CN109824682A - 一种基于罗丹明b酰肼的汞离子传感器分子及其制备和应用 - Google Patents

Abstract

本发明设计并合成了一种基于罗丹明B酰肼衍生物的汞离子传感器分子SD，该传感器分子在DMSO/H₂O溶液中对汞离子具有荧光紫外双通道识别性能，而且具有抗干扰强，灵敏度高，选择性高等特点。通过核磁滴定和红外光谱分析的结果，推测识别机理是由于SD和Hg²⁺之间的络合导致罗丹明的螺内酰胺环的开环。此外，还制作了基于SD的测试条，可用于方便有效的Hg²⁺测试。

Description

一种基于罗丹明B酰肼的汞离子传感器分子及其制备和应用

技术领域

本发明涉及一种汞离子传感器分子，尤其涉及一种基于罗丹明B酰肼的汞离子传感器分子及其合成方法；本发明同时还涉及该汞离子传感器分子在荧光紫外双通道识别汞离子的具体应用，属于化学合成技术领域和离子识别技术领域。

背景技术

随着科学技术的发展，汞化合物被广泛应用于电气，医疗，军事，铸造等领域。汞在室温下呈液态，具有毒性，挥发性和生物累积性。挥发形成的汞蒸气毒性很大，很容易通过呼吸道进入人体，引起严重的疾病，如耳聋，视力丧失，精神错乱，昏迷和阿尔茨海默氏症。此外，高毒性含汞化合物更难以防治。在含有汞的废液进入生态系统后，具有强迁移和低降解性的汞会导致汞污染。美国环保局将汞列为重点污染物之一。世界卫生组织（WHO）规定的饮用水中Hg（II）的最大允许量不超过6 ng mL^-1（30 nM）。

汞离子（Hg²⁺）通常通过自旋-轨道耦合作用在激发的荧光团上起猝灭剂的作用，并且由于亲硫性，常见的汞离子识别探针存在一些问题，例如这些官能团容易氧化，含硫具有污染性等。因此，设计具有紫外和荧光的双通道汞离子识别探针已引起更多关注。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于罗丹明B酰肼的汞离子传感器分子及其合成方法；

本发明的另一目的是提供上述基于罗丹明B酰肼的汞离子传感器分子在检测汞离子的具体应用。

一、基于罗丹明B酰肼的汞离子传感器分子的结构与合成

本发明基于罗丹明B酰肼的汞离子传感器分子，命名为：2-羟基-5-甲氧基苯甲醛罗丹明酰肼，标记为SD。其结构式为：

汞离子传感器分子SD的合成，包括：

（1）罗丹明B酰肼的合成：在甲醇中，罗丹明B与水合肼以1:1.0~1:1.2的摩尔比，于63~65℃回流进行缩合反应2.5~3小时；反应完成后冷却至室温，调pH至7.5~8.5，析出的沉淀物用蒸馏水洗涤三次，得到淡粉红色罗丹明B酰肼；

（2）传感器分子SD的合成：将罗丹明B酰肼和2-羟基-5-甲氧基苯甲醛以1:1的摩尔比溶解在乙醇中，并回流5~7小时；反应完成后冷却至室温，反应产物用蒸馏水洗涤，过滤，DMF-H₂O重结晶沉淀，即得传感器分子SD。

二、传感器分子的阳离子识别性能

1.传感器分子SD对阳离子紫外性能

1.1SD的阳离子紫外全扫描

在DMSO/H₂O（v/v=1:9）溶液中对SD进行一系列识别实验。准备13支10 ml的比色管，分别加入0.5ml传感器分子SD的DMSO溶液（2×10^-4 mol/L），从第2支开始依次加入0.5 ml阳离子（Hg²⁺，Fe³⁺，Co²⁺，Ni²⁺，Cd²⁺，Pb²⁺，Zn²⁺，Cr³⁺，Cu²⁺，Ag⁺，Ca²⁺和Mg²⁺）的水溶液（0.01 mol/L），然后加入4mL的水（第1支加4.5ml），此时SD浓度为2×10^-5mol/L。混合均匀后，观察其对各个阳离子的响应。

图1为在Hg²⁺和其他离子存在下，SD（2.0×10^-5M）在DMSO/H₂O（1:9，v/v）中的吸光度谱：Hg²⁺，Fe³⁺，Co²⁺，Ni²⁺，Cd²⁺，Pb²⁺，Zn²⁺，Cr³⁺，Cu²⁺，Ag⁺，Ca²⁺和Mg²⁺（50当量）。插图：在室温下加入Hg²⁺和其他阳离子后，SD的DMSO/H₂O溶液的颜色变化照片。由图1可以看出，在567nm处出现宽的吸收带，而在363nm处的吸收带减弱。其他阳离子所存在的试管中没有发生显著的光谱变化。肉眼可以观察到，加入Hg²⁺后，SD溶液从无色变为明显的玫瑰红，说明SD在DMSO/H₂O溶液中能裸眼识别Hg²⁺。

1.2. SD的紫外滴定

在室温下进行汞离子滴定实验以研究SD（2.0×10^-5M）在DMSO/H₂O（v/v =1:9）溶液中罗丹明衍生物开环的响应变化。取2.0ml SD溶液于石英池中，用累积逐滴加入汞离子（0.1M）浓度变化为0~21.7当量，观察到368nm处的吸收峰逐渐减弱而567nm处的吸收峰增加（见图2）。

1.3. 紫外抗干扰性能检测

为了进一步验证SD的选择性，进行了各种金属离子（Fe³⁺, Co²⁺, Ni²⁺, Cd²⁺, Pb²⁺,Zn²⁺, Cr³⁺, Cu²⁺, Ag⁺, Ca²⁺和Mg²⁺）的抗干扰试验。准备13支10 ml比色管，其中第一支仅加入0.5ml受体SD的DMSO溶液，第二支加入0.5ml受体SD的DMSO溶液和0.5ml Hg²⁺的水溶液，从第三支起分别加入0.5ml受体SD的DMSO溶液、0.5ml Hg²⁺的水溶液，并依次分别加入0.5ml各种金属离子（Fe³⁺, Co²⁺, Ni²⁺, Cd²⁺, Pb²⁺, Zn²⁺, Cr³⁺, Cu²⁺, Ag⁺, Ca²⁺和 Mg²⁺）的水溶液，最后用蒸馏水稀释至5ml，摇匀，观察其变化。

图3为SD在各种阳离子存在下对Hg²⁺紫外吸收抗干扰图。图3显示，在没有汞离子的情况下，含有各种阳离子的SD溶液不会引起显著的光谱变化，但是在加入Hg²⁺后所有溶液都显示出显著的光谱变化。表明传感器SD对Hg²⁺的识别不受其他离子的干扰。

2. 受体的阳离子荧光性能

2.1. SD的阳离子荧光全扫描

在DMSO/H₂O（v/v=1:9）溶液中对SD进行一系列识别实验。准备13支10 ml的比色管，依次加入0.5ml受体SD的DMSO溶液（2×10^-4 mol/L），从第2支开始依次加入0.5 ml阳离子（Hg^{2 +}，Fe³⁺，Co²⁺，Ni²⁺，Cd²⁺，Pb²⁺，Zn²⁺，Cr³⁺，Cu²⁺，Ag⁺，Ca²⁺和Mg²⁺）的水溶液（0.01 mol/L），然后加入4mL的水（第1支加4.5mL），此时受体浓度为2×10^-5mol/L。混合均匀后，观察其对各个阳离子的响应。

图4为在Hg²⁺和其他离子存在下，SD（2.0×10^-5M）在DMSO/H₂O（1:9，v/v）中的荧光光谱图.Hg²⁺ _，Fe³⁺，Co²⁺，Ni²⁺，Cd²⁺，Pb²⁺，Zn²⁺，Cr³⁺，Cu²⁺，Ag⁺，Ca²⁺和Mg²⁺（50当量）。插图：在室温下加入Hg²⁺和其他阳离子后，紫外灯下SD的DMSO / H₂O（1：9，v / v）溶液的颜色变化的照片。图4显示，加入Hg²⁺时，在540nm的激发波长下，SD溶液的荧光显著增强，紫外灯下可以观察到SD溶液由无色到亮橙色的变化。而其他阳离子没有引起荧光颜色和发射强度的明显变化。

2.2. SD的荧光滴定

在室温下进行汞离子滴定实验以研究SD（2.0×10^-5M）在DMSO/H₂O（v/v =1:9）溶液中研究罗丹明衍生物开环的响应变化。取2.0mL SD溶液于石英池中，用累积逐滴加入汞离子（0.1M）浓度变化为0~31.2当量；当在540nm激发时，SD的荧光在588nm处显著增强（图5）。

2.3.荧光抗干扰性能检测

为了进一步验证SD的选择性，进行了各种金属离子（Fe³⁺, Co²⁺, Ni²⁺, Cd²⁺, Pb²⁺,Zn²⁺, Cr³⁺, Cu²⁺, Ag⁺, Ca²⁺和Mg²⁺）的抗干扰试验。准备13支10 mL比色管，其中第一支仅加入0.5ml受体SD的DMSO溶液，第二支加入0.5mL受体SD的DMSO溶液和0.5mL Hg²⁺的水溶液，从第三支起分别加入0.5mLSD的DMSO溶液、0.5mLHg²⁺的水溶液，并依次分别加入0.5mL各种金属离子（Fe³⁺, Co²⁺, Ni²⁺, Cd²⁺, Pb²⁺, Zn²⁺, Cr³⁺, Cu²⁺, Ag⁺, Ca²⁺和Mg²⁺）的水溶液，最后用蒸馏水稀释至5mL，摇匀，测试每一组的溶液荧光光谱。

图6为SD在各种阳离子存在下对Hg²⁺荧光吸收抗干扰图。图6显示，在加入Hg²⁺后所有溶液在586nm处的最大吸收峰没有明显变化。表明传感器SD对Hg²⁺的识别不受其他离子的干扰。

2.4.SD对Hg²⁺最低荧光检测限的测定

利用荧光光谱滴定图，可以得出SD与Hg²⁺的荧光强度的变化几乎是线性的。根据3S_B /S计算（其中S_B是空白溶液的标准偏差，S是校准曲线的斜率），检测限低至2.71×10^-7M，表明SD可以在实际应用中检测低浓度的Hg²⁺（如图7所示）。

3.3识别机理

为了确认SD和Hg²⁺之间的识别机理，我们研究了DMSO-d₆中SD的¹H NMR滴定谱（图8）。图8中，SD在10.36ppm和9.01ppm处显示出两个单峰，分别对应-OH和-CH=N。加入Hg²⁺后，-CH=N的信号向低场移动到9.86ppm，-OH的信号向高场移动到9.21ppm。此外，由于SD的螺内酰胺的开环引起的电子密度的变化，苯环中的质子峰也具有分裂现象。在傅里叶变换红外光谱中也证实了开环（见图9）。加入Hg²⁺后，罗丹明螺内酰胺环中羰基带的吸收峰在1691cm^-1处消失，而酰胺羰基的新吸收峰出现在1589cm^-1处，表明螺内酰胺环被打开。具体识别原理如式所示：

。

三、SD试纸的制作及应用

将取一张滤纸将其裁剪成纸条后浸入SD（0.1M）DMSO/H₂O（1:9，v/v）溶液中十分钟，然后在空气中晾干。该试纸条在可见光下淡粉色在紫外光下无荧光呈深蓝色。

当在试纸上滴加Hg²⁺时，在可见光和紫外光下可以观察到显著的颜色变化：在可见光下试纸颜色明显加深，呈玫瑰红色，紫外光下试纸颜色明显变亮，呈粉色。这说明SD试纸在Hg²⁺的实际检测中具有很好的应用价值。

综上所述，我们设计并合成了一种简单有效的传感器SD，它可以紫外荧光双通道高选择高灵敏性识别Hg²⁺。SD对Hg²⁺的荧光响应检测限低至2.71×10^-7M。通过研究¹H NMR和IR光谱，可以推测出SD和Hg²⁺之间的络合导致罗丹明的螺内酰胺环的开环，引起了一系列变化。此外，制作了基于SD的试纸条，可用作比色和荧光测量工具，用于快速检测Hg²⁺。

附图说明

图1为传感器分子SD对各阳离子的紫外吸光度谱。

图2为传感器SD（2×10^-5mol/L）在不同浓度Hg²⁺条件下的紫外滴定光谱。

图3为传感器SD在各种阳离子存在下对Hg²⁺紫外吸收抗干扰图。

图4为传感器分子SD对各阳离子的荧光光谱图。

图5为传感器SD（2×10^-5mol/L）在不同浓度Hg²⁺条件下的荧光滴定光谱。

图6为传感器SD在各种阳离子存在下对Hg²⁺荧光吸收抗干扰图。

图7为SD的荧光最低检测限。

图8为室温下SD和在DMSO-d₆中存在不同量的Hg²⁺的¹H NMR光谱。

图9为SD和SD-Hg²⁺络合物的FT-IR光谱数据。

图10为SD的核磁氢谱图。

图11为SD的核磁碳谱图。

图12为SD的质谱图。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明传感器分子SD的合成及应用做进一步说明。

实施例1：传感器分子SD的合成

（1）罗丹明B酰肼的合成：罗丹明B酰肼是通过罗丹明B（0.96g，2mmol）和水合肼（1ml，0.02mol）在甲醇（30ml）中的一步缩合反应制备。将反应在65℃下在空气中回流3小时。反应完成后，将其冷却至室温。用NaOH溶液将pH调节至8，并出现大量固体沉淀物。然后用蒸馏水洗涤三次，得到淡粉红色目标化合物，收率83％，熔点214-216℃。

（2）传感器分子SD的合成：将罗丹明B酰肼（0.46g，1mmol）和2-羟基-5-甲氧基苯甲醛（0.15g，1mmol）溶解在EtOH（30mL）中并回流6小时。反应完成后，将混合物冷却至室温，用蒸馏水洗涤沉淀物。然后过滤混合物，用DMF-H₂O重结晶沉淀，得到目标化合物，产率79％。合成路线如下所示：

颜色：深红色；熔点> 300℃；¹H NMR (CDCl₃, 400 MHz, ppm) d: 10.36 (s, 1H),9.24 (s, 1H), 7.97 (m, 1H), 7.53 (m, 2H), 7.18 (d, J = 7.2 Hz, 1H), 6.78 (d,J = 2.6 Hz, 2H), 6.63 (d, J = 2.2 Hz, 1H), 6.48(m, 4H), 6.26 (dd, J = 8.9,2.5 Hz, 2H), 3.71(s,3H), 3.32 (q, J = 7.0 Hz, 8H), 1.15 (t, J = 7.0 Hz, 12H).¹³C NMR (DMSO-d₆, 100 MHz, ppm) d: 163.90, 153.34, 152.51, 151.72, 149.46,148.99, 134.41, 129.47, 128.16, 123.52, 119.79, 118.97, 117.77,112.27,108.57, 105.56, 97.76, 66.14, 55.82, 44.13, 12.87. m/z (ES+): [C₃₆H₃₈N₄O₄] ⁺计算值为591.29, 实测值：591.3724。传感器分子SD的核磁氢谱、碳谱及质谱分别见图10、图11、图12。

实施例2、SD裸眼识别汞离子

在SD的DMSO/H₂O（1:9，v/v）溶液中（2.0×10^-5M），分别滴加Hg²⁺，Fe³⁺，Co²⁺，Ni²⁺，Cd²⁺，Pb²⁺，Zn²⁺，Cr³⁺，Cu²⁺，Ag⁺，Ca²⁺和Mg²⁺水溶液，若SD溶液从无色变为明显的玫瑰红，说明加入的是Hg²⁺，若溶液颜色不变，说明滴加的是其他离子。

实施例3、SD荧光识别汞离子

在SD的DMSO/H₂O（1:9，v/v）溶液中（2.0×10^-5M），分别滴加Hg²⁺，Fe³⁺，Co²⁺，Ni²⁺，Cd²⁺，Pb²⁺，Zn²⁺，Cr³⁺，Cu²⁺，Ag⁺，Ca²⁺和Mg²⁺水溶液，在紫外灯下，若SD溶液由无色变为亮橙色，说明加入的是Hg²⁺，若溶液颜色没有明显变化，说明滴加的是其他离子。

实施例4、SD试纸的制作及应用

将取一张滤纸将其裁剪成长约3cm，宽约1cm的纸条，浸入SD（0.1M）DMSO / H₂O（1:9，v/v）溶液中十分钟，然后在空气中晾干。该试纸条在可见光下呈淡粉色在紫外光下呈深蓝色。

当在试纸上滴加阳离子（Hg²⁺，Fe³⁺，Co²⁺，Ni²⁺，Cd²⁺，Pb²⁺，Zn²⁺，Cr³⁺，Cu²⁺，Ag⁺，Ca²⁺和Mg²⁺）时，在可见光试纸颜色明显加深，呈玫瑰红色，则说明加入的是Hg²⁺，否则不是Hg²⁺。在紫外光下试纸颜色明显变亮，呈粉色，说明加入的是Hg²⁺，否则不是Hg²⁺。

上述实施例中使用的仪器与试剂：

岛津UV-2550紫外-可见吸收光谱仪(1cm石英比色皿)；岛津RF-5301 荧光发射光谱仪（1cm石英比色皿）；X-4数字显示微熔点测定仪(温度计未校正)；Mercury-400BB型核磁共振仪测定, TMS为内标；Bruker Daltonics Esquire 6000 型离子阱质谱仪。

所有试剂和溶剂均为分析级试剂级，无需进一步纯化。在整个分析实验中使用的是通过标准方法纯化二次蒸馏水。阳离子的高氯酸盐购自Alfa-Aesar Chemical ReagentCo，并储存在真空干燥器中。

Claims (9)

1.一种基于罗丹明B酰肼的汞离子传感器分子，其结构式如下：

。

2.如权利要求1所述一种基于罗丹明B酰肼的汞离子传感器分子汞离子传感器分子的合成方法，包括：

（1）罗丹明B酰肼的合成：在甲醇中，罗丹明B与水合肼以1:1~1:1.2的摩尔比，于63℃~65℃回流进行缩合反应2.5~3小时；反应完成后冷却至室温，调pH至7.5~8.5，析出的沉淀物用蒸馏水洗涤三次，得到淡粉红色罗丹明B酰肼；

（2）传感器分子SD的合成：将罗丹明B酰肼和2-羟基-5-甲氧基苯甲醛以1:1的摩尔比溶解在乙醇中，并于80~85℃回流5~7小时；反应完成后冷却至室温，反应产物用蒸馏水洗涤，过滤，DMF-H₂O重结晶沉淀，即得传感器分子。

3.如权利要求1所述基于罗丹明B酰肼的汞离子传感器分子在裸眼识别汞离子的应用，其特征在于：在传感器分子的DMSO/H₂O溶液中，分别滴加Hg²⁺，Fe³⁺，Co²⁺，Ni²⁺，Cd²⁺，Pb²⁺，Zn^{2 +}，Cr³⁺，Cu²⁺，Ag⁺，Ca²⁺和Mg²⁺水溶液，若传感器分子溶液从无色变为明显的玫瑰红，说明加入的是Hg²⁺，若溶液颜色不变，说明滴加的是其他离子。

4.如权利要求3所述基于罗丹明B酰肼的汞离子传感器分子在裸眼识别汞离子的应用，其特征在于：DMSO/H₂O溶液中，DMSO的体积百分数为5~10%。

5.如权利要求1所述基于罗丹明B酰肼的汞离子传感器分子在荧光识别汞离子的应用，其特征在于：在传感器分子的DMSO/H₂O溶液中，分别滴加Hg²⁺，Fe³⁺，Co²⁺，Ni²⁺，Cd²⁺，Pb²⁺，Zn^{2 +}，Cr³⁺，Cu²⁺，Ag⁺，Ca²⁺和Mg²⁺水溶液，在紫外灯下，若传感器分子溶液由无色变为亮橙色，说明加入的是Hg²⁺，若传感器分子溶液颜色没有明显变化，说明滴加的是其他离子。

6.如权利要求5所述基于罗丹明B酰肼的汞离子传感器分子在荧光识别汞离子的应用，其特征在于：DMSO/H₂O溶液中，DMSO的体积百分数为5~10%。

7.一种负载有如权利要求1所述基于罗丹明B酰肼的汞离子传感器分子的汞离子检测试纸。

8.利用如权利要求7所述基于罗丹明B酰肼的汞离子传感器分子的汞离子检测试纸检测汞离子的方法，其特征在于：在试纸上滴加Hg²⁺，Fe³⁺，Co²⁺，Ni²⁺，Cd²⁺，Pb²⁺，Zn²⁺，Cr³⁺，Cu²⁺，Ag⁺，Ca²⁺和Mg²⁺溶液时，若试纸颜色明显加深至玫瑰红色，则说明加入的是Hg²⁺，否则不是Hg^{2 +}。

9.利用如权利要求7所述基于罗丹明B酰肼的汞离子传感器分子的汞离子检测试纸检测汞离子的方法，其特征在于：在试纸上滴加Hg²⁺，Fe³⁺，Co²⁺，Ni²⁺，Cd²⁺，Pb²⁺，Zn²⁺，Cr³⁺，Cu²⁺，Ag⁺，Ca²⁺和Mg²⁺溶液时，在紫外光下试纸颜色明显变亮，呈粉色，则说明加入的是Hg²⁺，否则不是Hg²⁺。