一种氰离子荧光传感器分子及其合成和应用的制作方法

本发明提供一种氰离子荧光传感器分子——2,3-二羟基吩嗪及其合成方法；本发明还涉及该荧光传感器分子在水溶液中高灵敏度荧光识别氰离子的应用，属于化学合成领域和阴离子检测技术领域。

背景技术：

由于化学传感器在化学、环境乃至生物体系中有着广阔的应用前景，近年来，化学传感器的设计合成越来越引起人们的关注。这其中既有能识别金属离子的化学传感器，也有能识别阴离子的化学传感器。荧光光谱在测定中具有操作简便、快捷且灵敏度高等优点，已经发展为离子识别中的主要测试手段。

在众多的阴离子中，氰化物具有很强的毒性，并且非常容易被人体吸收，可经口、呼吸道或皮肤进入人体。氰化物进入胃内，在胃酸的解离下，能立即水解为氢氰酸而被吸收。此种物质进入血液循环后，血液中的细胞色素氧化酶的Fe³⁺与CN^-结合，生成氰化高铁细胞色素氧化酶，丧失传递电子的能力，使呼吸链中断，细胞窒息死亡。由于氰化物在类脂中的溶解度比较大，所以中枢神经系统首先受到危害，尤其是呼吸中枢更为敏感。呼吸衰竭乃是氰化物急性中毒致死的主要原因。因此，CN^-的检测在生命科学和环境监测等领域有着重要的应用。到目前为止，虽然人们已经提出了多种检测氰根离子的方法，但是其中许多方法需要昂贵的仪器和复杂的操作，这严重限制了这些方法的应用。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种结构简单，合成方便的氰离子荧光传感器分子；

本发明的另一目的是提供上述氰离子荧光传感器分子的合成方法；

本发明还有一个目的，就是提供上述氰离子荧光传感器分子在纯水中荧光识别氰离子的应用。

一、传感器分子及其合成

本发明的氰离子荧光传感器分子是以吩嗪为荧光基团，以-OH为识别位点，其化学名称为2,3-二羟基吩嗪，标记为H-1。其结构如下：

传感器分子H-1的合成：是以水为溶剂，邻苯二胺与2,5-二羟基-1,4-苯醌为底物，进行回流反应，沉淀反应产物，过滤，THF洗剂，得褐色固体即为传感器分子。

邻苯二胺与2,5-二羟基-1,4-苯醌的摩尔比为1:1.2~1:1.3；回流反应的温度为95~100℃，回流反应时间为6~8小时。

二、传感器分子对阴离子识别性能研究

1、对氰离子识别性能研究

分别移取2 μL传感器分子H-1的DMSO溶液（5×10^-2 mol·L^-1）于一系列10 mL装有4.5 mLH₂O的比色管中，分别加入F^-，Cl^-，Br^-，I^-，AcO^-，H₂PO^-₄，HSO^-₄，ClO^-₄，CN^-、SCN^-的水溶液（1×10^-2mol·L^-1）0.5ml。此时受体浓度为2×10^-5mol·L^-1，阴离子浓度为受体浓度的50倍。观察传感器分子H-1对各阴离子的响应。

结果发现，当在H-1以DMSO作为增溶剂的H₂O溶液中分别加入上述阴离子的水溶液时，只有CN^-的加入使H-1的溶液的荧光颜色由暗橘色变为黄色。在其相应的荧光光谱中，CN^-的加入使传感器分子H-1在548nm处的发射峰增强并且发生轻微的蓝移（图1），而其余阴离子的加入对传感器分子H-1的溶液的颜色和荧光光谱均无明显影响。说明传感器分子在以DMSO作为增溶剂的H₂O溶液中能专一选择性荧光识别CN^-。

2、对CN^-的滴定实验

取2 μL传感器分子H-1的DMSO溶液（5×10^-2 mol·L^-1）于一系列10 mL装有5mL H₂O的比色管中，此时受体浓度为2×10^-5mol·L^-1。移取2.5mL H-1的上述溶液（2.0×10^-5mol/L）于石英池中，用累积加样法逐渐加入CN^-的水的溶液，于25℃测其荧光光谱（图2）。在荧光光谱中随着CN^-的水的溶液逐渐加入，在548nm处的发射峰逐渐上升，说明传感器H-1可以以DMSO作为增溶剂在水溶液中灵敏快速专一的检测CN^-。H-1对氰离子的荧光光谱检测限为5.65 × 10^-7 mol/L，检测过程具有很高的灵敏度。

3、抗干扰性能检测

为了测定受体H-1对CN^-的检测效果，进行如下测试：取两组10ml比色管在一组中加入2 μL H-1的DMSO溶液（5×10^-2 mol·L^-1），再分别加入0.5 mL F^-，Cl^-，Br^-，I^-，AcO^-，H₂PO^-₄，HSO^-₄，ClO^-₄，SCN^-的水溶液（1×10^-2 mol·L^-1），然后用H₂O稀释至5 mL刻度。在另外一组中先加入2 μL H-1的DMSO溶液（5×10^-2 mol·L^-1），再分别加0.5 mL CN^-，在再每一个比色管中分别加入0.5 mL其它阴离子（F^-，Cl^-，Br^-，I^-，AcO^-，H₂PO^-₄，HSO^-₄，ClO^-₄，SCN^-）的水溶液，然后用H₂O稀释至5 mL刻度。混合均匀后进行观察。

结果发现，加入F^-，Cl^-，Br^-，I^-，AcO^-，H₂PO^-₄，HSO^-₄，ClO^-₄，SCN^-后，H-1+CN^-荧光发射峰基本没有发生变化。这与CN^-对H-1的影响是一致的（图1、2）。从而说明H-1对检测CN^-基本不受其它阳离子的干扰（图3、4）。

4、传感器H-1识别CN^-的响应时间

常见的荧光传感器分子对离子的识别过程需要较长的反应时间，这种因素往往制约了很多传感器分子的推广使用。因此，在识别灵敏度高的基础上又探究了其响应的时间。（图5）。从图5中可以看出，在CN^-加入H-1的随后10秒左右，反应基本完全，荧光强度基本完全打开且不再变化。因此该传感器分子H-1具有较快的检测速度。

5、荧光可逆性

近几年，受体分子的可循环性成为阴离子识别研究中的一大热点，因此，我们探讨了该受体分子对CN^-识别的可循环性。实验现象表明：当在L-1-CN^-络合体系中加入适量的HClO₄，溶液在裸眼和紫外灯下的颜色恢复，与主体L-1相当。相应的紫外和荧光光谱也恢复到原来主体分子的水平。当我们再用该溶液去识别CN^-离子时，该体系的荧光打开，并且基本与传感器分子的峰高一致。如此反复循环使用可以达到4次以上(图6)。因此，该受体分子L-1是一种可循环使用的CN^- 和HClO₄离子比色荧光传感器。

6、传感器H-1对CN^-识别机理

针对传感器分子H-1对CN^-识别机理的探究，我们通过核磁滴定、高分辨质谱等表征手段进行了验证。核磁滴定谱图表明：10.94 ppm 处的-OH的信号峰随氰离子的加入随即消失，并且吩嗪环上的氢质子信号峰明显的向高场移动。因此，我们对传感器H-1对CN^-识别机理探讨如下：当加入CN^-时，传感器H-1两个-OH的氢质子脱去。高分辨质谱对主体与离子的配合物数据表明：257.00处的出峰与传感器H-1脱去两个氢质子再加两个钠离子的分子量一致（图7）。

综上所述，本发明设计合成了一种氰离子荧光传感器分子H-1。该分子中吩嗪作为一个刚性结构稳定的体系，致使主体分子的溶液发出了强的荧光。该分子与氰离子结合后引起溶液颜色在紫外灯下由暗橘色变为亮黄色并且荧光发生打开，在光谱变化上体现为“OFF-ON”。这种“OFF-ON”类型的传感器分子可循环检测环境中的氰离子 。

三、氰离子检测试纸的值而比和应用

为了方便快捷的检测环境体系中的氰离子，利用该传感器分子制作成的氰离子检测试纸。

检测试纸的制作：将该H-1以配制成0.1 mol·L^-1 H₂O的溶液（DMSO可作为增溶剂），移于两个比色管中。将经处理过的滤纸烘干后剪取长约4cm，宽约1cm的滤纸两张，分别浸润在上述的两个比色管中10分钟，使H-1分别负载于滤纸上，然后取出晾干。将检滤纸在荧光灯照射下，负载有H-1的滤纸呈橘黄色荧光。

检测氰离子；在负载有H-1的滤纸上滴加氰离子时，滤纸原来的橘黄色荧光变为黄色荧光，而其它阴离子的滴加对滤纸的荧光没有影响。这种鲜明的颜色对比也说明了该传感器分子对氰离子有着高度的荧光识别能力。

附图说明

图1为H-1 (c=2.0×10^-5mol/L) 的水溶液（以DMSO为增溶剂，DMSO:H₂O=1:99.96）中加入阴离子的荧光光谱图。

图2为H-1 (c=2.0×10^-5mol/L) 的水溶液（以DMSO为增溶剂，DMSO:H₂O=1:99.96）中及加入50倍的阴离子时的荧光光谱图（激发波长：415 nm，发射波长568 nm）。

图3为不同浓度的CN^- (0.00~10.16倍) 存在下传感器H-1的荧光光谱。

图4为不同浓度的CN^- (0.00~10.16倍) 存在下传感器H-1的散点图。

图5为H-1（2×10^-5mol/L）加入CN^-后在发射波长550 nm时的荧光强度与时间的对应关系。

图6为H-1对氰离子识别的荧光可逆性。

图7为H-1对CN^-的识别机理图。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明传感器分子的合成、表征以及在接力荧光识别氰离子的应用做进一步说明。

仪器：¹H NMR使用Mercury-400BB型核磁共振仪测定，TMS为内标。IR使用Digilab FTS-3000 FT-IR型红外光谱仪(KBr压片)测定；熔点使用X-4数字显示显微熔点测定仪(温度计未校正)测定；荧光光谱使用日本岛津公司RF - 5301荧光光谱仪记录。

试剂：所用阴离子（F^-，Cl^-， Br^-，I^-，AcO^-，H₂PO^-₄，HSO^-₄，ClO^-₄）均为四丁基铵盐，CN^-，SCN^-离子为钠盐，溶剂为H₂O (分析纯)。其它试剂均为市售分析纯。

实施例一、传感器分子H-1的合成及表征

取0.5~0.6 mol 邻苯二胺，0.6~0.72 mol 2,5-二羟基-1,4-苯醌，加入到100~120 ml水中搅拌均和均匀，加热到95℃，回流反应7小时；停止加热后过夜搅拌，将沉淀过滤，少量THF洗剂得到褐色固体即为传感器分子H-1。收率85 %。

H-1: m. p.: 248~250 ℃. ¹H NMR (DMSO-d₆) δ = 7.28 (s, 2H, H-C=C-OH), 7.72 (dd, J_ortho = 6.5 Hz, J_meta = 3.5 Hz, 2H, H-C=C-H), 8.05 (dd, J_ortho = 6.5 Hz, J_meta = 3.5 Hz, 2H, H-C=C-H), 10.94 (br s, 2H, OH); ¹³C NMR (DMSO-d₆) δ = 106.5 (C=C-OH), 127.8 (C=CH), 128.2 (C=CH), 139.9 (C=C-N), 141.5 (C=N), 154.6 (C-OH). ESI-MS m/z: (M-H)^- Calcd. for C₁₂H₈N₂O₂ 211.0804; Found 211.0243。

其合成路线如下：

实施例二、传感器分子H-1荧光识别氰离子

分别移取2 μL传感器分子H-1的DMSO溶液(0.05 mol·L^-1)于一系列10 mL 比色管中，分别加入F^-，Cl^-，Br^-，I^-，AcO^-，H₂PO^-₄，HSO^-₄，ClO^-₄，CN^-和SCN^-的水溶液（1×10^-2mol·L^-1）；若传感器分子H-1的溶液颜色在紫外灯下由暗橘色变为亮黄色，并且荧光发生增强，则说明加入的是CN^-，若传感器分子H-1的溶液的荧光没有发生变化，则说明加入的不是CN^-。

实施例三、氰离子检测试纸的应用

1、检测试纸的制作

将传感器分子H-1配制成0.1 mol·L⁻¹的DMSO-H₂O（以DMSO为增溶剂，DMSO:H₂O=1:99.96v/v）溶液。将经处理过的滤纸烘干后剪取长约4cm，宽约1cm的滤纸，浸润在上述的溶液中10分钟，使H-1负载于滤纸上，取出晾干。将检滤纸在荧光灯照射下，负载有H-1的滤纸呈黄色荧光。

2、检测试纸的应用

在负载有H-1的滤纸上滴加F^-，Cl^-，Br^-，I^-，AcO^-，H₂PO^-₄，HSO^-₄，ClO^-₄，CN^-和SCN^-的水溶液，若滤纸的暗橘色荧光变为亮黄色并且荧光，则说明滴加的是CN^-；若滤纸的暗橘色荧光没有发生变化，则说明滴加的不是CN^-。