一种高水溶性罗丹明基聚离子液体及其制备方法、应用与流程

本发明属于重金属离子检测领域，具体涉及一种高水溶性罗丹明基聚离子液体及其制备方法，以及快速目视比色检测纯水相铜离子的应用。

背景技术：

铜是人体健康不可缺少的微量元素，但当铜离子摄入过量时，便会引起肝脏、胆、脑、角膜和心脏等器官的功能障碍。随着现代工业(尤其是矿冶、机械加工、化工、电子等行业)的迅猛发展，水环境中铜离子污染问题日益严峻。世界卫生组织(WHO)明确规定生活饮用水中铜离子含量应低于2mg/L(即31μM)。因此，对水环境中的铜离子进行快速检测具有重要意义。

比色法具有快速、方便、易操作且可现场分析等优点，已被广泛应用于重金属离子检测领域。在比色法使用的各种探针分子中，罗丹明类衍生物具有廉价易得、波长范围宽、光稳定性好和吸光系数大等特性而备受人们关注。但是，罗丹明类衍生物的疏水性非常强，通常需要加入50％以上的有机溶剂才能有效使用，这不仅污染环境，而且不适用于生物样品的检测。

针对罗丹明类衍生物强疏水性问题，目前主要利用可聚合的罗丹明类衍生物与亲水性单体共聚得到水溶性聚合物，从而实现纯水相检测。然而，目前报道的各种亲水性单体受自身水溶性能力的限制，必须与罗丹明基单体投料摩尔比至少大于50:1才能使得聚合物完全溶于水，这无疑导致了较高的制备成本，且不利于高灵敏检测。此外，部分亲水性单体分子中包含金属离子的吸附位点，将造成显著的非专一性吸附，从而影响比色检测效果。

而且，虽然将这些疏水性探针分子(如罗丹明衍生物)共价负载在亲水聚合物表面，可以达到纯水相检测的目的。但是，由于这些亲水性聚合物自身溶解度不高，导致探针分子的负载量非常有限，而且这些聚合物在溶液中往往呈现链-链缠绕的状态，最终使得探针分子嫁接率低且检测时响应速率较慢。

因此，研制出罗丹明含量高、水溶性好且不含非专一性吸附位点的聚合物负载型探针，对于高效实现纯水比色检测铜离子具有极大的实际应用价值。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术存在的不足而提供一种高水溶性罗丹明基聚离子液体，具有高水溶性、高选择性、高灵敏度的特点，能裸眼识别和快速比色检测铜离子。

本发明为解决上述提出的问题所采用的技术方案为：

一种高水溶性罗丹明基聚离子液体，其分子结构如下式1所示，式1中m/(n+m)＝0.02～0.05，缩写标记为P(RhBHSA-co-META)，凝胶渗透色谱测得其平均分子量M_n为2000～20000。离子液体是液体，聚离子液体一般是固体，本发明中高水溶性罗丹明基聚离子液体为固体。

式1高水溶性罗丹明基聚离子液体结构式

本发明所述高水溶性罗丹明基聚离子液体的制备方法为：丙烯酰水杨醛罗丹明B酰肼单体(RhBHSA)与离子液体单体甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵(META)的共聚反应，得到高水溶性罗丹明基聚离子液体(P(RhBHSA-co-META))。

按上述方案，所述共聚反应的条件为：丙烯酰水杨醛罗丹明B酰肼单体(RhBHSA)与离子液体单体甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵(META)为原料，偶氮二异丁腈(AIBN)作为引发剂，二氧六环和乙醇混合溶液作为溶剂，在惰性气氛下恒温反应，得到目标共聚物P(RhBHSA-co-META)。

按上述方案，所述丙烯酰水杨醛罗丹明B酰肼单体(RhBHSA)、离子液体单体甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵(META)、偶氮二异丁腈(AIBN)的质量比为(0.6～1.2)：(0.2～0.8)：(0.05～0.2)。

按上述方案，所述溶剂中二氧六环与乙醇体积比为(16～63)：(4～7)。优选地，溶剂用量与RhBHSA的比例为(20～70)mL：(0.6～1.2)g。

按上述方案，所述恒温反应温度为50～75℃，反应时间为10～24h。

按上述方案，所述丙烯酰水杨醛罗丹明B酰肼单体(RhBHSA)的制备方法可以为：以水杨醛罗丹明B酰肼(RhBHS)、三乙胺和丙烯酰氯为原料，二氯甲烷作为溶剂，冰水浴下混合均匀后，室温条件下反应，得到丙烯酰水杨醛罗丹明B酰肼单体(RhBHSA)。优选地，反应完成后，还包括滤除沉淀，将滤液减压浓缩，柱层析分离等提纯以及干燥步骤。进一步优选地，所述RhBHS、三乙胺和丙烯酰氯的比例为(2～3)g：(0.5～1)mL：(0.2～0.4mL)。进一步优选地，所述室温反应温度为15～30℃，反应时间为10～24h。进一步优选地，所述溶剂用量与RhBHS的比例为(100～200)mL：(2～3)g。进一步优选地，所述柱层析洗脱液为二氯甲烷与甲醇的混合溶液，二氯甲烷与甲醇的体积比为(30～50)：1。

按上述方案，所述水杨醛罗丹明B酰肼(RhBHS)的制备方法可以为：以罗丹明B酰肼(RhBH)和2,4-二羟基苯甲醛为原料，无水乙醇作为溶剂，惰性气氛下加热回流反应后，冷却到室温，抽滤并提纯，真空干燥得到RhBHS。优选地，RhBH和2,4-二羟基苯甲醛的质量比为(2～3)：(1～2)。优选地，反应温度为78～85℃，反应时间为6～12h。优选地，溶剂无水乙醇与RhBH的比例为(80～150)mL：(2～3)g。

按上述方案，所述罗丹明B酰肼(RhBH)的制备方法可以为：以罗丹明B(RhB)和水合肼为原料，无水乙醇作为溶剂，加热回流反应，冷却到室温，旋转蒸发，然后加水并调节pH至8～9，抽滤并提纯，真空干燥得到罗丹明B酰肼(RhBH)。优选地，所述RhB和水合肼的质量比为(3～5)g：(7.5～12.5)mL。优选地，所述反应温度为70～85℃，反应时间为1～3h。优选地，所述溶剂与RhB的比例为(80～150)mL：(3～5)g。

本发明所述罗丹明基聚离子液体P(RhBHSA-co-META)能够作为铜离子探针应用。进一步地，所述罗丹明基聚离子液体P(RhBHSA-co-META)能够作为铜离子探针用于在纯水环境中灵敏检测铜离子，具有高水溶性、高选择性、高灵敏度的特点。具体应用时，既可以通过快速目视比色法定量或半定量地检测出铜离子浓度，即裸眼识别和快速比色检测铜离子；也可以利用紫外-可见光分光光度法进行检测铜离子浓度，以获取更为精确的结果。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.本发明的罗丹明基聚离子液体对铜离子检测具有高的灵敏度，裸眼和紫外-可见光分光光度法检出限分别为0.5μM和0.15μM，均远低于世界卫生组织(WHO)规定的31μM。

2.本发明的罗丹明基聚离子液体在保证高水溶性的前提下，可以使罗丹明基单体与离子液单体的投料摩尔比低至1：1，具有超高亲水性且罗丹明探针负载量有效提高，在水相中对铜离子检测具有响应时间短的特点，检测响应速度非常快，5s以内即可完成显色，显示出对铜离子检测的极佳的应用潜力。

3.本发明的罗丹明基聚离子液体具有高选择性和抗干扰性，在Ag⁺、Al³⁺、Ba²⁺、Ca²⁺、Cd²⁺、Co²⁺、Cr²⁺、Cu²⁺、K⁺、Mg²⁺、Mn²⁺、Na⁺、Ni²⁺、Pb²⁺、Zn²⁺等离子中可以实现对铜离子的选择性检测，其它共存金属离子均无检测干扰。

4.本发明的罗丹明基聚离子液体合成所需原料廉价易得，合成工艺简单快捷，设备简单，成本低，适合规模化生产，且检测效率高、检测过程绿色环保，应用前景广阔。

附图说明

图1A为本发明所述罗丹明基聚离子液体P(RhBHSA-co-META)的基本合成路线；图1B为本发明实施例1中所述罗丹明基聚离子液体P(RhBHSA-co-META)的具体合成路线。

图2为本发明实施例1中所涉及的罗丹明衍生物RhBHSA，离子液单体META和罗丹明基聚离子液体P(RhBHSA-co-META)的FT-IR谱图。

图3为本发明实施例1中所涉及的罗丹明衍生物RhBHSA，离子液单体META和罗丹明基聚离子液体P(RhBHSA-co-META)的UV-vis谱图。

图4为实施例3所制备的P(RhBHSA-co-META)水溶液中加入不同金属离子的显色照片(A)和UV-vis谱图(B)。

图5为实施例4在不同干扰金属离子存在下，所制备的P(RhBHSA-co-META)加入Cu²⁺前后在561nm处吸光强度的柱状图。

图6为实施例5所制备的P(RhBHSA-co-META)水溶液中加入不同浓度Cu²⁺后的显色照片(A)和UV-vis谱图(B)。

图7为实施例5所制备的P(RhBHSA-co-META)水溶液在561nm处吸光强度随Cu²⁺浓度的变化曲线及线性关系。

图8为实施例6所制备的P(RhBHSA-co-META)在不同pH值下对Cu²⁺的检测的吸光度折线图。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明不仅仅局限于下面的实施例。

实施例1

一种高水溶性罗丹明基聚离子液体，其分子结构如下式1所示，式1中m/(n+m)＝0.02～0.05，缩写标记为P(RhBHSA-co-META)。

式1高水溶性罗丹明基聚离子液体结构式

上述罗丹明基聚离子液体P(RhBHSA-co-META)的合成方法，主要步骤如下：

1)RhBH的合成：4.8g罗丹明B(RhB)和12mL水合肼溶于130mL无水乙醇，加热至80℃回流，反应2.5h后冷却到室温，旋转蒸发，然后加水并调节pH至8.5左右，抽滤并蒸馏水洗涤提纯，真空干燥得到RhBH，产率：90.1％；

2)RhBHS的合成：2.3g罗丹明B酰肼(RhBH)和1.6g 2,4-二羟基苯甲醛溶于120mL无水乙醇，氮气条件下加热至80℃回流，反应10h，冷却到室温，抽滤并无水乙醇洗涤提纯，真空干燥得到RhBHS，产率：81.1％；

3)RhBHSA的合成：2.3g RhBHS和0.5mL三乙胺溶于100mL二氯甲烷，冰水浴下将溶有0.3mL丙烯酰氯的50mL二氯甲烷逐滴加入，混合均匀后室温25℃下反应12h，滤除沉淀，将滤液减压浓缩，柱层析(二氯甲烷/甲醇，v/v＝50:1)分离提纯，真空干燥RhBHSA，产率：69.8％；

RhBHSA的核磁共振数据：¹H NMR(400MHz,CDCl₃)δ(ppm):11.09(s,1H),9.19(s,1H),8.06–7.93(m,1H),7.62–7.44(m,2H),7.22–7.16(m,1H),7.10(d,J＝8.4Hz,1H),6.65(d,J＝2.1Hz,1H),6.58(dd,J＝16.1,9.8Hz,2H),6.51(s,1H),6.48(d,J＝2.7Hz,3H),6.37–6.19(m,3H),5.98(d,J＝10.5Hz,1H),3.33(q,J＝7.0Hz,9H),1.16(t,J＝7.0Hz,13H)；

¹³C NMR(101MHz,CDCl3)δ(ppm):164.31,164.14,159.91,153.63,152.76,151.88,150.86,149.23,133.60,132.79,132.20,130.06,128.69,128.17,127.87,124.27,123.41,116.85,112.53,110.33,108.27,105.36,98.04,66.55,44.45,12.72.

4)P(RhBHSA-co-META)的合成：0.9g RhBHSA、0.3g META和0.1g AIBN溶于50mL混合溶液(二氧六环/乙醇，v/v＝6:1)作为溶剂，氮气条件下恒温65℃反应18h，过滤并无水乙醚洗涤提纯，真空干燥得到目标共聚物P(RhBHSA-co-META)。

实验证实：对离子液单体META、本发明所制备的罗丹明衍生物单体RhBHSA和罗丹明基聚离子液体P(RhBHSA-co-META)进行红外和紫外的表征，结果如图2和图3所示，充分证明P(RhBHSA-co-META是由RhBHSA和META聚合所得。

凝胶渗透色谱测得本实施例所制备的罗丹明基聚离子液体P(RhBHSA-co-META)平均分子量M_n为5000～15000。

实施例2

罗丹明基聚离子液体P(RhBHSA-co-META)中罗丹明B衍生物官能团浓度的确定

将实施例1所合成罗丹明衍生物单体RhBHSA和Cu²⁺溶于混合溶剂(乙腈/水，v/v＝3:1)中，配成20μM RhBHSA和20mM Cu²⁺的标准母液(注，其中Cu²⁺相比RhBHSA大大过量)。

取8个100mL的容量瓶，分别将其稀释至RhBHSA含量为10、8、6、5、4、3、2、1μM的标准溶液，并进行紫外-可见分光光度测试，作出标准曲线：A＝0.10694c-0.00118(R²＝0.99993)。

将实施例1所合成罗丹明基聚离子液体P(RhBHSA-co-META)和Cu²⁺溶于去离子水中，配成100mg/L的罗丹明基聚离子液体和100mM Cu²⁺水溶液，进行紫外-可见分光光度测试。

结合标准曲线计算，确定罗丹明基聚离子液体P(RhBHSA-co-META)中罗丹明B衍生物官能团所占摩尔比例为3％，远高于其它文献报道的罗丹明基聚合物中罗丹明B衍生物官能团所占摩尔比例。

实施例3

罗丹明基聚离子液体P(RhBHSA-co-META)对铜离子比色检测的选择性

将实施例1所合成罗丹明基聚离子液体P(RhBHSA-co-META)溶于去离子水中，配成90mg/L的罗丹明基聚离子液体储备液，通过实施例2测得罗丹明B衍生物官能团浓度为12.5μM。

取16个5mL的样品瓶，分别加入2mL罗丹明基聚离子液体储备液，再分别加入0.5mL 500μM Ag⁺、Al³⁺、Ba²⁺、Ca²⁺、Cd²⁺、Co²⁺、Cr²⁺、Cu²⁺、K⁺、Mg²⁺、Mn²⁺、Na⁺、Ni²⁺、Pb²⁺、Zn²⁺和H₂O，最终溶液含72mg/L的罗丹明基聚离子液体(罗丹明B衍生物官能团浓度为10μM)和100μM上述之一的金属离子。对其中的溶液分别进行紫外-可见分光光度测试，以验证罗丹明基聚离子液体P(RhBHSA-co-META)对铜离子选择性检测效果。

结果如图4所示，表明罗丹明基聚离子液体P(RhBHSA-co-META)水溶液仅对铜离子有明显的响应，只有加入Cu²⁺的样品瓶由无色变为粉色，并且在561nm处有明显的紫外吸收峰，而与其它离子混合时，溶液的颜色和紫外吸收峰均无明显变化。由此可见，本发明所合成的罗丹明基聚离子液体P(RhBHSA-co-META)对铜离子表现出高度的选择性。

实施例4

罗丹明基聚离子液体P(RhBHSA-co-META)对铜离子比色检测的干扰性

将实施例1所合成罗丹明基聚离子液体P(RhBHSA-co-META)溶于去离子水中，配成罗丹明基聚离子液体储备液，罗丹明B衍生物官能团浓度为12.5μM。

取16个5mL的样品瓶，分别加入2mL罗丹明基聚离子液体储备液，随后分别加入0.25mL 1000μM Ag⁺、Al³⁺、Ba²⁺、Ca²⁺、Cd²⁺、Co²⁺、Cr²⁺、K⁺、Mg²⁺、Mn²⁺、Na⁺、Ni²⁺、Pb²⁺、Zn²⁺和H₂O，再分别加入1000μM Cu²⁺，最终溶液浓度为72mg/L的罗丹明基聚离子液体(罗丹明B衍生物官能团浓度为10μM)、100μM不同离子浓度和100μM Cu²⁺。对样品瓶中的溶液分别进行紫外-可见分光光度测试，以验证罗丹明基聚离子液体P(RhBHSA-co-META)水溶液对铜离子检测干扰性。

结果如图5所示，结果表明：其它共存金属离子基本没有改变本发明罗丹明基聚离子液体P(RhBHSA-co-META)水溶液对铜离子的检测效果，体现了本发明罗丹明基聚离子液体对检测铜离子具有良好的抗干扰能力。

实施例5

罗丹明基聚离子液体P(RhBHSA-co-META)对铜离子比色检测

将实施例1所合成罗丹明基聚离子液体P(RhBHSA-co-META)溶于去离子水中，配成罗丹明基聚离子液体储备液，罗丹明B衍生物官能团浓度为12.5μM。

取31个5mL的样品瓶，分别加入2mL罗丹明基聚离子液体储备液，再分别加入不同浓度的Cu²⁺(1～1000μM)，最终溶液浓度为72mg/L的罗丹明基聚离子液体(罗丹明B衍生物官能团浓度为10μM)和0.2～200μM Cu²⁺。

当罗丹明基聚离子液体P(RhBHSA-co-META)水溶液中加入对铜离子后，5s以内即可完成显色，说明本发明所述罗丹明基聚离子液体对铜离子检测具有响应时间短的特点，能够将其应用于纯水环境中快速检测铜离子。

对样品瓶中的溶液依次进行紫外-可见分光光度测试。罗丹明基聚离子液体P(RhBHSA-co-META)水溶液对铜离子检测检测显色照片和紫外-可见吸收光谱如图6所示。显色照片结果显示裸眼比色检测可检测的最低铜离子浓度为5×10^-7mol/L；紫外-可见吸收光谱显示：随着Cu²⁺的增加，561nm处吸光度逐渐增加，直到[Cu²⁺]＝100μM时吸光度基本饱和。罗丹明基聚离子液体P(RhBHSA-co-META)水溶液对铜离子检测响应趋势和检测线性范围如图7所示，结果表明：在[Cu²⁺]＝1～5μM范围内，可以作出一条良好的线性关系直线(R²＝0.99805)，检出限为1.5×10^-7mol/L。

因此，裸眼比色检测可检测的最低浓度和紫外-可见光吸收谱图定量检测的检出限远低于世界卫生组织(WHO)规定的31μM，说明罗丹明基聚离子液体P(RhBHSA-co-META)可以应用于纯水环境中痕量铜离子的高效检测，响应时间短。

实施例6

罗丹明基聚离子液体P(RhBHSA-co-META)对铜离子比色检测工作环境的影响

将实施例1所合成罗丹明基聚离子液体P(RhBHSA-co-META)溶于去离子水中，配成180mg/L的罗丹明基聚离子液体母液，通过实施例2测得罗丹明B衍生物官能团浓度为25μM。

取22个20mL的样品瓶，分别加入5mL罗丹明基聚离子液体母液，两个样品一组，每组分别调节pH为2、3、4、5、6、7、8、9、10、11和12，将各瓶溶液体积定容至10mL。随后，每组中1号瓶中再加入2.5mL对应pH的500μM Cu²⁺，2号瓶中加入2.5mL对应pH的去离子水，最终每组1号瓶中罗丹明基聚离子液体与Cu²⁺浓度分别为72mg/L(罗丹明B衍生物官能团浓度为10μM)和100μM，每组2号瓶中仅含罗丹明基聚离子液体溶液，其浓度为72mg/L(罗丹明B衍生物官能团浓度为10μM)。分别对每组样品瓶中的溶液进行紫外-可见分光光度测试。

结果如图8所示，不难发现，在没有铜离子存在时，罗丹明基聚离子液体P(RhBHSA-co-META)水溶液在pH＝5～12之间吸光度几乎没有变化，当加入Cu²⁺后，溶液吸光度均明显增加，在pH＝5～9之间吸光度均处于最高水平，说明本发明所述罗丹明基聚离子液体对检测铜离子具有较宽的pH适应范围，具有应用于各种环境生物样品的良好潜力。

实施例7

一种高水溶性罗丹明基聚离子液体，其分子结构如式1所示，m/(n+m)＝0.02～0.03，缩写标记为P(RhBHSA-co-META)，平均分子量M_n为2000～10000。

上述罗丹明基聚离子液体P(RhBHSA-co-META)的合成方法，步骤如下：

1)2.8g RhBHS和1.0mL三乙胺溶于50mL二氯甲烷，冰水浴下将溶有0.2mL丙烯酰氯的50mL二氯甲烷逐滴加入，混合均匀后室温30℃下反应24h，滤除沉淀，将滤液减压浓缩，柱层析(二氯甲烷/甲醇，v/v＝30:1)分离提纯，真空干燥RhBHSA；

2)将0.6g RhBHSA、0.8g META和0.2g AIBN溶于30mL混合溶液(二氧六环/乙醇，v/v＝5:1)作为溶剂，氮气条件下恒温55℃反应18h，过滤并无水乙醚洗涤提纯，真空干燥得到目标共聚物P(RhBHSA-co-META)。

红外和紫外的表征证实：由RhBHSA和META聚合得到罗丹明基聚离子液体P(RhBHSA-co-META)，凝胶渗透色谱测得P(RhBHSA-co-META)平均分子量M_n为2000～10000。

实施例8

一种高水溶性罗丹明基聚离子液体，其分子结构如式1所示，m/(n+m)＝0.03～0.05，缩写标记为P(RhBHSA-co-META)，平均分子量M_n为10000～20000。

上述罗丹明基聚离子液体P(RhBHSA-co-META)的合成方法，步骤如下：

1)2.5g RhBHS和0.7mL三乙胺溶于150mL二氯甲烷，冰水浴下将溶有0.4mL丙烯酰氯的50mL二氯甲烷逐滴加入，混合均匀后室温15℃下反应16h，滤除沉淀，将滤液减压浓缩，柱层析(二氯甲烷/甲醇，v/v＝40:1)分离提纯，真空干燥RhBHSA；

2)将1.0g RhBHSA、0.2g META和0.05g AIBN溶于60mL混合溶液(二氧六环/乙醇，v/v＝10:1)作为溶剂，氮气条件下恒温75℃反应24h，过滤并无水乙醚洗涤提纯，真空干燥得到目标共聚物P(RhBHSA-co-META)。

红外和紫外的表征证实：由RhBHSA和META聚合得到罗丹明基聚离子液体P(RhBHSA-co-META)，凝胶渗透色谱测得P(RhBHSA-co-META)平均分子量M_n为10000～20000。

综上所述，本发明所提供的一种高水溶性罗丹明基聚离子液体及其制备方法，这是国内外首次采用聚离子液体作为疏水性探针分子载体的研究报道，显著提高了疏水性探针分子的负载量且非常有利于水溶液中待检测离子与探针分子的快速结合，并将其应用于纯水相铜离子的快速目视比色检测。对纯水相铜离子检测结果表明，裸眼和紫外-可见光分光光度法检出限为分别为0.5μM和0.15μM，不仅远低于世界卫生组织(WHO)规定的31μM，且优于绝大多数铜离子比色检测的检测结果。而且，对纯水相铜离子检测响应时间极短，5s即可完成显色。此外，对铜离子检测具有优异的选择性，几乎不受任何其它共存金属离子的干扰。因此，本发明所得罗丹明含量高且水溶性极为优异的罗丹明基聚离子液体，实现了对纯水中痕量铜离子快速、高选择性和高灵敏度检测。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干改进和变换，这些都属于本发明的保护范围。