CN110878100A - 一种可裸眼识别的氰根离子探针及其制备方法和在含水体系中检测氰根离子的应用 - Google Patents

一种可裸眼识别的氰根离子探针及其制备方法和在含水体系中检测氰根离子的应用 Download PDF

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Abstract

本发明属于分析检测技术领域，具体公开了一种检测氰根离子的探针，其结构中C=N双键易与CN‑发生亲核加成反应，使得共轭π键被打断，从而产生颜色和光谱的变化。本发明检测氰根离子的探针化学名称为6,6,12,12‑四(4‑己基苯基)‑6,12‑二氢二噻吩[2,3‑d:2',3'‑d']‑s‑茚并[1,2‑b:5,6‑b']二噻吩‑2,8‑二（1,3,3‑三甲基‑2‑乙烯基‑3H‑吲哚鎓碘化物），该探针是以6,6,12,12‑四(4‑己基苯基)‑6,12‑二氢二噻吩[2,3‑d:2',3'‑d']‑s‑茚并[1,2‑b:5,6‑b']二噻吩‑2,8‑二甲醛与1，2，3，3‑四甲基‑3H‑吲哚鎓碘化物为原料，通过克脑文盖尔缩合反应所得。该探针可以单一性检测CN‑，检测过程不受其他阴离子的干扰，在CN‑的浓度为10‑32μmol·L‑1范围时，检测限为0.89μmol·L‑1。通过紫外吸收光谱检测时，本发明探针溶解在超纯水和无水乙腈的混合溶液中，对CN‑进行测试。

Description

一种可裸眼识别的氰根离子探针及其制备方法和在含水体系 中检测氰根离子的应用
技术领域
本发明属于分析检测领域，涉及一种检测氰根离子探针、该探针的合成方法以及其在含水体系中检测氰根离子的应用。
背景技术
氰根离子(CN-)是一种极具生理和环境毒性的阴离子。氰化物其可以通过消化道或呼吸道直接进入人体，导致人体代谢紊乱，中枢神经系统、血管和心脏受到损伤，当人在吸入高浓度气体或吞服致死剂量氰化钠时，将即刻停止呼吸，造成猝死。因此，氰根离子的危害性非常大。CN-中毒的机理目前被广泛接受的是：CN-可以与细胞线粒体内的氧化性细胞色素氧化酶的Fe3+结合，对Fe3+的还原产生影响，细胞呼吸作用受阻，组织缺氧，最后由于呼吸衰竭死亡。
但是，随着制造业的发展，氰化物被广泛应用于化肥、医药、冶金、染料、黄金提取等领域。氰化物的大量使用必然会导致其对环境的污染及人类健康的危害，传统检测氰根离子的方法主要有：离子色谱法、原子吸收光谱法、伏安法、电位滴定法等，以上这些检测手段需要依赖大型仪器设备，处理过程较为繁琐耗时，而且灵敏度和选择性较低。因此，发展一种便于操作，选择性好，灵敏度高，快速高效、仪器易得、成本低廉的检测氰根离子的方法具有重要的意义和价值。
近年来，利用分光光度法检测物质光谱性质的变化来测定氰根离子的有机分子探针成为科研工作者研究的热点之一，因其具有易于操作，灵敏度高，选择性好等优点，而被广泛应用于生命样本和环境检测等领域。分光光度法检测离子主要原理是以紫外-可见光谱为手段，有机分子探针与待检测离子之间通过特异结合后，其共轭结构发生改变，电子能级发生改变，进而其吸收光谱性质发生改变，通过检测吸收信号的变化来实现对待检测离子的定性和定量分析。研究者们通过此原理设计合成了许多氰根离子探针。但许多探针合成方法较为复杂，成本高，有些检测体系为有机溶剂或者含水较少的混合溶剂，灵敏度也不够高，因此，开发灵敏度高、选择性好，可在水相中低廉、快速地检测氰根离子的有机分子探针具有重要意义。
发明内容
本发明有三个目的：(1)提供一种检测氰根离子的小分子探针；(2)提供一种上述检测氰根离子探针的制备方法；(3)提供上述检测氰根离子探针在含水体系中检测氰根离子的应用。
为了实现上述目的，本发明采取下述技术方案：
本发明检测氰根离子(CN-)的探针结构中C＝N双键易与CN-发生亲核加成反应，结果使得共轭π键被打断，共轭体系缩小，各能级之间能量差增加，吸收光谱向短波方向移动，从而产生颜色和光谱的变化。一种检测氰根离子的小分子探针，所述探针可通过裸眼观察定性判定氰根离子的存在，其化学名称为6,6,12,12-四(4-己基苯基)-6,12-二氢二噻吩[2,3-d:2',3'-d']-s-茚并[1,2-b:5,6-b']二噻吩-2,8-二(1,3,3-三甲基-2-乙烯基-3H-吲哚鎓碘化物)，标记为PI。其结构式如下：
Figure BDA0002322806410000021
一种上述检测氰根离子的小分子探针的制备方法，是以6,6,12,12-四(4-己基苯基)-6,12-二氢二噻吩[2,3-d:2',3'-d']-s-茚并[1,2-b:5,6-b']二噻吩-2,8-二甲醛为原料，与1，2，3，3-四甲基-3H-吲哚鎓碘化物通过克脑文盖尔缩合反应所得，合成路线如下图所示：
Figure BDA0002322806410000031
具体制备工艺步骤为：
取干燥的反应容器，容器内置换成氮气，加入物质的量之比为1：(2-4)的6,6,12,12-四(4-己基苯基)-6,12-二氢二噻吩[2,3-d:2',3'-d']-s-茚并[1,2-b:5,6-b']二噻吩-2,8-二甲醛和1，2，3，3-四甲基-3H-吲哚鎓碘化物，再加入乙醇和少量哌啶，65-90℃加热回流搅拌15-30h，随后通过减压蒸馏除去乙醇和哌啶得到深蓝色的残留物。硅胶柱层析梯度洗脱，分离提纯(洗脱梯度依次为二氯甲烷：甲醇＝50:1，二氯甲烷：甲醇＝40:1，二氯甲烷：甲醇＝30:1)，得到深蓝色固体。
一种检测氰根离子的小分子探针PI在含水体系中检测氰根离子的应用。利用小分子探针PI对氰根离子进行定性和定量测定。
将所述探针溶解在乙腈水溶液中，对CN-进行测试。
进一步，所述乙腈水溶液中乙腈与水体积比为3：(3-7)。
进一步的，具体应用时，将滤纸浸泡于所述PI探针的无水乙腈溶液(优选浓度范围是：30-100μmol·L－1)中，使PI均匀吸附在滤纸上，自然风干，制得CN-检测试纸条。
进一步，CN-检测试纸条的使用方法为：取少量待检测溶液(如2mL)冷冻干燥浓缩至原始体积百分之十左右(如0.2mL)，用超纯水和乙腈(优选V/V＝1:1)混合溶液稀释浓缩液至原始体积(如2mL)，试纸条放入稀释后的待检测溶液浸泡5min，随后取出晾干。通过裸视观察试纸条颜色是否由蓝色变为黄色，颜色有变化则可定性判断待测溶液中存在氰根离子，并可通过试纸条颜色变化深浅程度定量判断待测溶液中氰根离子浓度范围。
相对于现有技术，本发明具有以下优点及有益效果：
通过以上技术方案，本发明所述的检测氰根离子(CN-)的探针，其结构中C＝N双键易与CN-发生亲核加成反应，使得共轭π键被打断，从而产生颜色和光谱的变化。通过紫外吸收光谱研究其在超纯水和无水乙腈(V/V＝1:1)的混合溶液中对ClO4 -、F-、Cl-、NO3 -、I-、AcO-、HSO4 -、Br-、CN-、H2PO4 -十种阴离子的检测效果，结果表明该探针可以单一性检测CN-，检测过程不受其他阴离子的干扰，在CN-的浓度为10-32μmol·L-1范围时，检测限为0.89μmol·L-1。
综上所述，本发明所述小分子探针是一种可裸眼识别、灵敏度高、选择性好、可在水相中检测氰根离子探针。此探针合成方法简单、合成成本较低，在CN-的检测中具有较好的应用前景。
附图说明
图1为PI(5μmol·L-1)的超纯水和无水乙腈(V/V＝1:1)混合溶液中加入不同阴离子(50μmol·L-1)时的紫外吸收谱图；
图2为PI(5μmol·L-1)的超纯水和无水乙腈(V/V＝1:1)混合溶液中加入不同阴离子(50μmol·L-1)时在日光灯下图片；
图3为PI(5μmol·L-1)的超纯水和无水乙腈(V/V＝1:1)混合溶液中加入不同CN-浓度时在日光灯下图片；
图4为PI(5μmol·L-1)的超纯水和无水乙腈(V/V＝1:1)混合溶液中在不同CN-浓度(0—44μmol·L-1)下的紫外吸收光谱；
图5为PI(5μmol·L－1)在与其他阴离子(50μmol·L－1)共存时对CN-(50μmol·L－1)响应时A430nm/A625nm的变化柱状图；
图6为PI(5μmol·L-1)的超纯水和无水乙腈(V/V＝1:1)混合溶液A625nm值与CN-浓度(10-32μmol·L－1)线性图；
图7a为PI试纸条浸泡在不同阴离子(50μmol·L－1超纯水和无水乙腈(V/V＝1:1)溶液)，5分钟后，取出晾干，在日光灯下的照片；
图7b为PI试纸条浸泡在不同浓度氰根离子溶液(超纯水和无水乙腈(V/V＝1:1))5分钟后，取出晾干，在日光灯下的照片。
具体实施例
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
主要试剂：6,6,12,12-四(4-己基苯基)-6,12-二氢二噻吩[2,3-d:2',3'-d']-s-茚并[1,2-b:5,6-b']二噻吩-2,8-二甲醛，C70H74O2S4，郑州阿尔法化工有限公司，规格：1g。
1,2,3,3-四甲基-3H-吲哚鎓碘化物，C12H16N+.I-，江苏艾康生物医药研发有限公司，规格：5g。
ClO4 -、F-、Cl-、NO3 -、I-、AcO-、HSO4 -、Br-、CN-、H2PO4 -溶液中各离子源分别为化合物四丁基高氯酸铵、三水合四丁基氟化铵、四丁基氯化铵-水合物、四丁基硝酸铵、四丁基碘化铵、四丁基乙酸铵、四丁基硫酸氢铵、四丁基溴化铵、四丁基氰化铵、四丁基磷酸二氢铵，均为常见市售商品。
实施例1
一、一种检测氰根离子的小分子探针的合成
取干燥的100mL的两口瓶，瓶内置换成氮气，加入6,6,12,12-四(4-己基苯基)-6,12-二氢二噻吩[2,3-d:2',3'-d']-s-茚并[1,2-b:5,6-b']二噻吩-2,8-二甲醛(0.108g,0.1mmol)，1,2,3,3-四甲基-3H-吲哚鎓碘化物(0.075g,0.25mmol)、乙醇(20mL)和少量哌啶(0.15mL)，78℃加热回流搅拌21h，随后通过减压蒸馏除去乙醇和哌啶得到深蓝色的残留物。硅胶柱层析梯度洗脱(依次通过：二氯甲烷：甲醇＝50:1，二氯甲烷：甲醇＝40:1，二氯甲烷：甲醇＝30:1)，分离提纯，得到深蓝色固体PI(0.1g,0.072mmol)，收率为70.5％。.1H NMR(400MHz,CDCl3)δ8.93(s,2H),8.79(m,6H),7.64(s,2H),7.54-7.53(m,4H),7.51-7.45(m,2H),7.40-7.36(m,2H),7.15(m,12H),6.99-6.95(m,2H),4.20(s,6H),3.16(m,8H),2.64-2.49(m,8H),1.95-1.94(m,8H),1.85(s,12H),1.72-1.52(m,16H),1.43-1.41(m,4H),1.29(m,18H).13C NMR(101MHz,CDCl3)δ180.13,155.48,152.86,147.47,147.06,145.25,142.59,142.43,141.71,138.81,136.98,130.56,129.51,128.91,127.81,126.11,122.77,118.57,115.93,113.91,63.02,52.12,44.54,35.86,35.61,33.83,31.93,31.69,31.62,31.30,30.29,29.37,29.19,26.96,22.70,22.60,22.15,22.09,14.11.
产物PI结构式：
Figure BDA0002322806410000061
二、检测氰根离子的小分子探针对阴离子的识别性能
1、检测氰根离子的小分子探针的选择性研究
将PI溶于无水乙腈中配制5×10-4mol·L－1的储备液；分别用超纯水配制5×10- 3mol·L－1的ClO4 -、F-、Cl-、NO3 -、I-、AcO-、HSO4 -、Br-、CN-、H2PO4 -溶液。将2475μL超纯水和无水乙腈(V/V＝1:1)的混合溶液加入比色皿，随后再加入25μL的PI储备液，摇匀，检测紫外吸收光谱(λmax＝625nm)，分别加入25μL的阴离子储备液，此时PI的浓度为5×10-6mol·L-1，阴离子的浓度为探针的10倍，检测紫外吸收光谱，观察探针PI对各种阴离子的响应。
结果表明，PI在超纯水和无水乙腈(V/V＝1:1)的混合溶液中，紫外最大吸收峰位于625nm处，加入CN-后，在430nm和458nm处出现显著的吸收峰，而加入其他阴离子，PI的紫外吸收光谱没有明显变化(图1)。在日光下，加入CN-的溶液由蓝色变为黄色，而加入其他阴离子的探针溶液颜色没有变化(图2)。说明该小分子探针PI可以专一性地检测CN-。同时，随着加入的CN-浓度的增大，溶液颜色由蓝色变为绿色，再变为黄色(图3，图中标示的浓度为加入CN-后，其在溶液中的终浓度)。
2、检测氰根离子的小分子探针滴定实验
用无水乙腈配制5×10-4mol·L－1的PI探针储备液，用超纯水配制5×10-3mol·L－1的CN-储备液。检测时在比色皿中加入超纯水和无水乙腈(V/V＝1:1)的混合溶液，随后加入25μL的PI探针储备液至PI浓度为5μmol·L－1，然后加入CN-储备液1μL，摇晃均匀，30s后检测其紫外吸收光谱，重复此操作，直至加入CN-储备液总计22μL。
结果表明，随着CN-的逐渐加入，被检测溶液在625nm处的吸收峰逐渐降低，430nm处的吸收峰逐渐增强，直至加入44μmol·L-1的CN-时接近平衡(图4)。当CN-的浓度为10—32μmol·L-1时，PI在625nm处吸光度值与CN-的浓度表现出较好的线性关系，拟合得到的线性方程分别为y＝-2.16988×104x+0.77331(R2＝0.99575)(图6)，因此可以通过分光光度法定量检测CN-的浓度。
3、PI探针对CN-检测限的测定
依据“检测限＝3σ/k”可计算PI对CN-的检测限，其中σ为标准平均偏差，k为线性拟合直线的斜率。通过对分散在超纯水和无水乙腈(V/V＝1:1)混合溶液的PI(5μmol·L-1)分别进行15次吸光度值检测，将得到的测量结果计算标准偏差σ为0.00646，当CN-的浓度为10—32μmol·L-1时，在625nm处PI的吸光度值与CN-的浓度表现出较好的线性关系，拟合得到的线性方程为y＝-2.16988×104x+0.77331(R2＝0.99575)，k为-2.16988×104，通过公式计算可以得出，PI对CN-的检测限为0.89μmol·L-1；远低于世界卫生组织对居民生活饮用水中，CN-的最大浓度的规定(1.9μmol/L)。
4、抗干扰能力检测
将PI溶于无水乙腈中配制5×10-4mol·L－1的储备液；分别用超纯水配制5×10- 3mol·L－1的ClO4 -、F-、Cl-、NO3 -、I-、AcO-、HSO4 -、Br-、CN-、H2PO4 -溶液。在比色皿中加入超纯水和无水乙腈(V/V＝1:1)混合溶液2475μL，PI储备液25μL(PI最终浓度5μmol·L-1)，进行紫外吸收光谱检测，然后加入25μL某一阴离子储备液(例如ClO4 -，CN-除外)，充分摇匀，进行紫外吸收光谱检测，最后加入25μL的CN-溶液，摇匀，再次进行紫外吸收光谱检测，其他各阴离子均重复上述操作。
实验表明，在与其他阴离子共存的情况下，CN-可以与PI反应，导致其在625nm处的吸收峰减弱至消失，同时反应产物在430nm处出现新的紫外吸收峰，(图5)，说明PI用于CN-检测时，具有很强的抗干扰能力，其他阴离子的存在不会对检测结果带来干扰。
5、PI用于实际水样的检测
分别用纯净水(通过净水器自制)和矿泉水(农夫山泉)配制5×10-3mol·L－1的CN-溶液，用无水乙腈配制5×10-4mol·L－1的探针PI储备液。在比色皿中加入超纯水和无水乙腈(V/V＝1:1)混合溶液2475μL，PI储备液25μL。振荡，检测紫外吸收光谱。随后，向比色皿中加入12μL配制的5×10-3mol·L-1CN-溶液(实际浓度24μmol·L-1)，摇匀，30s后检测其紫外吸收光谱。重复此操作三次。每种水样重复上述操作。测定结果如下表，测定数据的相对标准平均偏差均小于5％。因此PI可用于实际水样中的CN-测定。
Figure BDA0002322806410000081
6、PI的CN-检测试纸条及应用
将裁剪成圆形的滤纸片放在50μmol·L－1的PI无水乙腈溶液中浸泡5min，随后取出，待自然风干，即成试纸条待用。
将试纸条分别放在500μmol·L－1ClO4 -、F-、Cl-、NO3 -、I-、AcO-、HSO4 -、Br-、CN-、H2PO4 -溶液(用无水乙腈：超纯水＝1:1(V/V)混合液配制)中浸泡5min，随后取出晾干。如图7a所示，只有CN-能够与探针发生反应，并通过裸视观察试纸条颜色由蓝色变为黄色，其他阴离子则无响应。
配制50μmol·L－1、100μmol·L－1、250μmol·L－1和500μmol·L－1CN-溶液(用无水乙腈：超纯水＝1:1(V/V)混合液配制)，将吸附有探针并自然晾干后的试纸条放在不同浓度的CN-溶液中浸泡5min，随后取出晾干。实验发现，在不同浓度的CN-溶液中浸泡的试纸条，在日光下，可直接裸视观察试纸条颜色深浅变化，随着CN-溶液浓度的增加，试纸条颜色逐渐由蓝色变为绿色，再变为黄色(图7b)。

Claims (10)

1.一种检测氰根离子的小分子探针，其特征在于：所述探针的化学名称为6,6,12,12-四(4-己基苯基)-6,12-二氢二噻吩[2,3-d:2',3'-d']-s-茚并[1,2-b:5,6-b']二噻吩-2,8-二(1,3,3-三甲基-2-乙烯基-3H-吲哚鎓碘化物)，标记为PI，其结构如下：
Figure FDA0002322806400000011
2.一种权利要求1所述的检测氰根离子的小分子探针的制备方法，其特征在于：以6,6,12,12-四(4-己基苯基)-6,12-二氢二噻吩[2,3-d:2',3'-d']-s-茚并[1,2-b:5,6-b']二噻吩-2,8-二甲醛为原料，与1，2，3，3-四甲基-3H-吲哚鎓碘化物通过克脑文盖尔缩合反应所得。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述6,6,12,12-四(4-己基苯基)-6,12-二氢二噻吩[2,3-d:2',3'-d']-s-茚并[1,2-b:5,6-b']二噻吩-2,8-二甲醛与1，2，3，3-四甲基-3H-吲哚鎓碘化物的物质的量之比为1：(2-4)。
4.根据权利要求2或3所述的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
取干燥的反应容器，容器内置换成氮气，加入6,6,12,12-四(4-己基苯基)-6,12-二氢二噻吩[2,3-d:2',3'-d']-s-茚并[1,2-b:5,6-b']二噻吩-2,8-二甲醛和1，2，3，3-四甲基-3H-吲哚鎓碘化物，再加入乙醇和哌啶，65-90℃加热回流搅拌15-30h，随后通过减压蒸馏除去乙醇和哌啶得到深蓝色的残留物；硅胶柱层析梯度洗脱分离提纯，得到深蓝色固体。
5.一种权利要求1所述的检测氰根离子的小分子探针在含水体系中检测氰根离子中的应用。
6.根据权利要求5所述的应用，其特征在于：利用所述小分子探针对氰根离子进行定性和定量测定。
7.根据权利要求6所述的应用，其特征在于所述探针溶解在乙腈水溶液中，对CN-进行测试。
8.根据权利要求7所述的应用，其特征在于，所述乙腈水溶液中乙腈与水体积比为3：(3-7)。
9.将权利要求1所述的检测氰根离子的小分子探针制成CN-检测试纸条。
10.根据权利要求9所述的CN-检测试纸条，其特征在于：所述CN-检测试纸条的制备方法为：将滤纸浸泡于所述小分子探针的无水乙腈溶液中，使所述小分子探针均匀吸附在滤纸上，自然风干，制得CN-检测试纸条；
根据权利要求10所述的CN-检测试纸条，其特征在于：所述小分子探针的无水乙腈溶液的浓度为30-100μmol·L－1。
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