一种比色荧光双通道银离子传感器分子及其合成和应用的制作方法

本发明涉及一种银离子传感器分子，尤其涉及一种能够比色荧光双通道是被银离子的传感器分子——2-苯基-1H-咪唑[4,5-b]吩嗪；本发明同时还涉及该银离子传感器分子在水溶液中荧光比色识别银离子的应用，属于化学合成领域和阴离子检测技术领域。

背景技术：

伴随着科学技术的飞速发展，银离子及其化合物被广泛应用与珠宝首饰、电镀、感光材料等领域。而随着银离子及其化合物用途的扩大，排放到环境里的银离子量也逐渐增加，随着时间的推移，废水中的银离子在环境中的迁移、扩散，不仅污染了自然水体，对人体及水生生物的健康造成非常严重的危害。因此，银离子的识别和检测在环境科学、生命科学和医学等领域都有着重要的意义。

检测银离子的方法很多，而比色荧光法由于方便快捷等原因而倍受关注。目前，设计及合成的银离子传感器已经有很多，但是由于其专业性强、成本高以及识别时间长，这些因素都制约了很多传感器分子的大规模推广使用。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种银离子传感器分子——2-苯基-1H-咪唑[4,5-b]吩嗪；

本发明的另一目的是提供上述银离子传感器分子的合成方法；

本发明还有一个目的，就是提供上述传感器分子在水溶液中比色荧光识别银离子的应用。

一、银离子传感器的结构及合成

本发明的银离子传感器分子的化学名称为2-苯基-1H-咪唑[4,5-b]吩嗪，标记为ZH，其结构式如下：

银离子传感器分子的合成，是以DMF为溶剂，冰醋酸为催化剂，2,3-二氨基吩嗪与苯甲醛以1:1~1:1.5摩尔比，于80~85℃回流反应7~8h；反应结束后抽滤；所得固体用热的乙醇洗涤，真空干燥，然后用DMF-H₂O重结晶，得到黄色固体，即为传感器分子ZH。

催化剂冰醋酸的用量为苯甲醛摩尔量的0.4~0.6倍。

二、银离子传感器的阳离子识别实验

1、银离子传感器对阳离子的荧光识别性能

分别移取0.5 mL传感器分子ZH的DMSO溶液(2×10^-4 mol·L^-1)于一系列10mL比色管中，分别加入Fe³⁺，Hg²⁺，Ag⁺，Ca²⁺，Cu²⁺，Co²⁺，Ni²⁺，Cd²⁺，Pb²⁺，Zn²⁺，Cr³⁺，Mg²⁺的高氯酸盐的DMSO溶液(4×10^-3mol·L^-1) 0.25 mL。再依次加入2.5ml pH=7.2 缓冲溶液（用4-羟乙基哌嗪乙磺酸和四丁基氢氧化铵调节配置成的pH=7.2的水），最后用DMSO定容到5mL，此时受体浓度为2×10^-5mol·L^-1，体系中水的体积百分数50%，阳离子浓度为受体浓度的10倍，观察各个受体对阳离子的响应。

结果发现，当在ZH的DMSO(含水50%)溶液中分别加入上述阳离子溶液时，只有Ag⁺的加入使溶液的颜色立即退去，且其强黄色荧光完全猝灭。在其相应的紫外光谱中，Ag⁺的加入使ZH溶液在403nm处的吸收峰发生下降（图1）。在其相应的荧光发射谱中，Ag⁺的加入使ZH溶液在548nm处的发射峰消失（图2）。而其余阳离子的加入对LT溶液的荧光光谱无明显影响。说明传感器分子在水溶液中能专一选择性荧光识别Ag⁺。

2、ZH对Ag⁺的滴定实验

将ZH用DMSO配成2×10^-4mol∕L的主体溶液，取0.5mL的ZH的DMSO溶液（2.0×10^-4mol/L）于10mL比色管中，加入2.5mL的缓冲溶液（用4-羟乙基哌嗪乙磺酸和四丁基氢氧化铵调节配置成的pH=7.2的水），用DMSO定容到5mL，此时受体浓度为2×10^-5mol·L^-1，摇匀静置。移取2.5mL的ZH的溶液（2.0×10^-5mol/L）于石英池中，用累积加样法逐渐加入Ag⁺的高氯酸盐的DMSO溶液，于室温测其紫外荧光光谱（图3-6）。在紫外吸收光谱中随着银离子的逐渐滴入，403 nm处的吸收峰逐渐减弱。在荧光光谱中随着银离子的逐渐滴入，548nm处的发射峰逐渐消失，说明传感器ZH可以在DMSO（含水50%）溶液中灵敏快速专一的检测Ag⁺。ZH对Ag⁺的荧光光谱检测限为2.92×10^-7 M，紫外光谱检测限为7.73×10^-8 M，并且过程具有很高的灵敏度。

3、抗干扰性能检测

为了测定受体ZH对Ag⁺的检测效果，我们又进行了如下测试：取两组10ml比色管分别加入0.5mL上述ZH的DMSO溶液(2×10^-4 mol·L^-1)，再分别加入0.25mLFe³⁺，Hg²⁺，Ag⁺，Ca²⁺，Cu²⁺，Co²⁺，Ni²⁺，Cd²⁺，Pb²⁺，Zn²⁺，Cr³⁺，Mg²⁺的高氯酸盐的DMSO溶液(4×10^-3mol·L^-1)，再依次加入2.5mLpH=7.2 缓冲溶液（用4-羟乙基哌嗪乙磺酸和四丁基氢氧化铵调节配置成的pH=7.2的水），最后用DMSO定容到5mL。另外一组中再分别加0.25mLAg⁺的高氯酸盐的DMSO溶液，在每一个比色管中分别加入0.25mL其它十一种阳离子（Fe³⁺，Hg²⁺, Ca²⁺，Cu²⁺，Co²⁺，Ni²⁺，Cd²⁺，Pb²⁺，Zn²⁺，Cr³⁺，Mg²⁺）的高氯酸盐的DMSO溶液，再依次加入2.5mLpH=7.2 缓冲溶液（用4-羟乙基哌嗪乙磺酸和四丁基氢氧化铵调节配置成的pH=7.2的水），最后用DMSO定容到5mL。混合均匀后进行观察。

图7、8分别为ZH对银离子识别的紫外抗干扰性能和荧光抗干扰性能。结果发现，加入十二种阳离子后，ZH溶液在403nm处的紫外吸收峰下降，荧光发射峰猝灭。这与Ag⁺对ZH的影响是一致的（图1、2）。从而说明该类受体检测Ag⁺基本不受其它阳离子的干扰。

4、传感器ZH识别Ag⁺的响应时间

常见的传感器分子比色或荧光识别Ag⁺的识别过程需要较长的反应时间，这种因素往往制了很多传感器分子的推广使用。因此，我们探究了传感器LT对Ag⁺响应的时间。当加入银离子后，溶液颜色立即褪去，并且荧光完全猝灭，可以看出，传感器分子ZH对银离子的响应在片刻间即可发生（< 3s）。因此该传感器分子ZH具有较快的检测速度。

5、传感器ZH识别Ag⁺的循环可逆性

近几年，受体分子的可循环性成为阳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Ag⁺ 识别的可循环性。众所周知，碘离子与银离子有很强的缔合能力，是一种很好的Ag⁺离子沉淀剂，因此我们选择碘离子作为Ag⁺的络合剂。实验现象表明：当在ZH- Ag⁺络合体系中加入适量的I^-离子，I^-离子能够迅速将Ag⁺从主体分子上解络合下来，形成AgI沉淀，溶液在紫外灯下的颜色恢复，与主体相当。相应的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Ag⁺离子时，该体系的荧光猝灭，并且基本与受体分子的峰高一致，如此反复循环使用可以达到四次以上（图9）。因此，该传感器分子ZH是一种可循环使用的Ag⁺荧光传感器。

6、传感器ZH对Ag⁺识别机理

针对传感器分子ZH对Ag⁺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：13.45ppm 处-NH的信号峰随银离子的加入随即消失，并且吩嗪环上的氢质子信号峰也逐渐减弱。高分辨质谱对主体与离子的配合物数据表明：699.02处的出峰与两分子受体的氨基脱去两个氢原子然后和银离子配位后的分子量一致。因此，我们对传感器LT对Ag⁺识别机理探讨如下：在pH=7.2的溶液中，两个受体分子的咪唑环中-NH-键发生脱质子作用，银离子的加入破坏了分子间氢键后，银离子与两分子受体分子的咪唑环中的-N-以及吩嗪环的氮原子配位，破坏了传感器分子的π-π堆积，与Ag⁺结合形成[2ZH + Ag⁺ – 2H⁺]的金属配合物（图10）。

三、基于ZH的Ag⁺离子检测试纸

Ag⁺离子试纸的制作：将ZH配制成2×10^-4 mol·L⁻¹的水溶液；将处理过的滤纸剪成圆形模板。将滤纸分别浸润在上述溶液中10分钟，使ZH充分吸附于滤纸上然后取出晾干。该滤纸在荧光灯照射下呈黄色荧光。

当在滤纸上滴加Ag⁺时，滤纸原来的黄色荧光消失了，而其它阳离子的滴加对滤纸的荧光没有影响。这种鲜明的荧光颜色对比说明了ZH对Ag⁺有着高度的荧光识别能力。

综上所述，本文设计合成了2-苯基-1H-咪唑[4,5-b]吩嗪(ZH)，该传感器分子首先以分子间氢键形成二聚体，然后吩嗪环之间通过π-π堆积作用形成超分子自组装体系，从而致使主体分子的溶液发出了强的荧光；而咪唑与吩嗪环是作为一个识别功能位点，在该分子在含水介质中达到高选择性识别银离子，而且识别过程不受其它阳离子的干扰。此外，当在室温下加入银离子后，该溶液的荧光强度会快速减弱（＜3秒），能够达到很好的裸眼识别效果，利用该传感器分子制作的Ag⁺响应试纸也能够方便快捷的检测环境体系中的银离子。

附图说明

图1为ZH (c=2.0 × 10⁻⁵mol/L) 的水溶液中，加入银离子的紫外吸收光谱图。

图2为ZH以及其加入10倍的阳离子时的荧光光谱（激发波长：415nm，发射波长548nm）。

图3为不同浓度的Ag⁺ (0-16倍) 存在下受体ZH的紫外光谱。

图4为不同浓度的Ag⁺(0-16倍) 存在下受体ZH的散点图。

图5为不同浓度的Ag⁺ (0-14.2倍) 存在下受体ZH的荧光光谱。

图6为不同浓度的Ag⁺(0-14.2倍) 存在下受体ZH的散点图。

图7为ZH对银离子识别的紫外抗干扰性能。

图8为ZH对银离子识别的荧光抗干扰性能。

图9为ZH对银离子识别的荧光可逆性。

图10为ZH对银离子识别机理图。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明银离子传感器的合成、表征及在检测水溶液中阴离子的应用作进一步说明。

仪器与试剂

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。

所用阳离子均为高氯酸盐，溶剂为（DMSO/H₂O(1:1, v/v)HEPES缓冲溶液(pH=7.2) (分析纯)。其它试剂均为市售分析纯。

一、银离子荧光传感器的合成

将2 mmol 2,3-二氨基吩嗪和0.75ml 苯甲醛加入100 mL圆底烧瓶中，加入20 mL DMF，加入0.3~0.5ml冰醋酸，在油浴上80℃~85℃加热回流反应7~8h，待反应停止后，抽虑；将所得固体用热的乙醇洗涤3~5次，在真空干燥箱中烘干后，用DMF-H₂O重结晶，得到棕色固体。其合成式如下：

ZH: 产率：80%; m.p. >300℃;¹H NMR (DMSO-d_6, 600MHz) δ 13.45 (s 1H), 8.52 (s 1H), 8.38-8.37 (d 2H),8.26-8.23 (d 3H),7.89-7.88 (d 2H),7.67-7.66 (d 3H).¹³C NMR (DMSO-d_6, 150MHz) δ 159.90, 149.25, 142.25, 142.08, 140.88, 140.86, 140.62, 140.23, 132.22, 130.16, 129.87, 129.86, 129.60, 129.43, 129.23, 128.18, 115.23, 109.87, 106.29; IR (KBr cm^-1) v: 3115 (NH), 1693 (C=N); ESI-MS m/z (M+H)⁺Calcd for C₁₉H₁₂N₄ 297.1135; Found 297.114。

二、银离子的检测

1、荧光检测

在传感器分子ZH的DMSO-H₂O （H₂O的体积百分数为45~50%）溶液中，分别加入Fe³⁺，Hg²⁺，Ag⁺，Ca²⁺，Cu²⁺，Co²⁺，Ni²⁺，Cd²⁺，Pb²⁺，Zn²⁺，Cr³⁺，Mg²⁺的高氯酸盐的DMSO溶液，若传感器分子溶液的强黄色荧光完全淬灭，则说明加入的是Ag⁺，若传感器分子的溶液的荧光没有发生变化，则说明加入的不是Ag⁺。

2、裸眼检测

在传感器分子ZH的DMSO-H₂O（H₂O的体积百分数为45~50%）溶液中，分别加入Fe³⁺，Hg²⁺，Ag⁺，Ca²⁺，Cu²⁺，Co²⁺，Ni²⁺，Cd²⁺，Pb²⁺，Zn²⁺，Cr³⁺，Mg²⁺的高氯酸盐的DMSO溶液；若传感器分子溶液由原来的黄色变为淡粉色，则说明加入的是Ag⁺，若传感器分子溶液的颜色没有发生变化，则说明加入的不是Ag⁺。

3、试纸检测

银离子检测试纸的制作：将ZH配制成2×10^-4 mol·L⁻¹的水溶液；将处理过的滤纸剪成圆形模板。将滤纸分别浸润在上述溶液中10分钟，使ZH充分吸附于滤纸上然后取出晾干。该滤纸在荧光灯照射下呈黄色荧光。

银离子检测：在试纸上滴加Fe³⁺，Hg²⁺，Ag⁺，Ca²⁺，Cu²⁺，Co²⁺，Ni²⁺，Cd²⁺，Pb²⁺，Zn²⁺，Cr³⁺，Mg²⁺的高氯酸盐的DMSO溶液，若试纸原来的黄色荧光消失且颜色褪去，说明滴加的是银离子；若检测试纸的荧光和颜色无发生变化，说明滴加的不是银离子。