眼识别。分别进行紫外-可见分光光度法测试，除加入Cu²⁺的检测液在561nm处出现强的吸收峰外，加入其它离子的检测液的吸光度均没有太大变化（如图2所示）。向加有其它金属离子的检测液中加入5当量Cu²⁺的，检测液颜色均由无色变为紫红色，图3为检测液在不同干扰金属离子存在下加入Cu²⁺后的相对吸光强度变化柱状图，表明其它金属共存离子并没有明显改变本发明探针对Cu²⁺的检测效果，体现了本发明聚合物探针较强的抗干扰性能。

向加有5当量Cu²⁺的检测液中加入5当量的乙二胺四乙酸根离子，溶液的颜色由加入Cu²⁺之后的紫红色变为无色，吸光度也几乎回到没有加Cu²⁺之前的水平（如图4所示），表明本发明聚合物探针具有良好的可逆性。

取3mL储备液作为检测液加入石英比色皿中，向其中加入不同当量的Cu²⁺，随着加入Cu²⁺当量的增加，溶液颜色由无色变为紫红色，吸光度也随之逐渐增加（如图5所示）。该聚合物探针对Cu²⁺的显色相应时间小于20s，当Cu²⁺达到1.5当量时吸光度即达到最大值（如图6所示），表明该聚合物是一种高效的Cu²⁺显色探针。

实施例3水介质中Cu²⁺检测试纸及其应用

配制实施例1所合成聚合物的甲醇溶液，浓度为0.5g/L，涂覆在3X0.5平方厘米的滤纸表面，晾干。用滤纸蘸取浓度分别为空白、每升含Cu²⁺0.1mg、0.5mg、1mg的水溶液，试纸颜色由无色（空白）分别变为淡红色（0.1mg）、浅红色（0.5mg）、紫红色（1mg）。

本发明基金资助信息：山东省中青年科学家科研奖励基金（BS2012CL009,2011CL011,2011CL012）。

Claims (5)

1.一类增色检测Cu²⁺的罗丹明B基亲水聚合物探针，其特征在于，结构式如下：

式中R₁为H或CH₃；n/(m+n)为0.002~0.05；

制备方法，罗丹明B基不饱和单体通过与水溶性单体的自由基共聚合，步骤如下：

（1）将罗丹明B酰肼和2,4-二羟基苯甲醛加入溶剂中，回流反应，冷却至室温，抽滤，得到2,4-二羟基苯甲醛罗丹明B酰腙，所述溶剂选用无水乙醇或甲醇；

（2）将2,4-二羟基苯甲醛罗丹明B酰腙、不饱和酰氯、缚酸剂加入溶剂中，2,4-二羟基苯甲醛罗丹明B酰腙、不饱和酰氯、缚酸剂的摩尔比为1:1:1.2，室温反应过夜，提纯，得到罗丹明B基不饱和单体；所述溶剂选用二氯甲烷；所述缚酸剂选用三乙胺或吡啶；

（3）将罗丹明B基不饱和单体、水溶性单体和偶氮二异丁腈溶解在溶剂中，所述罗丹明B基不饱和单体与水溶性单体的摩尔比控制在49.9:0.1至19:1的范围内，在惰性气体保护下恒温反应，经沉淀干燥得到目标产物；所述水溶性单体选用丙烯酸羟乙酯或甲基丙烯酸羟乙酯。

2.权利要求1所述的增色检测Cu²⁺的罗丹明B基亲水聚合物探针，其特征在于，步骤（2）所述不饱和酰氯选用丙烯酰氯或甲基丙烯酰氯中的一种。

3.权利要求1所述的增色检测Cu²⁺的罗丹明B基亲水聚合物探针，其特征在于，步骤（3）所述溶剂选用异丙醇。

4.权利要求1所述的增色检测Cu²⁺的罗丹明B基亲水聚合物探针，其特征在于，步骤（3）所述惰性气体选用氮气或氦气。

5.一种水介质中Cu²⁺检测试纸，其特征在于，由权利要求1所述罗丹明B基亲水聚合物探针利用溶剂配成溶液经喷涂或浸覆于基材表面而制成；所述溶剂为水、甲醇、乙醇、异丙醇或它们的混合液；所述基材选用试纸、无纺布、纤维素膜、聚合物膜或淀粉膜；罗丹明B基亲水聚合物探针溶液浓度为0.1g/L~20g/L。