CN104059632B - 一种检测微量二氧化碳的荧光试剂及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种荧光检测微量二氧化碳的荧光试剂及制备方法，属于荧光传感器领域。所述荧光试剂由4,4ˊ,4″-(1H-吡咯-1,2,5-三基)三苯甲酸(2-二甲氨基)乙酯(简称TPP-DMAE)、去离子水和良溶剂组成。将TPP-DMAE溶解于N,N-二甲基乙醇胺中，加入催化剂，反应得到TPP-DMAE；将所述TPP-DMAE溶解于去离子水与良溶剂的混合溶剂中得到荧光试剂；所述荧光试剂可定量检测二氧化碳，制备方法简单，操作方便，响应迅速，兼具高灵敏性和高选择性，且具有良好可视化的检出信号，根据实际需要可以完全脱离对于高精仪器的依赖性，将会在很大程度上满足当今人们对于二氧化碳的检测要求。
Description
技术领域
本发明涉及一种检测微量二氧化碳的荧光试剂及制备方法，具体涉及一种用于溶液荧光检测微量二氧化碳的荧光试剂，属于荧光传感器领域。
背景技术
二氧化碳作为大气的组成成分参与了自然界和人体内的碳循环过程，对全球环境以及人体健康具有很大的影响。一方面，二氧化碳既是植物光合作用的主要碳源，又广泛应用于人类的工业生产和日常生活；另一方面，如果不妥善处理与使用，二氧化碳将会给环境和人体带来巨大损害。近几年，由于人类的生产与消耗活动日益加剧，大气中二氧化碳浓度逐渐提高，被认为是导致温室效应的主要因素。另外，人体对于空气中二氧化碳含量极其敏感，二氧化碳含量超过1％就会使人感到眩晕，超过4％，会引起恶心呕吐，呼吸不畅等不良反应，超过6％，大脑严重缺氧，可导致死亡。在某些情况下，人们会不可避免的停留在高浓度二氧化碳环境中(如矿山、地窖、下水道、水井、隧道，对于环境中二氧化碳含量进行灵敏、快速的实时监测，具有极大的实用意义。
以往对于二氧化碳的检测主要有以下几种方法：(1)电化学方法(EC)；(2)红外光谱检测方法(IR)；(3)气相色谱-质谱联用方法(GC-MS)。这些方法早在50多年前已经被人们成熟的运用，然而随着时间推移，人们对于二氧化碳的检测要求越来越高，检测工作常常在超低温、微重力、微环境、高温高压、地下、太空等复杂苛刻的环境下操作，上述传统的检测方法，往往需要精密的仪器设备以及复杂的样品制备过程，耗能较大，成本较高，易受环境的限制和干扰物质的影响，这给检测工作带来极大的不便，其使用会大大受限。(Severinghaus,J.W.；Bradley,A.F.J.Appl.Physiol.1958,13,515-520.Clegg,M.；Sullivan,C.；Eastin,J.PlantPhysiol.1978,62,924-926.Neethirajan,S.，Jayas,D.S.,Sadistap,S.FoodBioprocessTechnol.2009,2,115.Lin,J.Trac-TrendsAnal.Chem.2000,19,541.Wolfbeis,O.S.,Weis,L.J.,Leiner,M.J.P.,Ziegler,W.E.Anal.Chem.1988,60,2028.Hitchman,M.J.,Park,M.U.S.Patent6,365,022,2002.Safinya,K.A.,Tarvin,J.A.U.S.Patent4,994,671,1991.Tchakarov,B.J.DiFoggio,R.,Forgan,S.W.,Fanini,O.N.,Hunziker,J.C.,Civarolo,M.F.U.S.Patent6,218,662,2001.O.S.Wolfbeis,CRCPress,BocaRaton,FL,1991.)。
发明内容
本发明的目的之一在于提供一种检测微量二氧化碳的荧光试剂，所述荧光试剂对二氧化碳具有特异性的荧光响应，对二氧化碳的检测非常快捷，且具有较高的灵敏度和高度的选择性；目的之二在于提供一种检测微量二氧化碳的荧光试剂的制备方法，所述制备方法简单，操作方便。
本发明的目的由以下技术方案实现：
一种检测微量二氧化碳的荧光试剂，所述荧光试剂由4,4',4″-(1H-吡咯-1,2,5-三基)三苯甲酸(2-二甲氨基)乙酯(简称TPP-DMAE)、去离子水和良溶剂组成。
其中，TPP-DMAE的结构式如下：
良溶剂优选四氢呋喃、二甲基亚砜、甲醇和乙腈中的一种；去离子水与良溶剂的体积比优选0.25～99:1；TPP-DMAE的浓度优选10-5～10-3mol/L；
一种检测微量二氧化碳的荧光试剂的制备，所述方法步骤如下：
(1)将4,4',4″-(1H-吡咯-1,2,5-三)三苯甲酸甲酯溶解于N,N-二甲基乙醇胺中，加入催化剂，在40～130℃下反应10～48h，得到TPP-DMAE；
(2)将TPP-DMAE溶解于良溶剂中，得到母液；向所述母液中加入去离子水，混合均匀，得到本发明所述荧光试剂；
其中，步骤(1)所述催化剂优选氢氧化钠；4,4',4″-(1H-吡咯-1,2,5-三)三苯甲酸甲酯、N,N-二甲基乙醇胺与催化剂的质量比优选1:40～133.5:0.01～0.06。
有益效果
(1)所述荧光试剂对于二氧化碳有特异性的荧光响应，TPP-DMAE在高水含量的条件下会产生荧光聚集体，均匀悬浮在混合溶剂中，而二氧化碳会与TPP-DMAE侧链的二甲氨基反应生成水溶性的弱酸弱碱盐，荧光聚集体逐渐解体，返回溶液态，使荧光试剂的荧光信号大大降低；
(2)所述荧光试剂对二氧化碳检测具有较高的灵敏度，当纯二氧化碳气体占荧光试剂千分之一体积时即有荧光猝灭响应；而对于二氧化碳与空气混合体系，二氧化碳含量为0.4％即有荧光猝灭响应；
(3)所述荧光试剂抗干扰性较强，对于N2、O2、Ar及空气均无明显的荧光响应，体现了其对二氧化碳的高度选择性；
(4)所述荧光试剂对于二氧化碳的检测非常快捷，二氧化碳气体溶于水后生成的碳酸与TPP-DMAE发生酸碱中和反应导致TPP-DMAE聚集体解体，聚集程度降低，该反应和聚集体解体的过程都非常迅速，荧光试剂的荧光强度几乎在鼓入二氧化碳气体的同时就显著降低，有立竿见影的猝灭效果。
(5)本发明所述荧光试剂的制备方法简单，操作方便，
附图说明
图1为以下实施例中的荧光检测机理示意图；
图2为实施例1在TPP-DMAE荧光试剂中加入不同气体后的荧光谱图，从左到右依次是空白、CO2、N2、Ar、O2及空气；
图3为实施例2中TPP-DMAE荧光试剂的荧光强度随时间变化曲线；
图4为实施例3中TPP-DMAE荧光试剂在不同二氧化碳体积下的荧光谱；
图5为实施例3中TPP-DMAE荧光试剂的标准曲线；
图6为实施例4中向TPP-DMAE荧光试剂中鼓入二氧化碳量和空气的混合气体的荧光强度随二氧化碳含量变化曲线；
其中，I为加入气体后的荧光强度，I0为空白荧光试剂的荧光强度。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例来详述本发明，但不限于此。
以下实施例中提到的主要试剂信息见表1；主要仪器与设备信息见表2。
表1
表2
以下实施例中的荧光检测机理示意图如图1所示，所述荧光试剂中的TPP-DMAE具有聚集诱导发光增强的特性，因而荧光试剂发光较强，鼓入二氧化碳气体后，二氧化碳溶于水形成的碳酸与TPP-DMAE发生酸碱中和反应，导致TPP-DMAE聚集体解聚，聚集程度降低，荧光猝灭。
实施例1
(1)TPP-DMAE的制备
将100mg的4,4',4″-(1H-吡咯-1,2,5-三)三苯甲酸甲酯溶于10mL的N,N-二甲基乙醇胺(8.9g)中，加入3mg氢氧化钠固体，升温至70℃反应24h，制备得到白色固体粉末；通过核磁共振波谱仪和质谱仪表征得到固体粉末的核磁氢谱和质谱数据如下：
1H-NMR(400MHz,CDCl3)δ(ppm):7.98-7.96(d,2H),7.87-7.85(d,4H),7.09-7.07(d,6H),6.60(s,2H),4.50(d,6H),2.87(d,6H),2.47(d,18H).MS(MALDI-TOF):calcd.forC37H444O6,640.3；found,641.3；
说明固体粉末是本发明所述的TPP-DMAE。
(2)TPP-DMAE荧光试剂的制备
将16mgTPP-DMAE溶于20mL四氢呋喃中，制成浓度为1.25×10-3M的母液。取16mL母液加入样品瓶中，再向样品瓶中加入4mL去离子水，振荡均匀，得到TPP-DMAE荧光试剂，浓度为10-3mol/L；
(3)选择性识别试验
分别取3mLTPP-DMAE荧光试剂，分别鼓入100μL的CO2、N2、Ar、O2和空气，用荧光分光光度计测量TPP-DMAE荧光试剂及鼓入气体后的荧光信号(激发波长为300nm)；由图2可知，荧光试剂对二氧化碳具有特异性猝灭响应，而对N2、Ar、O2和空气均无明显变化。
实施例2
(1)TPP-DMAE的制备
将100mg的4,4',4″-(1H-吡咯-1,2,5-三)三苯甲酸甲酯溶于4.5mL的N,N-二甲基乙醇胺(4.0g)中，加入1mg氢氧化钠固体，升温至130℃反应10h，制备得到白色固体粉末；通过核磁共振波谱仪和质谱仪表征得到固体粉末的核磁氢谱和质谱数据如下：
1H-NMR(400MHz,CDCl3)δ(ppm):7.98-7.96(d,2H),7.87-7.85(d,4H),7.09-7.07(d,6H),6.60(s,2H),4.50(d,6H),2.87(d,6H),2.47(d,18H).MS(MALDI-TOF):calcd.forC37H444O6,640.3；found,641.3；
说明固体粉末是本发明所述的TPP-DMAE。
(2)TPP-DMAE荧光试剂的制备
将6.4mgTPP-DMAE溶于10mL四氢呋喃中，制成浓度为10-3M的母液。取0.03mL母液加入样品瓶中，再向样品瓶中加入2.97mL去离子水，振荡均匀，得到TPP-DMAE荧光试剂，浓度为10-5mol/L。
(3)检出时间试验
取3mL的TPP-DMAE荧光试剂，首先用荧光分光光度计测量鼓入二氧化碳之前的空白荧光试剂的荧光强度(激发波长为300nm)，然后向其中鼓入100μL的二氧化碳，立刻测其荧光强度，随后每隔6秒测一次荧光强度直到该荧光试剂的荧光强度不再发生明显变化为止，由图3可知，TPP-DMAE荧光试剂对于二氧化碳的检测非常快捷，在12s内荧光强度即降低了约80％。
实施例3
(1)TPP-DMAE的制备
将100mg的4,4',4″-(1H-吡咯-1,2,5-三)三苯甲酸甲酯溶于15mL的N,N-二甲基乙醇胺(13.4g)中，加入6mg氢氧化钠固体，升温至40℃反应48h，制备得到白色固体粉末；通过核磁共振波谱仪和质谱仪表征得到固体粉末的核磁氢谱和质谱数据如下：
1H-NMR(400MHz,CDCl3)δ(ppm):7.98-7.96(d,2H),7.87-7.85(d,4H),7.09-7.07(d,6H),6.60(s,2H),4.50(d,6H),2.87(d,6H),2.47(d,18H).MS(MALDI-TOF):calcd.forC37H444O6,640.3；found,641.3；
说明固体粉末是本发明所述的TPP-DMAE。
(2)TPP-DMAE荧光试剂的制备
将6.4mgTPP-DMAE溶于10mL四氢呋喃中，制成浓度为10-3M的母液。取0.3mL母液加入样品瓶中，再向样品瓶中加入2.7mL去离子水，振荡均匀，得到TPP-DMAE荧光试剂，浓度为10-4mol/L。
(3)定量检测试验
取3mL的TPP-DMAE荧光试剂，每次鼓入3μL的二氧化碳气体，鼓入二氧化碳气体的总量为81μL，用荧光分光光度计测量TPP-DMAE荧光试剂及每次鼓入气体后的荧光信号(激发波长为300nm)；在最大发射波长430nm处取其峰值对二氧化碳体积的平方作图，得到指数拟合的TPP-DMAE的荧光强度标准曲线如图4，由图4可知，荧光降低比在二氧化碳占检测体系体积0.1％～2.7％范围内呈现指数关系：y(荧光降低比)＝0.8071×exp(-[CO2]2/1364.93)-0.9405,R2＝0.9955，根据拟合的指数方程，可实现对微量纯二氧化碳的定量检测；其中，[CO2]表示鼓入二氧化碳的体积，R代表线性相关度。
实施例4
(1)TPP-DMAE的制备
将100mg的4,4',4″-(1H-吡咯-1,2,5-三)三苯甲酸甲酯溶于10mL的N,N-二甲基乙醇胺中，加入3mg氢氧化钠固体，升温至70℃反应24h，制备得到白色固体粉末；通过核磁共振波谱仪和质谱仪表征得到固体粉末的核磁氢谱和质谱数据如下：
1H-NMR(400MHz,CDCl3)δ(ppm):7.98-7.96(d,2H),7.87-7.85(d,4H),7.09-7.07(d,6H),6.60(s,2H),4.50(d,6H),2.87(d,6H),2.47(d,18H).MS(MALDI-TOF):calcd.forC37H444O6,640.3；found,641.3；
说明固体粉末是本发明所述的TPP-DMAE。
(2)TPP-DMAE荧光试剂的制备
将6.4mgTPP-DMAE溶于10mL四氢呋喃中，制成浓度为10-3M的母液。取3mL母液加入样品瓶中，再向样品瓶中加入27mL去离子水，振荡均匀，得到TPP-DMAE荧光试剂，浓度为100μM。
(3)TPP-DMAE荧光试剂对不同二氧化碳含量混合气体的响应
将二氧化碳和空气在24℃，标准大气压下按不同体积比混合，得到二氧化碳含量不同的混合气体，以二氧化碳和空气的总体积为100％计，其中，二氧化碳所占比例分别为0.4％、0.5％、1％、2％、3％、4％和5％；分别取3mL的TPP-DMAE荧光试剂，鼓入1mL所述混合气体；用荧光分光光度计测量TPP-DMAE荧光试剂及鼓入二氧化碳含量不同的混合气体后的荧光信号(激发波长为300nm)，由图5可知，二氧化碳含量为0.4％时即有响应，且荧光强度降低比与混合气体中二氧化碳含量在0％～5％范围内呈现线性关系：y(荧光强度降低比)＝-0.03151-0.16818×fCO2(混合气体中二氧化碳含量)，R2＝0.9922。
本发明包括但不限于以上实施例，凡是在本发明精神的原则之下进行的任何等同替换或局部改进，都将视为在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种检测微量二氧化碳的荧光试剂的制备方法，其特征在于：所述方法步骤如下：
(1)将4,4′,4″-(1H-吡咯-1,2,5-三)三苯甲酸甲酯溶解于N,N-二甲基乙醇胺中，加入催化剂，在40～130℃下反应10～48h，得到TPP-DMAE；
(2)将TPP-DMAE溶解于良溶剂中，得到母液；向母液中加入去离子水，混合均匀，得到所述荧光试剂；
其中，TPP-DMAE是4,4′,4″-(1H-吡咯-1,2,5-三基)三苯甲酸(2-二甲氨基)乙酯的简称。
2.根据权利要求1所述的一种检测微量二氧化碳的荧光试剂的制备方法，其特征在于：所述TPP-DMAE的结构式如下：
3.根据权利要求1所述的一种检测微量二氧化碳的荧光试剂的制备方法，其特征在于：所述良溶剂为四氢呋喃、二甲基亚砜、甲醇和乙腈中的一种。
4.根据权利要求1所述的一种检测微量二氧化碳的荧光试剂的制备方法，其特征在于：所述去离子水与良溶剂的体积比为0.25～99:1；TPP-DMAE的浓度为10-5～10-3mol/L。
5.根据权利要求1所述的一种检测微量二氧化碳的荧光试剂的制备方法，其特征在于：催化剂为氢氧化钠。
6.根据权利要求1所述的一种检测微量二氧化碳的荧光试剂的制备方法，其特征在于：4,4′,4″-(1H-吡咯-1,2,5-三)三苯甲酸甲酯、N,N-二甲基乙醇胺与催化剂的质量比为1:40～133.5:0.01～0.06。
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Granted publication date: 20160525 Termination date: 20210617 |