CN104155271B

CN104155271B - 一种含水体系中对i-的高选择性识别的方法

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Publication number: CN104155271B
Application number: CN201410352878.1A
Authority: CN
Inventors: 束庆海; 孙仕超; 金韶华; 陈煜�; 李丽洁; 牛虎
Original assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Current assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Priority date: 2014-07-23
Filing date: 2014-07-23
Publication date: 2016-08-31
Anticipated expiration: 2034-07-23
Also published as: CN104155271A

Abstract

本发明涉及一种含水体系中对I‑的高选择性识别的方法，属于化学传感器及离子识别领域。本发明通过一步合成制备出方酰胺衍生物化学传感器，在含水体系中高效选择性检测I^‑，检测最低限度达到1×10^‑5M。本发明使用紫外‑可见光吸收光谱对I^‑进行识别，方法简单，对环境友好，检测迅速且信号稳定，可用于水环境和生物体系内的I^‑的定性定量检测，适用于环境监测、食品安全和生物检测领域。

Description

一种含水体系中对I-的高选择性识别的方法

技术领域

本发明涉及一种含水体系中对I^-的高选择性识别的方法，特别涉及利用环糊精包合方酰胺衍生物以及壳聚糖掺杂的方法，提高传感器的水溶性、增强传感器的识别信号，通过紫外吸收光谱对I^-进行高效选择性识别。属于化学传感器及离子识别领域。

背景技术

含有卤素的化合物在塑料，食品，农药，摄影等许多领域都有广泛的应用。但是卤素含量过多会造成环境污染。作为一种重要的无机元素，碘不仅对人体的生长发育和新陈代谢起着重要的作用，而且在国防、化工、医药卫生、食品等领域有着不可替代的地位。目前，测定碘离子含量的方法有很多种，大多使用碘离子的荧光淬灭性质、容易发生氧化还原特性对碘离子进行识别，这些方法均有一定的不足，例如检测范围有限、灵敏度不够高、容易受到诸如空气和水等介质的影响。由于碘元素具有易挥发、不稳定、含量低等特点，所以建立一种简便、快速、准确测定碘含量的方法，具有十分重要的意义。

此外，由于传感技术在环境检测、食品检测、医疗卫生等领域中的重要性，为推动分析检测技术在实际应用的广泛开展，化学传感技术要求识别研究的工作条件尽量在含水体系中完成，与实际应用的条件更加接近。

发明内容

本发明的目的是提供一种含水体系中对I^-的高选择性识别的方法，该方法能够在含水体系下高效、快速、高选择性和灵敏度的对I^-进行定性定量检测。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

一种含水体系中检测I^-的方法，具体步骤如下：

步骤一、用有机溶剂将制得的方酰胺衍生物配置为已知浓度的溶液；

步骤二、将I^-加入到步骤一中所用的有机溶剂中，配置成不同浓度的I^-溶液；I^-与方酰胺衍生物1的摩尔比分别为0.5，1，2，5，10，20，50，100；

步骤三、分别测定步骤二所得不同混合溶液的紫外-可见光吸收光谱，将测得的吸收光谱强度值的变化与I^-浓度确定对应关系，即得到利用化合物1通过紫外-可见光吸收光谱定量检测I^-浓度的标准函数y与x的关系式,其中y为所测的含I^-方酰胺传感器最大吸收波长255nm处对应的吸光度，x为样品中I^-的浓度。

(1)当所选方酰胺传感器为方酰胺化合物1时，标准函数为y＝a+bx,a＝0.29,b＝0.0036；

(2)当所选方酰胺传感器为化合物1的β-环糊精包合物时，y＝A2+(A1-A2)/(1+exp((x-x₀)/dx)),A1＝-1.88,A2＝2.32；x₀＝-2.77；dx＝11.78；

(3)当所选方酰胺传感器为化合物1的β-环糊精包合物与普通壳聚糖掺杂产物时，y＝A2+(A1-A2)/(1+exp((x-x₀)/dx)),A1＝-0.41,A2＝2.21；x₀＝4.36；dx＝6.58；

(4)当所选方酰胺传感器为化合物1的β-环糊精包合物与羧甲基壳聚糖掺杂产物时，y＝A2+(A1-A2)/(1+exp((x-x₀)/dx)),A1＝-0.93,A2＝2.48；x₀＝5.38；dx＝10.91；

(5)当所选方酰胺传感器为化合物1的β-环糊精包合物与普通壳聚糖掺杂产物时，y＝A2+(A1-A2)/(1+exp((x-x₀)/dx)),A1＝-0.12,A2＝2.03；x₀＝5.83；dx＝6.18。

步骤四、将含有I^-的待测样品加入到上述有机溶剂中，配制成溶液；然后加入到已知浓度的方酰胺衍生物1溶液中，测定紫外光谱，根据紫外强度的变化和步骤三所得的标准函数确定其中I^-的含量。

所述的有机溶剂为N,N-二甲基甲酰胺(DMF)或者二甲亚砜(DMSO)。

所述方酰胺衍生物的制备方法，具体步骤如下：

将方酸二乙酯和邻苯二胺按摩尔比为1:1加入到容器中，加入甲苯/N,N-二甲基甲酰胺(v/v,19/1)的混合溶剂，加入5％摩尔量的路易斯酸作为反应的催化剂，反应在100～130℃下、10～60r/min的搅拌速度下反应10～15小时，得到红褐色沉淀。用水洗涤后干燥即可得到方酰胺衍生物1。

所述的路易斯酸为三氟甲烷磺酸锌、对甲苯磺酸锌。

反应式如下：

为了增强该传感器的水溶性以及放大对I^-的识别信号，可以用环糊精对步骤一的方酰胺衍生物进行包合，具体方法如下：

室温下配制β-环糊精的饱和水溶液：将所得的方酰胺衍生物1溶于有机溶剂后，逐滴缓慢加入到环糊精的饱和水溶液中，β-环糊精与方酰胺衍生物1的质量比为3.5:1～5:1；室温下搅拌让其反应8～16小时。反应完全后，产物经抽滤、乙醇洗涤数次、干燥所得红褐色沉淀便是环糊精包合物。

所述有机溶剂可以是二氯乙烷、DMF、乙腈、乙醇。

为进一步提高探针的灵敏性，可以使用壳聚糖与得到的环糊精包合物进行混合：把环糊精包合物溶于有机溶剂后，将混合溶液逐滴的加入到壳聚糖的澄清水溶液中，壳聚糖与得到的环糊精包合物的摩尔比为1:1；在70～100℃下搅拌30～50min,最后减压蒸馏即得到产物。

所说有机溶剂可以是DMSO或DMF。

所述壳聚糖分别为普通壳聚糖、羧甲基壳聚糖和季铵盐壳聚糖。

有益效果

1、本发明的一种含水体系中检测I^-的方法，制备方酰胺衍生物这种阴离子识别受体的方法简单、容易操作，反应条件温和，所得产物产率很高。本发明是分别通过用环糊精对该方酰胺衍生物进行包合、壳聚糖与包合物混合来提高传感器分子的水溶性和放大对I^-的检测信号。

2、本发明的一种含水体系中检测I^-的方法，用β-环糊精对该衍生物包合工艺简单，包合物制备过程条件温和，所用β-环糊精价格便宜，得到的包合物明显地增强了该识别受体的水溶性，将识别从有机溶剂转化到含水体系中，更加经济环保。用壳聚糖掺杂包合物操作简单，在提高了传感器溶解性的同时也增强了对I^-的识别灵敏度。

3、在含水体系下高效、快速、高选择性和灵敏度的对I^-进行定性定量检测

附图说明

图1为本发明实施例1中方酰胺衍生物对几种不同阴离子的紫外吸收谱图；

图2为本发明实施例1中方酰胺衍生物随I^-加入摩尔比的紫外吸收谱图；

图3为本发明实施例1中方酰胺衍生物255nm处随I^-加入摩尔比的紫外吸收谱图；

图4为本发明实施例2中环糊精包合方酰胺衍生物随加入I^-摩尔比的紫外吸收谱图；

图5为本发明实施例2中环糊精包合方酰胺衍生物255nm处随加入I^-摩尔比的紫外吸收谱图；

图6为本发明实施例3中普通壳聚糖掺杂包合物对I^-的定量紫外谱图；

图7为本发明实施例3中普通壳聚糖掺杂包合物255nm处对I^-的定量紫外谱图

图8为本发明实施例3中羧甲基壳聚糖掺杂包合物对I^-的定量紫外谱图；

图9为本发明实施例3中羧甲基壳聚糖掺杂包合物255nm处对I^-的定量紫外谱图；

图10为本发明实施例3中季铵盐壳聚糖掺杂包合物传感器对I^-的定量紫外谱图；

图11为本发明实施例3中季铵盐壳聚糖掺杂包合物255nm处对I^-的定量紫外谱图。

具体实施方式

下面结合实例将方酰胺探针分子化合物1的制备以及传感器溶液的配制进行阐述。

实施例1、方酰胺化合物1的合成

将60.0mg邻苯二胺和40.0mg三氟甲烷磺酸锌加入到含甲苯和N,N-二甲基甲酰胺(体积比19/1)的混合溶剂中，充分搅拌溶解后，加入81.3μL方酸二乙酯，油浴加热至100℃后恒温搅拌12小时，得到红褐色沉淀。反应完成后将体系冷却至室温，抽滤并用甲苯洗涤，所得红褐色沉淀即为目标产物。干燥并称重，得产物98mg，产率96％。

实施例2、传感器溶液的配制

分别将方酰胺衍生物1、β-环糊精包合化合物1的产物、化合物1的β-环糊精包合物与三种不同壳聚糖掺杂产物加入到溶剂中配制成浓度为1×10^-5mol/L的溶液。

上述方酰胺衍生物1对应的溶剂为DMSO或DMF；β-环糊精包合化合物1的产物、以及三种不同壳聚糖掺杂后产物对应的溶剂均为DMSO/Tris-ClO₄ ^-(5/95,v/v,pH 7.16)的缓冲溶液。

实施例3、I^-的选择性实例

在配置好的方酰胺衍生物溶液中，分别单独加入以下不同种阴离子：F^-、Cl^-、Br^-、I^-、PF₆ ^-、SO₄ ^2-、CO₃ ^2-、NO₃ ^-和NO₂ ^-，所加入的量均为方酰胺衍生物摩尔量的100倍，在450-190nm波长范围内对以上十种溶液进行紫外吸收光谱测试。从紫外吸收光谱图中能够明显看出，只有含I^-的样品溶液在255nm处对方酰胺的紫外吸收强度有非常显著的增强效果，表现出对I^-的高效选择性(如图1所示)，而含有其他常见阴离子样品表现出非常弱的紫外变化。由此，可以判断出本发明所制备的方酰胺探针对I^-有很好的选择性。

下面结合实例进一步描述本发明对I^-的定量识别检测。

实施例4

为验证本发明亚硝酸根离子的检测方法的准确性和可靠性，采用人工为配制含亚硝酸根离子的试样，其I^-的含量分别为10^-5,2×10^-5，5×10^-5，10^-4，2×10^-4。在充分搅拌均匀后采集紫外吸收光谱，采用本发明检测方法对上述试样的I^-含量进行检测，其检测结果如下表所示。

表一：试样使用方酰胺衍生物1对I^-的定量识别检测

试样	1	2	3	4	5
						理论含量	10^-5	2×10^-5	5×10^-5	10^-4	2×10^-4
检测含量	0.97×10^-5	2.02×10^-5	4.98×10^-5	1.02×10^-4	1.98×10^-4

由表1所示的结果可知，采用本发明方法对I^-含量的实际检测值与制作试样时加入的含量值，即理论含量基本相同，具有较小的误差范围。

实施例5

采用与具体实例1基本相同的检测条件，使用β-环糊精包合探针化合物1对上述配制试样中I^-的定量识别检测，具体结果见下表。

表二：试样使用β-环糊精包合探针化合物1对I^-的定量识别检测

试样	1	2	3	4	5
						理论含量	10^-5	2×10^-5	5×10^-5	10^-4	2×10^-4
检测含量	0.98×10^-5	1.98×10^-5	4.97×10^-5	1.02×10^-4	1.97×10^-4

由表二所示的结果可知，采用本发明方法对I^-含量的实际检测值与制作试样时加入的含量值，即理论含量基本相同，具有较小的误差范围。

实施例6

采用与具体实例1基本相同的检测条件，使用普通壳聚糖掺杂包合物1对上述配制试样中I^-的定量识别检测，具体结果见下表。

表三：试样使用普通壳聚糖掺杂包合物1对I^-的定量识别检测

试样	1	2	3	4	5
						理论含量	10^-5	2×10^-5	5×10^-5	10^-4	2×10^-4
检测含量	0.97×10^-5	2.02×10^-5	5.01×10^-5	1.04×10^-4	1.96×10^-4

由表三所示的结果可知，采用本发明方法对I^-含量的实际检测值与制作试样时加入的含量值，即理论含量基本相同，具有较小的误差范围。

实施例7

采用与具体实例1基本相同的检测条件，使用羧甲基壳聚糖掺杂包合物1对上述配制试样中I^-的定量识别检测，具体结果见下表。

表四：试样使用羧甲基壳聚糖掺杂包合物1对I^-的定量识别检测

试样	1	2	3	4	5
						理论含量	10^-5	2×10^-5	5×10^-5	10^-4	2×10^-4
检测含量	0.99×10^-5	2.02×10^-5	4.97×10^-5	1.04×10^-4	1.98×10^-4

由表四所示的结果可知，采用本发明方法对I^-含量的实际检测值与制作试样时加入的含量值，即理论含量基本相同，具有较小的误差范围。

实施例8

采用与具体实例1基本相同的检测条件，使用季铵盐壳聚糖掺杂包合物1对上述配制试样中I^-的定量识别检测，具体结果见下表。

表五：试样使用季铵盐壳聚糖掺杂包合物1对I^-的定量识别检测

试样	1	2	3	4	5
						理论含量	10^-5	2×10^-5	5×10^-5	10^-4	2×10^-4
检测含量	1.04×10^-5	2.00×10^-5	5.03×10^-5	0.97×10^-4	1.96×10^-4

由表五所示的结果可知，采用本发明方法对I^-含量的实际检测值与制作试样时加入的含量值，即理论含量基本相同，具有较小的误差范围。

由表一至表五所示的结果可知，尽管使用了探针化合物1为基的不同形式的方酰胺传感材料，采用本发明对I^-含量的检测方法仍可以得到较为准确的检测结果，并且具有较小的误差。

实施例3的紫外光谱，显示255nm处传感器的紫外吸光度只有在I^- 存在的情况下明显增强，表现出高度的选择性。对比实施例4和实施例5，包合后的传感器吸光度明显增强。由此说明：通过环糊精的包合，不仅可以有效增强传感器的水溶性，而且可以明显增强紫外吸光度，提高了对I^-的定量分析灵敏度。

实施例6-8中，通过3种不同壳聚糖对环糊精包合物的掺杂，显著提高了传感器本身的紫外吸收强度，改善了对I^-的识别灵敏度。

综合试验数据表明，本发明对I^-含量高选择性检测方法的有益效果是采用成本较低的设备对含水体系中I^-含量进行检测，测量速度快，操作简单、方便，测量结果准确、可靠、重复性好。

Claims

1.一种含水体系中检测I^-的方法，其特征在于：具体步骤如下：

步骤一、用有机溶剂N,N-二甲基甲酰胺或者二甲亚砜将制得的方酰胺衍生物配置为已知浓度的溶液，得到传感器溶液；

步骤二、将I^-加入到步骤一中所用的有机溶剂中，配置成不同浓度的I^-溶液；I^-与方酰胺衍生物的摩尔比分别为0.5，1，2，5，10，20，50，100；

步骤三、分别测定步骤二所得不同混合溶液的紫外-可见光吸收光谱，将测得的吸收光谱强度值的变化与I^-浓度确定对应关系，即得到利用方酰胺衍生物通过紫外-可见光吸收光谱定量检测I^-浓度的标准函数y与x的关系式，y＝a+bx，a＝0.29,b＝0.0036；其中y为所测的含I^-方酰胺传感器最大吸收波长255nm处对应的吸光度，x为样品中I^-的浓度；

步骤四、将含有I^-的待测样品加入到上述步骤一所用的有机溶剂中，配制成溶液；然后加入到已知浓度的方酰胺衍生物溶液中，测定紫外光谱，根据紫外吸收强度的变化和步骤三所得的标准函数确定其中I^-的含量；

所述方酰胺衍生物为方酰胺衍生物1，方酰胺衍生物1的结构式为：

2.如权利要求1所述的一种含水体系中检测I^-的方法，其特征在于：所述方酰胺衍生物1的制备方法为：将方酸二乙酯和邻苯二胺按摩尔比为1:1加入到容器中，加入甲苯/N,N-二甲基甲酰胺体积比为19：1的混合溶剂，加入5％摩尔量的路易斯酸作为反应的催化剂，反应在100～130℃下、10～60r/min的搅拌速度下反应10～15小时，得到红褐色沉淀；用水洗涤后干燥即可得到方酰胺衍生物1。

3.如权利要求2所述的一种含水体系中检测I^-的方法，其特征在于：所述的路易斯酸为三氟甲烷磺酸锌、对甲苯磺酸锌。

4.如权利要求1所述的一种含水体系中检测I^-的方法，其特征在于：方酰胺衍生物替换为β-环糊精包合物，β-环糊精包合物的制备方法为：将所得的方酰胺衍生物1溶于二氯乙烷或DMF或乙腈或乙醇后，逐滴缓慢加入到β-环糊精的饱和水溶液中，β-环糊精与方酰胺衍生物1的质量比为3.5:1～5:1；室温下搅拌让其反应8～16小时；反应完全后，产物经抽滤、乙醇洗涤数次、干燥所得红褐色沉淀便是β-环糊精包合物。

5.如权利要求4所述的一种含水体系中检测I^-的方法，其特征在于：当方酰胺衍生物替换为β-环糊精包合物时，具体步骤如下：

步骤一、用有机溶剂DMSO/Tris-ClO₄ ^-的缓冲溶液将制得的β-环糊精包合物配置为已知浓度的溶液，得到传感器溶液，其中DMSO和Tris-ClO₄ ^-的体积比为5/95，缓冲液pH为7.16；

步骤二、将I^-加入到步骤一中所用的有机溶剂中，配置成不同浓度的I^-溶液；I^-与β-环糊精包合物的摩尔比分别为0.5，1，2，5，10，20，50，100；

步骤三、分别测定步骤二所得不同混合溶液的紫外-可见光吸收光谱，将测得的吸收光谱强度值的变化与I^-浓度确定对应关系，即得到利用β-环糊精包合物通过紫外-可见光吸收光谱定量检测I^-浓度的标准函数y与x的关系式，y＝A2+(A1-A2)/(1+exp((x-x₀)/dx))，A1＝-1.88，A2＝2.32；x₀＝-2.77；dx＝11.78；其中y为所测的含I^-β-环糊精包合物传感器最大吸收波长255nm处对应的吸光度，x为样品中I^-的浓度；

步骤四、将含有I^-的待测样品加入到上述步骤一中所用的有机溶剂中，配制成溶液；然后加入到已知浓度的β-环糊精包合物溶液中，测定紫外光谱，根据紫外吸收强度的变化和步骤三所得的标准函数确定其中I^-的含量。

6.一种含水体系中检测I^-的方法，其特征在于：具体步骤如下：

步骤一、用有机溶剂DMSO/Tris-ClO₄ ^-的缓冲溶液将制得的壳聚糖与权利要求4所述的β-环糊精包合物的混合物配置为已知浓度的溶液，得到传感器溶液，其中DMSO和Tris-ClO₄ ^-的体积比为5/95，缓冲液pH为7.16；

步骤二、将I^-加入到步骤一中所用的有机溶剂中，配置成不同浓度的I^-溶液；I^-与壳聚糖与β-环糊精包合物的混合物的摩尔比分别为0.5，1，2，5，10，20，50，100；

步骤三、分别测定步骤二所得不同混合溶液的紫外-可见光吸收光谱，将测得的吸收光谱强度值的变化与I^-浓度确定对应关系，即得到利用壳聚糖与β-环糊精包合物的混合物通过紫外-可见光吸收光谱定量检测I^-浓度的标准函数y与x的关系式，y＝A2+(A1-A2)/(1+exp((x-x₀)/dx))；其中y为所测的含I^-壳聚糖与β-环糊精包合物的混合物传感器最大吸收波长255nm处对应的吸光度，x为样品中I^-的浓度；

步骤四、将含有I^-的待测样品加入到上述步骤一中所用的有机溶剂中，配制成溶液；然后加入到已知浓度的壳聚糖与β-环糊精包合物的混合物溶液中，测定紫外光谱，根据紫外吸收强度的变化和步骤三所得的标准函数确定其中I^-的含量；所述壳聚糖为普通壳聚糖或羧甲基壳聚糖或季铵盐壳聚糖；当混合物为方酰胺衍生物1的β-环糊精包合物与普通壳聚糖掺杂产物时，y＝A2+(A1-A2)/(1+exp((x-x₀)/dx))，A1＝-0.41，A2＝2.21；x₀＝4.36；dx＝6.58；当混合物为方酰胺衍生物1的β-环糊精包合物与羧甲基壳聚糖掺杂产物时，y＝A2+(A1-A2)/(1+exp((x-x₀)/dx))，A1＝-0.93，A2＝2.48；x₀＝5.38；dx＝10.91；当混合物为方酰胺衍生物1的β-环糊精包合物与季铵盐聚糖掺杂产物时，y＝A2+(A1-A2)/(1+exp((x-x₀)/dx))，A1＝-0.12，A2＝2.03；x₀＝5.83；dx＝6.18。

7.如权利要求6所述的一种含水体系中检测I^-的方法，其特征在于：所述壳聚糖与β-环糊精包合物的混合物的制备方法为：把β-环糊精包合物溶于DMSO或DMF后，将混合溶液逐滴的加入到壳聚糖的澄清水溶液中，壳聚糖与得到的环糊精包合物的摩尔比为1:1；在70～100℃下搅拌30～50min，最后减压蒸馏即得到产物。