一种水溶性强酸可变色的偶氮-蒽醌类pH探针及其制备和应用的制作方法

本发明属于ph探针及其制备和应用领域，特别涉及一种水溶性强酸可变色的偶氮-蒽醌类ph探针及其制备和应用。
背景技术：
：ph值作为酸度的衡量指标，其快速准确的测量在生物工程、环境监测，生态保护、医疗诊断等过程中都显得尤为重要。ph试纸测量法，电极法和传感器是目前测定ph值的主要方法。其中，ph试纸测量法，存在主观因素带来的误差。电极法虽然在准确度上有了较大的提高，但易受电化学干扰、金属离子干扰，易机械损伤，存在强酸强碱测定时误差大，以及不适于活体ph值检测等缺陷。荧光探针类的光化学传感器是目前研究的最多的一类ph值测定方法，因具有选择性好、灵敏度高、试样量小等特点而广受研究者的青睐，但是，荧光传感器测量法对ph的检测需要复杂的光学器件，且易受环境的干扰，此类ph值传感器很难完成实时检测。目前大多说传感器均是可用于监测弱酸到弱碱性环境，适用于强酸性环境监测的传感器较少，现有的检测方法无论是荧光探针方法、ph试纸测量法，ph计测量法在强酸性溶液中都存在一系列问题，例如检测不灵敏，误差大，操作麻烦等。因此，发展一类简便可行，可实现实时检测的强酸性ph探针仍是一个重要的研究方向。技术实现要素：本发明所要解决的技术问题是提供一种水溶性强酸可变色的偶氮-蒽醌类ph探针及其制备和应用，克服了现有技术中如ph试纸、电极法存在的误差大及荧光探针类传感器不能实时监测的缺陷，该方法无需借助复杂光学器件，直接通过肉眼观察便可快速检测溶液的ph值，且制备工艺简单，成本廉价。本发明的一种如下通式的水溶性强酸可变色的偶氮-蒽醌类ph探针，式中，其中n、x、y为0,1,2或3。所述为：本发明的一种所述水溶性强酸可变色的偶氮-蒽醌类ph探针的制备方法，包括：(1)将打浆均匀的三聚氯氰中加入p-3r色基溶液，在0～10℃，ph值小于6.0的条件下，反应2～4h，得到一次缩合液；其中，p-3r色基为1-氨基-2-磺酸-4-(3-氨基-2,4,6-三甲基-5-磺酸苯氨基)蒽醌钠盐，三聚氯氰与p-3r色基的摩尔比为1:0.98～1:1；(2)将2,4-二氨基苯磺酸加入一次缩合液中，调整反应液ph值至2.5～4.5，升温至25℃～45℃，反应3-5h，得到二次缩合液；其中，2,4-二氨基苯磺酸与三聚氯氰的摩尔比为0.98:0.99～0.98:1；(3)将芳香族伯胺溶于水，得到芳香族伯胺溶液，加入酸，搅拌，在1h内滴入亚硝酸钠溶液，滴完后-5～0℃条件下反应1-2h，得到重氮盐；其中芳香族伯胺溶液质量分数为10％～30％，芳香族伯胺与步骤(1)中p-3r色基的摩尔比为0.98:0.99～0.98:1；(4)将步骤(2)中的二缩液降温至5℃以下，然后加入(3)中的重氮盐，调节ph值1.5～5.5，在0～5℃下反应2-4h，然后再在室温条件下反应2～3h，达到偶合终点；进行盐析、提纯，得到水溶性强酸可变色的偶氮-蒽醌类ph探针。上述制备方法的优选方式如下：所述步骤(1)中打浆均匀的三聚氯氰为：质量百分浓度为15-25％的三聚氯氰溶液，在0-2℃条件下于冰水中打浆0.1-0.5h。所述步骤(1)中p-3r色基溶液的质量分数为10％～20％，并调节ph值为5.8～6.5。所述步骤(3)中芳香族伯胺为中的一种，其中n、x、y为0,1,2或3。所述当芳香族伯胺中的r2基团为吸电子基，如-no2、-so3na、-so2ch2ch2oso3na时，重氮化时所用的酸为浓硫酸，芳香族伯胺、浓硫酸与亚硝酸钠的摩尔比为0.98:0.98:1.01-0.98:1.5:1.01。当r2为供电子基och3和ch3时，重氮化时所用的酸为浓盐酸，芳香族伯胺、浓盐酸与亚硝酸钠的摩尔比为0.98:0.98:1.01-0.98:2:1.01。所述步骤(4)中盐析为按反应结束时总液量的10％称取kcl进行盐析，抽滤烘干；提纯为：将盐析所得染料分散于无水乙醇与蒸馏水的混合物中，进行重结晶，快速抽滤，滤去盐及有机小分子，得到滤饼，真空干燥得成品；其中无水乙醇与水的体积比为2:1。本发明提供一种所述水溶性强酸可变色的偶氮-蒽醌类ph探针在探测酸性环境中ph的应用，直接通过裸眼识别溶液颜色的变化快速检测出ph值。本发明还提供一种所述水溶性强酸可变色的偶氮-蒽醌类ph探针在生物工程、环境监测，生态保护、医疗诊断中的应用。有益效果(1)本发明探针可用于检测的强酸溶液的ph，ph探针的检测线为0.5-4，与现有的检测方法相比，在强酸性条件下例如小于2以下，检测准确，信号明确，本发明的用作ph探针的偶氮-蒽醌类水溶性化合物制备工艺简单，成本低；(2)本发明的用作ph探针的偶氮-蒽醌类水溶性化合物检测溶液ph时无需借助复杂光学器件，直接通过肉眼观察便可快速检测溶液的ph值，既保留了传统比色检测简便、易读的优点，又实现了大多数荧光探针无法达到的实时检测的效果；(3)本发明的用作ph探针的偶氮-蒽醌类水溶性化合物用于强酸溶液的ph值的检测；(4)本发明的用作ph探针的偶氮-蒽醌类水溶性化合物用于溶液ph检测时具有可逆性；(5)本发明的用作ph探针的苯并噻唑类水溶性化合物用于溶液ph检测时几乎不受金属离子的影响。附图说明图1是结构式为实施例1中探针的核磁共振氢谱图；图2是结构式为实施例2中探针的核磁共振氢谱图；图3是结构式为实施例3中探针的核磁共振氢谱图；图4是结构式为实施例4中探针的核磁共振氢谱图；图5是实施例6中探针在不同ph的水溶液中的紫外吸收光谱图；插图为肉眼观察不同ph值溶液的颜色的照片；图6为实施例7中探针在不同ph的水溶液中的紫外吸收光谱图；插图为肉眼观察不同ph值溶液的颜色的照片；图7为实施例8中探针在不同ph的水溶液中的紫外吸收光谱图；插图为肉眼观察不同ph值溶液的颜色的照片；图8为实施例9中探针在不同ph的水溶液中的紫外吸收光谱图；插图为肉眼观察不同ph值溶液的颜色的照片。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1结构如下的偶氮-蒽醌类ph探针的合成工艺：(1)一缩物的制备：18.6g(0.1mol)三聚氯氰配置成20％(质量百分浓度)的溶液，在0～2℃条件下于冰水浴中打浆0.5h。准确称取52.61g(0.099mol)1-氨基-2-磺酸-4-(3-氨基-2,4,6-三甲基-5-磺酸苯氨基)蒽醌单钠盐配成15％的溶液，调节ph值为5.8～6.5，溶解液为蓝色澄清溶液，在0～5℃条件下1h内滴加到打浆均匀的三聚氯氰中，滴加完毕后保持温度5℃，ph值4～4.5反应3h，薄层色谱法检测一缩反应终点(展开剂为：正丁醇：乙醇：水＝8:2:3)。(2)二缩物的制备：准确称取18.42g(0.098mol)2,4-二氨基苯磺酸干粉，一次加入到步骤(1)制备好的一次缩合液中，调整反应液ph值至2.5～3.5，升温至25℃～30℃，反应3～5h，薄层色谱法(tlc)检测二缩反应终点(展开剂为：正丁醇：乙醇：水＝8:2:4)，得到蓝色二次缩合液，反应结束后降温至5℃备用。(3)重氮盐的制备：准确称取27.54g(0.098mol)4-硫酸乙酯砜基苯胺，配置成质量分数为20％的水溶液，搅拌0.5h至混合均匀后降温至0～5℃，一次性加入9.8g(0.098mol)质量分数为37.5％的浓盐酸，搅拌10min，之后在1h内缓慢滴入6.969g(0.101mol)亚硝酸钠水溶液，滴完后-5～0℃条件下反应2h，反应完后用氨基磺酸消除过量的亚硝酸。(4)偶合反应：将步骤(2)中的二缩液降温至5℃以下，然后加入(3)中制备好的重氮盐，调节ph值1.5～5.5，在0～5℃下反应4h，然后再在室温条件下反应2～3h，薄层色谱法(tlc)检测偶合反应终点(展开剂为：正丁醇：乙醇：水＝7:2:3)，将得到的产物在65℃温度下烘干。(5)盐析：按反应结束时总液量的10％称取kcl进行盐析，抽滤烘干得偶氮-蒽醌ph探针粗品，得到染料的产率为82.14％。(6)提纯：将盐析所得染料分散于无水乙醇与蒸馏水的混合物中，进行重结晶，快速抽滤，滤去盐及有机小分子，得到滤饼，真空干燥得ph探针纯品。其核磁共振氢谱见图1，1hnmr(dmso，δh，ppm)：11.86(s，2h，-nh2)，11.82(s，2h，-nh2)，10.27(s，1h，-nh)，9.96(s，1h，-nh)，9.66(s，1h，-nh)，8.30(d，1h，ar-h)，8.29(d，1h，ar-h)，8.07(s，1h，ar-h)，8.03(s，1h，ar-h)，8.02(d，1h，ar-h)，7.98(d，1h，ar-h)，7.94(d，1h，ar-h)，7.85(t，1h，ar-h)，7.11(s，1h，ar-h)，7.08(s，1h，ar-h)，7.01(s，1h，ar-h)，4.00(t，2h，-ch2-)，3.67(t，2h，-ch2-)，2.66(s，3h，-ch3)，1.99(s，3h，-ch3)，1.23(s，3h，-ch3)。实施例2结构如下的偶氮-蒽醌类ph探针的合成工艺：(1)一缩物的制备：18.6g(0.1mol)三聚氯氰配置成20％(质量百分浓度)的溶液，在0～2℃条件下于冰水浴中打浆0.5h。准确称取52.61g(0.099mol)1-氨基-2-磺酸-4-(3-氨基-2,4,6-三甲基-5-磺酸苯氨基)蒽醌单钠盐配成15％的溶液，调节ph值为5.8～6.5，溶解液为蓝色澄清溶液，在0～5℃条件下1h内滴加到打浆均匀的三聚氯氰中，滴加完毕后保持温度5℃，ph值4～4.5反应3h，薄层色谱法检测一缩反应终点(展开剂为：正丁醇：乙醇：水＝8:2:3)。(2)二缩物的制备：准确称取18.42g(0.098mol)2,4-二氨基苯磺酸干粉，一次加入到步骤(1)制备好的一次缩合液中，调整反应液ph值至2.5～3.5，升温至25℃～30℃，反应3～5h，薄层色谱法(tlc)检测二缩反应终点(展开剂为：正丁醇：乙醇：水＝8:2:4)，得到蓝色二次缩合液，反应结束后降温至5℃备用。(3)重氮盐的制备：准确称取16.95g(0.098mol)对氨基苯磺酸，配置成质量分数为25％的水溶液，搅拌0.5h至混合均匀后降温至0～5℃,一次性加入9.8g(0.098mol)质量分数为37.5％的浓盐酸，搅拌10min，之后在1h内缓慢滴入6.969g(0.101mol)亚硝酸钠水溶液，滴完后-5～0℃条件下反应2h，反应完后用氨基磺酸消除过量的亚硝酸。(4)偶合反应：将步骤(2)中的二缩液降温至5℃以下，然后加入(3)中制备好的重氮盐，调节ph值1.5～5.5，在0～5℃下反应4h，然后再在室温条件下反应2～3h，薄层色谱法(tlc)检测偶合反应终点(展开剂为：正丁醇：乙醇：水＝7:2:3)，将得到的产物在65℃温度下烘干。(5)盐析：按反应结束时总液量的10％称取kcl进行盐析，抽滤烘干得偶氮-蒽醌ph探针粗品，得到染料的产率为84.67％。(6)提纯：将盐析所得染料分散于无水乙醇与蒸馏水的混合物中，进行重结晶，快速抽滤，滤去盐及有机小分子，得到滤饼，真空干燥得ph探针纯品，其核磁共振氢谱见图2，1hnmr(dmso，δh，ppm)：11.86(s，2h，-nh2)，11.83(s，2h，-nh2)，10.26(s，1h，-nh，9.95(s，1h，-nh)，9.68(s，1h，-nh)，8.32(s，1h，ar-h)，8.30(s，1h，ar-h)，8.29(d，1h，ar-h)，8.05(d，1h，ar-h)，8.00(s，1h，ar-h)，7.95(s，1h，ar-h)，7.84(t，1h，ar-h)，7.79(t，1h，ar-h)，7.75(d，1h，ar-h)，7.10(s，1h，ar-h)，7.00(s，1h，ar-h)，2.67(s，3h，-ch3)，2.00(s，3h，-ch3)，1.23(s，3h，-ch3)。实施例3结构如下的偶氮-蒽醌类ph探针的合成工艺：(1)一缩物的制备：18.6g(0.1mol)三聚氯氰配置成20％(质量百分浓度)的溶液，在0～2℃条件下于冰水浴中打浆0.5h。准确称取52.61g(0.099mol)1-氨基-2-磺酸-4-(3-氨基-2,4,6-三甲基-5-磺酸苯氨基)蒽醌单钠盐配成15％的溶液，调节ph值为5.8～6.5，溶解液为蓝色澄清溶液，在0～5℃条件下1h内滴加到打浆均匀的三聚氯氰中，滴加完毕后保持温度5℃，ph值4～4.5反应3h，薄层色谱法检测一缩反应终点(展开剂为：正丁醇：乙醇：水＝8:2:3)。(2)二缩物的制备：准确称取18.42g(0.098mol)2,4-二氨基苯磺酸干粉，一次加入到步骤(1)制备好的一次缩合液中，调整反应液ph值至2.5～3.5，升温至25℃～30℃，反应3～5h，薄层色谱法(tlc)检测二缩反应终点(展开剂为：正丁醇：乙醇：水＝8:2:4)，得到蓝色二次缩合液，反应结束后降温至5℃备用。(3)重氮盐的制备：准确称取9.128g(0.098mol)苯胺液体，搅拌下一次性加入10g(0.1mol)质量分数为37.5％的浓盐酸，降温至0～5℃搅拌10min至混合均匀后，在1h内缓慢滴入6.969g(0.101mol)亚硝酸钠水溶液，滴完后-5～0℃条件下反应2h，反应完后用氨基磺酸消除过量的亚硝酸。(4)偶合反应：将步骤(2)中的二缩液降温至5℃以下，然后加入(3)中制备好的重氮盐，调节ph值1.5～5.5，在0～5℃下反应4h，然后再在室温条件下反应2～3h，薄层色谱法(tlc)检测偶合反应终点(展开剂为：正丁醇：乙醇：水＝7:2:3)，将得到的产物在65℃温度下烘干。(5)盐析：按反应结束时总液量的10％称取kcl进行盐析，抽滤烘干得偶氮-蒽醌ph探针粗品，得到染料的产率为85.02％。(6)提纯：将盐析所得染料分散于无水乙醇与蒸馏水的混合物中，进行重结晶，快速抽滤，滤去盐及有机小分子，得到滤饼，真空干燥得ph探针纯品，其核磁共振氢谱见图3，1h-nmr(dmso,δh,ppm):11.87(s,2h,-nh2)，11.83(s,1h,-nh2),11.18(s,1h,-nh),10.27(s,1h,-nh),9.64(s,1h,-nh),8.40(s,1h,ar-h),8.38(s,1h,ar-h),8.30(t,1h,ar-h),8.29(d,1h,ar-h),8.09(s,1h,ar-h),8.05(d,1h，ar-h),7.96(s,1h,ar-h),7.86(d,1h,ar-h),7.85(d,1h,ar-h),7.14(t,1h,ar-h),7.10(s,1h,ar-h),6.60(s，1h，ar-h)2.66(s,3h,-ch3),2.00(s,3h,-ch3),1.23(s,3h,-ch3).实施例4结构如下的偶氮-蒽醌类ph探针的合成工艺：(1)一缩物的制备：18.6g(0.1mol)三聚氯氰配置成20％(质量百分浓度)的溶液，在0～2℃条件下于冰水浴中打浆0.5h。准确称取52.61g(0.099mol)1-氨基-2-磺酸-4-(3-氨基-2,4,6-三甲基-5-磺酸苯氨基)蒽醌单钠盐配成15％的溶液，调节ph值为5.8～6.5，溶解液为蓝色澄清溶液，在0～5℃条件下1h内滴加到打浆均匀的三聚氯氰中，滴加完毕后保持温度5℃，ph值4～4.5反应3h，薄层色谱法检测一缩反应终点(展开剂为：正丁醇：乙醇：水＝8:2:3)。(2)二缩物的制备：准确称取18.42g(0.098mol)2,4-二氨基苯磺酸干粉，一次加入到步骤(1)制备好的一次缩合液中，调整反应液ph值至2.5～3.5，升温至25℃～30℃，反应3～5h，薄层色谱法(tlc)检测二缩反应终点(展开剂为：正丁醇：乙醇：水＝8:2:4)，得到蓝色二次缩合液，反应结束后降温至5℃备用。(3)重氮盐的制备：准确称取9.128g(0.098mol)对甲苯胺晶体，搅拌下一次性加入10g(0.1mol)质量分数为37.5％的浓盐酸，，降温至0～5℃搅拌10min至混合均匀后，在1h内缓慢滴入6.969g(0.101mol)亚硝酸钠水溶液，滴完后-5～0℃条件下反应2h，反应完后用氨基磺酸消除过量的亚硝酸。(4)偶合反应：将步骤(2)中的二缩液降温至5℃以下，然后加入(3)中制备好的重氮盐，调节ph值1.5～5.5，在0～5℃下反应4h，然后再在室温条件下反应2～3h，薄层色谱法(tlc)检测偶合反应终点(展开剂为：正丁醇：乙醇：水＝7:2:3)，将得到的产物在65℃温度下烘干。(5)盐析：按反应结束时总液量的10％称取kcl进行盐析，抽滤烘干得偶氮-蒽醌ph探针粗品，得到染料的产率为86.29％。(6)提纯：将盐析所得染料分散于无水乙醇与蒸馏水的混合物中，进行重结晶，快速抽滤，滤去盐及有机小分子，得到滤饼，真空干燥得ph探针纯品，其核磁共振氢谱见图4，1h-nmr(dmso,δh,ppm):11.89(s,2h,-nh2)，11.87(s,1h,-nh2),10.23(s,1h,-nh),9.91(s,1h,-nh),9.65(s,1h,-nh),8.31(s,1h,ar-h),8.30(d,1h,ar-h),8.04(t,1h,ar-h),7.97(s,1h,ar-h),7.87(s,1h,ar-h),7.85(d,1h，ar-h),7.74(d,1h,ar-h),7.35(d,1h,ar-h),7.22(s,1h,ar-h),7.13(t,1h,ar-h),7.05(s,1h,ar-h),2.55(s,3h,-ch3),2.38(s,3h,-ch3),2.04(s,3h,-ch3),1.23(s,3h,-ch3).实施例5将实施例1、2、3、4中的ph探针分别配置成浓度为5×10-5mol/l的水溶液，ph均调整为1.0，测定各个探针的最大吸收波长，结果如下表所示：实施例1实施例2实施例3实施例4λmax/nm490/588/626506/588/626528/588/626552/588/626实施例6探针在不同ph水溶液中的吸收光谱：分别配置含有实施例1中探针的不同ph值(ph为0.8、1.0、1.2、1.4、1.6、1.8、2.0、2.5、3.0、4.0)的缓冲溶液，探针的浓度为5×10-5mol/l。测定各个不同ph值下溶液的紫外可见吸收光谱，结果如图5所示，随着ph值的变化，紫外可见吸收光谱一直在发生变化，最大吸收波长也在发生改变，表明颜色在随ph值随时改变，通过肉眼也可以观察到不同ph值溶液的颜色的变化，用相机拍照，照片如插图所示。实施例7探针在不同ph水溶液中的吸收光谱：分别配置含有实施例2中探针的不同ph值(ph为0.8、1.0、1.2、1.4、1.6、1.8、2.0、2.5、3.0、4.0)的缓冲溶液，探针的浓度为5×10-5mol/l。测定各个不同ph值下溶液的紫外吸收光谱，结果如图6所示，随着ph值的变化，紫外可见吸收光谱一直在发生变化，最大吸收波长也在发生改变，表明颜色在随ph值随时改变，通过肉眼也可以观察到不同ph值溶液的颜色的变化，肉眼观察不同ph值溶液的颜色并用相机拍照，照片如插图所示。实施例8探针在不同ph水溶液中的吸收光谱：分别配置含有实施例3中探针的不同ph值(ph为0.8、1.0、1.2、1.4、1.6、1.8、2.0、2.5、3.0、4.0)的缓冲溶液，探针的浓度为5×10-5mol/l。测定各个不同ph值下溶液的紫外吸收光谱，结果如图7所示，随着ph值的变化，紫外可见吸收光谱一直在发生变化，最大吸收波长也在发生改变，表明颜色在随ph值随时改变，通过肉眼也可以观察到不同ph值溶液的颜色的变化，肉眼观察不同ph值溶液的颜色并用相机拍照，照片如插图所示。实施例9探针在不同ph水溶液中的吸收光谱：分别配置含有实施例4中探针的不同ph值(ph为0.8、1.0、1.2、1.4、1.6、1.8、2.0、2.5、3.0、4.0)的缓冲溶液，探针的浓度为5×10-5mol/l。测定各个不同ph值下溶液的紫外吸收光谱，结果如图8所示，随着ph值的变化，紫外可见吸收光谱一直在发生变化，最大吸收波长也在发生改变，表明颜色在随ph值随时改变，通过肉眼也可以观察到不同ph值溶液的颜色的变化，肉眼观察不同ph值溶液的颜色并用相机拍照，照片如插图所示。实施例10探针对氢离子的选择具有可逆性：用0.10mol/l的氢氧化钠和0.10mol/l的盐酸溶液分别将实施例1中ph为1.0、4.0的含探针浓度为5×10-5mol/l的缓冲溶液调整ph为4.0、1.0，发现ph从1.0调至4.0，溶液颜色由橙红色变为绿色，ph从4.0调至1.0，溶液颜色由绿色变为橙红色。实施例11探针对氢离子的选择：在ph为1.0的含实施例2中探针浓度5×10-5mol/l的缓冲溶液中，分别滴加4.00×10-5mol/l的钙、铁、镁等常见金属离子，肉眼观察溶液颜色发现无变化，由此可见，这些常见的金属离子对探针裸眼显色识别氢离子的特性影响很小。当前第1页12