CN104311568A - 一种荧光素酰肼衍生物、制备方法,改性TiO2功能材料、制备方法及传感器 - Google Patents

一种荧光素酰肼衍生物、制备方法,改性TiO2功能材料、制备方法及传感器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种荧光素酰肼衍生物、制备方法，改性TiO2功能材料、制备方法及传感器，该荧光素酰肼衍生物的结构通式如式1所示，其中，R为CnH2n，n为1～5的整数。本发明的荧光素酰肼衍生物，是一种新的荧光分子探针，其与现有的苯环上带有羟基的荧光素酰肼相比，羟基上的氢被带有端羧基的碳链所取代，从而使衍生物的苯环上连接有带端羧基的基团；该端羧基可通过氨基硅氧烷基连接在半导体材料上制成功能材料，实现电化学方法对二价铜离子的定量检测；同时，用于与氨基硅氧烷基连接的端羧基在制备及连接时，均不会对该衍生物中用于与铜离子结合的部分结构产生影响，保证了该衍生物与铜离子的结合性能。

Description

一种荧光素酰肼衍生物、制备方法,改性TiO2功能材料、制备方法及传感器
技术领域
本发明荧光传感器技术领域，具体涉及一种荧光素酰肼衍生物及其制备方法，同时还涉及一种改性TiO2功能材料、制备方法及使用该功能材料制备的传感器。 
背景技术
铜元素是生物体内必须的微量重金属元素和必要的营养素，在细胞中的含量仅次于锌和铁，在各种有机体的基本生理过程中发挥着重要的作用。铜离子在生物体内的含量很小，但是缺乏铜可导致生物体生长和代谢的紊乱，铜离子含量过多同样也会对生物体产生巨大的毒害作用，因此寻求一种快速灵敏简便的铜离子检测方法在生物研究和医学诊断中具有重要的意义。目前，检测Cu2+的方法主要有原子吸收光谱法、电感耦合等离子体-质谱法、电感耦合等离子体-原子发射光谱法等，这些方法大多需要昂贵的大型分析设备，不宜现场操作。相对而言，电化学方法设备简单、价格低廉、灵敏度高，相对于上述方法，具有较明显的优势。 
荧光素及其衍生物有机物分子具有较好的水溶性，并且应用的pH范围宽，以荧光素为基础的探针技术在蛋白质、核酸及细胞、小分子检测等方面显现出了巨大的潜力。其中，含内酰胺基团的荧光素衍生物中由于胺中N原子上具有孤对电子，它可以和Cu2+的空轨道发生配位，因此有利于配位作用识别铜离子。但是，目前关于有机分子识别金属离子的检测方法主要是荧光法和色谱法，这些方法多数只是定性检测，少数定量检测也存在检测范围较窄，准确度不高的问题。 
现有技术中，专利CN102443388B公开了一种试剂及其在检测二价铜离子中的应用，该试剂为荧光素衍生物：二吡啶甲醛荧光素酰腙，是由荧光素酰肼与2-吡啶甲醛合成的；该试剂借助紫外分光光度计或荧光分光光度计定量检测二价铜离子，由于该试剂与检测方法本身的局限性，其检测范围(检测限)仅达到10-3mol/L。专利CN102127421A公开了一种铜离子和汞离子荧光分子探针，是以罗丹明B、水合肼、甲醛等为原料合成的；该荧光分子探针借助荧光分光光度计定量检测铜离子的浓度，其检测范围(检测限)为10-6mol/L。上述方法均是基于对荧光强度的测定来定量检测铜离子，其存在以下问题：由于荧光的淬灭性，该方法检测准确度及灵敏度不高；需要借助荧光光度计等大型检测设备，检测速度较慢且检测设备成本较高、携带不便；最高检测限仅为μmol/L级别，对于极痕量的铜离 子便无法检测。那么，如何将含内酰胺基团的分子探针与简单易行的电化学方法相结合，快速准确的定量检测Cu2+，是目前亟待解决的问题。 
发明内容
本发明的目的是提供一种荧光素酰肼衍生物，可作为分子探针用电化学的方法快速准确的定量检测Cu2+。 
本发明的第二个目的是提供一种荧光素酰肼衍生物的制备方法。 
本发明的第三个目的是提供一种改性TiO2功能材料。 
本发明的第四个目的是提供一种改性TiO2功能材料的制备方法。 
本发明的第五个目的是提供一种使用上述改性TiO2功能材料制备的传感器。 
为了实现以上目的，本发明所采用的技术方案是：一种荧光素酰肼衍生物，其结构通式如式1所示： 
其中，R为CnH2n，n为1～5的整数。 
该荧光素酰肼衍生物记为荧光素酰肼3,6-二乙酸。 
一种上述的荧光素酰肼衍生物的制备方法，包括下列步骤： 
1)取荧光素酰肼、碳酸钾加入第一溶剂中，搅拌溶解后，再加入溴酸酯进行反应，反应结束后分离提纯，得中间产物； 
2)取步骤1)所得中间产物溶于第二溶剂中，加入碱进行反应，反应结束后调节反应体系的pH为6～7，除去第二溶剂，即得所述荧光素酰肼衍生物。 
步骤1)中，所述第一溶剂为正丁醇或N,N-二甲基甲酰胺(DMF)。 
所述第一溶剂的用量为：每1g荧光素酰肼加入第一溶剂50～150ml。 
步骤1)中，所述荧光素酰肼与碳酸钾的摩尔比为1:2～7。 
步骤1)中，所述搅拌是指加热至110～160℃进行回流搅拌。优选的，当第一溶剂为正丁醇时，加热至110～130℃进行回流搅拌；当第一溶剂为N,N-二甲基甲酰胺时，加热至140～160℃进行回流搅拌。 
步骤1)中，所述溴酸酯的结构通式为BrR1COOR2；其中，R1为CnH2n，n为1～5的整数；R2为CmH2m+1，m为1～2的整数。 
所述溴酸酯的加入量为：荧光素酰肼与溴酸酯的摩尔比为1:2～10。 
步骤1)中，利用薄层色谱法(TLC)确定反应是否结束。所述分离提纯是采用柱色谱进行分离提纯后再进行减压蒸馏。 
步骤2)中，所述第二溶剂为甲醇。 
所述第二溶剂的用量为：每1g中间产物加入第二溶剂20～60ml。 
步骤2)中，所述碱为氢氧化钠或氢氧化钾。 
步骤2)中，中间产物与碱的摩尔比为1:2～4。 
步骤2)中，所述反应的时间为1～2h。采用盐酸调节pH。除去第二溶剂的方法是减压蒸馏。 
所述荧光素酰肼是由以下方法制备的：取荧光素加入无水乙醇中，在85～110℃条件下回流使荧光素溶解，后加入水合肼，搅拌回流进行反应，反应完全后进行重结晶提纯，即得所述荧光素酰肼。其中，搅拌回流的时间为3～5h。采用薄层色谱法(TLC)检测反应是否完全。 
其中，所用荧光素的结构式如式3所示： 
所述无水乙醇的用量为：每1g荧光素加入无水乙醇5～15ml。 
荧光素与水合肼的摩尔比为1:5～50。 
荧光素酰肼的结构式如式4所示： 
一种改性TiO2功能材料，包括TiO2纳米颗粒，所述TiO2纳米颗粒表面连接有结构通 式如式2所示的基团A： 
其中，R为CnH2n，n为1～5的整数；R3为硅氧烷基。 
所述R3为丙基硅氧烷基。 
所述基团A是由带端氨基的硅氧烷基与荧光素酰肼衍生物反应制成的。带端氨基的硅氧烷基的端氨基与荧光素酰肼衍生物的羧基缩合形成酰胺键。 
一种上述的改性TiO2功能材料的制备方法，包括下列步骤： 
a)将TiO2纳米颗粒分散在分散剂中，再加入带有端氨基的硅氧烷，加热搅拌后，除去分散剂，得连接有带端氨基硅氧烷基的TiO2纳米颗粒； 
b)将荧光素酰肼衍生物、步骤a)所得连接有带端氨基硅氧烷基的TiO2纳米颗粒加入EDC/NHS溶液中，静置、洗涤、干燥，即得改性TiO2功能材料。 
步骤a)中，所述分散剂为水、乙醇或二氯甲烷。 
所述分散剂的用量为：每1g TiO2纳米颗粒加入分散剂5～10ml。 
步骤a)中，所述带有端氨基的硅氧烷为3-氨丙基三甲氧基硅烷或3-氨丙基甲基二甲氧基硅烷。 
步骤a)中，每1g的TiO2纳米颗粒加入0.1～0.5ml的带有端氨基的硅氧烷。 
步骤a)中，所述加热是指在90min内，从室温加热至45～70℃。所述搅拌的时间为30～50min。除去分散剂的方法是减压蒸馏。 
步骤b)中，所述EDC/NHS溶液是将652mg的EDC(1-(3-二甲基氨基丙基)-3-乙基碳化二亚胺)和155mg的NHS(N-羟基丁二酰亚胺)溶于10ml、pH为7.4的PBS溶液制成的。 
步骤b)中，荧光素酰肼衍生物与连接有带端氨基硅氧烷基的TiO2纳米颗粒的质量比为0.1～2:0.01。 
所述TiO2纳米颗粒的粒径范围为
所述TiO2纳米颗粒是由溶胶凝胶法制备的，具体包括下列步骤： 
i)取钛酸丁酯加入无水乙醇中，搅拌使其充分水解，得混合物A； 
ii)将蒸馏水、无水乙醇与冰醋酸混合制成的混合物B加入混合物A中，搅拌，得TiO2溶胶； 
iii)将TiO2溶胶进行烧结，即得TiO2纳米颗粒。 
其中，步骤i)中，钛酸丁酯与无水乙醇的体积比为1:3～7。钛酸丁酯与乙醇生成TiO(OH)2，形成凝胶状物质。 
步骤ii)中，混合物B中，蒸馏水、无水乙醇与冰醋酸的体积比为1:5～8:2～8。 
步骤iii)中，所述烧结温度为450～550℃，时间为2.5～3h。 
一种传感器，是上述的改性TiO2功能材料涂覆在金电极上制成的。 
本发明的荧光素酰肼衍生物，其结构如式1所示，是一种新的荧光分子探针，其与现有的苯环上带有羟基的荧光素酰肼(式4)相比，羟基上的氢被带有端羧基的碳链所取代，从而使衍生物的苯环上连接有带端羧基的基团；该端羧基可通过氨基硅氧烷基连接在半导体材料上制成功能材料，实现电化学方法对二价铜离子的定量检测；同时，用于与氨基硅氧烷基连接的端羧基在制备及连接时，均不会对该衍生物中用于与铜离子结合的部分结构(CON-NH2)产生影响，保证了该衍生物与铜离子的结合性能。 
本发明的荧光素酰肼衍生物的制备方法，是以荧光素酰肼(式4)、水合肼为原料，合成中间产物后再与碱反应制成荧光素酰肼衍生物；该制备方法只对连接部分的结构进行取代，而不影响用于与铜离子结合的部分结构(CON-NH2)，既保证了该衍生物与铜离子的结合性能，又使其具有连接基团，便于后期与半导体材料的连接。 
本发明的改性TiO2功能材料，是在TiO2纳米颗粒表面连接有基团A，基团A是由氨基硅氧烷基的端氨基与荧光素酰肼衍生物的羧基键合成酰胺基形成的；TiO2纳米颗粒为半导体材料，在电化学测试时可控制界面电子转移阻抗维持在较低的水平，有利于对Cu2+的检测；TiO2纳米颗粒具有巨大的比表面积，易于促进装置与介质之间的接触及发生在表面或界面之间的相互作用；同时，TiO2纳米颗粒具有优良的生物相容性，通过氨基硅氧烷基将其与水溶性较好的荧光素酰肼衍生物组装在一起，使其与荧光分子探针协同作用，通过分子探针与铜离子的结合，产生电信号，实现电化学的方法定量检测Cu2+；其对Cu2+的定量检测灵敏度和准确度高，对Cu2+具有很好的选择性，是一种性能优异的传感材料。 
本发明的改性TiO2功能材料的制备方法，是先将带有端氨基的硅氧烷组装到TiO2纳 米颗粒表面，再加入荧光素酰肼衍生物使其羧基与氨基硅氧烷基的氨基键合而成的；该方法以氨基硅氧烷为“桥梁”，将TiO2纳米颗粒与荧光素酰肼衍生物组装在一起，实现了对TiO2材料的改性；所得TiO2功能材料可通过电化学的方法定量检测Cu2+；该制备方法工艺简单，操作方便，成本低，适合大规模工业化生产。 
本发明的传感器，是将改性TiO2功能材料涂覆在金电极上制成的，可利用电化学的交流阻抗法，根据分子结构改变对液-固界面电子转移阻抗的影响，定量检测液体中Cu2+的浓度；该传感器对Cu2+检测的最低检测限为2.566×10-12mol/L，具有极高的灵敏度和准确性；同时，对Cu2+检测有很高的选择性，尤其是在极痕量的情况下(10-8mol/L)，对Cu2+的ΔRct值仍高于其他离子(如K+、Na+、Ag+、Ni+、Mn2+、Zn2+、Mg2+、Fe3+等)约50倍。 
附图说明
图1为实施例1的荧光素酰肼衍生物的合成路线图； 
图2为实施例2的改性TiO2功能材料的合成路线图； 
图3为实施例2中氨基硅氧烷与二氧化钛纳米颗粒的成键过程示意图； 
图4为实施例2所得荧光素酰肼衍生物改性TiO2功能材料的FT-IR图，其中，TiO2NPs为二氧化钛纳米颗粒；TiO2NPs-APTMS为连接有带端氨基硅氧烷基的TiO2纳米颗粒；TiO2NPs-FH为荧光素酰肼衍生物改性TiO2功能材料；FH为荧光素酰肼衍生物； 
图5为实施例2所得荧光素酰肼衍生物改性TiO2功能材料的XRD图，其中，TiO2为二氧化钛纳米颗粒；TiO2-APTMS为连接有带端氨基硅氧烷基的TiO2纳米颗粒；TiO2-FH为荧光素酰肼衍生物改性TiO2功能材料； 
图6为实施例2所得改性TiO2功能材料结合Cu2+的反应原理示意图； 
图7为实施例3所得传感器Au-(4-TiO2)与Cu2+反应电化学信号测试结果； 
图8为实施例3所得传感器Au-(4-TiO2)在不同浓度Cu2+溶液中的浓度梯度EIS图； 
图9为基于图8的ΔRct值拟合曲线图； 
图10为实施例3所得传感器Au-(4-TiO2)对Cu2+的选择性测试结果示意图； 
图11为实施例9所得传感器Au-TiO2-AFH与Cu2+反应电化学信号测试结果； 
图12为实施例9所得传感器Au-TiO2-AFH在不同浓度Cu2+溶液中的浓度梯度EIS图； 
图13为基于图12的ΔRct值拟合曲线图； 
图14为实施例9所得传感器Au-TiO2-AFH对Cu2+的选择性测试结果示意图。 
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明。 
实施例1 
本实施例的荧光素酰肼衍生物，其结构式如式5所示： 
本实施例的荧光素酰肼衍生物的制备方法，包括下列步骤(合成路线如图1所示)： 
1)量取20ml的无水乙醇置于三颈烧瓶中，称量2g的荧光素(结构式如式3所示)加入三颈烧瓶中，调节温度至110℃并回流使荧光素溶解，当荧光素溶解后，缓慢加入水合肼，荧光素与水合肼的摩尔比为1:30，然后磁力搅拌回流3h后，利用薄层色谱法检测反应是否完全，待反应完全，重结晶提纯，得到荧光素酰肼(结构式如式4所示)； 
2)取步骤1)所得荧光素酰肼0.6g、碳酸钾加入中三颈瓶中，荧光素酰肼与碳酸钾的摩尔比为1:3，量取60ml的正丁醇加入三颈瓶中，升高温度到130℃，磁力回流搅拌，当荧光素酰肼完全溶解后，取溴乙酸乙酯逐滴加入到三颈瓶中进行反应，荧光素酰肼与溴乙酸乙酯的摩尔比为1:5，用薄层色谱法确定反应终点后，用柱色谱法分离提纯，减压蒸馏后干燥，得中间产物(结构式如图1中式6所示)； 
3)取0.5g的步骤2)所得中间产物溶于20ml的无水甲醇中，完全溶解后加入浓度为1mol/L的NaOH溶液，中间产物与NaOH的摩尔比为1:2，搅拌反应1h，反应结束后加入浓度为1mol/L的盐酸调节反应体系的pH为6～7，减压蒸馏除去甲醇，用去离子水洗涤三次后真空干燥，即得所述荧光素酰肼衍生物(结构式如式5所示)。 
实施例2 
本实施例的改性TiO2功能材料，包括TiO2纳米颗粒，所述TiO2纳米颗粒表面连接有结构式如式7所示的基团A-1： 
所述化合物A-1是由3-氨丙基三甲氧基硅烷与实施例1所得荧光素酰肼衍生物反应制成的。3-氨丙基三甲氧基硅烷的端氨基与实施例1所得荧光素酰肼衍生物的羧基缩合形成酰胺键。 
本实施例的改性TiO2功能材料的制备方法，包括下列步骤(合成路线如图2所示)： 
a)将1g的TiO2纳米颗粒分散在5ml的二氯甲烷中，再加入0.3ml的3-氨丙基三甲氧基硅烷，搅拌，同时在90min内从室温加热至50℃后保温搅拌30min，后减压蒸馏除去二氯甲烷，得连接有带端氨基硅氧烷基的TiO2纳米颗粒； 
氨基硅氧烷与二氧化钛纳米颗粒的成键过程示意图如图3所示。从图3可以看出，二氧化钛颗粒表面带有羟基，硅甲氧基水解生成的硅醇以氢键吸附在二氧化钛表面，然后发生缩合反应，硅氧烷在二氧化钛表面形成硅醚键。 
b)将0.24g的实施例1所得荧光素酰肼衍生物加入EDC/NHS溶液中，静置1h后，再加入步骤a)所得连接有带端氨基硅氧烷基的TiO2纳米颗粒0.01g，静置1h后，分别用乙醇、水洗涤，干燥、研磨，即得荧光素酰肼衍生物改性TiO2功能材料(纳米颗粒)。 
其中，步骤a)所用TiO2纳米颗粒是由溶胶凝胶法制备的，具体包括下列步骤： 
i)取150ml无水乙醇加入锥形瓶中，搅拌条件下，取30ml钛酸丁酯(Ti(OCH2CH2CH2CH3)4)缓慢滴入无水乙醇中，滴完后持续搅拌40min使钛酸丁酯充分水解，得混合物A； 
ii)取5ml蒸馏水、35ml无水乙醇、15ml冰醋酸混合制成的混合物B，将混合物B逐滴滴加入混合物A中，搅拌40min，得淡黄色澄清TiO2溶胶； 
iii)将TiO2溶胶置于马弗炉中，升温至550℃，烧结3h，即得TiO2实心纳米颗粒。 
步骤b)中，所述EDC/NHS溶液是将652mg的EDC(1-(3-二甲基氨基丙基)-3-乙基碳化二亚胺)和155mg的NHS(N-羟基丁二酰亚胺)溶于10ml、pH为7.4的PBS溶液制成的。 
本实施例所得荧光素酰肼衍生物改性TiO2功能材料的FT-IR图和XRD图分别如图4、5所示。 
从图4可以看出，TiO2的红外图谱中～3400cm-1是TiO2表面羟基的伸缩振动峰，～488cm-1是Ti-O-Ti的振动吸收峰，这两个峰在改性的每个阶段都有。氨基硅氧烷改性TiO2后，在1102cm-1、1022cm-1和930cm-1出现对应于Si-O-H和Si-O-Si的吸收峰，在910cm-1和844cm-1出现对应于Si-O-H和TiO2表面-OH峰，而3363cm-1和1656cm-1是N-H和NH2产生的吸收峰，这些峰值在荧光素酰肼改性后依然存在；荧光素酰肼改性后的TiO2功能材料出现了荧光素酰肼分子中属于-CH2基团的2931cm-1、2865cm-1和1473cm-1，苯环吸收峰1611cm-1、1587cm-1和1496cm-1，和Ar-CO在1699cm-1的吸收峰。 
图5中，从材料的XRD图谱可看出，TiO2和TiO2-APTMS在2θ＝25.1、38.2、48.0、53.5、55.3、62.7、70.1和75.0分别是锐钛矿的(101)、(004)、(200)、(105)、(211)、(204)、(220)和(215)。荧光素酰肼改性后的TiO2功能材料则呈现出不定形状态。综合图4、图5可知得到的材料符合目标产物的特性，确定为目标产物。 
实施例3 
本实施例的传感器，是将实施例2所得荧光素酰肼衍生物改性TiO2功能材料(纳米颗粒)旋涂到金电极上制得的。 
本实施例的传感器在检测Cu2+方面的应用，具体为：采用所述的传感器，用交流阻抗法检测Cu2+。 
实施例2所得荧光素酰肼衍生物改性TiO2功能材料结合Cu2+的反应原理示意图如图6所示。 
对本实施例所得传感器检测Cu2+的效果进行测试。测试内容包括电化学信号测试、最低检测限测试和选择性测试。 
电化学测试所用仪器为电化学工作站660D(上海辰华)，测试方法为交流阻抗法(EIS)，电解液为5mM K3[Fe(CN)6]/K4[Fe(CN)6](1:1)的PBS(pH＝7.4，0.1M KCl)，扫描频率范围为0.01Hz到100kHz，扫描电压为50mV。 
其中，Au为裸电极(金电极)，4-TiO2为实施例2所得荧光素酰肼衍生物改性TiO2功 能材料；Au-(4-TiO2)为实施例3所得传感器；Au-(4-TiO2)-Cu2+为与Cu2+结合后的传感器。 
Au-(4-TiO2)与Cu2+反应电化学信号测试结果如图7所示。从图7可以看出，Au-(4-TiO2)的Rct值(105ohm)比Au的Rct值(98ohm)稍大，即4-TiO2表面的电荷转移阻抗变小，有利于电极与电解液界面的电子转移。与Cu2+(10-8M)结合后Au-(4-TiO2)-Cu2+的Rct值(7123ohm)显著增大，及与Cu2+结合后电极与与电解液界面的电子转移困难，界面阻抗增大。 
Au-(4-TiO2)对Cu2+的最低检测限测试结果如图8、9所示。图8是Au-(4-TiO2)在不同浓度Cu2+溶液中的浓度梯度EIS图；所检测的Cu2+浓度分别为10-12M、10-11M、10-10M、10-9M、10-8M、10-7M、10-6M、10-5M。图9是基于图8的浓度梯度所得的ΔRct值拟合曲线图。拟合得到的函数为ΔRct＝36.88+3.18lg CCu 2+，计算得出最低检测限为2.566x10-12M(即0.002566nM)。 
Au-(4-TiO2)对Cu2+的选择性测试结果如图10所示。图10中，Cu2+的浓度及其它离子的浓度均为10-8M。从图10可以看出，Au-(4-TiO2)检测Cu2+的ΔRct值(17.963kohm)远大于其他离子(不大于0.360kohm)。实验结果表明，本发明传感器对Cu2+有很好的选择性。 
实施例4 
本实施例的荧光素酰肼衍生物，其结构式如式8所示： 
本实施例的荧光素酰肼衍生物的制备方法，包括下列步骤： 
1)量取10ml的无水乙醇置于三颈烧瓶中，称量2g的荧光素(结构式如式3所示)加入三颈烧瓶中，调节温度至90℃并回流使荧光素溶解，当荧光素溶解后，缓慢加入水合肼，荧光素与水合肼的摩尔比为1:5，然后磁力搅拌回流5h后，利用薄层色谱法检测反应是否完全，待反应完全，重结晶提纯，得到荧光素酰肼(结构式如式4所示)； 
2)取步骤1)所得荧光素酰肼1g、碳酸钾加入中三颈瓶中，荧光素酰肼与碳酸钾的 摩尔比为1:5，量取150ml的N,N-二甲基甲酰胺加入三颈瓶中，升高温度到160℃，磁力回流搅拌，当荧光素酰肼完全溶解后，取溴丁酸甲酯逐滴加入到三颈瓶中进行反应，荧光素酰肼与溴丁酸甲酯的摩尔比为1:10，用薄层色谱法确定反应终点后，用柱色谱法分离提纯，减压蒸馏后干燥，得中间产物； 
3)取0.5g的步骤2)所得中间产物溶于30ml的无水甲醇中，完全溶解后加入浓度为1mol/L的NaOH溶液，中间产物与NaOH的摩尔比为1:3，搅拌反应2h，反应结束后加入浓度为1mol/L的盐酸调节反应体系的pH为6～7，减压蒸馏除去甲醇，用去离子水洗涤三次后真空干燥，即得所述荧光素酰肼衍生物(结构式如式8所示)。 
实施例5 
本实施例的改性TiO2功能材料，包括TiO2纳米颗粒，所述TiO2纳米颗粒表面连接有结构式如式9所示的基团A-2： 
所述化合物A-2是由3-氨丙基甲基二甲氧基硅烷与实施例4所得荧光素酰肼衍生物反应制成的。3-氨丙基甲基二甲氧基硅烷的端氨基与实施例4所得荧光素酰肼衍生物的羧基缩合形成酰胺键。 
本实施例的改性TiO2功能材料的制备方法，包括下列步骤： 
a)将1g的TiO2纳米颗粒分散在10ml的水中，再加入0.5ml的3-氨丙基甲基二甲氧基硅烷，搅拌，同时在90min内从室温加热至70℃后保温搅拌40min，后减压蒸馏除去水，得连接有带端氨基硅氧烷基的TiO2纳米颗粒； 
二氧化钛颗粒表面带有羟基，硅甲氧基水解生成的硅醇以氢键吸附在二氧化钛表面，然后发生缩合反应，硅氧烷在二氧化钛表面形成硅醚键。 
b)将1g的实施例7所得荧光素酰肼衍生物加入EDC/NHS溶液中，静置1h后，再加入步骤a)所得连接有带端氨基硅氧烷基的TiO2纳米颗粒0.01g，静置1h后，分别用乙醇、水洗涤，干燥、研磨，即得荧光素酰肼衍生物改性TiO2功能材料(纳米颗粒)。 
其中，步骤a)所用TiO2纳米颗粒是由溶胶凝胶法制备的，具体包括下列步骤： 
i)取90ml无水乙醇加入锥形瓶中，搅拌条件下，取30ml钛酸丁酯(Ti(OCH2CH2CH2CH3)4)缓慢滴入无水乙醇中，滴完后持续搅拌40min使钛酸丁酯充分水解，得混合物A； 
ii)取5ml蒸馏水、25ml无水乙醇、15ml冰醋酸混合制成的混合物B，将混合物B逐滴滴加入混合物A中，搅拌40min，得淡黄色澄清TiO2溶胶； 
iii)将TiO2溶胶置于马弗炉中，升温至450℃，烧结3h，即得TiO2实心纳米颗粒。 
步骤b)中，所述EDC/NHS溶液是将652mg的EDC(1-(3-二甲基氨基丙基)-3-乙基碳化二亚胺)和155mg的NHS(N-羟基丁二酰亚胺)溶于10ml、pH为7.4的PBS溶液制成的。 
实施例6 
本实施例的传感器，是将实施例5所得荧光素酰肼衍生物改性TiO2功能材料(纳米颗粒)旋涂到金电极上制得的。 
本实施例的传感器在检测Cu2+方面的应用，具体为：采用所述的传感器，用交流阻抗法检测Cu2+。 
电化学测试所用仪器为电化学工作站660D(上海辰华)，测试方法为交流阻抗法(EIS)，电解液为5mM K3[Fe(CN)6]/K4[Fe(CN)6](1:1)的PBS(pH＝7.4，0.1M KCl)，扫描频率范围为0.01Hz到100kHz，扫描电压为50mV。 
其中，Au为裸电极(金电极)，4-TiO2为实施例5所得荧光素酰肼衍生物改性TiO2功能材料；Au-(4-TiO2)为实施例6所得传感器；Au-(4-TiO2)-Cu2+为与Cu2+结合后的传感器。 
Au-(4-TiO2)与Cu2+反应电化学信号测试结果为，Au-(4-TiO2)的Rct值(150ohm)比Au的Rct值(90ohm)稍大，即4-TiO2表面的电荷转移阻抗变大，不利于电极与电解液界面的电子转移。与Cu2+(10-8M)结合后Au-(4-TiO2)-Cu2+的Rct值(6750ohm)显著增大，及与Cu2+结合后电极与与电解液界面的电子转移困难，界面阻抗增大。 
Au-(4-TiO2)对Cu2+的最低检测限测试，是在Cu2+浓度分别为10-12M、10-11M、10-10M、10-9M、10-8M、10-7M、10-6M、10-5M进行浓度梯度测试，并对浓度梯度所得的ΔRct值拟合曲线图。拟合得到的函数为ΔRct＝36.82+3.21lg CCu 2+，计算得出最低检测限为3.39x10-12M(即0.00339nM)。 
Au-(4-TiO2)对Cu2+的选择性测试，Cu2+的浓度及其它离子的浓度均为10-8M。,Au-(4-TiO2)检测Cu2+的ΔRct值(5.60kohm)远大于其他离子(不大于0.32kohm)。实验结果表明，本发明传感器对Cu2+有很好的选择性。 
实施例7 
本实施例的荧光素酰肼衍生物，其结构式如式10所示： 
本实施例的荧光素酰肼衍生物的制备方法，包括下列步骤： 
1)量取10ml的无水乙醇置于三颈烧瓶中，称量2g的荧光素加入三颈烧瓶中，调节温度至100℃并回流使荧光素溶解，当荧光素溶解后，缓慢加入水合肼，荧光素与水合肼的摩尔比为1:50，然后磁力搅拌回流4h后，利用薄层色谱法检测反应是否完全，待反应完全，重结晶提纯，得到荧光素酰肼(结构式如式4所示)； 
2)取步骤1)所得荧光素酰肼1g、碳酸钾加入中三颈瓶中，荧光素酰肼与碳酸钾的摩尔比为1:7，量取50ml的正丁醇加入三颈瓶中，升高温度到110℃，磁力回流搅拌，当荧光素酰肼完全溶解后，取溴己酸乙酯逐滴加入到三颈瓶中进行反应，荧光素酰肼与溴己酸乙酯的摩尔比为1:7，用薄层色谱法确定反应终点后，用柱色谱法分离提纯，减压蒸馏后干燥，得中间产物； 
3)取0.5g的步骤2)所得中间产物溶于10ml的无水甲醇中，完全溶解后加入,浓度为1mol/L的KOH溶液，中间产物与KOH的摩尔比为1:4，搅拌反应1.5h，反应结束后加入浓度为1mol/L的盐酸调节反应体系的pH为6～7，减压蒸馏除去甲醇，用去离子水洗涤三次后真空干燥，即得所述荧光素酰肼衍生物(结构式如式10所示)。 
实施例8 
本实施例的改性TiO2功能材料，包括TiO2纳米颗粒，所述TiO2纳米颗粒表面连接有结构式如式11所示的基团A-3： 
所述化合物A-3是由3-氨丙基三甲氧基硅烷与实施例7所得荧光素酰肼衍生物反应制成的。3-氨丙基三甲氧基硅烷的端氨基与实施例7所得荧光素酰肼衍生物的羧基缩合形成酰胺键。 
本实施例的改性TiO2功能材料的制备方法，包括下列步骤： 
a)将1g的TiO2纳米颗粒分散在8ml的乙醇中，再加入0.1ml的3-氨丙基三甲氧基硅烷，搅拌，同时在90min内从室温加热至60℃后保温搅拌50min，后减压蒸馏除去乙醇，得连接有带端氨基硅氧烷基的TiO2纳米颗粒； 
二氧化钛颗粒表面带有羟基，硅甲氧基水解生成的硅醇以氢键吸附在二氧化钛表面，然后发生缩合反应，硅氧烷在二氧化钛表面形成硅醚键。 
b)将2g的实施例7所得荧光素酰肼衍生物加入EDC/NHS溶液中，静置1h后，再加入步骤a)所得连接有带端氨基硅氧烷基的TiO2纳米颗粒0.01g，静置1h后，分别用乙醇、水洗涤，干燥、研磨，即得荧光素酰肼衍生物改性TiO2功能材料(纳米颗粒)。 
其中，步骤a)所用TiO2纳米颗粒是由溶胶凝胶法制备的，具体包括下列步骤： 
i)取210ml无水乙醇加入锥形瓶中，搅拌条件下，取30ml钛酸丁酯 (Ti(OCH2CH2CH2CH3)4)缓慢滴入无水乙醇中，滴完后持续搅拌40min使钛酸丁酯充分水解，得混合物A； 
ii)取5ml蒸馏水、40ml无水乙醇、10ml冰醋酸混合制成的混合物B，将混合物B逐滴滴加入混合物A中，搅拌40min，得淡黄色澄清TiO2溶胶； 
iii)将TiO2溶胶置于马弗炉中，升温至500℃，烧结2.5h，即得TiO2实心纳米颗粒。 
步骤b)中，所述EDC/NHS溶液是将652mg的EDC(1-(3-二甲基氨基丙基)-3-乙基碳化二亚胺)和155mg的NHS(N-羟基丁二酰亚胺)溶于10ml、pH为7.4的PBS溶液制成的。 
实施例9 
本实施例的传感器，是将实施例8所得荧光素酰肼衍生物改性TiO2功能材料(纳米颗粒)旋涂到金电极上制得的。 
本实施例的传感器在检测Cu2+方面的应用，具体为：采用所述的传感器，用交流阻抗法检测Cu2+。 
电化学测试所用仪器为电化学工作站660D(上海辰华)，测试方法为交流阻抗法(EIS)，电解液为5mM K3[Fe(CN)6]/K4[Fe(CN)6](1:1)的PBS(pH＝7.4，0.1M KCl)，扫描频率范围为0.01Hz到100kHz，扫描电压为50mV。 
其中，Au electrode为裸电极(金电极)，TiO2-AFH为实施例8所得荧光素酰肼衍生物改性TiO2功能材料；Au-TiO2-AFH为实施例9所得传感器；Au-AFH-Cu2+为与Cu2+结合后的传感器。 
Au-TiO2-AFH与Cu2+反应电化学信号测试结果如图11所示。从图11可以看出，Au-TiO2-AFH的Rct值(450ohm)比Au的Rct值(98ohm)大，即TiO2-AFH表面的电荷转移阻抗变大，不利于电极与电解液界面的电子转移。与Cu2+(10-8M)结合后Au-AFH-Cu2+的Rct值(7123ohm)显著增大，及与Cu2+结合后电极与电解液界面的电子转移困难，界面阻抗增大。 
Au-TiO2-AFH对Cu2+的最低检测限测试结果如图12、13所示。图12是Au-TiO2-AFH在不同浓度Cu2+溶液中的浓度梯度EIS图；所检测的Cu2+浓度分别为5×10-12M、5×10-11M、5×10-10M、5×10-9M、1×10-8M、5×10-8M、1×10-7M、5×10-7M、1×10-6M。图13是基于图12的浓度梯度所得的ΔRct值拟合曲线图。拟合得到的函数为ΔRct＝36.745+3.235lg CCu 2+，计算得出最低检测限为4.38x10-12M(即0.00438nM)。 
Au-TiO2-AFH对Cu2+的选择性测试结果如图14所示。图14中，Cu2+的浓度及其它离 子的浓度均为10-8M。从图14可以看出，Au-TiO2-AFH检测Cu2+的ΔRct值(18.00kohm)远大于其他离子(不大于0.360kohm)。实验结果表明，本发明传感器对Cu2+有很好的选择性。 

Claims (10)

1.一种荧光素酰肼衍生物，其特征在于：其结构通式如式1所示：
其中，R为CnH2n，n为1～5的整数。
2.一种如权利要求1所述的荧光素酰肼衍生物的制备方法，其特征在于：包括下列步骤：
1)取荧光素酰肼、碳酸钾加入第一溶剂中，搅拌溶解后，再加入溴酸酯进行反应，反应结束后分离提纯，得中间产物；
2)取步骤1)所得中间产物溶于第二溶剂中，加入碱进行反应，反应结束后调节反应体系的pH为6～7，除去第二溶剂，即得所述荧光素酰肼衍生物。
3.根据权利要求2所述的荧光素酰肼衍生物的制备方法，其特征在于：步骤1)中，所述溴酸酯的结构通式为BrR1COOR2；其中，R1为CnH2n，n为1～5的整数；R2为CmH2m+1，m为1～2的整数。
4.根据权利要求2或3所述的荧光素酰肼衍生物的制备方法，其特征在于：步骤2)中所述碱为氢氧化钠或氢氧化钾。
5.一种改性TiO2功能材料，其特征在于：包括TiO2纳米颗粒，所述TiO2纳米颗粒表面连接有结构通式如式2所示的基团A：
其中，R为CnH2n，n为1～5的整数；R3为硅氧烷基。
6.根据权利要求5所述的改性TiO2功能材料，其特征在于：所述R3为丙基硅氧烷基。
7.一种如权利要求5所述的改性TiO2功能材料的制备方法，其特征在于：包括下列步骤：
a)将TiO2纳米颗粒分散在分散剂中，再加入带有端氨基的硅氧烷，加热搅拌后，除去分散剂，得连接有带端氨基硅氧烷基的TiO2纳米颗粒；
b)将荧光素酰肼衍生物、步骤a)所得连接有带端氨基硅氧烷基的TiO2纳米颗粒加入EDC/NHS溶液中，静置、洗涤、干燥，即得改性TiO2功能材料。
8.根据权利要求7所述的改性TiO2功能材料的制备方法，其特征在于：步骤a)中，所述带有端氨基的硅氧烷为3-氨丙基三甲氧基硅烷或3-氨丙基甲基二甲氧基硅烷。
9.根据权利要求7所述的改性TiO2功能材料的制备方法，其特征在于：步骤b)中，所述EDC/NHS溶液是将652mg的EDC和155mg的NHS溶于10ml、pH为7.4的PBS溶液制成的。
10.一种传感器，其特征在于：是将权利要求5所述的改性TiO2功能材料涂覆在金电极上制成的。
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