CN105352927A - 一种新型嘧啶类荧光开启型光学探针材料的合成及其应用于汞离子检测的方法 - Google Patents

Abstract

对主链中含嘧啶的蓝光发射共轭聚合物加入I^-时，随着I^-(KI水溶液)的增加,I-呈现出重原子效应并使聚合物溶液(THF)的荧光逐渐淬灭,？其溶液的外观颜色由无色变为黄色。通过在相同条件下的对比实验可知其他阴离子的引入并未使聚合物的光学性质产生类似的变化。利用Hg²⁺与I^-之间的高结合常数与络合配比,Hg²⁺的加入使聚合物络合物的荧光逐渐回复,其外观颜色也由黄色回复至无色,通过对聚合物在递增浓度Hg²⁺存在下的荧光发射性质进行分析可知其对Hg²⁺的检出限达约为0.89×10^-4mol/L,通过对比实验可知背景金属阳离子的存在对Hg²⁺的光学响应并无明显的干扰。实验结果表明该聚合物是一类具有较高灵敏度和抗干扰性的turn-on型Hg²⁺光学探针材料。摘要附图是聚合物溶液(THF中浓度约为？1.86×10^-5mol/L)的紫外-可见光吸收(UV-Vis)及荧光发射光谱图。

Description

一种新型嘧啶类荧光开启型光学探针材料的合成及其应用于汞离子检测的方法

技术领域

本发明涉及一种新型嘧啶类荧光开启型光学探针材料的合成及其应用于汞离子检测的方法，并将其用于汞离子传感的选择性光学探针。

背景技术

随着科技的不断发展，汞离子传感的选择性光学探针在各个领域日益广泛的应用，对其性能的要求越来越高。原子吸收光谱，冷原子荧光光谱及气相色谱法等传统的检测方法基础上，对探针材料进行适当的改性而提高其测量灵敏度、缩短测试消耗时间、简便制样过程及所需设备，开发出新型的Hg²⁺检测相关材料和方法等已成为国内外主要的研究热点之一。

Hg²⁺是具有严重生理毒性的过渡金属离子之一，环境中的Hg²⁺被水生微生物转化为甲基汞，通过食物链进入动物体内。由于其具有持久性、易迁移性和高度的生物富集性，最终对人体造成极大的危害，目前，应用于汞离子传感的选择性光学探针是研究热点，研究涉及有机荧光分子、共轭高聚物、核酸、DNA酶、蛋白质和纳米颗粒等。

在过去众多的新兴检测方法中，利用光学探针材料光学性质的变化来实现对Hg²⁺的检测是一条非常有效的途径。但从目前的相关报道可知此类探针分子大多为光学信号“关闭”（turn-off）模式，即Hg²⁺的存在会导致探针分子的荧光淬灭。turn-off型探针的检测选择性和抗干扰性较差，而目前与基于CPs的turn-on型Hg²⁺光学探针的相关报道还较少，所以，很有必要制备出基于CPs的结构相对简单、检测灵敏度较高的turn-on型Hg²⁺光学探针材料。

与其他金属阳离子相比，Hg²⁺与碘离子I^-之间具有较高的配合比率，结合常数及结合速度。如何利用这两种离子之间的特定结合，引入Hg²⁺及使I^-从光学分子I^-组合探针分子中抽离,并通过对探针分子光学性质的可逆回复进行跟踪，如何实现对Hg²⁺的检测已成为汞离子传感的选择性光学探针领域中备受关注的课题。

本发明提供了一种新型嘧啶类荧光开启型光学探针材料的合成及其应用于汞离子检测的方法，利用此方法制备了基于2-氨基嘧啶-苯的蓝光发射共聚物（CP）并其作为检测底物，以I^-为复配淬灭剂，利用I^-与Hg²⁺之间的强烈结合作用，对其I^-和Hg²⁺的光学响应行为进行了系统的研究，通过将I^–从聚合物/I^-体系中置换出而成功的实现了对Hg²⁺的检测，表明了一类高灵敏及高选择性的荧光开启型Hg²⁺探针材料CP的研究结果。

发明内容

本发明用各种离子溶液，以基于嘧啶共轭聚合物为原料，采用紫外—可见光谱和荧光发射光谱等测试手段，成功的实现了对Hg²⁺的turn-on检测，结果表明本发明利用的CP展现出较高的灵敏度、高选择性及即时性，作为一种理想的荧光开启型Hg²⁺探针材料，利用这种方法不仅有效的检测Hg²⁺的存在，而且还直接得知主链中含嘧啶的蓝光发射共轭聚合物在探针材料领域的特殊性能。

发明目的

本发明的目的是开发出新型的Hg²⁺检测相关材料和方法，并将其成功的用于汞离子传感的选择性光学探针。

本发明有效效果

本方法中，成功的用各种离子溶液和基于嘧啶共轭聚合物，采用紫外—可见光谱和荧光发射光谱等测试方法，实现了新型探针材料对Hg²⁺的荧光开启型检测，我们用的共轭聚合物最大吸收波长位于约411nm，在其吸收波长激发下,聚合物发射出明亮的蓝色荧光,其最大发射波长位于约458nm,I^-的加入使聚合物/I^-的外观颜色发生了显著的变化(由无色变为黄色)，在紫外灯的照射下(365nm)含有I^-的溶液发射出可通过肉眼观察到无色，表明无荧光。其他金属阴离子的加入并未使聚合物的光学性质发生变化，I^-的引入使聚合物的荧光发生了显著的淬灭，Hg²⁺的加入使聚合物/I^-的外观颜色发生了显著的变化(由黄色变为无色)，在紫外灯的照射下(365nm)含有Hg²⁺的溶液发射出可通过肉眼观察到的明亮蓝色荧光，其他金属离子的加入并未使聚合物/I^-的光学性质发生如此显著地变化，这些实验结果证明了聚合物/I^-复配体系对Hg²⁺具有专一识别性，通过进一步研究可知背景阳离子的存在对Hg²⁺的荧光开启型识别并未产生显著的干扰。

现有其他方法和技术相比较，本发明具有如下优点

（1）本发明有效的利用了缺电子基于嘧啶共轭聚合物探针材料，成功的检测出了汞离子的存在.

（2）本发明提到的检测方法简便，检测需要的时间较短，条件室温，设备低廉.

（3）本发明用的荧光开启型共轭聚合物与其他光学探针相比，其具有高灵敏、更加优异检测选择性、抗干扰性及响应快速等独特的检测特性.

（4）本发明提到的Hg²⁺，其他金属阳离子相比，其与I^-之间具有特定结合。因此，Hg²⁺的引入可使I^-从光学分子I^-组合探针分子中抽离,通过对探针分子光学性质的可逆回复进行跟踪即可实现对Hg²⁺的检测。

附图说明

图1：聚合物溶液（THF中浓度约为1.86×10^-5mol/L）中加入阴离子（1.08×10^-3mol/L水溶液）时紫外-可见光以及荧光光谱图；

图2：不同浓度碘离子存在下聚合物的紫外强度的变化谱图；

图3：各种背景阴离子存在下的聚合物/I^-混合溶液的荧光光谱图；

图4：聚合物/I^-中加入不同金属阳离子时的紫外-可见光谱图；

图5：各种金属阳离子存在下聚合物/I^-混合溶液荧光性质变化的实物图；

图6：在THF混合溶液（聚合物/I^-/金属阳离子）中滴加Hg²⁺离子时的荧光变化图；

图7：在聚合物/I^-的THF溶液中加入Hg²⁺以后荧光强度的变化图；

图8：在聚合物/I^-的THF溶液中加入Hg²⁺以后Hg²⁺浓度与I₀/I之间的关系图。

具体实施方式

实施例

（1）合成聚合物：0.165mmol1，4-二乙炔基-2，5-二烷氧基苯，0.165mmol2-氨基-4，6-二氯嘧啶，0.008mmolPd4(PPh3)，0.008mmolCuI在氮气保护下，与3ml二异丙胺和7ml甲苯一起加入到反应器中，混合物在80℃下加热24小时，生成聚合物，聚合物刚开始发出绿色光，最后呈黄褐色。反应混合物冷却到室温后，将其逐滴加入快速搅拌中的丙酮中并有沉淀形成，过滤，收集滤饼并用丙酮，热乙醇和热甲醇重复洗涤，将其在EtOH/CHCl3中重结晶两次，在40℃干燥48h，产率为92%。聚合物的结构通过核磁得到证明.

（2）室温下，由钾盐配制I^-、Br^-、F^-、CI^-、Ac^-及SCN^-溶液，由钠盐配制CO₃ ^2-、H₂PO₄ ^-、HCO₃ ^-、NO₃ ^-及SO₄ ^2-的去离子水溶液，由氯化物配制Al³⁺、Ba²⁺、Ca²⁺、Co²⁺、Cu²+、Fe³⁺、Ni²⁺、Zn²⁺及Cd²⁺的去离子水溶液，Mg²⁺的去离子水溶液由其硫酸盐配制。Hg²⁺和Pb²⁺通过其醋酸盐配制，上述6种离子溶液的浓度均配制为10^-2mol/l并对其进行进一步的稀释以备后用.

（3）由各种金属阴离子存在下观察聚合物/阴离子光学性质变化，得知聚合物（P1）对I^-离子的光学响应。摘要附图中可知,I^-的加入使P1/I^-的外观颜色发生了显著的变化(由无色变为黄色)。在紫外灯的照射下(365nm)含有I^-的溶液发射出可通过肉眼观察到无色，表明无荧光。其他金属阴离子的加入并未使P1的光学性质发生变化，图1(a)示出了不同阴离子的存在对P1溶液（THF中，浓度约为1.86×10^-5mol/L）UV-Vis性质的影响。由图1(b)中可知，I^-的存在使聚合物在约370nm处的吸光度发生了显著的增加，由于其在400-500nm的波段存在一定的吸收,I^-的加入使聚合物溶液的外观颜色发生了一定的变化(由无色变为黄色)。其他阴离子的存在并未引起聚合物的UV-Vis光谱发生明显的变化。I^-的加入对聚合物的荧光发射也产生了显著的影响。由图1(b)可知,I-的引入使聚合物的荧光发生了显著的淬灭,当体系中I^-浓度约为1.08×10^-3mol/L时,聚合物约65%的荧光强度发生了淬灭，与P1对不同阴离子的UV-Vis响应行为相似，其余阴离子的引入并未对聚合物的荧光发射产生显著的影响。根据前人的报道,I^-的重原子效应是引起嘧啶类聚合物荧光淬灭的主要原因。图1中示出了递增浓度的I^-存在下P1的紫外强度变化。由图1中可知，I^-的加入使P1的紫外强度单调增大，通过对低浓度I^-存在下聚合物荧光强度的变化曲线。图2示出了各种背景阴离子的存在对P1的I^-响应行为的影响。结合图1（b）与图2可知,背景阴离子的存在并未对I^-的响应行为带来显著的干扰，I^-的加入均导致探针体系的荧光发生了显著的淬灭，述分析说明P1对I^-的识别具有较高的灵敏度和专一性.

（4）由各种金属阳离子存在下观察P1/I^-复配体系光学性质变化，得知P1/I^-复配体系对Hg²⁺的光学响应。图3示出了不同金属离子的加入对P1/I^-复合体系UV-Vis性质的影响。由图3中可知,Hg²⁺的加入使P1/I^-在约411nm处的吸收强度显著下降,相应UV-Vis谱图与未加I^-前聚合物的谱图相近,暗示了Hg²⁺的加入使I^-从P1/I^-的复配体系中脱出(由于Hg²⁺与I^-之间的强相互作用所致)，与Hg²⁺相比,其余金属离子的加入并未引起如此显著的回复。由各种金属阳离子存在下P1/I^-光学性质变化的实物图4中可知,Hg²⁺的加入使P1/I^-的外观颜色发生了显著的变化(由黄色变为无色)。在紫外灯的照射下(365nm)含有Hg²⁺的溶液发射出可通过肉眼观察到的明亮蓝色荧光。其他金属离子的加入并未使P1/I^-的光学性质发生如此显著地变化，说明P1/I^-复配体系对Hg²⁺具有专一识别性，通过进一步研究可知背景阳离子的存在对Hg²⁺的荧光开启型识别并未产生显著的干扰，由图5中可知,当向含有各种背景阳离子的P1/I^-体系中加入Hg²⁺后,其荧光均发生了显著的回复且回复程度与单独加入Hg²⁺时相仿,说明P1/I^-对Hg²⁺的识别具有优异的抗干扰性，上述所有的图谱均在各离子加入10min后测得,说明P1/I^-对Hg²⁺的检测具有即时性，图5在THF混合溶液（P1/I^-/金属阳离子）中滴加Hg²⁺离子时的荧光变化（其中P1的浓度为1.86×10^-5mol/l，I^-浓度为1.08×10-3mol/L，金属离子浓度为1×10^-4mol/l，Hg²⁺浓度为0.89×10^-4mol/l），通过对递增浓度Hg²⁺存在下P1/I^-荧光强度的变化(图6)进行分析可知,随着Hg²⁺的加入P1/I^-体系的荧光强度单调上升,当体系中Hg²⁺浓度约为5.16×10^-5mol/l时,其荧光强度基本回复到未加I^-前P1的初始强度，通过对低浓度Hg²⁺存在下检测体系相对荧光强度的变化(I/I₀)曲线进行线性拟合,通过计算可知P1/I^-对Hg²⁺的检出下限约为1.72×10^-8mol/l,说明该探针体系具有较高的灵敏度。

Claims (7)

1.本发明是一种新型嘧啶类荧光开启型光学探针材料的合成及其应用于汞离子检测的方法，其步骤为：

（1）聚合物的合成及其表征数据：0.165mmol1，4-二乙炔基-2，5-二烷氧基苯，0.165mmol2-氨基-4，6-二氯嘧啶，0.008mmolPd4(PPh3)，0.008mmolCuI在氮气保护下，与3ml二异丙胺和7ml甲苯一起加入到反应器中，混合物在80℃下加热24小时，生成聚合物，聚合物刚开始发出绿色光，最后呈黄褐色，反应混合物冷却到室温后，将其逐滴加入快速搅拌中的丙酮中并有沉淀形成，过滤，收集滤饼并用丙酮，热乙醇和热甲醇重复洗涤，将其在EtOH/CHCl₃中重结晶两次，在40℃干燥48h，产率为92%，合成路线如下：

GPC(溶解于DMF的部分)分析结果：Mn=6720,Mw=10558，PDI=1.571,溶剂为THF，¹HNMR谱（以CDCl₃作溶剂）：7.06–7.088(m,2H),6.82–6.99(br,1H),5.18–5.24(br,d,2H),3.98–4.01(br,m,4H),1.20–1.85(m,40H),0.8，元素分析（C₃₈H₅₅N₃O₂）n(585.86)n:理论分析：C77.90;H9.46;N7.17;实验结果：C77.78;H9.65;N7.24.UV-vis(CHCl₃):λmax=415nm，聚合物的¹HNMR谱和¹CNMR谱如下：

（2）室温下，由钾盐配制I^-、Br^-、F^-、CI^-、Ac^-及SCN^-溶液，由钠盐配制CO₃ ^2-、H₂PO₄ ^-、HCO₃ ^-、NO₃ ^-及SO₄ ^2-的去离子水溶液，由氯化物配制Al³⁺、Ba²⁺、Ca²⁺、Co²⁺、Cu²⁺、Fe³⁺、Ni²⁺、Zn²⁺及Cd²⁺的去离子水溶液，Mg²⁺的去离子水溶液由其硫酸盐配制，Hg²⁺和Pb²+通过其醋酸盐配制，上述6种离子溶液的浓度均配制为10^-2mol/l并对其进行进一步的稀释以备后用.

（3）由各种金属阴离子存在下观察聚合物/阴离子光学性质变化，得知聚合物对I^-离子的光学响应.

（4）由各种金属阳离子存在下观察聚合物/I-复配体系光学性质变化，得知聚合物/I^-复配体系对Hg²⁺的光学响应。

2.权根据权利要求书1所述的一种新型嘧啶类荧光开启型光学探针材料的合成及其应用于汞离子检测的方法，其典型特征在于：检测过程所需设备价格低廉，制样过程简单，测试消耗时间较短。

3.根据权利要求书1所述的一种新型嘧啶类荧光开启型光学探针材料的合成及其应用于汞离子检测的方法，其典型特征在于：与小分子光学探针相比，共轭聚合物（conjugatedpolymers，CPs）由于具有π电子离域的“分子导线”性质而呈现出“信号放大”的检测特性。

4.根据权利要求书1所述的一种新型嘧啶类荧光开启型光学探针材料的合成及其应用于汞离子检测的方法，其典型特征在于：使用的共轭聚合物是一类高灵敏,高选择性及响应快速的turn-on型Hg²⁺探针材料。

5.根据权利要求书1所述的一种新型嘧啶类荧光开启型光学探针材料的合成及其应用于汞离子检测的方法，其典型特征在于：与信号“关闭”（turn-off）型探针相比，信号“开启”（turn-on）型探针分子具有更加优异的检测选择性和抗干扰性，而目前与基于CPs的turn-on型Hg²⁺光学探针的相关报道还较少。

6.根据权利要求书1所述的一种新型嘧啶类荧光开启型光学探针材料的合成及其应用于汞离子检测的方法，其典型特征在于：与其他金属阳离子相比，Hg²⁺与碘离子I^-之间具有较高的配合比率、结合常数和速度。

7.利用这两种离子之间的特定结合，Hg²⁺的引入可使I-从光学分子I-组合探针分子中抽离,通过对探针分子光学性质的可逆回复进行跟踪即可实现对Hg²⁺的检测。