一种二甲基吡啶胺类紫外探针及其制备和应用的制作方法

本发明属于紫外探针材料及其制备和应用领域，特别涉及一种二甲基吡啶胺类紫外探针及其制备和应用。

背景技术：

随着工农业生产的发展和社会现代化建设的进行，污染物的排放已使环境日趋恶化，其中重金属污染已成为最严重的环境生态污染之一，直接或间接地对各种生物的生存和人类的健康造成了威胁。铜是人体第三大过渡金属离子，它主要存在于肝、脑、肾，在生理和生化功能中起着关键性的作用。然而，铜含量过高或者过低都会危害人体的健康。缺铜会引起骨质疏松，但摄入量过多，轻者引起嗜睡和血压升高，重者会引起神经变性类疾病，例如帕金森病，朊病毒和阿尔茨海默病等。铜元素在化学、环境、医学以及生命科学等领域中都具有重要意义和重大作用，因此，在生态环境和医学方面检测铜离子是非常重要的。

重金属的检测方法经历了从传统分析方法到仪器分析方法，从单一的检测手段到多种技术相结合的发展过程。目前检测重金属的技术日益趋向多样化，现如今已报道的检测铜离子的方法有电化学法、电热原子吸收光谱法、生物化学法、电感藕合等离子体质谱法、极谱仪法和电极修饰法等。这些检测方法费用高、仪器维护成本高、检测不灵敏，要求样品有前处理过程，并且不适用于大量样品检测。为了克服这些检测方法的缺点，荧光探针由于其特有的优点，如：灵敏度高、选择性强、操作简单等，逐渐成为研究者关注的热点。

中国专利201510613490.7“一种基于荧光猝灭铜离子的检测方法”所述的由水溶液与含稀土的杂多酸盐水溶液按照体积比6:1～12:1的比例混合制得的检测液，通过荧光猝灭的方法，用于检测水体中的铜离子，并取得了高的灵敏度和选择性。该检测方法实现了对水溶液中铜离子的快速、及时且灵敏的检测，检测用量小，检测准确、灵敏度高、操作简单。中国专利201410316812.7“检测铜离子的罗丹明基水溶性聚合物探针、制备与应用”所述的一类可检测铜离子的罗丹明b基水溶性聚合物探针，该类罗丹明基水溶性聚合物是由罗丹明衍生物与端梭基化聚乙二醇单甲醚反应而成的，具有良好的水溶性，能在纯水介质中选择性检出铜离子，并且可通过检测液由无色到有色的颜色变化达到目视比色检测的效果。该探针检测溶剂体系从纯有机溶剂发展到了含水体系，获得的探针有良好的选择性、灵敏度和很强的抗干扰能力。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种二甲基吡啶胺类紫外探针及其制备和应用，该探针对铜离子有很好的选择性，在污水处理应用中不仅方便而且具有较好的使用效果。同时，提供一种利用该探针制备的可检测铜离子的便携试纸。本发明中二甲基吡啶胺类紫外探针为浅红色固体粉末，以便于使用贮藏，并且其通过三嗪环为桥与罗丹明酰肼反应所得，合成方法简单、收率高、成本低，应用前景良好。

本发明的一种二甲基吡啶胺类紫外探针，所述探针的结构式为：

本发明的一种二甲基吡啶胺类紫外探针的制备方法，包括：

(1)将罗丹明b溶于溶剂中，室温条件下搅拌并滴加入水合肼，回流反应，冷却至室温，旋转蒸发，除去过量溶剂，得粗产物，提纯，得到罗丹明酰肼；其中罗丹明b、水合肼的摩尔比为1:1～1:3；

(2)将三聚氯氰、四氢呋喃和k2co3混合液，氮气保护，0-5℃，搅拌条件下滴加入罗丹明酰肼溶液中，30-45min滴加完毕后，搅拌7-20h，过滤，硅胶色谱柱纯化，得到物质a(产物2)；

(3)将2,2-二甲基吡啶胺，k2co3，溶解在溶剂中，氮气保护，40～45℃条件下，滴加入物质a溶液，30～45min滴加完毕，回流12～15h，冷却，提纯，即得浅红色的固体粉末(二甲基吡啶胺类紫外探针dmpa)。

所述步骤(1)中的溶剂为无水乙醇。

所述步骤(1)中提纯具体为：将盐酸加入粗产物中，溶解、搅拌，加入naoh溶液，调节ph为9～10，淡粉色絮状沉淀析出，过滤。

所述步骤(1)中罗丹明b、水合肼和盐酸的摩尔比为1:1～1:3.0～1:1.5。

所述盐酸和naoh的摩尔浓度均为0.8～1.0m。

所述步骤(2)、(3)中的溶剂为四氢呋喃。

步骤(2)(3)中四氢呋喃溶剂为无水thf。

所述步骤(2)中硅胶色谱柱纯化所用洗脱剂为(石油醚/乙酸乙酯/三氯甲烷，v/v/v＝3/1/4)。

所述步骤(3)中提纯为：过滤，旋蒸，硅胶色谱柱进行提纯，洗脱剂为乙酸乙酯。

本发明的一种二甲基吡啶胺类紫外探针的应用，二甲基吡啶胺类紫外探针用于铜离子的检测，具体为：配置探针溶液，然后在待测的铜离子溶液中加入探针溶液，利用溶剂定容，静置，通过紫外-可见吸收光谱法，检测556nm波长下的吸光度，根据相对紫外强度与铜离子浓度的关系，确定铜离子待测液中铜离子的含量。

探针溶液的溶剂为乙醇，dmpa-cu²⁺体系的溶剂为etoh/h2o(99/1,v/v)。

探针贮备液的浓度为0.9×10^-3～1.1×10^-3m。

所述待测探针溶液的浓度为0.9×10^-4～1.0×10^-4m；铜离子储备溶液的浓度为0.9×10^-3～1.0×10^-3m。

优选地，所述静置时间为1-10min。

所述相对紫外强度与铜离子浓度关系为：y＝0.43+0.048x，其中y表示相对紫外强度；x为铜离子的浓度。

二甲基吡啶胺类紫外探针对铜离子待测液的检测限为0.64～0.84μm。

所述的相对紫外强度与铜离子浓度关系的确定方法包括：

步骤(1)将铜盐溶于溶剂中，利用溶剂定容，得到铜离子储备液；移取铜离子储备液于容量瓶中，利用溶剂定容，得到不同浓度的铜离子标准溶液；将探针溶于溶剂中，利用溶剂定容，得到探针储备液；

步骤(2)在铜离子标准溶液中加入步骤(1)中得到的探针溶液，利用溶剂定容，静置一段时间后，检测紫外-可见吸收光谱，确定相对紫外强度与铜离子浓度的关系；

优选地，所述步骤(1)中不同浓度的铜离子标准溶液的范围为2-20μm。

优选地，所述的步骤(1)中的铜离子储备液的浓度为0.85×10^-2～1.15×10^-2m。

优选地，所述的步骤(1)中的“将铜盐分别溶于溶剂中，利用溶剂定容，得到铜离子储备液；移取铜离子储备液于容量瓶中，利用溶剂定容，得到不同浓度的铜离子标准溶液”中的溶剂为乙醇，“将探针溶于溶剂中，利用溶剂定容，得到探针储备液”中的溶剂也为乙醇。

优选地，所述的步骤2中的“检测紫外-可见吸收光谱”时，采用的吸收波长为250～700nm。

优选地，所述的步骤2中的静置时间为1～10min。

本发明利用罗丹明b酰肼-三聚氯氰-二甲基吡啶胺作为探针，通过其紫外吸光度随着铜离子溶液浓度的增加而增加，当铜离子浓度达到一定值后吸光度保持不变的特性，对溶液中的铜离子进行高灵敏检测。本发明的紫外探针含有二甲基吡啶胺基团，其对铜离子具有识别作用。其机理在于：在铜识别过程中，铜与二甲基吡啶胺部分通过1：1络合比实现配位，络合常数为1.0×10⁴～2.6×10⁴m^-1。通过紫外-可见光谱法，利用552～560nm波长下的吸光度来检测铜离子的含量。在浓度为2～20μm范围内呈现良好的线性范围，线性相关系数为0.994～0.996，其检测限0.64～0.84μm。

本发明中的探针由罗丹明b、水合肼、三聚氯氰、二甲基吡啶胺反应得到，其中的二甲基吡啶胺是很好的金属离子载体。二甲基吡啶胺及其衍生物上有不同的给电子原子，如n，o等，适应不同中心离子的配位性能。它的不同的给电子基团与酸碱的介质相应性存在差异，因而可调节反应介质酸碱性，获得实际参与原子种类和数目的不同，进而得到多种配位行为，极大丰富配位化学基础。二甲基吡啶胺及其衍生物中的氨基均可作为电子的给予体提供电子对和多种金属离子配位生成金属鳌合物，从而实现对重金属离子的配位识别。

本发明的二甲基吡啶胺类紫外探针紫外探针dmpa的合成方程为：

有益效果

(1)本发明中的二甲基吡啶胺类紫外探针对铜离子有很好的选择性，在污水处理应用中不仅方便而且具有较好的使用效果；同时，提供一种利用该探针制备的可检测铜离子的便携试纸(便携试纸是通过普通过滤试纸制备：首先试纸浸泡在1×10^-3dmpa溶液中，然后烘干作为便携试纸)；

(2)本发明中二甲基吡啶胺类紫外探针为固体粉末，便于使用贮藏，并且其由罗丹明b、水合肼、三聚氯氰、二甲基吡啶胺直接反应所得，合成收率高、成本低，应用前景良好。

附图说明

图1为实施例3中紫外探针加入铜离子后的紫外光谱变化；在图1中，横坐标为紫外吸收波长(nm)，纵坐标为吸光度；

图2为实施例4中紫外探针dmpa紫外-可见吸收光谱与铜离子的浓度关系图；在图2中，横坐标为紫外吸收波长(nm)，纵坐标为吸光度，图中曲线分别代表加入不同浓度的铜离子吸光度变化曲线(铜离子浓度依次为0-9.0equiv.)；

图3为实施例5中探针相对紫外吸收强度a和铜浓度线性关系曲线(λex＝556nm)，在图3中，横坐标为铜离子浓度，纵坐标为吸光度；

图4为实施例6中共存金属离子对含铜离子的溶液的紫外-可见吸收光谱的影响。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

实施例中所述的紫外探针的结构式为：

实施例1

紫外探针dmpa的合成：

步骤1：罗丹明酰肼的合成：取100ml三口烧瓶，称取1.200g(2.5mmol)罗丹明b溶于30ml无水乙醇中，室温下剧烈搅拌并缓慢向内滴加1ml(19.8mmol过量)98％水合肼。78℃加热回流2h至溶液由暗红色变为澄清黄色。反应完成后冷却至室温，利用旋转蒸发仪蒸除溶剂和过量水合肼，得淡黄色罗丹明b酰肼粗产物。取50ml新配制1mhcl加入粗产物中，产物溶解呈粉红色溶液状。搅拌下向溶液中缓慢加入1mnaoh，调节ph值至9-10之间。当naoh逐滴加入到混合液中时，溶液ph调节至6左右时开始有淡粉色絮状沉淀析出。过滤并重复3次用15ml去离子水洗涤沉淀得纯净的罗丹明b酰肼产品。放入50℃真空干燥箱内干燥至恒重，最终可得淡粉红色粉末状产物1。最高产率可达80％。ftir(kbr):v＝3450cm^-1(nh2)；1619cm^-1(n-c＝o)；1225cm^-1,1270cm^-1(c6h6-o)；825cm^-1,786cm^-1,762cm^-1,703cm^-1(n-h)。¹hnmr(400mhz,dmso,298k,δ/ppm):1.07-1.11(t,12h,j＝16hz,ch3),3.30-3.35(q,8h,j＝12hz,ch2),4.29(s,2h,nh2),6.34(s,4h,arh),6.38(s,2h,arh),6.99-7.00(d,1h,j＝4hz,arh),7.47-7.49(t,2h,j＝8hz,arh),7.76-7.78(d,1h,j＝4hz,arh)。

步骤2：将100ml无水thf的(294.7mg,1.60mmol)三聚氯氰、604mg(4.38mmol)k2co3混合液加入氮气保护的250ml三口烧瓶中，冰水浴控制温度为0-5℃，搅拌状态下逐滴加入50ml(763.6mg,1.60mmol)罗丹明b酰肼(1)的thf溶液，30min左右滴加完成。继续搅拌9h，反应结束之后过滤，使用硅胶色谱柱进行纯化，展开剂为石油醚/乙酸乙酯/三氯甲烷(体积比＝3:1:4)，得到目标产物:2。产率70％。ftir(kbr):v＝3438cm^-1(nh)；3054cm^-1,1609cm^-1,1538cm^-1(c6h6)；1715cm^-1(c＝o)；1498cm^-1(三嗪)；1316cm^-1(c-n)；516cm^-1,850cm^-1(c-cl)。¹h-nmr(400mhz,dmso,298k,δ/ppm):1.06(12h,t,j＝16hz,ch3),3.43(8h,q,j＝8hz,ch2),6.72(s,4h,arh),7.35(s,2h,arh),7.58(s,1h,arh),7.72-7.76(d,2h,j＝8hz,arh),7.89-7.99(d,1h,j＝16hz,arh),11.17(1h,s,nh)。

步骤3：dmpa目标产物的合成：在150ml的三口烧瓶中，取2,2-二甲基吡啶胺(0.15g,0.6mmol)和k2co3(0.17g,1.2mmol)溶解在20ml的thf中，在氮气的氛围下，中间产物2(0.3g,0.57mmol)溶解在50ml的thf中，在40-45℃下逐滴加入到不断搅拌的反应溶液中，大约在30min范围内滴加完毕，然后回流12h，反应结束之后冷却到室温，过滤，将滤液旋转蒸干，然后使用硅胶色谱柱进行提纯，洗脱剂为:乙酸乙酯,得到浅红色的固体dmpa。ftir(kbr):v＝3428cm^-1(nh)；3054cm^-1,1609cm^-1,1538cm^-1(c6h6)；1715cm^-1(c＝o)；1498cm^-1(三嗪)；1316cm^-1(c-n)；516cm^-1,850cm^-1(c-cl)；985cm^-1为吡啶环上芳氢的面外弯曲振动。¹h-nmr(600mhz,cdcl3,298k,δ/ppm):1.17(t,12h,nch2ch3),3.34(q,8h,nch2ch3),4.92(m,4h,nch2py),6.33(m,6h,arh),7.05(m,2h,pyh),7.44(m,4h,arh,pyh),7.91(m,2h,arh),8.03(m,1h,arh),8.09(d,2h,pyh),8.43(s,2h,pyh)。¹³c-nmr(150mhz,cdcl3,298k,δ/ppm)112.56,38.50,39.62,44.33,65.12,98.97,105.07,108.15,113.10,114.09,117.57,119.49,122.30,123.99,130.92,132.68,138.21,147.30,148.04,148.85,151.66,152.43,167.42,169.01.

实施例2

二甲基吡啶胺类紫外探针检测铜离子的具体方法：

配置1×10^-5m的铜离子待测液，应用实施例1中合成的二甲基吡啶胺类紫外探针检测其中的铜离子的方法，具体步骤为：

步骤1：将实施例1合成的二甲基吡啶胺类紫外探针溶于溶剂乙醇中，利用溶剂乙醇在100ml容量瓶内定容，得到浓度为1.0×10^-3m的探针储备液；

步骤2：将氯化铜溶于乙醇中，利用溶剂乙醇在100ml容量瓶内定容，得到浓度为1.0×10^-2m的铜离子储备液；移取浓度为1.0×10^-2m的铜离子储备液于100ml容量瓶中，利用溶剂乙醇定容，得到浓度为1.0×10^-3m的铜离子储备液。以同样的方式，将氯化铜溶于去离子水中，利用去离子水定容，得到1.0×10^-3m的铜离子储备液。

步骤3：分别移取不同浓度为1.0×10^-3m的铜离子标准溶液加入0.1ml步骤1中得到的探针储备液，利用溶剂乙醇和去离子水在10ml容量瓶中定容，使溶剂乙醇和去离子水的体积比例保持99:1，静置5min后，通过紫外-可见光谱法，检测556nm波长下的吸光度，结果显示紫外吸收强度与铜离子浓度呈现良好的线性关系。

步骤4：取0.8ml铜离子待测液，浓度为1.0×10^-4m的铜离子标准溶液加入1ml步骤1中得到的探针储备液，利用溶剂乙醇在10ml容量瓶中定容，静置5min后，通过紫外-可见光谱法，检测556nm波长下的吸光度，结果为0.302，根据所测紫外强度与铜离子浓度关系，确定铜离子待测液中铜离子的含量，结果为7.44μm。

实施例3

dmpa紫外-可见吸收光谱对金属离子的选择性

在体积比99：1的乙醇/h2o体系中，测定紫外探针(dmpa)在加入金属离子zn²⁺，cd²⁺，mg²⁺，cu²⁺，ni²⁺，hg²⁺，co²⁺，ba²⁺，pb²⁺，cr³⁺，sn²⁺，ca²⁺，mn²⁺，fe³⁺，al³⁺前后的紫外-可见吸收光谱。

步骤1：将实施例1合成的活性染料荧光探针溶于溶剂乙醇中，利用溶剂乙醇在100ml容量瓶内定容，得到浓度为1.0×10^-3m的探针储备液；

步骤2：将锌盐、镉盐、镁盐、铜盐、镍盐、汞盐、钴盐、钡盐、铅盐、铬盐、锡盐、钙盐、锰盐、铁盐、铝盐溶于溶剂去离子水中，利用溶剂去离子水在100ml容量瓶内定容，得到浓度为1.0×10^-2m的各金属离子储备液。

步骤3：分别移取0.05ml浓度为1.0×10^-2m的各金属离子储备液，加入1ml步骤1中得到的探针储备液，利用溶剂乙醇和去离子水在10ml容量瓶中定容，静置5min后，检测其紫外-可见光谱；

通过实验发现dmpa的紫外-可见吸收光谱对铜离子有很好的响应。其中，溶剂：乙醇/水(99/1,v/v)，浓度：10μm(dmpa)，500μm(金属离子)。

实施例4

dmpa紫外-可见吸收光谱与铜的浓度关系：

加入不同浓度的铜离子后，测定紫外探针dmpa在乙醇/h2o(99/1,v/v)体系的紫外-可见吸收光谱图。其中，溶剂：乙醇/h2o(99/1,v/v)，浓度：10μm(dmpa)，铜离子当量从下到上依次为0～9equiv.。

步骤1：将实施例1合成的活性染料荧光探针溶于溶剂乙醇中，利用溶剂乙醇在100ml容量瓶内定容，得到浓度为1.0×10^-3m的探针储备液；

步骤2：将氯化铜溶于溶剂乙醇中，利用溶剂乙醇在100ml容量瓶内定容，得到浓度为1.0×10^-2m的铜离子储备液；移取浓度为1.0×10^-2m的铜离子储备液于100ml容量瓶中，利用溶剂乙醇定容，得到浓度为1.0×10^-3m的铜离子储备液；移取浓度为1.0×10^-3m的铜离子储备液于100ml容量瓶中，利用溶剂乙醇定容，得到浓度为1.0×10^-4m的铜离子标准溶液；

步骤3.分别移取0ml、0.1ml、0.2ml、0.3ml、0.4ml、0.6ml、0.8ml、1ml、1.2ml、1.4ml、1.6ml、1.8ml、2.0ml、3.0ml、4.0ml、5.0ml、6.0ml、8.0ml、9.0ml浓度为1.0×10^-4m的铜离子标准溶液加入1ml步骤1中得到的探针储备液，利用溶剂乙醇和水在10ml容量瓶中定容，另移取0.2ml、0.3ml、0.4ml、0.5ml浓度为1.0×10^-3m的铜离子储备液加入1ml步骤1中得到的探针储备液，利用溶剂乙醇在10ml容量瓶中定容，静置5min后，通过紫外-可见光谱法，检测556nm处的吸光度；

当加入铜的浓度达到2μm时，在556nm出现新的吸收峰，随着铜浓度的不断增加，其紫外吸收强度也不断增加，在2～20μm之间呈现较好的线性关系。

实施例5

紫外探针dmpa的标准曲线及检测限的测定：

基于stern-volmer理轮，测定探针(10μm)溶液在乙醇/h2o(99/1)的混合溶剂中对铜离子进行检测时的线性范围和最低检测限。

步骤1：将实施例1合成的活性染料荧光探针溶于溶剂乙醇中，利用溶剂乙醇在100ml容量瓶内定容，得到浓度为1.0×10^-3m的探针储备液，移取探针储备液于100ml容量瓶中，利用溶剂乙醇在100ml容量瓶内定容，得到浓度为1.0×10^-4m探针溶液；

步骤2：将氯化铜溶于溶剂乙醇中，利用溶剂乙醇在100ml容量瓶内定容，得到浓度为1.0×10^-2m的铜离子储备液；移取浓度为1.0×10^-2m的铜离子储备液于100ml容量瓶中，利用溶剂乙醇定容，得到浓度为1.0×10^-3m的铜离子储备液；移取浓度为1.0×10^-3m的铜离子储备液于100ml容量瓶中，利用溶剂去离子水定容，得到浓度为1.0×10^-4m的铜离子标准溶液；

步骤3.分别移取0ml、0.1ml、0.2ml、0.3ml、0.4ml、0.5ml、0.6ml、0.7ml、0.8ml、0.9ml、1ml浓度为1.0×10^-4m的铜离子标准溶液加入1ml步骤1中得到的探针储备液，利用溶剂乙醇和水在10ml容量瓶中定容，静置5min后，通过紫外-可见光谱法，检测556nm处的吸光度；

铜离子的浓度从0增加到1.0×10^-5m，静置30min后测试。探针在556nm处吸光度很低。随着铜离子的加入，吸光度不断增强。相对吸光强度与铜离子浓度在2～10μm呈现出良好的线性关系。如图3所示，线性相关系数为0.995，实际检出限为2μm。上述计算结果可以看出探针对铜离子呈现出很好的检测灵敏性，铜离子识别过程简单。

实施例6

紫外探针dmpa检测铜离子时的抗干扰性：

探究环境和生物相关共存离子对dmpa-cu²⁺的乙醇/h2o(99：1)溶液在556nm处吸光度的影响。其中，溶剂：乙醇/h2o(99/1,v/v)，浓度：10μm(dmpa)，50μm(cu²⁺)，50μm(其他离子)，黑色柱子为在dmpa中加入不同金属离子，灰色柱子为在dmpa-cu²⁺体系加入不同金属离子。

步骤1：将实施例1合成的活性染料荧光探针溶于溶剂乙醇中，利用溶剂乙醇在100ml容量瓶内定容，得到浓度为1.0×10^-3m的探针储备液；

步骤2：将锌盐、镉盐、镁盐、铜盐、镍盐、汞盐、钴盐、钡盐、铅盐、铬盐、锡盐、钙盐、锰盐、铁盐、铝盐溶于溶剂去离子水中，利用溶剂去离子水在100ml容量瓶内定容，得到浓度为1.0×10^-2m的各金属离子储备液；

步骤3：移取0.05ml浓度为1.0×10^-2m的铜离子储备液，加入1ml步骤1中得到的探针储备液，利用溶剂乙醇和水在10ml容量瓶中定容，静置5min后，检测其紫外-可见光谱；

步骤4：移取0.05ml浓度为1.0×10^-2m的铜离子储备液，加入1ml步骤1中得到的探针储备液，另分别加入0.05ml浓度为1.0×10^-2m的各金属离子储备液，利用溶剂乙醇在10ml容量瓶中定容，静置5min后，检测其紫外-可见光谱；

从图中可见，sn²⁺、fe³⁺使吸光度略有降低外，其他离子均对其影响不大，因此，紫外探针dmpa有良好的抗干扰性。