一种水溶性荧光共轭聚合物在硝基芳烃检测中的应用的制作方法

本发明具体涉及一种水溶性荧光共轭聚合物在硝基芳烃检测中的应用。

背景技术：

水溶性共轭聚合物作为一类新型高分子材料，近几年来倍受关注。由于具有能够均匀地分散在水相中的特性，使水溶性共轭聚合物在各个领域中受到广泛应用。然而目前将水溶性共轭聚合物用于水中硝基芳烃检测的报道很少。

硝基芳烃类化合物(三硝基甲苯TNT、二硝基甲苯DNT)是爆炸物的重要成分，硝基芳烃还对人类身体健康具有重要的危害。因此，探索对微痕量硝基芳烃的现场检测技术对人们的生命财产安全以及环境保护具有非常重要的意义。现实情况中，对气相硝基芳烃爆炸物的研究比较多，对水相中的研究比较少。军事基地所用的爆炸物在制备、运输、储备和使用过程中对土壤和水体造成很大污染，同时随着一些工业排放污水对海水或地下水等液相环境也造成了一些污染，当爆炸物造成的环境污染比较严重时，不仅随时诱发爆炸的危险，而且对人类和动植物的生存造成威胁。因此研究检测水中微痕量硝基芳烃的检测方法尤为迫切。

荧光性共轭聚合物由于其独特的分子导线效应，能够产生荧光信号放大效应，成为检测硝基芳烃的很有前景的传感材料。目前已报道的用于硝基芳烃爆炸物检测的荧光共轭聚合物多是疏水性的高分子，一般用于气相硝基芳烃的检测，对于水中硝基芳烃的检测难以满足。

因此，研制开发水溶性的荧光共轭聚合物用于水相中微痕量硝基芳烃的检测，对于保护环境，减少硝基芳烃对人类的危害具有非常重要的意义。

技术实现要素：

针对以上现有技术，本发明的目的是提供一种水溶性荧光共轭聚合物在硝基芳烃检测中的应用。

本发明采用以下技术方案：

本发明提供了一种水溶性荧光共轭聚合物在硝基芳烃检测中的应用，其特点是：所述水溶性荧光共轭聚合物的结构式如式1所示：

其中，n为共轭聚合物的聚合度，所述n为20～30，优选为25。

本发明提供了一种上述水溶性荧光共轭聚合物在制备检测硝基芳烃的传感器中的应用。所述硝基芳烃溶解在水相中。当作为传感器检测水相中的硝基芳烃时，将水溶性共轭聚合物加入所述水相中进行荧光检测。

优选的，所述硝基芳烃包括硝基苯(NB)、二硝基甲苯(DNT)、三硝基甲苯(TNT)、苦味酸(PA)或其他硝基芳烃。

本发明的上述水溶性荧光共轭聚合物的制备方法，包括以下步骤：

(1)单体N的合成

单体M和二乙醇胺反应生成单体N，所述单体M和单体N的结构式分别如式2和3所示；

其中，X为Cl、Br或I；

(2)共轭聚合物P的合成

以三乙醇胺、醋酸钯和三苯基膦为添加剂，单体N和对苯乙烯发生聚合反应得到共轭聚合物P，其结构式如式1所示。

步骤(1)中，单体M的制备方法可以根据现有技术中的方法得到。从产物收率来讲，优选的，所述单体M的制备方法包括以下步骤：

以氢氧化钾、四丁基溴化铵为添加剂，3,6-二卤代咔唑和单卤代乙酸乙酯反应，将反应后的产物在碱性条件下水解生成单体M，所述单体M的结构式如式2所示。

优选的，所述反应在溶剂DMF中进行。

优选的，所述3,6-二卤代咔唑为3,6-二溴咔唑，3,6-二氯咔唑或3,6-二碘咔唑。

优选的，所述单卤代乙酸乙酯为溴乙酸乙酯、氯乙酸乙酯或碘乙酸乙酯。

优选的，所述3,6-二卤代咔唑和单卤代乙酸乙酯的摩尔比例为1～2：2。

进一步优选的，所述3,6-二卤代咔唑、氢氧化钾和四丁基溴化铵的摩尔比例为(4～6)：(15～20)：(0.1～0.2)。

优选的，3,6-二卤代咔唑和单卤代乙酸乙酯的反应温度为80～90℃，进一步优选的为85℃；优选的，反应时间为19～21h，进一步优选的为20h。

优选的，在碱性条件下水解生成单体M，水解温度为80～90℃，进一步优选的为85℃；优选的，水解时间为4～6h，进一步优选的为5h。

进一步优选的，所述单体M的制备方法包括以下具体步骤：

将3,6-二卤代咔唑、氢氧化钾、四丁基溴化铵分别溶于DMF中，搅拌后，加入单卤代乙酸乙酯，整个混合溶液在80～90℃下加热并搅拌19～21h后，冷却到室温，过滤得到混合滤液；将氢氧化钠配成氢氧化钠水溶液，加入滤液中，80～90℃下加热搅拌4～6h后，将反应溶液倒入蒸馏水并过滤得到滤液；用浓盐酸将滤液调至pH 2-3，得到白色固体，真空干燥。得到固体产物，即为单体M，产率大约为90％左右。

在所述单体M和二乙醇胺反应生成单体N中，优选的，单体M和二乙醇胺的摩尔比例为1～2：2，进一步优选的为1：2；优选的，所述反应温度为40～60℃，时间为5～7h；进一步优选的，所述反应温度为45℃，时间为6h。

所述反应在溶剂DMF中进行，反应结束后，用分液萃取形式，用水洗去DMF，并用乙酸乙酯萃取得到溶液，最后用柱色层析法提纯，干燥后得到单体N。其中，所述柱色层析法采用的硅胶柱，洗脱液为乙酸乙酯和石油醚的混合液；乙酸乙酯：石油醚的体积优选为10：1。

步骤(2)中，优选的，所述单体N和对苯乙烯的摩尔比例为(1～2)：(1～2)，进一步优选的为1：1。

优选的，所述单体N、三乙醇胺、醋酸钯和三苯基膦的添加量比例为1mmol：(0.3～0.4)mL：(0.03～0.05)mmol:(0.1～0.3)mmol；进一步优选的，所述单体N、三乙醇胺、醋酸钯和三苯基膦的添加量比例为1mmol：0.35mL：0.04mmol:0.2mmol。

优选的，所述反应温度为90～100℃，反应时间为5～7h；进一步优选的，所述反应温度为100℃，反应时间为6h。

所述聚合反应在溶剂DMF中进行。

优选的，所述反应在惰性气体的条件下进行反应，进一步优选的，所述惰性气体为氮气。

聚合反应结束后，将反应溶液加入甲醇溶液中，得到含有共轭聚合物P的粗产品。然后分别采用DMF和甲醇进行纯化(优选纯化两次，一次是指采用DMF和甲醇进行纯化)，最后用二氯甲烷提取(提取时间优选23～25h)，除去多余的单体，得到共轭聚合物P。

上述技术方案中的一个技术方案具有如下有益效果：

(1)本发明特定的水溶性荧光共轭聚合物作为传感器在硝基芳烃检测中具有良好的应用。该水溶性荧光共轭聚合物包含水溶性基团，该水溶性共轭聚合物包括两部分：一部分是在以π-π共轭体系存在的咔唑类共轭主链，保证聚合物的光学性质；另一部分含有多羟基的水溶性基团，从而满足聚合物在水相中的溶解度。聚合物链能够完全均匀分散在水相环境中，有利于分析物直接与聚合物接触，实现聚合物的信号放大效应。

(2)本发明的应用方法中的水溶性荧光共轭聚合物的合成，克服了聚合物上依靠接枝水溶性的无机载体来提高聚合物传感器亲水性的缺陷，该水溶性聚合物可以完全溶解在水溶液中，优异的溶解性不仅可以防止聚合物链之间的聚拢现象，同时也大大提高了聚合物的荧光强度，与此同时，也避免了聚合物的自猝灭。聚合物链上羟基基团的富积效应，也提高了聚合物对水溶液中硝基芳烃检测的灵敏度。

(3)本发明通过直接修饰聚合物本身的方式，设计并合成出了含有水溶性基团的水溶性荧光共轭聚合物，作为水相中硝基芳烃的荧光检测器，能够完全均匀的分散在水相中，提高了聚合物的荧光强度，克服了有机荧光聚合物不溶于水的缺点，彻底实现了聚合物传感器在水中对硝基芳烃的“一点接触、多点响应”的信号放大效应。同时由于聚合物分子上含有的羟基基团，不仅提高了聚合物的水溶性，同时提高了对硝基芳烃检测的灵敏度。推动了水溶性聚合物传感器的发展，对超灵敏探测水下隐藏爆炸物和水相环境质量监测等方面的应用，具有十分重要的作用。

(4)本发明的应用方法中的水溶性荧光共轭聚合物的制备方法简单、成本较低，对于水溶性荧光传感器的合成具有一定的实际意义，适合大规模推广应用。

附图说明

图1：实施例1中水溶性荧光共轭聚合物P的制备过程。

图2：聚合物P在水中对不同浓度的TNT和DNT的荧光强度变化和猝灭效率(η_EP)。

图3：猝灭效率(a和c)和Stern–Volmer数值(b和d)对TNT和DNT浓度函数变化曲线。

图4：聚合物对不同分析物的荧光猝灭研究(TNT、DNT、苦味酸PA、对苯醌BQ、硝基苯NB、氯苯chlorobenzene、苯磺酸benzenesulfonic acid、苯酚phenol、甲苯toluene、NaCl、KOH和HCl)。

图5：单体M的核磁谱图。

图6：单体N的核磁谱图。

图7：水溶性荧光共轭聚合物P的核磁谱图。

具体实施方式

本发明采用的试剂和仪器若没有特殊说明均可通过商业途径获得。

实施例1一种水溶性荧光共轭聚合物的制备方法

水溶性荧光共轭聚合物P制备过程如图1所示：

(1)单体M的合成

将3,6-二溴咔唑(1.63g，5mmol)、氢氧化钾(1g，17.8mmol)、四丁基溴化铵(0.05g，0.155mmol)分别溶于40mL的DMF中，搅拌20min后，加入氯乙酸乙酯(1.23g，10mmol)，整个混合溶液在85℃下加热并搅拌20h后，冷却到室温，过滤得到混合滤液。将氢氧化钠(0.8g，20mmol)配成5mL水溶液，加入滤液中，85℃下加热搅拌5h后，将反应溶液倒入400mL蒸馏水并过滤得到滤液。用浓盐酸将滤液调至pH 2-3，得到白色固体，真空干燥。得到固体产物M，产率大约90％。¹H NMR:(DMSO-d₆,400MHz),δ(ppm):8.461(s,2H),7.519-7.582(q,4H),11.0(s,1H)，如图5所示。

(2)单体N的合成

将2.8mmol单体M和5.6mmol二乙醇胺溶于15mL DMF后，在45℃下搅拌6h。反应结束后，用分液萃取的形式，用水洗去DMF，并用乙酸乙酯萃取得到溶液。最后用柱色谱层析法(硅胶，乙酸乙酯：石油醚＝10:1)提纯得到产物,并在60℃下真空干燥，获得白色固体，即为单体N，收率为42.8％；¹H NMR:(DMSO-d₆,400MHz),δ(ppm):8.426(s,2H),7.726-7.431(q,4H),4.810(s,2H),3.538(t，4H),2.840(t,4H)，如图6所示。

(3)共轭聚合物P的合成

将单体N(0.47g，1mmol)，对苯乙烯(0.13g，1mmol)，三乙醇胺(0.35mL)，醋酸钯(9.0mg，0.04mmol)，三苯基膦(60.9mg，0.2mmol)溶于5mL无水无氧的DMF中，通氮气，在100℃下加热搅拌6h后，将反应溶液滴到250mL的甲醇溶液中，得到粗产品。分别用5mL DMF和250mL甲醇来回纯化两次，最后用二氯甲烷索氏提取24h，除去多余的单体，得到橙色固体，即共轭聚合物P，收率为85％。¹H NMR:(DMSO-d₆,400MHz),δ(ppm):8.620-6.476(t,12H),4.981(s,2H),3.777(s,4H),3.348(s,4H)，如图7所示。FT-IR(KBr)：3383,3100,2950,1700cm^-1。

聚合物P分子量的测定：由于聚合物分子量的大小关系到分子导线效应，并对荧光峰的强度产生影响，所以有必要测聚合物的分子量。由于聚合物上含有大量的羟基，不能用激光光散射仪测定四氢呋喃中聚合物P的分子量。本发明利用对溴异丙基苯封端聚合物，然后通过核磁上对溴异丙基苯与聚合物P的氢的个数比，估算聚合物P的分子量约为1.1×10⁴，其结构式如1所示，n为25。

实施例2一种水溶性荧光共轭聚合物的制备方法，包括以下步骤：

(1)单体M的合成

将3,6-二氯咔唑(1.1805g，5mmol)、氢氧化钾(1g，17.8mmol)、四丁基溴化铵(0.05g，0.155mmol)分别溶于40mL的DMF中，搅拌20min后，加入溴乙酸乙酯(1.23g，7.365mmol)，整个混合溶液在85℃下加热并搅拌20h后，冷却到室温，过滤得到混合滤液。将氢氧化钠(0.8g，20mmol)配成5mL水溶液，加入滤液中，87℃下加热搅拌5.5h后，将反应溶液倒入400mL蒸馏水并过滤得到滤液。用浓盐酸将滤液调至pH 2-3，得到白色固体，真空干燥。得到固体产物-单体M，产率大约90％。¹H NMR:(DMSO-d₆,400MHz),δ(ppm):8.461(s,2H),7.519-7.582(q,4H),11.0(s,1H)。

(2)单体N的合成

将2.8mmol单体M和5.6mmol二乙醇胺溶于15mL DMF后，在42℃下搅拌6.5h。反应结束后，用分液萃取的形式，用水洗去DMF，并用乙酸乙酯萃取得到溶液。最后用柱色层析法(硅胶，乙酸乙酯：石油醚＝10:1)提纯得到产物,并在60℃下真空干燥，得到的白色固体为单体N，收率56.4％。¹H NMR:(DMSO-d₆,400MHz),δ(ppm):8.426(s,2H),7.726-7.431(q,4H),4.810(s,2H),3.538(t，4H),2.840(t,4H)。

(3)共轭聚合物P的合成

将单体N(0.47g，1mmol)，对苯乙烯(0.13g，1mmol)，三乙醇胺(0.35mL)，醋酸钯(9.0mg，0.04mmol)，三苯基膦(60.9mg，0.2mmol)溶于5mL无水无氧的DMF中，通氮气，在100℃下加热搅拌6.5h后，将反应溶液滴到250mL的甲醇溶液中，得到粗产品。分别用5mL DMF和250mL甲醇来回纯化两次，最后用二氯甲烷索氏提取24.5h，除去多余的单体，得到的橙色固体即共轭聚合物P，其结构式如1所示，n为25。¹H NMR:(DMSO-d₆,400MHz),δ(ppm):8.620-6.476(t,12H),4.981(s,2H),3.777(s,4H),3.348(s,4H)。FT-IR(KBr)：3383,3100,2950,1700cm^-1。

实施例3一种水溶性荧光共轭聚合物的制备方法，包括以下步骤：

(1)单体M的合成

将3,6-二溴咔唑(1.793g，5.5mmol)、氢氧化钾(1.124g，20mmol)、四丁基溴化铵(0.064g，0.2mmol)分别溶于40mL的DMF中，搅拌20min后，加入氯乙酸乙酯(1.23g，10mmol)，整个混合溶液在83℃下加热并搅拌20h后，冷却到室温，过滤得到混合滤液。将氢氧化钠(0.8g，20mmol)配成5mL水溶液，加入滤液中，85℃下加热搅拌5h后，将反应溶液倒入400mL蒸馏水并过滤得到滤液。用浓盐酸将滤液调至pH 2-3，得到白色固体，真空干燥。得到的固体产物为单体M，产率约90％。¹H NMR:(DMSO-d₆,400MHz),δ(ppm):8.461(s,2H),7.519-7.582(q,4H),11.0(s,1H)。

(2)单体N的合成

将3mmol单体M和5.6mmol二乙醇胺溶于15mL DMF后，在50℃下搅拌5h。反应结束后，用分液萃取的形式，用水洗去DMF，并用乙酸乙酯萃取得到溶液。最后用柱色层析法(硅胶，乙酸乙酯：石油醚＝10:1)提纯得到产物,并在60℃下真空干燥，产物为白色固体-单体N，¹H NMR:(DMSO-d₆,400MHz),δ(ppm):8.426(s,2H),7.726-7.431(q,4H),4.810(s,2H),3.538(t，4H),2.840(t,4H)。

(3)共轭聚合物P的合成

将单体N(0.564g，1.2mmol)，对苯乙烯(0.13g，1mmol)，三乙醇胺(0.40mL)，醋酸钯(10.125mg,0.045mmol)，三苯基膦(60.9mg，0.2mmol)溶于5mL无水无氧的DMF中，通氮气，在100℃下加热搅拌6h后，将反应溶液滴到250mL的甲醇溶液中，得到粗产品。分别用5mL DMF和250mL甲醇来回纯化两次，最后用二氯甲烷索氏提取25h，除去多余的单体，得到产物为橙色固体-共轭聚合物P，其结构式如1所示，n为25。¹H NMR:(DMSO-d₆,400MHz),δ(ppm):8.620-6.476(t,12H),4.981(s,2H),3.777(s,4H),3.348(s,4H)。FT-IR(KBr)：3383,3100,2950,1700cm^-1。

为了更好的说明本发明水溶性聚合物的效果，实施例1中的水溶性聚合物传感性能的应用研究如下。

实施例4聚合物对水中DNT和TNT的检测

通过荧光光谱的变化能够较好的阐释实施例1中的聚合物P对TNT和DNT猝灭作用的大小。本实验通过F-4600荧光分光光度计测得了1.0×10^-5g/L的聚合物在水相中对TNT和DNT的荧光光谱(如图2)。从图2A可以看出，当TNT的浓度为1.08×10^-4mol/L时，猝灭效率达到84.5％；当TNT浓度为1.8×10^-4mol/L时，聚合物的荧光猝灭效率(1-I/I₀)达到平衡时为93％，从图2B可知，当DNT的浓度为1.44×10^-4mol/L时，猝灭效率达到80.5％；当DNT的浓度为2.3×10^-4mol/L时，聚合物的荧光猝灭效率达到平衡为91％。很明显聚合物对TNT和DNT展现了良好的猝灭性能。可以看出，实施例1中的聚合物P在水相中具有较好的溶解度，能够完全均匀分布在水相中，从而对两种硝基芳烃具有比较高的猝灭响应。

实施例5检测限的测定

由于爆炸物对海洋、地下水等领域造成巨大的环境污染，直接危害生物环境和人类健康。TNT主要又是最常用的炸药之一，同时合成TNT的副产品(DNT)往往与TNT同时存在，因此这里选TNT和DNT作为NACs的代表对其荧光灵敏度检测。

TNT和DNT常温下在水中的溶解度为130mg/L(即5.7×10^-4mol/L)和300mg/L(即1.6×10^-3mol/L)。国家规定工业废水对NACs的最高排放允许的浓度为5mg/L,而允许地表水最高含有硝基芳烃浓度为0.5mg/L。检测限(LOD)是衡量传感器灵敏与否的关键指标。因此需要计算聚合物对两种硝基芳烃的检测限，从而得到聚合物在水溶液中对TNT和DNT灵敏度高低的物理量。

图3a和3c分别表示的是聚合物随不同浓度的TNT和DNT的荧光猝灭率(ηEP＝1–I/I₀)曲线。可以看出，随着水相中TNT和DNT浓度的增加，一直被猝灭，猝灭率ηEP数值在增加。这些结果很好的反应了荧光猝灭对TNT或者DNT的浓度依赖性。

猝灭过程可以通过Stern–Volmer方程来表示(1)

I₀/I＝1+Ksv[Q] (1)

I₀表示最大荧光强度，I表示当气体DNT或者TNT存在时的荧光强度，Q表示DNT或者TNT的浓度。斜率代表薄膜对两种气体的Stern–Volmer常数(Ksv)、对DNT和TNT的Stern–Volmer常数分别为42000M^-1和24000M^-1。

聚合物对水溶液中DNT和TNT的检测限(LOD)通过方程C_L＝3S/Ksv得到，C_L代表的是检测限(LOD)的数值，S代表的是测量的15次空白水溶液中聚合物荧光强度的标准偏差。聚合物对TNT和DNT的检测限分别是7.4×10^–7mol/L和1.1×10^–6mol/L。可以得出，实施例1中的水溶性聚合物对水中硝基芳烃的检测灵敏度较高。

实施例6水溶性聚合物对不同待测物的选择性

根据荧光共轭聚合物的猝灭机理，缺电子的物质与供电子的聚合物之间，由于发生电子转移，可能会导致共轭聚合物的荧光猝灭。图4显示了常见的化学物质(如TNT、DNT、苦味酸PA、对苯醌BQ、硝基苯NB、氯苯、苯磺酸、苯酚、甲苯)对水溶性聚合物的荧光猝灭，除此之外，许多无机干扰物(NaCl,KOH和HCl)也被列入其中。图4显示，TNT、DNT、硝基苯和苦味酸对聚合物有明显的猝灭响应，猝灭率分别是95％,91％,86％和69％。对苯醌和苯磺酸对聚合物有微小的猝灭效应，然而，其他的有机物(氯苯、苯酚、甲苯)和无机干扰物(如HCl、NaCl和KOH等)对聚合物几乎没有响应。

聚合物对硝基芳烃和干扰物的响应差异主要来源于待测物的吸电子能力及与聚合物的电子轨道匹配程度。咔唑聚合物与TNT、DNT、硝基苯和苦味酸之间具有较高的电子轨道匹配，同时TNT有三个硝基基团，吸电子能力比DNT要强，因此引起的猝灭效率(95％)大于DNT(91％)，至于硝基苯NB，只有一个吸电子基团，因此引起的猝灭效率(86％)要比DNT低。对于苦味酸PA，虽然有三个硝基基团，但是分子结构上羟基的电子排斥效应削弱了PA的吸电子能力导致猝灭率(69％)稍低。对于苯醌BQ，虽然吸电子能力强，但是荧光猝灭率低。原因是醌类与聚合物有较差的结合常数(K_b)，从而导致猝灭率低。相比之下，苯和它的衍生物(氯苯、苯磺酸、苯酚、甲苯)猝灭率低可能与他们的吸电子能力弱有关。对于无机物(NaCl，KOH，HCl)的干扰，荧光强度没有任何的变化。无机物没有与之相匹配的电子轨道来接受电子导致聚合物猝灭。这些结果表明，实施例1中的聚合物P对硝基芳烃具有较高的猝灭响应和选择性。

结论：

通过以上实施例，可以得出：本发明具有水溶性基团的荧光共轭聚合物，作为水相中硝基芳烃的荧光检测器，能够均匀的分散在水相中，克服了有机荧光聚合物不溶于水的缺点，彻底实现了聚合物传感器在水中对硝基芳烃的“一点接触、多点响应”的信号放大效应。同时由于聚合物分子上含有的羟基基团可以与硝基芳烃之间产生氢键，对硝基芳烃有富集作用，从而降低了对硝基芳烃的检测限，提高了对硝基芳烃检测的灵敏度。本发明推动了水溶性聚合物传感器的发展，对超灵敏探测水下隐藏爆炸物和水相环境质量监测等方面的应用，具有十分重要的作用。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。