CN108593609B

CN108593609B - 一种高灵敏高选择性荧光检测镁离子的方法

Info

Publication number: CN108593609B
Application number: CN201810256016.7A
Authority: CN
Inventors: 刘艳珠; 孙丽婷; 高红岩; 易绣光; 李永绣
Original assignee: Jiangxi Dexin Electronic New Material Co Ltd
Current assignee: Ruijin Industrial Investment Development Co.,Ltd.
Priority date: 2018-03-27
Filing date: 2018-03-27
Publication date: 2020-10-20
Anticipated expiration: 2038-03-27
Also published as: CN108593609A

Abstract

一种高灵敏高选择性荧光检测镁离子的方法，按如下步骤：（1）用铽盐与水杨酸多醚醇酯以0.5~2摩尔比混合，在有机溶剂中获得铽配合物溶液；（2）含镁样品经干燥煅烧，再用酸溶解，温和加热蒸出过量酸和水后，用有机溶剂溶解或浸取，并定容；（3）取步骤（2）的含镁样品溶液与步骤（1）的铽配合物溶液混合均匀后，测定该溶液在365nm激发下于545nm处的荧光发射强度；根据测定的荧光强度和工作曲线，计算镁的含量。本发明用简单的荧光光谱法来进行镁离子的定量和定性分析，无需专门的高档仪器，在确定的最佳反应条件下，反应的稳定性好，方法的重现性好，最低检出限可达1.74*10^‑5umol/L。

Description

一种高灵敏高选择性荧光检测镁离子的方法

技术领域

本发明属于化学检测与生物化学领域，主要涉及一种镁离子的高灵敏高选择性检测方法，其原理是基于镁离子对铽-水杨酸多醚酯配合物荧光的淬灭特征，可广泛用于化学、生物、医药等领域。

技术背景

镁是动植物体内的微量元素，它能激活各种酶的活性，并且在维持骨骼生长和神经肌肉兴奋性以及维持胃肠道和激素功能方面发挥重要作用。同时也是促进植物光合作用，实现太阳能利用的关键元素。因此，具有高选择性，高灵敏度和低检出限的镁离子检测方法在临床医学，营养学和生理学等领域引起了广泛的关注。选择性地响应镁离子的荧光化学传感器的设计和开发非常重要，已经成为该领域的研究热点之一。

传统检测镁离子的分析方法有原子吸收光谱法、发射光谱法、分光光度法、电化学法。然而，这些传统的检测方法均有一定的局限性。因此，开发新的更加环保经济，并具有高选择性和灵敏度的分析探针意义重大。而光学传感器，特别是荧光化学传感器由于其高选择性和灵敏度在检测金属离子中具有更好的应用。

在已报道的大量金属离子荧光探针中，具有优异性能的镁离子荧光探针很少。已报道的镁离子荧光探针多数是基于众所周知的冠醚，聚醚和羧酸结构。它们对钙离子具有更强的结合能力，在检测时会受到钙离子的严重干扰。

发明内容

本发明以二水杨酸三甘醇酯铽配合物的特征荧光可以被镁离子淬灭为基础，提出和建立一套能够快速检测镁离子的简便方法。

本发明所述的一种高灵敏高选择性荧光检测镁离子的方法，具体步骤如下。

（1）用铽盐与含多醚键的水杨酸酯以0.5 ~2摩尔比混合，在有机溶剂中获得具有铽的特征绿色荧光发射的溶液配合物。

（2）含镁样品经干燥煅烧，再用酸溶解，温和加热蒸出过量酸和水后，用有机溶剂溶解或浸取，并定容。

（3）取步骤（2）的含镁样品溶液与步骤（1）的铽配合物溶液混合均匀后，测定该溶液在365nm激发下于545nm处的荧光发射强度；根据测定的荧光强度和工作曲线，计算镁的含量。

所述的铽盐与含多醚键的水杨酸酯的摩尔比优选1。

所述含多醚键的水杨酸酯包括水杨酸乙二醇单乙醚酯、二水杨酸乙二醇酯、水杨酸二甘醇单乙醚酯、水杨酸三甘醇单乙醚酯、二水杨酸二甘醇酯或二水杨酸三甘醇酯，优选二水杨酸三甘醇酯。

所述有机溶剂包括可以溶解铽和镁的硝酸盐、高氯酸盐和氯化物的酯类、醇类和酮类有机溶剂。例如：乙酸乙酯，乙酸丙酯，乙酸丁酯，乙酸戊酯，乙醇，丙酮等。

所述铽盐可以是氯化铽、高氯酸铽或硝酸铽，优选氯化铽。

所述的溶解样品的酸可以是硝酸、盐酸或高氯酸中的一种或多种酸的混合物。

本发明的基本原理是镁离子的加入会影响二水杨酸三甘醇酯与稀土离子铽之间的能量传输，导致铽离子546nm处的荧光特征吸收峰随着镁离子的加入量呈现线性减弱，且在较低的浓度范围下就有灵敏的响应。

该反应在室温下就能够发生，而且反应的速度很快，镁离子一经加入就可以检测到相应铽离子荧光特征峰强度的减弱；从定量分析的要求来讲，最好选用粘度较小的有机溶剂。这样可以避免由于溶剂挥发或器壁粘滞带来的计量不准等问题，最为合适的有机溶剂为乙醇和乙酸丁酯。

本发明在乙醇等溶剂中，用含多醚键的水杨酸酯与铽盐混合，获得具有铽的特征发射的溶液配合物；将此配合物作为镁离子的响应探针，当含镁离子的样品溶液加入到该配合物溶液中，配合物的荧光会被淬灭，在365nm激发下，测定其在545nm处的荧光强度。根据荧光强度与镁离子量之间的线性关系，计算加入显色配合物中的镁离子量，再结合样品量和定容体积、取样体积，计算样品中的含镁量。荧光检测时均先定容，保证配合物的浓度不变，加入不同量的镁离子。以试剂空白（即不加入镁离子时546nm处的荧光强度）为参比，测定反应溶液在365nm激发下于546nm处的荧光强度，根据在相同条件下所作的镁离子工作曲线可以计算出样品中的镁含量。

本发明的效果与优点：该方法主要基于镁离子与含多醚键的水杨酸酯铽配合物在有机溶剂中相互作用能够淬灭铽离子的特征荧光，以及荧光强度与镁离子浓度之间的线性关系。因此，可以用简单的荧光光谱法来进行镁离子的定量和定性分析，无需专门的高档仪器。在确定的最佳反应条件下，反应的稳定性好，方法的重现性好，最低检出限可达1.74*10^-5umol/L。

附图说明

图1 二水杨酸三甘醇酯及其与氯化铽配位的红外光谱图。

图2 二水杨酸三甘醇酯与氯化铽的荧光光谱图。

图3 二水杨酸三甘醇酯(L)与氯化铽(Tb)摩尔比对荧光强度的影响。

图4 二水杨酸三甘醇酯（L）与氯化铽、二水杨酸三甘醇酯总量（L+Tb）的摩尔比对荧光强度的影响。

图5 镁离子量对铽二水杨酸三甘醇酯配合物（L-Tb）紫外吸收光谱的影响。

图6 镁离子量对铽二水杨酸三甘醇酯配合物（L-Tb）吸光度的影响。

图7镁离子量对铽二水杨酸三甘醇酯配合物（L-Tb）荧光光谱的影响。

图8镁离子量对铽二水杨酸三甘醇酯配合物（L-Tb）的荧光强度影响。

图9铽二水杨酸三甘醇酯配合物对镁离子的检出限。

图10铽二水杨酸三甘醇酯配合物对不同金属离子响应的荧光光谱图。

图11 铽二水杨酸三甘醇酯配合物加入不同离子后的荧光强度变化图。

具体实施方式

本发明将通过以下实施例作进一步说明。

实施例1。二水杨酸三甘醇酯（L）与氯化铽（Tb）的配位反应。

根据不同比例1﹕0.5，1﹕1，1﹕1.5，1﹕2的Tb﹕L进行反应，然后挥发溶剂，得到相应的沉淀物。对沉淀物和配体进行红外测试，并对比。从图1中的红外光谱可以看出，所得复合物的C=O伸缩振动吸收峰出现在1633cm^-1处，通常，酯的特征吸收是羰基C=O和C-O-C结构的对称和不对称膨胀振动。前者通常在1670cm^-1附近具有强吸收，后者出现在1100cm^-1和1160cm^-1。酚羟基的振动峰从3200cm^-1移动到3308cm^-1。表明Tb^{3 +}与L中的羰基和酚羟基配位了。

实施例2。铽二水杨酸三甘醇酯配合物的荧光光谱。

取1ml已配置好的二水杨酸三甘醇酯，再向比色皿中加入不同体积相同浓度的氯化铽，二者的浓度均为4*10^-4mol/L，最终均将溶液定容至3ml，保持总的体积数不变。通过荧光滴定研究了溶液中配合物的配位形式（如图2）。结果表明：配合物在乙醇溶液中保持1:1的配比存在。该配合物在490,546,584和691nm处显示强荧光，对应于⁵D₄-⁷F_n（n = 3,4,5,6）能量跃迁发射峰。当将Tb³⁺离子加入到配体溶液中时，来自配体的发射消失，证明存在有效的配体对Tb³⁺的能量转移。配体--铽能量转移的效率由配合物的量子产率值（Φ= 0.26）证实。配合物的高量子产率值意味着有广泛应用的可行性，可以确保以此为基础的发光探针的灵敏度和适用范围。图3是二水杨酸三甘醇酯(L)与氯化铽(Tb)摩尔比对荧光强度的影响，结果表明，二水杨酸二甘醇酯与氯化铽在1：1的组成的情况下的荧光发射峰达到最强，继续增加铽的量将不会引起很大改变。图4是二水杨酸三甘醇酯（L）与氯化铽、二水杨酸三甘醇酯总量（L+Tb）的摩尔比对荧光强度的影响，更加表明配体与铽离子在溶液中形成1：1的配合物。

实施例3。镁离子对铽二水杨酸三甘醇酯配合物紫外吸收影响。

分别取1ml的4*10^-4mol/L的氯化铽和配体二水杨酸三甘醇酯，以乙醇为溶剂，与不同量的镁离子相互作用，考察镁离子的量对溶液吸光度的影响。结果如图5所示，说明镁离子的量对反应有影响，随着镁离子的加入，340nm左右处的吸光度逐渐降低，当镁离子的量加入到8*10^-5mol的时候，能够看到紫外吸收峰降低了90%。这表明加入镁离子改变了络合物中的能量转移。证明从配体到铽离子的能量转移已被阻止，导致络合物的荧光被淬灭。并且根据图6镁离子量对铽二水杨酸三甘醇酯配合物吸光度的影响，可以发现紫外吸光强度随着镁离子的加入有呈直线下降的趋势。

实施例4。铽二水杨酸三甘醇酯配合物对镁离子的检测。

取相同浓度的水杨酸三甘醇酯和氯化铽，然后再向其中加入不同量的相同浓度的镁离子，定容至一定体积，保持总的体积数不变。测定其荧光光谱（图7），并以荧光强度对镁离子量做图（图8）。随着镁离子量的增加，546nm处的特征荧光发射峰逐渐降低。实验结果表明：当镁离子量在0-50μl时，络合物荧光对镁离子的淬灭响应具有线性相关性（图9）。当镁离子量超过50μl时，随着镁离子量的继续增加，响应效果变差。因此，当配合物用量为4*10^-4M时，镁离子荧光淬灭的线性范围在0-50μl之间，线性非常好，相关系数R=0.9907，检测限可达到Cm=3sb1/s= 1.74*10^-5umol/L，可以满足对镁离子检测的高灵敏度要求。

荧光猝灭可通过包括自旋轨道耦合，能量转移，电子转移，配位和尺寸效应的多种模式产生。长链醚酯与金属离子相互作用比较困难，这或许使得镁离子和配体之间存在相互作用。所有这些都可能影响配体对铽离子的能量转移。

图7表明在490,546,584和619nm处的发光发射被“关闭”，并且在546nm波段处观察到最大的变化。当将0.5当量的Mg²⁺加入到溶液中时，使用该传感器检测Mg²⁺的系统显示出极好的灵敏度。配合物发光被淬灭，发光淬灭可达98.7%。

实施例5。铽二水杨酸三甘醇酯配合物及其加入其它离子后的荧光光谱。

研究了碱金属和过渡金属对配合物荧光光谱的影响。首先配置一系列相同浓度的各种金属离子（Zn²⁺，Pb²⁺，Ca²⁺，Na⁺，K⁺，Ba²⁺，Ag⁺，Sr²⁺，Mn²⁺，Li⁺，Cd²⁺，Hg⁺，Mg²⁺）的乙醇溶液，接着我们取1ml已配置好的二水杨酸三甘醇酯和相同浓度的氯化铽，二者的浓度均为4*10^- ⁴mol/L然后再向其中加入不同量的相同浓度的各金属离子，最终均将溶液定容至3ml，保持总的体积数不变，测定配合物的荧光光谱（图10）。不同金属离子对配合物荧光强度的淬灭值对比示于图11中。结果表明，除锌离子外，其他金属离子对荧光的淬灭很少，基本上不干扰测定。

这些离子并不表现出与配体的强配位能力。这种相互作用类似于冠醚在金属离子中的作用，这在其他类似的实验中已经显示。具体的选择性是配合物与镁离子之间的配位效应，而不是一种物质与另一物质的具体选择。这种效应与配体中的结合位点的数量，供体原子（氧，硫或氮）的类型和溶剂的约束有关。

为了进一步探索配合物作为Mg²⁺离子的选择性荧光化学传感器的实用性，我们设计了在包含1个当量的Hg等的混合物存在下进行的竞争实验。结果表明，加入可能干扰荧光的阳离子后，其荧光强度没有明显变化，但加入1当量的Mg²⁺后，荧光立即熄灭。这表明复合物对镁离子的选择性是显著的。

此外，测定复合物的荧光寿命为1.6ms，比典型有机发色团的荧光寿命长得多。因此，它可以提高测试单一强度的真实性，并且可以提供高比例的信噪比。

Claims

1.一种高灵敏高选择性荧光检测镁离子的方法，其特征是按如下步骤：

（1）用铽盐与含多醚键的水杨酸酯以0.5 ~2摩尔比混合，在有机溶剂中获得铽配合物溶液；

（2）含镁样品经干燥煅烧，再用酸溶解，温和加热蒸出过量酸和水后，用有机溶剂溶解或浸取，并定容；

2.根据权利要求1所述的一种高灵敏高选择性荧光检测镁离子的方法，其特征是所述的铽盐与含多醚键的水杨酸酯的摩尔比为1。

3.根据权利要求1所述的一种高灵敏高选择性荧光检测镁离子的方法，其特征是所述含多醚键的水杨酸酯为水杨酸乙二醇单乙醚酯、二水杨酸乙二醇酯、水杨酸二甘醇单乙醚酯、水杨酸三甘醇单乙醚酯、二水杨酸二甘醇酯或二水杨酸三甘醇酯。

4.根据权利要求1所述的一种高灵敏高选择性荧光检测镁离子的方法，其特征是所述有机溶剂为可以溶解铽和镁的硝酸盐、高氯酸盐和氯化物的酯类、醇类和酮类有机溶剂。

5.根据权利要求1或4所述的一种高灵敏高选择性荧光检测镁离子的方法，其特征是所述有机溶剂为乙酸乙酯、乙酸丙酯、乙酸丁酯、乙酸戊酯、乙醇或丙酮。

6.根据权利要求1所述的一种高灵敏高选择性荧光检测镁离子的方法，其特征是所述铽盐为氯化铽、高氯酸铽或硝酸铽。

7.根据权利要求1所述的一种高灵敏高选择性荧光检测镁离子的方法，其特征是所述的溶解样品的酸为硝酸、盐酸或高氯酸中的一种或多种的混合物。