CN109722241A - 一种识别铜离子和汞离子的双功能荧光探针及其制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

一种识别铜离子和汞离子的双功能荧光探针及其制备方法和应用，涉及一种双功能荧光探针及其制备方法和应用。是要解决现有单独识别铜离子和汞离子的探针合成步骤繁琐，选择性以及敏感性较低的问题。双功能荧光探针为2‑(2‑羟基苯基)苯并噻唑与对甲苯磺酰肼的共价结合体。方法：一、5‑甲基水杨醛与邻氨基苯硫酚反应得到化合物1；二、将步骤一得到的化合物1与乌洛托品反应得到化合物2；三、将步骤二得到的化合物2和对甲苯磺酰肼反应即可制得目标化合物Z。本发明探针的合成只需要三步就可以完成，后处理过程相对简单；实现了探针即可识别铜离子又可识别汞离子，且选择性好，抗干扰能力强，检测限低。本发明的双功能荧光探针用于检测重金属离子。

Description

一种识别铜离子和汞离子的双功能荧光探针及其制备方法和 应用

技术领域

本发明涉及一种双功能荧光探针及其制备方法和应用。

背景技术

众所周知，铜离子在动植物中是非常重要的微量元素，在人体所含的过渡金属中排第3位。它作为氧化还原催化剂和氢载体在人体的酶中广泛存在，例如乳糖氧化酶、胺基氧化酶、过氧化歧化酶等。同时,人体内如果缺乏铜元素会导致代谢紊乱，但摄入过量的铜也会产生巨大的毒害作用。此外随着工业的发展，铜单质及其化合物被广泛用于工业生产，而工业废水流入水体中，对水环境造成了严重的污染，因此，对水中铜离子的分析测定具有重要的现实意义。而汞作为一种非常典型和普遍的重金属,是一种有毒的非放射性元素,对环境和人体健康会造成了非常严重的危害。汞在水环境中的污染尤其严重，20世纪初在日本发生的水俣事件更是给人们敲响了警钟，让人们深刻地认识到汞对环境和人体健康所带来的破坏性和治理汞污染的迫切需要。汞单质及汞的二价阳离子(Hg²⁺)在排入环境后，可被微生物转化为甲基汞，它可以通过食物链在生物体内富集，当汞离子或者有机汞被人体吸收后容易使人产生恶心、呕吐、腹痛以及肾功能的损伤，同时对脑部也有很大的伤害。正是由于铜离子离子与汞离子离子对于生命的重要性，故环境体系与生命体系中的铜离子与汞离子含量的测定具有重要意义。

目前广泛用于金属离子检测的手段有原子吸收光谱法、电感耦合等离子体质谱分析法、电化学分析法等，但是这些方法在检测金属离子的过程中需要价格高昂且复杂的仪器以及能熟练操作的专业人员，分析过程繁琐，检测分析时间长，分析费用高等均是上述分析方法的缺点，这显然不符合现代环境监测所要求的快速现场评价的要求。而近年来，基于化学传感器的荧光检测分析方法引起了人们的特别关注，其操作简单方便，选择性和灵敏度高，分析时间快速，对样品无损且还能进行便捷的目视化定性识别。

近年来，单独识别铜离子或者汞离子离子的探针已有不少被报道，但是这些探针的合成步骤繁琐，选择性以及敏感性较低，导致探针的应用性降低。

发明内容

本发明是要解决现有单独识别铜离子和汞离子的探针合成步骤繁琐，选择性以及敏感性较低的问题，提供一种识别铜离子和汞离子的双功能荧光探针及其制备方法和应用。

本发明识别铜离子和汞离子的双功能荧光探针为2-(2-羟基苯基)苯并噻唑与对甲苯磺酰肼的共价结合体，所述双功能荧光探针的结构式如下：

本发明识别铜离子和汞离子的双功能荧光探针的制备方法，包括以下步骤：

一、5-甲基水杨醛与邻氨基苯硫酚反应得到化合物1：

将5-甲基水杨醛与邻氨基苯硫酚溶于N,N-二甲基甲酰胺(DMF)中，再加入焦亚硫酸纳，加热回流，加热温度为110～120℃，反应3～4h，用TLC板检测反应，反应完全后，冷却至室温后向溶液中加入去离子水有淡黄色沉淀析出，将沉淀过滤，用去离子水洗涤5～6次，干燥后得到化合物1；

其中5-甲基水杨醛与邻氨基苯硫酚的摩尔比为1:1；5-甲基水杨醛与焦亚硫酸纳的摩尔比为(0.5-1.2):1；

二、将步骤一得到的化合物1与乌洛托品反应得到化合物2：

将化合物1与乌洛托品溶于三氟乙酸中，加热回流，加热温度为70～75℃，反应7～8h，用TLC板检测反应，反应完全后，向溶液中加入去离子水并继续反应10～20min，有大量沉淀析出，将沉淀过滤，用去离子水洗涤5～6次，干燥后得到化合物2；

化合物1与乌洛托品的摩尔比为1:(2-5)；

三、将步骤二得到的化合物2和对甲苯磺酰肼反应即可制得目标化合物Z：

将化合物2与对甲基苯磺酰肼加入乙醇中，加热回流，加热温度为80～85℃，反应4～5h，用TLC板检测反应，反应完全后，冷却至室温，并向溶剂中加入蒸馏水，将沉淀过滤，用乙醇洗涤～6次，干燥后得到目标化合物Z；其中化合物2与对甲基苯磺酰肼的摩尔比为1:1。

进一步的，步骤三中在将化合物2与水杨酰肼加入乙醇中后，还加入冰乙酸至反应体系的pH为4-6。冰乙酸的作用是催化剂，加快反应速率。

本发明双功能荧光探针在重金属离子检测中的应用。用于水环境体系中对铜离子与汞离子的含量传感检测；所述的传感检测包含荧光检测，紫外比率检测、目视定性检测或铜离子与汞离子可逆检测。

还可通过加入Na₂EDTA实现对铜离子及汞离子的重复检测。

本发明双功能荧光探针的制备反应式如下：

反应式中1为化合物1，2为化合物2，Z为识别铜离子和汞离子的双功能荧光探针。

本发明的有益效果：

1)探针的合成只需要三步就可以完成，且原料经济，后处理过程相对简单；

2)本发明实现了探针既可识别铜离子又可对汞离子的传感检测，并且选择性好，抗其他金属离子干扰能力强，检测限低。铜离子：荧光检测限为8.1409×10^-8M，紫外检测限为4.4711×10^-8M。汞离子：荧光检测限为1.2892×10^-7M，紫外检测限为6.7213×10^-7M。

此外，在紫外灯下就可以观察到荧光颜色变化，是一种具有识别铜离子及汞离子两种重金属离子的荧光探针。本发明的双功能荧光探针记本身在DMF/H₂O(3/7,v/v,0.01MHEPES,pH＝7)中呈现较强的黄绿色荧光，所述荧光探针Z与铜离子与汞离子作用后，由于螯合猝灭以及重原子效应，从而导致检测体系荧光的猝灭。

相比于其它单纯通过荧光光谱定量检测金属离子的荧光探针，本探针还可以通过紫外光谱进行紫外比率定量检测。基于其特异性且显著的颜色变化，该试剂可作为显示水溶液中铜离子或汞离子存在的专一性指示剂，可进行实时定性及定量的目视比色法检测。并且更为重要的是对于铜离子及汞离子的传感检测可通过使用Na₂EDTA实现快速可逆重复检测。故而，本发明是一种简单，快速，灵敏的铜离子及汞离子双功能检测试剂，在水样环境检测领域具有广阔的应用前景。

附图说明

图1为是探针Z(浓度为1×10^-5mol/L)在DMF/H₂O下对不同金属离子的选择性；

图2为共存离子对铜离子测定的影响；

图3为共存离子对汞离子测定的影响；

图4为探针Z(浓度为1×10^-5mol/L)在DMF/H₂O下对不同浓度Cu²⁺的荧光光谱响应图；

图5为探针Z(浓度为1×10^-5mol/L)在DMF/H₂O下对不同浓度Cu²⁺的紫外光谱响应图；

图6为探针Z(浓度为1×10^-5mol/L)在DMF/H₂O下对不同浓度Hg²⁺的荧光光谱响应图；

图7为探针Z(浓度为1×10^-5mol/L)在DMF/H₂O下对不同浓度Hg²⁺的紫外光谱响应图；

图8为探针Z分别加入铜离子与汞离子后在紫外灯365nm下的荧光发射图；

图9为探针Z对铜离子识别的可逆性变化图；

图10为探针Z对汞离子识别的可逆性变化图。

具体实施方式

本发明技术方案不局限于以下所列举具体实施方式，还包括各具体实施方式间的任意组合。

具体实施方式一：本实施方式识别铜离子和汞离子的双功能荧光探针为2-(2-羟基苯基)苯并噻唑与对甲苯磺酰肼的共价结合体，所述双功能荧光探针的结构式如下：

具体实施方式二：本实施方式识别铜离子和汞离子的双功能荧光探针的制备方法，包括以下步骤：

一、5-甲基水杨醛与邻氨基苯硫酚反应得到化合物1：

将5-甲基水杨醛与邻氨基苯硫酚溶于N,N-二甲基甲酰胺(DMF)中，再加入焦亚硫酸纳，加热回流，加热温度为110～120℃，反应3～4h，用TLC板检测反应，反应完全后，冷却至室温后向溶液中加入去离子水有淡黄色沉淀析出，将沉淀过滤，用去离子水洗涤5～6次，干燥后得到化合物1；

其中5-甲基水杨醛与邻氨基苯硫酚的摩尔比为1:1；5-甲基水杨醛与焦亚硫酸纳的摩尔比为(0.5-1.2):1；

二、将步骤一得到的化合物1与乌洛托品反应得到化合物2：

将化合物1与乌洛托品溶于三氟乙酸中，加热回流，加热温度为70～75℃，反应7～8h，用TLC板检测反应，反应完全后，向溶液中加入去离子水并继续反应10～20min，有大量沉淀析出，将沉淀过滤，用去离子水洗涤5～6次，干燥后得到化合物2；

化合物1与乌洛托品的摩尔比为1:(2-5)；

三、将步骤二得到的化合物2和对甲苯磺酰肼反应即可制得目标化合物Z：

将化合物2与对甲基苯磺酰肼加入乙醇中，加热回流，加热温度为80～85℃，反应4～5h，用TLC板检测反应，反应完全后，冷却至室温，并向溶剂中加入蒸馏水，将沉淀过滤，用乙醇洗涤～6次，干燥后得到目标化合物Z；其中化合物2与对甲基苯磺酰肼的摩尔比为1:1。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式二不同的是：步骤三中在将化合物2与水杨酰肼加入乙醇中后，还加入冰乙酸至反应体系的pH为4-6。其它与具体实施方式二相同。

具体实施方式四：本实施方式双功能荧光探针在重金属离子检测中的应用。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式四不同的是：所述双功能荧光探针具体用于水环境体系中对铜离子与汞离子的含量传感检测。其它与具体实施方式四相同。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式五不同的是：所述的传感检测包含荧光检测，紫外比率检测、目视定性检测或铜离子与汞离子可逆检测。其它与具体实施方式五相同。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式四不同的是：还加入Na₂EDTA实现对铜离子及汞离子的重复检测。其它与具体实施方式四相同。

下面对本发明的实施例做详细说明，以下实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方案和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1：

本实施例识别铜离子和汞离子的双功能荧光探针的制备方法，包括以下步骤：

(1)化合物1的合成：

将5-甲基水杨醛(4.66g，37.22mmol)与邻氨基苯硫酚(5.1g，37.46mmol)溶于50mlN,N-二甲基甲酰胺(DMF)中，再加入(6g，31.56mmol)的焦亚硫酸纳，加热回流，加热温度为110℃，反应3h，用TLC板检测反应，反应完全后，冷却至室温后向溶液中加入50ml去离子水有淡黄色沉淀析出，将沉淀过滤，用去离子水洗涤5次，干燥后得到化合物1，产率93.56％。

(2)化合物2的合成：

将化合物1(500mg，2.07mmol)与乌洛托品(581mg，4.14mmol)溶于10ml三氟乙酸中，加热回流，加热温度为70℃，反应7h，用TLC板检测反应，反应完全后，向溶液中加入去20ml离子水并继续反应10min，有大量沉淀析出，将沉淀过滤，用去离子水洗涤5次，干燥后得到化合物2，产率92.13％。

(3)目标化合物的合成：

将化合物2(100mg，0.37mmol)与对甲基苯磺酰肼(70mg,0.37mmol)加入20ml乙醇中，向其中滴加两滴冰乙酸，加热回流，加热温度为80℃，反应4h，用TLC板检测反应，反应完全后，冷却至室温，将沉淀过滤，用乙醇洗涤5次，干燥后得到目标化合物Z，产率85.14％。

实施例2：

识别铜离子和汞离子的双功能荧光探针Z的应用。

将实施例1中合成的识别铜离子和汞离子的双功能荧光探针Z溶于DMF中，配制浓度为1×10^-5mol/L的DMF/H₂O(3/7,v/v,0.01M HEPES,pH＝7)，检测其对不同金属离子的荧光选择性，图1为荧光选择性光谱图，图1中可以看出，探针自身在340nm波长激发下，最大发射波长在537nm，Stokes位移达到97nm，有较强的黄绿色荧光；加入不同金属离子后，用荧光分光光度计检测其荧光强度变化，结果如图1所示，加入铜离子和汞离子后荧光发射光谱产生显著变化。探针加入铜离子后荧光最大发射波长537nm处的荧光强度几乎完全猝灭；加入汞离子后荧光最大发射波长537nm处的荧光强度有显著下降；而其他金属离子的加入几乎无变化。

为进一步确定，在与其它金属离子共存情况下不影响对铜离子和汞离子的选择性，进行了竞争性荧光实验，结果图2和图3所示，荧光光谱分析表明，与其它金属离子共存情况下不影响探针对铜离子和汞离子的识别。

图2是共存离子对铜离子测定的影响，黑色柱条表示探针以及探针单独加入各种金属离子时的荧光强度，斜柱条表示为同等浓度铜离子与相同浓度倍数的各种金属离子共存时体系的荧光强度。由图2可见，加入铜离子后探针荧光显著猝灭，并且上述共存离子的存在并没有明显地改变该探针分子对于铜离子的检测结果。

图3是共存离子对汞离子测定的影响，黑色柱条表示探针以及探针单独加入各种金属离子时的荧光强度，斜柱条表示为同等浓度铜离子与相同浓度倍数的各种金属离子共存时体系的荧光强度。由图3可见，加入汞离子后探针荧光显著下降，并且上述共存离子的存在并没有明显地改变该探针分子对于汞离子的检测结果。

不同浓度的铜离子加入到溶液中，检测其荧光强度以及紫外吸收强度的变化，如图4、图5所示荧光光谱分析表明，在加入铜离子浓度为0到5×10-6mol/L范围内，荧光强度以及紫外吸收强度变化分别与加入浓度有良好的线性关系曲线，实现了对铜离子的定量检测。

图4为探针Z(浓度为1×10^-5mol/L)在DMF/H₂O(3/7,v/v,0.01M HEPES,pH＝7)下对不同浓度Cu²⁺的荧光光谱响应图。在图4中，横坐标为波长(nm)，纵坐标为荧光强度，激发波长为340nm。铜离子浓度由0到5×10^-6mol/L，检测限为8.1409×10^-8M。

图5为探针Z(浓度为1×10^-5mol/L)在DMF/H₂O(3/7,v/v,0.01M HEPES,pH＝7)下对不同浓度Cu²⁺的紫外光谱响应图。在图5中，横坐标为波长(nm)，纵坐标为紫外吸收强度。铜离子浓度由0到5×10^-6mol/L，检测限为4.4711×10^-8M。

不同浓度的汞离子加入到溶液中，检测其荧光强度以及紫外吸收强度的变化，如图6、图7所示荧光光谱分析表明，在加入汞离子浓度为0到5×10^-6mol/L范围内，荧光强度以及紫外吸收强度变化分别与加入浓度有良好的线性关系曲线，实现了对汞离子的定量检测。

图6为探针Z(浓度为1×10^-5mol/L)在DMF/H₂O(3/7,v/v,0.01M HEPES,pH＝7)下对不同浓度Hg²⁺的荧光光谱响应图。在图6中，横坐标为波长(nm)，纵坐标为荧光强度，激发波长为420nm。汞离子浓度由0到5×10^-6mol/L，检测限为1.2892×10^-7M。

图7为探针Z(浓度为1×10^-5mol/L)在DMF/H₂O(3/7,v/v,0.01M HEPES,pH＝7)下对不同浓度Hg²⁺的紫外光谱响应图。在图7中，横坐标为波长(nm)，纵坐标为紫外吸收强度。汞离子浓度由0到5×10^-6mol/L，检测限为6.7213×10^-7M。

图8为探针Z分别加入铜离子与汞离子后在紫外灯365nm下的荧光发射图。图8中左侧为向1×10^-5mol/L探针溶液中加入1×10^-5mol/L铜离子后放置在紫外灯下365nm照射下的荧光颜色，右侧为向1×10^-5mol/L探针溶液中加入1×10^-5mol/L汞离子后放置在紫外灯下365nm照射下的荧光颜色，中间为探针Z。由图8可见，加入铜离子后荧光几乎完全猝灭，而加入汞离子后荧光由显著的黄绿色变成微弱的淡黄色，即荧光颜色由较亮的黄绿色荧光分别变为无色以及微弱的淡黄色。实现了对铜离子及汞离子的目视定性检测。

图9为探针Z对铜离子识别的可逆性变化，图9为紫外灯365nm照射下探针溶液加入铜离子后再加入等量Na₂EDTA后荧光颜色变化，探针Z对铜离子的可逆性识别至少可重复循环4次。

图10为探针Z对汞离子识别的可逆性变化，图10为紫外灯365nm照射下探针溶液加入汞离子后再加入等量Na₂EDTA后荧光颜色变化，探针Z对汞离子的可逆性识别至少可重复循环4次。

Claims (7)

1.一种识别铜离子和汞离子的双功能荧光探针，其特征在于识别铜离子和汞离子的双功能荧光探针为2-(2-羟基苯基)苯并噻唑与对甲苯磺酰肼的共价结合体，所述双功能荧光探针的结构式如下：

2.权利要求1所述的一种识别铜离子和汞离子的双功能荧光探针的制备方法，其特征在于双功能荧光探针的制备方法，包括以下步骤：

一、5-甲基水杨醛与邻氨基苯硫酚反应得到化合物1：

将5-甲基水杨醛与邻氨基苯硫酚溶于N,N-二甲基甲酰胺中，再加入焦亚硫酸纳，加热回流，加热温度为110～120℃，反应3～4h，用TLC板检测反应，反应完全后，冷却至室温后向溶液中加入去离子水有淡黄色沉淀析出，将沉淀过滤，用去离子水洗涤5～6次，干燥后得到化合物1；

其中5-甲基水杨醛与邻氨基苯硫酚的摩尔比为1:1；5-甲基水杨醛与焦亚硫酸纳的摩尔比为(0.5-1.2):1；

二、将步骤一得到的化合物1与乌洛托品反应得到化合物2：

将化合物1与乌洛托品溶于三氟乙酸中，加热回流，加热温度为70～75℃，反应7～8h，用TLC板检测反应，反应完全后，向溶液中加入去离子水并继续反应10～20min，有大量沉淀析出，将沉淀过滤，用去离子水洗涤5～6次，干燥后得到化合物2；

其中化合物1与乌洛托品的摩尔比为1:(2-5)；

三、将步骤二得到的化合物2和对甲苯磺酰肼反应即可制得目标化合物Z：

将化合物2与对甲基苯磺酰肼加入乙醇中，加热回流，加热温度为80～85℃，反应4～5h，用TLC板检测反应，反应完全后，冷却至室温，并向溶剂中加入蒸馏水，将沉淀过滤，用乙醇洗涤～6次，干燥后得到目标化合物Z；其中化合物2与对甲基苯磺酰肼的摩尔比为1:1。

3.根据权利要求2所述的一种识别铜离子和汞离子的双功能荧光探针的制备方法，其特征在于步骤三中在将化合物2与水杨酰肼加入乙醇中后，还加入冰乙酸至反应体系的pH为4-6。

4.权利要求1所述的双功能荧光探针在重金属离子检测中的应用。

5.根据权利要求4所述的应用，其特征在于所述双功能荧光探针具体用于水环境体系中对铜离子与汞离子的含量传感检测。

6.根据权利要求5所述的应用，其特征在于所述的传感检测包含荧光检测，紫外比率检测、目视定性检测或铜离子与汞离子可逆检测。

7.根据权利要求4所述的应用，其特征在于还加入Na₂EDTA实现对铜离子及汞离子的重复检测。