CN104910309A - 水溶性聚合物Hg2+荧光探针及其合成方法 - Google Patents

Abstract

水溶性聚合物Hg²⁺荧光探针及其合成方法属于荧光比色化学传感器微量分析技术领域。现有制备方法步骤繁琐，制备难度较大。本发明之水溶性聚合物Hg²⁺荧光探针其构成部分包括罗丹明6G骨架、阴离子键合结构单元及聚N-异丙基丙烯酰胺，其结构式如下所示，n为大于零的整数，分子量为2300～12100。本发明之合成方法首先以罗丹明6G为原料，与水合肼反应制得含有氨基的罗丹明6G内酯环；然后将所述含有氨基的罗丹明6G内酯环与α-溴代异丁酰溴反应，制得远端含有罗丹明6G内酯环的引发剂；最后采用ATRP，由所述引发剂引发N-异丙基丙烯酰胺单体聚合，所述引发剂与所述单体的摩尔比为1:20～80，制备出分子量为2300～12100的水溶性聚合物Hg²⁺荧光探针。

Description

水溶性聚合物Hg2+荧光探针及其合成方法

技术领域

本发明涉及一种水溶性聚合物Hg²⁺荧光探针及其合成方法，基于罗丹明6G和PNIPAM而获得，以水相检测的方式检测待测水体中的Hg²⁺，在完成检测后能够被从待测水体中分离出来，属于荧光比色化学传感器微量分析技术领域。

技术背景

无论是汞元素还是汞离子，进入环境后都能够由细菌通过生物甲基化反应转化为甲基汞。而甲基汞能够通过食物链进入人体，严重损害人体健康，甚至危及生命。监测水体是否发生汞污染的技术有多种，其中一种是荧光比色化学传感器检测技术。该技术能够在线检测待测体系，根据由荧光比色化学传感器获得的荧光信号获得检测结果，选择性好，并且灵敏度高，因而检出限低。作为荧光探针的传感物质为有机小分子化合物，包括罗丹明衍生物、荧光素类衍生物、冠醚、杯芳烃、卟啉、多肽等，例如采用罗丹明硫酰肼，由紫外光激发获得荧光信号，荧光响应速度快，使得检测能够在线进行，实时完成。并且，在完成检测后，通过逆向反应恢复荧光探针的原来状态，再由色谱法等方法使之与待测体系分离，从而得以循环使用。

然而，所述基于有机小分子的荧光比色化学传感器检测技术存在以下缺点：

1、不能实现真正意义的水相检测。因为，这些有机小分子化合物在水中的溶解性较差，需要在检测过程中加入大量能够与水互溶的有机溶剂，如乙醇、乙氰等，不仅增加额外材料消耗，也因此降低了检测灵敏度。

2、不易将荧光探针与待测体系分离。因为，虽然可以采用色谱法等方法实现分离，但是，需要借助特殊仪器并采取复杂措施，分离成本也大幅增加。

在现有技术中，也有将罗丹明与水溶性聚合物结合获得一种罗丹明衍生物的方案，其制备方法步骤繁琐，制备难度较大。

发明内容

本发明的目的在于通过罗丹明与水溶性聚合物结合，能够很容易地获得一种荧光比色化学传感物质，采用该物质能够直接以水相检测的方式检测待测体系中的Hg²⁺，不仅具有高选择性、低检出限，而且能够在完成检测后很容易地与待测体系分离。为此，我们发明了一种水溶性聚合物Hg²⁺荧光探针及其合成方法。

本发明之水溶性聚合物Hg²⁺荧光探针是一种罗丹明衍生聚合物，其特征在于，其构成部分包括罗丹明6G骨架、阴离子键合结构单元及聚N-异丙基丙烯酰胺(PNIPAM)，所述罗丹明衍生物其结构式如下：

其中，n为大于零的整数，分子量为2300～12100。

本发明之水溶性聚合物Hg²⁺荧光探针合成方法其特征在于，首先，以罗丹明6G为原料，与水合肼反应制得含有氨基的罗丹明6G内酯环；然后，将所述含有氨基的罗丹明6G内酯环与α-溴代异丁酰溴反应，制得远端含有罗丹明6G内酯环的引发剂；最后，采用ATRP(原子转移自由基聚合法)，由所述引发剂引发N-异丙基丙烯酰胺单体聚合，所述引发剂与所述单体的摩尔比为1:20～80，制备出分子量为2300～12100的水溶性聚合物Hg²⁺荧光探针。

相比于现有技术，采用本发明之方法能够很容易地制备出最终产物水溶性聚合物Hg²⁺荧光探针，如前所述，由远端含有罗丹明6G内酯环的引发剂通过成熟的ATRP方法引发N-异丙基丙烯酰胺单体聚合即完成制备。

荧光探针分子量对荧光比色化学传感器检测技术的检测效果有直接和明显的影响，当分子量过低时，荧光探针的溶解度降低，其中的聚N-异丙基丙烯酰胺的温敏性不能表现出来；当分子量过高时，由于围绕在含有氨基的罗丹明6G内酯环本体附近的N-异丙基丙烯酰胺的链过长，会降低检测灵敏度，从而抬高检出限。鉴于此，本发明将本发明之水溶性聚合物Hg²⁺荧光探针的分子量控制在2300～12100范围内。

聚N-异丙基丙烯酰胺具有典型的温敏性，由于该物质的引入，使得本发明之水溶性聚合物Hg²⁺荧光探针获得良好的温敏性。这一特点使得本发明获得两方面的技术效果。一是水相检测，二是荧光探针的回收。具体说来，在最低临界溶解温度(LSCT)以下时，所述水溶性聚合物Hg²⁺荧光探针表现出亲水性，在水相的待测体系中充分溶解，二者呈现为均相，这一点由此时加入了所述水溶性聚合物Hg²⁺荧光探针的待测体系所具有的光的高透过率印证，如图1所示，此时即可进行待测体系的荧光比色化学传感器检测。当检测完毕后，只需将加入了所述水溶性聚合物Hg²⁺荧光探针的待测体系升温至最低临界溶解温度以上，此时，所述水溶性聚合物Hg²⁺荧光探针变现出疏水性，从待测体系中析出，二者呈现为异相，这一点由此时加入了所述水溶性聚合物Hg²⁺荧光探针的待测体系所具有的光的低透过率印证，如图1所示。如果将加入了所述水溶性聚合物Hg²⁺荧光探针的待测体系的温度在最低临界溶解温度上下切换，如25℃、50℃，即可重复再现所述水溶性聚合物Hg²⁺荧光探针的亲水性和疏水性，如图2所示。当温度为50℃时，即可以过滤的方式，直接将所述水溶性聚合物Hg²⁺荧光探针与待测体系分离，不仅避免二次污染，而且实现了所述水溶性聚合物Hg²⁺荧光探针的循环利用，检测过程无试剂消耗，实现了荧光探针的器件化。

以下实验说明本发明之水溶性聚合物Hg²⁺荧光探针具有非常高的选择性。准确称取干燥后的水溶性聚合物Hg²⁺荧光探针配成浓度为0.2g/L的溶液，采用pH＝7.00的HEPES缓冲溶液，依次向所述溶液中分别加入等体积、浓度均为1×10^-3mol/L的NaCl、KCl、AgCl、BaCl₂、CaCl₂、CdCl₂、CuCl₂、MgCl₂、MnCl₂、Hg(ClO₄)₂溶液，同时由500nm波长的光激发，产生峰值位于550nm的荧光，依次测试荧光强度，只有在Hg²⁺出现时，才有强荧光突现，如图3所示，说明本发明之水溶性聚合物Hg²⁺荧光探针对Hg²⁺具有非常高的选择性。

以下实验说明本发明之水溶性聚合物Hg²⁺荧光探针具有非常低的检出限。该实验测试了Hg²⁺浓度不同的待测体系对水溶性聚合物Hg²⁺荧光探针的荧光响应。准确称取干燥后的水溶性聚合物Hg²⁺荧光探针配成浓度为0.2g/L的溶液，采用pH＝7.00的HEPES缓冲溶液，用微量进样器逐步向所述溶液中不断加入1×10^-3mol/L的低浓度Hg²⁺溶液，Hg²⁺浓度不断加大，同时测试荧光强度，激发波长为500nm，如图4所示，随着Hg²⁺浓度的增大，荧光强度线性增大，并且，这一变化通过肉眼即可观测到，不仅实现一线检测，而且在Hg²⁺浓度很低时，就能够观察到荧光的出现，说明本发明之水溶性聚合物Hg²⁺荧光探针具有非常低的检出限。

附图说明

图1为本发明之水溶性聚合物Hg²⁺荧光探针温敏性测试图，图中包括一组分子量不同但最低临界溶解温度接近的水溶性聚合物Hg²⁺荧光探针溶液光透过率曲线。图2是本发明之水溶性聚合物Hg²⁺荧光探针因温敏而呈现的亲水疏水重复曲线图，该图同时作为摘要附图。图3是本发明之水溶性聚合物Hg²⁺荧光探针选择性实验图。图4为本发明之水溶性聚合物Hg²⁺荧光探针的荧光滴定曲线图。

具体实施方式

下面举例说明本发明之水溶性聚合物Hg²⁺荧光探针合成方法。

1、含有氨基的罗丹明6G内酯环的制备。将8mL溶解有4.98g罗丹明6G的罗丹明6G甲醇溶液加入到三口烧瓶中，然后用恒压滴液漏斗滴加3mL水合肼，在所述三口烧瓶中形成反应液，回流搅拌3h，反应式为：

反应液从粉色逐渐变成红色，冷却至室温，用甲醇滤液洗涤，直至滤液无色，在60℃温度下真空干燥12h，得到粉白色粉末状的含有氨基的罗丹明6G内酯环，产率为76％。

2、远端含有罗丹明6G内酯环的引发剂的制备。将所述含有氨基的罗丹明6G内酯环加入到100mL规格的圆底烧瓶中，加入量为0.837g或者4.0mmol；然后加入20mL二氯甲烷溶剂；再加入三乙胺催化剂，加入量为1.047mL或者7.2mmol；在冰浴中搅拌15min；然后将α-溴代异丁酰溴加入到所述圆底烧瓶中，加入量为733μL或者6mmol，反应12h，反应式为：

将所述圆底烧瓶中的反应液用去离子水萃取，将得到的有机层干燥、过滤、去溶剂，再采用柱层析法纯化，得到粉色固体粉末状的远端含有罗丹明6G内酯环的引发剂，产率为40％。

3、水溶性聚合物Hg²⁺荧光探针的制备。将0.05g或者0.01mmol的所述远端含有罗丹明6G内酯环的引发剂和2mL的DMF加入到H型管的一端；将143mg或者1mmol的CuBr和2mL的DMF加入到所述H型管的中管中；将80mg或者0.8mmol的N-异丙基丙烯酰胺单体和2mL的DMF加入到所述H型管的另一端；向中管加入38.4μL或者0.16mmol的三(2-二甲氨基乙基)胺配体，搅拌10～15min；将所述H型管两端及中管中的物质混合，所述引发剂、CuBr、所述配体、所述单体四者之间的反应摩尔比为1:16:16:20～80，在60℃恒温下聚合8h，反应式为：

反应液过中性氧化铝层析柱，析出物经真空干燥后得到白色固体粉末状水溶性聚合物Hg²⁺荧光探针，产率为80％。

Claims (5)

1.一种水溶性聚合物Hg²⁺荧光探针，是一种罗丹明衍生聚合物，其特征在于，其构成部分包括罗丹明6G骨架、阴离子键合结构单元及聚N-异丙基丙烯酰胺(PNIPAM)，所述罗丹明衍生物其结构式如下：

其中，n为大于零的整数，分子量为2300～12100。

2.一种水溶性聚合物Hg²⁺荧光探针合成方法，其特征在于，首先，以罗丹明6G为原料，与水合肼反应制得含有氨基的罗丹明6G内酯环；然后，将所述含有氨基的罗丹明6G内酯环与α-溴代异丁酰溴反应，制得远端含有罗丹明6G内酯环的引发剂；最后，采用ATRP(原子转移自由基聚合法)，由所述引发剂引发N-异丙基丙烯酰胺单体聚合，所述引发剂与所述单体的摩尔比为1:20～80，制备出分子量为2300～12100的水溶性聚合物Hg²⁺荧光探针。

3.根据权利要求2所述的水溶性聚合物Hg²⁺荧光探针合成方法，其特征在于，含有氨基的罗丹明6G内酯环的制备方法如下，向罗丹明6G甲醇溶液滴加水合肼形成反应液，反应式为：

得到含有氨基的罗丹明6G内酯环。

4.根据权利要求2所述的水溶性聚合物Hg²⁺荧光探针合成方法，其特征在于，远端含有罗丹明6G内酯环的引发剂的制备方法如下，将所述含有氨基的罗丹明6G内酯环溶于二氯甲烷溶剂中，再加入三乙胺催化剂，然后加入α-溴代异丁酰溴，反应式为：

得到远端含有罗丹明6G内酯环的引发剂。

5.根据权利要求2所述的水溶性聚合物Hg²⁺荧光探针合成方法，其特征在于，第一，将所述远端含有罗丹明6G内酯环的引发剂溶于DMF中；第二，将CuBr溶于DMF中，并加入三(2-二甲氨基乙基)胺配体；第三，将N-异丙基丙烯酰胺单体溶于DMF中；将所述三个步骤中的溶液混合，所述引发剂、CuBr、所述配体、所述单体四者之间的反应摩尔比为1:16:16:20～80，反应式为：

得到水溶性聚合物Hg²⁺荧光探针。