CN113340862A - 荧光分子传感器及制法、水中痕量铀酰离子的检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了荧光分子传感器及制法、水中痕量铀酰离子的检测方法，属于环境中铀酰离子检测技术领域。本发明的结构如式I所示的荧光分子传感器，或其盐、溶剂化物。制备方法包括：将[1‑(4‑氰基苯基)‑1,2,2‑三苯基]乙烯、盐酸羟胺、三乙基胺于N2保护下加热反应，生成式I化合物。本发明的基于聚集诱导发光效应的水中痕量铀酰离子的检测方法，以式I化合物为荧光探针，从水溶液中捕获铀酰离子，采用荧光分析法进行检测。本发明创造性地采用偕胺肟基团修饰四苯乙烯，获得了能够高选择性的从水溶液中捕获铀酰离子，在聚集态下有较好的发光性能的式I化合物。本发明的检测方法灵敏度更高，选择性好，不易受其他金属离子干扰，结果准确。
Figure DDA0003079875820000011

Description

荧光分子传感器及制法、水中痕量铀酰离子的检测方法
技术领域
本发明属于环境中铀酰离子检测的技术领域，具体涉及荧光分子传感器及水中痕量铀酰离子的检测方法。
背景技术
铀是核工业的重要原料，含有铀的放射性废物经过迁移、转化，会逐渐渗入水体、土壤等环境介质，最终进入生物圈系统，进而对人和生态系统造成危害。环境中的铀特别是水中痕量铀浓度的监测，是评估人们可能暴露在铀环境中产生健康风险的数据基础。
水体中的铀一般以铀酰离子存在。铀酰离子的检测技术手段较多，包括离子色谱法、比色法、电感耦合等离子体质谱法、原子吸收光谱法、荧光光谱法等。离子色谱法检测时间短、运行成本较低，但灵敏度不高；比色法可以在可见光条件下根据颜色变化进行检测，非常方便和高效，但这种方法易受环境干扰；电子吸收光谱法及电感耦合等离子体法虽具有高灵敏度，但需要前处理步骤，仪器设备很昂贵而且很复杂。因此，荧光检测由于具有较高的灵敏度和选择性、响应速度快、制备简单、成本低廉等特点，已经成为检测铀酰离子的关注热点。
利用荧光光谱检测水中痕量铀酰离子，目前国内外均有若干相关方法的报道。这些方法包括：荧光有机小分子传感器、荧光生物分子传感器、荧光聚合物传感器和荧光纳米材料。但是这些方法存在两个问题：一是基于溶液态发光的荧光分子浓度增大或聚集时，荧光强度会降低甚至淬灭，发生聚集导致发光淬灭(aggregation-caused quenching,ACQ)现象。ACQ效应大大降低了荧光分子的发光效率，限制了荧光传感器在水中痕量铀酰离子检测的应用；二是荧光分子对铀酰离子的选择性较差，可能会受到水中常见金属离子的干扰。
与荧光淬灭相对的是荧光强度增强的方法。分子由分散状态转变为聚集状态后荧光发射增强的现象被称为聚集诱导发光(aggregation-induced emission,AIE)现象。具有AIE效应的荧光分子在溶液状态下发光微弱或不发光，而在聚集态发光强烈。这种独特的荧光性质，可以缓解荧光淬灭的问题。但是采用聚集诱导发光方法，又存在灵敏度不同及选择性不好的问题，水中常见金属离子也会对其有干扰。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种荧光分子传感器，聚集态下有较好的发光性能，并且能够高选择性的从水溶液中捕获铀酰离子。
本发明的目的之二在于，提供一种采用荧光分子传感器为荧光探针的水中痕量铀酰离子的检测方法。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
本发明提供的结构如式I所示的荧光分子传感器，或其盐、溶剂化物，
Figure BDA0003079875800000021
典型具有AIE特性的四苯乙烯分子在聚集态下有较好的发光性能，且易于合成并功能修饰。偕胺肟基团(-C(NH2＝N-OH)作为最好的铀酰离子配体之一，能够高选择性的从水溶液中捕获铀酰离子。四苯乙烯基团在聚集状态下由于分子间距离减小，分子内旋转受限，激发态能量以非辐射跃迁方式消耗的部分大大减少，辐射跃迁消耗的能量显著增加，使得该化合物具有较好的荧光性质；偕胺肟基团通过η2配位的形式实现对水中铀酰离子的高效配位，表现出良好的选择性和抗干扰能力。
本发明提供的荧光分子传感器的制备方法，包括以下步骤：将[1-(4-氰基苯基)-1,2,2-三苯基]乙烯、盐酸羟胺、三乙基胺溶解于溶剂中，于N2保护下加热反应，生成式I化合物。
本发明提供的基于聚集诱导发光效应的水中痕量铀酰离子的检测方法，以式I化合物为荧光探针，从水溶液中捕获铀酰离子，采用荧光分析法进行检测。
本发明的部分实施方案中，该检测方法包括以下步骤：
步骤1.绘制标准曲线：将式I化合物分别与不同浓度的铀酰离子标准溶液混合后，得到多个混合标准溶液，分别测定多个混合标准溶液的荧光光谱，以铀酰离子溶液浓度为横坐标，荧光强度为纵坐标绘图，拟合标准曲线，获得标准曲线方程；
步骤2.样品溶液的制备：取待测样品，加入式I化合物混合均匀，备用；
步骤3.测定：将步骤2所得样品溶液进行荧光光谱测定，根据步骤1得到的标准曲线方程，计算样品中铀酰离子浓度。
所述步骤1中，先将式I化合物溶解后再与不同浓度的铀酰离子标准溶液混合；优选地，溶解式I化合物的溶剂为与水能任意混溶的有机溶剂，更优选地为四氢呋喃。
本发明的部分实施方案中，所述步骤1中，所述多个混合标准溶液的个数大于等于5个。
本发明的部分实施方案中，所述多个混合标准溶液的个数为11个。
本发明的部分实施方案中，所述步骤1中，混合标准溶液中的式I化合物浓度均为1.0×10-5mol/L；铀酰离子的浓度范围为0～1×10-8mol/L。
本发明的部分实施方案中，，所述荧光强度为发射波长444nm处的荧光强度。
本发明的部分实施方案中，所述样品溶液中，式I化合物浓度1×10-5mol/L。
本发明的部分实施方案中，荧光光谱仪仪器参数为：激发波长351nm，发射波长370-600nm；扫描速度1000nm/min，间隔1.0nm；激发带宽10nm，发射带宽10nm；增益PMT650V。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明设计科学，构思巧妙，创造性采用采用偕胺肟基团修饰四苯乙烯，获得了能够高选择性的从水溶液中捕获铀酰离子，且在聚集态下有较好的发光性能的式I化合物。
基于聚集诱导发光效应的水中铀酰离子的荧光检测方法，相较于普通的荧光检测方法，灵敏度更高，检出限达到了10-9M，远远低于WHO中关于饮用水中铀浓度的限值(30μg/L,ca 1.1×10-7M)。
采用式I化合物作为荧光探针检测水中痕量铀酰离子，能够高选择性的从水溶液中捕获铀酰离子。将式I化合物与水中常见金属Be、Ca、Fe、K、Li、Mg、Na、W、Zn、Mn和U进行同样的实验，发现这些常见金属对式I化合物的荧光强度没有产生影响，而U对式I化合物有明显的淬灭作用，这说明本发明的荧光检测方法不易受其他金属离子干扰，具有较高的选择性。
用ICP-MS对基于聚集诱导发光效应的水中痕量铀酰离子荧光检测方法进行方法验证，用ICP-MS检测方法的测量值为1.50×10-7mol/L(RSD 3.1％)，基于聚集诱导发光效应的荧光检测方法测量值为1.48×10-7mol/L(RSD 6.6％)，数值吻合非常好，表明本方法的可靠性高。
附图说明
附图1为式I化合物的质谱图；
附图2为式I化合物的1H NMR图；
附图3为式I化合物的13C NMR图；
附图4为常见金属离子和U对式I化合物荧光强度的影响结果图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
实施例1
本实施例公开了式I化合物的合成方法，具体为：
在100mL烧瓶中分别加入[1-(4-氰基苯基)-1,2,2-三苯基]乙烯(357mg,1mmol)、盐酸羟胺(139mg,2mmol)和三乙基胺(556μL,4mmol)，并用40mL无水乙醇溶解。抽真空，在N2保护下加热至80℃，回流反应18h。停止反应后冷却至室温，将反应溶液减压蒸馏。蒸馏后剩余的物质用二氯甲烷和水进行液液萃取，反复三次。将有机相二氯甲烷收集，旋干后用硅胶柱层析分离。洗脱液为石油醚和乙酸乙酯(2:1，v/v)的混合溶剂，得到白色固体258mg，产率为66％。
其质谱图、1H NMR图、13C NMR图分别如附图1-3所示。
实施例2
本实施例公开了本发明的基于聚集诱导发光效应的水中痕量铀酰离子的检测方法，具体为：
(1)式I化合物标准储存液的配制：称取一定量的式I化合物固体粉末放入25mL容量瓶中，用四氢呋喃溶剂定容至25mL。
(2)式I化合物标准溶液的配制：用四氢呋喃将式I化合物标准储存液进行稀释，稀释至6.67×10-5mol/L。
(3)式I化合物标准曲线溶液的配制：取11支5mL的玻璃试管，里面先加入0.45mL浓度为6.67×10-5mol/L的式I化合物标准溶液，后加入2.55mL的超纯水，混合均匀，使式I化合物在混合溶液中的浓度为1.0×10-5mol/L。
(4)铀酰离子标准溶液与式I化合物标准曲线溶液的反应：向步骤(3)获得的11支式I化合物标准曲线溶液浓度为1.0×10-5mol/L的试管中分别加入0，5μL，10μL，15μL，20μL，25μL，30μL，35μL，40μL，45μL，50μL浓度为6.0×10-5mol/L的铀酰离子标准溶液，超声混合均匀。
(5)设置荧光光谱仪仪器参数：打开荧光光谱仪，预热30min。设置仪器的测量参数：激发波长351nm，发射波长370-600nm；扫描速度1000nm/min，间隔1.0nm；激发带宽10nm，发射带宽10nm；增益PMT 650V。
(6)标准曲线的测量：将步骤(4)获得的11支反应后的溶液分别转入比色皿中，测量11支溶液的荧光光谱。
(7)标准曲线拟合：将步骤(6)获得的荧光光谱数据进行导出和处理，获得发射波长444nm(特征发射峰)处的荧光强度数据。以铀酰溶液浓度(μM)为横坐标，444nm处的荧光强度为纵坐标绘图，拟合标准曲线，获得标准曲线方程Y＝1203-2124X，R2＝0.9991，Y代表荧光强度，X代表铀酰溶液浓度。
具体荧光数据见下表：
铀酰溶液浓度(X，μM) 荧光强度(Y)
0 1197
0.05 1106
0.10 999.5
0.15 873.8
0.20 773.8
0.25 678.3
0.30 554.8
0.35 470.7
0.40 362.6
0.45 238.7
(8)样品处理：取1支5mL的玻璃试管，里面先加入0.45mL浓度为6.67×10-5mol/L的式I化合物标准溶液，后加入2.55mL的水样品，超声混合均匀。
(9)样品测量：将步骤(8)反应后的样品溶液转入比色皿中，测量样品溶液的荧光光谱。
(10)样品数据处理：将步骤(9)发射波长444nm(特征发射峰)处的荧光强度数据导出，得到F值为582。根据步骤(7)获得的标准曲线方程进行计算，获得UO2 2+的浓度水平为0.29μM。
实施例2
本实施例公开了本发明的回收率试验，具体为：
取2.55mL纯水样，加入铀标准溶液，使铀酰离子浓度为2.50×10-7mol/L，后加入0.45mL浓度为6.67×10-5mol/L的式I化合物标准溶液，超声5min，混合均匀。将反应后的样品溶液转入比色皿中，测量样品溶液的荧光光谱。将荧光光谱数据进行导出和处理，获得发射波长444nm(特征发射峰)处的荧光强度数据。根据标准曲线方程进行计算UO2 2+的浓度水平。结果：铀酰离子2.47×10-7mol/L，RSD为4.5％，回收率98.8％。
实施例3
本实施例提供了本发明方法的验证试验，具体为：
取2.55mL纯水样，加入铀标准溶液，使铀酰离子浓度为1.50×10-7mol/L，获得样品S1，然后加入0.45mL浓度为6.67×10-5mol/L的式I化合物标准溶液，超声5min，混合均匀。将反应后的样品溶液转入比色皿中，测量样品溶液的荧光光谱。将荧光光谱数据进行导出和处理，获得发射波长444nm(特征发射峰)处的荧光强度数据。根据标准曲线方程进行计算UO2 2+的浓度水平。结果：铀酰离子1.48×10-7mol/L，RSD为6.6％。
取同样浓度的样品S1(1.50×10-7mol/L)，采用ICP-MS进行测量。分析过程如下：打开软件，确定仪器真空度正常。测定之前使用2％-5％HNO3对仪器进行清洗，然后依次测定空白、标准系列，建立标准曲线，最后测定样品S1，根据标准曲线计算样品S1的UO2 2+浓度水平。结果：铀酰离子1.50×10-7mol/L，RSD为3.1％。
数值吻合非常好，表明本方法的可靠性高。
实施例4
本实施例将式I化合物与水中常见金属Be、Ca、Fe、K、Li、Mg、Na、W、Zn、Mn和U进行同样的实验，对荧光强度进行考察，具体为：
取12支试管，各加入2.55mL纯水，然后分别加入空白、Be、Ca、Fe、K、Li、Mg、Na、W、Zn、Mn和U标准溶液，使金属离子浓度为1×10-5mol/L，后加入0.45mL浓度为6.67×10-5mol/L的式I化合物标准溶液，超声5min，混合均匀。将12支反应后的样品溶液转入比色皿中，分别测量样品溶液的荧光光谱。将荧光光谱数据进行导出和处理，获得发射波长444nm(特征发射峰)处的荧光强度数据。结果如附图4所示，Be、Ca、Fe、K、Li、Mg、Na、W、Zn、Mn对式I化合物的荧光强度没有产生影响，而U对式I化合物有明显的淬灭作用，这说明本发明的荧光检测方法不易受其他金属离子干扰，具有较高的选择性。
以上所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

Claims (10)

1.一种结构如式I所示的荧光分子传感器，或其盐、溶剂化物，
Figure FDA0003079875790000011
2.根据权利要求1所述的荧光分子传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：将[1-(4-氰基苯基)-1,2,2-三苯基]乙烯、盐酸羟胺、三乙基胺溶解于溶剂中，于N2保护下加热反应，生成式I化合物。
3.一种基于聚集诱导发光效应的水中痕量铀酰离子的检测方法，其特征在于，以式I化合物为荧光探针，从水溶液中捕获铀酰离子，采用荧光分析法进行检测。
4.根据权利要求3所述的一种基于聚集诱导发光效应的水中痕量铀酰离子的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1.绘制标准曲线：将式I化合物分别与不同浓度的铀酰离子标准溶液混合后，得到多个混合标准溶液，分别测定多个混合标准溶液的荧光光谱，以铀酰离子溶液浓度为横坐标，荧光强度为纵坐标绘图，拟合标准曲线，获得标准曲线方程；
步骤2.样品溶液的制备：取待测样品，加入式I化合物混合均匀，备用；
步骤3.测定：将步骤2所得样品溶液进行荧光光谱测定，根据步骤1得到的标准曲线方程，计算样品中铀酰离子浓度。
5.根据权利要求4所述的一种基于聚集诱导发光效应的水中痕量铀酰离子的检测方法，其特征在于，所述步骤1中，所述多个混合标准溶液的个数大于等于5个。
6.根据权利要求5所述的一种基于聚集诱导发光效应的水中痕量铀酰离子的检测方法，其特征在于，所述多个混合标准溶液的个数为11个。
7.根据权利要求6所述的一种基于聚集诱导发光效应的水中痕量铀酰离子的检测方法，其特征在于，所述步骤1中，混合标准溶液中的式I化合物浓度均为1.0×10-5mol/L；铀酰离子的浓度范围为0～1×10-8mol/L。
8.根据权利要求4-7任意一项所述的一种基于聚集诱导发光效应的水中痕量铀酰离子的检测方法，其特征在于，所述荧光强度为发射波长444nm处的荧光强度。
9.根据权利要求4所述的一种基于聚集诱导发光效应的水中痕量铀酰离子的检测方法，其特征在于，所述样品溶液中，式I化合物浓度1×10-5mol/L。
10.根据权利要求4所述的一种基于聚集诱导发光效应的水中痕量铀酰离子的检测方法，其特征在于，荧光光谱仪仪器参数为：激发波长351nm，发射波长370-600nm；扫描速度1000nm/min，间隔1.0nm；激发带宽10nm，发射带宽10nm；增益PMT 650V。
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