一种比色法检测水中Cu2+和Ni2+探针的合成与应用的制作方法

本发明属于分析化学技术领域，具体涉及一种比色法检测水中cu²⁺和ni²⁺探针的合成，以及该探针在不同水样中检测cu²⁺和ni²⁺含量等方面的应用。

背景技术：

铜作为人体中第三种必需的微量金属元素，在一些生理过程中，如细胞能量的产生，氧转运和激活以及信号传导等方面起着重要作用（chemicalreviews,2008,108,1517-1549），然而，近年来由于一些含重金属铜及其化合物的污染物的不达标排放，造成严重的水污染，极易造成生活环境、饮用水、粮食中铜离子（cu²⁺）含量过高，过量摄入铜离子会损害人体健康，导致严重的神经疾病如威尔逊氏病和阿尔茨海默病（annualreviewofneuroscience,2007,30,317-337）。根据美国国家环境保护局（epa）的标准，饮用水中cu²⁺最高浓度为20μm。另一方面，镍（ni）被广泛应用于各种工业生产中，例如电镀，镍镉电池，油漆颜料，陶瓷，氢化反应催化剂等。此外，镍离子（ni²⁺）是微生物、植物的酶催化能量和氮代谢必不可少的辅助因子。然而，镍离子的生物累积会导致皮肤过敏、肺纤维化和鼻窦癌等疾病（natureimmunology,2010,11,781-782）。铜和镍这两种人体所需的微量金属元素均可通过鱼类，谷类等食物最终富集于人体内，摄入超标会严重危害人民的健康。因此，对于环境水样中的cu²⁺和ni²⁺含量监测具有重要意义。

常规检测金属离子的分析方法包括原子吸收/发射光谱法、电化学方法和色谱法等直接检测法，此外还有利用铜离子和指示剂（分子探针）之间的特异性化学反应后的信号变化对特定金属离子进行分析检测的间接检测法，即化学传感法。化学传感法因具有速度快，操作简单，成本低，可视化等优点而得到了广泛的研究（cn105949160a）。近年来，基于化学传感方法已报道相当多的文献或专利用于高选择性检测cu²⁺或者ni²⁺（biosensorsandbioelectronics,2016,77,13–18;dyesandpigments,2017,139,50–64;cn104771607a;cn104830315a等）。但在这些已报到的文献或专利中，大多数只能利用荧光法或比色法检测cu²⁺和ni²⁺中的一种，能在纯水相环境中检测cu²⁺或ni²⁺的报道则更少（daltontranscations,2015,44,17326-17334）。基于同一分子探针高灵敏度、可视化比色检测环境（不同水样）中cu²⁺和ni²⁺的文献或专利鲜有报道。因此，开发可视化、高灵敏度、高选择性化学传感技术来监测环境水样中cu²⁺和ni²⁺浓度在环境保护和实际水样实时监测中具有重要意义。

技术实现要素：

鉴于上述情况，克服一些现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种比色法检测水中cu²⁺和ni²⁺两种金属离子的分子探针，能够高灵敏度、高选择性比色检测水样中的cu²⁺和ni²⁺，并通过标准曲线准确测定它们的实际浓度达到定量的目的。

本发明的目的还在于提供一种制备方法简单、高灵敏度、检测限低和成本较低的上述分子探针的合成与应用方法。

本发明解决问题采取的具体技术方案为，一种比色法检测水中cu²⁺和ni²⁺探针的合成与应用，其探针的化学结构式如下：

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一种比色法检测水中cu²⁺和ni²⁺探针的合成，其特征在于，所述的分子探针的制备方法包括以下步骤：

步骤1.合成7-（二乙基氨基）香豆素

a.将丙二酸二乙酯与4-（二乙氨基）水杨醛加入适量无水乙醇中，加入几滴哌啶回流反应18-24小时，待反应完毕后，通过旋转蒸发仪蒸去乙醇；

b.往步骤a中加入适量等体积的浓盐酸和冰醋酸，继续回流反应18-24小时；

c.将步骤b中反应液倒入冰水中，调节ph至6，过滤，滤饼水洗3次，真空干燥得黄绿色固体7-（二乙基氨基）香豆素；

步骤2.合成7-(二乙氨基基)香豆素-3-甲醛

．氮气保护条件下，将适量干燥重蒸的n,n-二甲基甲酰胺（dmf）滴加入等体积的三氯氧磷（pocl3）中，在20-50℃下搅拌30分钟，得红色溶液；

．将7-（二乙基氨基）香豆素溶于适量dmf中，逐滴加入到步骤的混合溶液中，混合物继续在氮气保护下60℃搅拌反应12-20小时；

．将步骤中的反应液倒入冰水中，用20%的naoh溶液调节ph至5~6，产生大量沉淀，过滤，适量去离子水洗涤滤饼3次，所得固体真空干燥，得7-(二乙氨基基)香豆素-3-甲醛；

步骤3.分子探针7-（二乙基氨基）-3-（（e）-（（（e）-5-硝基吡啶-2（1h）亚基）亚肼基）甲基）-2h-色烯-2-酮的合成

a.将7-(二乙氨基基)香豆素-3-甲醛和2-肼基-5-硝基吡啶加入适量无水乙醇中，回流反应4-6小时；

b.将步骤a中反应液过滤，滤饼用乙醇洗涤3次，所得固体真空干燥得目标分子探针。

本发明的分子探针检测水中cu²⁺和ni²⁺使用方法：在室温下将探针分子溶解在二甲基亚砜（dmso）中，然后加入含检测物的水溶液即可，检测速度快，颜色变化明显，结合紫外可见分光光度计可以选择性高灵敏度检测水样中的cu²⁺和ni²⁺含量。

本发明的一种比色法检测水中cu²⁺和ni²⁺探针的具体特征如下：该分子荧光探针用二甲基亚砜(dmso)溶解，探针在纯水溶液中最大紫外吸收波长为469nm，且吸光度很小，溶液颜色为淡黄色，当加入2倍当量cu²⁺后，探针溶液迅速变为鲜红色，紫外吸收红移至538nm，紫外吸收增强12倍以上；而当加入2倍当量ni²⁺后，探针溶液迅速变为紫色，紫外吸收红移至494nm，紫外吸收增强约6倍。上述分子探针实现了在水溶液中同时检测cu²⁺和ni²⁺，对ag⁺,bi³⁺,zr⁴⁺,fe²⁺,cd²⁺,pb²⁺,fe³⁺,ba²⁺,mg²⁺,mn²⁺,zn²⁺,hg²⁺,ca²⁺,cr³⁺,ru³⁺,hg⁺,ti³⁺,al³⁺等金属离子均无明显响应。该分子探针对cu²⁺和ni²⁺检测限分别低至2.1nm和1.2nm，对于自来水与饮用水等不同水样中的cu²⁺和ni²⁺检测均有较理想的结果。

附图说明

图1为本发明的一种比色法检测水中cu²⁺和ni²⁺探针的紫外吸收光谱随加入不同浓度的cu²⁺的变化情况，横坐标为波长，纵坐标为吸光度。

图2为本发明的一种比色法检测水中cu²⁺和ni²⁺探针的紫外吸收光谱随加入不同浓度的ni²⁺的变化情况，横坐标为波长，纵坐标为吸光度。

图3为本发明的一种比色法检测水中cu²⁺和ni²⁺探针的核磁共振氢谱图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的说明。

本发明所述的荧光分子探针的合成路线如下式所示：

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实施例1.合成7-（二乙基氨基）香豆素

a.将24.87g（155.2mmol）丙二酸二乙酯与15g（77.6mmol）4-（二乙氨基）水杨醛加入100ml无水乙醇中，加入5滴哌啶回流反应18小时，待反应完毕后，蒸去乙醇；再往除去乙醇的反应体系中加入100ml浓盐酸和100ml冰醋酸，继续回流反应18小时；将上述反应液倒入300ml冰水中，调节ph至6，过滤，滤饼水洗3次，真空干燥得黄绿色固体7-（二乙基氨基）香豆素10.4g（产率61.7%）。

实施例2.合成7-(二乙氨基基)香豆素-3-甲醛

在氮气保护条件下，将2.8ml干燥重蒸的dmf缓慢滴加到2.8ml三氯氧磷中，在20-50℃下搅拌30分钟，得红色溶液；将0.5g（2.3mmol）7-（二乙基氨基）香豆素溶于5mldmf中，逐滴加入到上述红色混合溶液中，混合物继续在氮气保护下60℃搅拌反应12小时；反应完毕后将反应液倒入60ml冰水中，用20%的naoh溶液调节ph至6，产生大量沉淀，过滤，适量去离子水洗涤滤饼3次，固体真空干燥，得7-(二乙氨基基)香豆素-3-甲醛310mg（产率54.9%）。

实施例3.分子探针7-（二乙基氨基）-3-（（e）-（（（e）-5-硝基吡啶-2（1h）亚基）亚肼基）甲基）-2h-色烯-2-酮的合成

往25ml圆底烧瓶中加入0.2g（0.815mmol）7-(二乙氨基基)香豆素-3-甲醛和126mg（0.815mmol）2-肼基-5-硝基吡啶，10ml无水乙醇，回流反应4-6小时；反应完毕后过滤，滤饼用乙醇洗涤3次，真空干燥得目标分子探针156mg（产率50.1%）。

实施例4.分子探针在水样中检测cu²⁺和ni²⁺的应用

本发明所述的分子探针光谱性质实验：将探针溶解在二甲基亚砜（dmso）中配置成1mm的探针溶液，分别配置1mm的cuso4和niso4水溶液（其他水溶性铜盐和镍盐均可，如ni(no3)2、cucl2、cu(no3)2等），10mm的agno3,bi2(so4)3,zr(no3)4,feso4,cdso4，pb(no3)2,fecl3,bacl2,mgso4,mnso4,znso4,al2(so4)3,hgcl2,cacl2,cr(no3)3,rucl3,hgcl和ticl3水溶液，检测cu²⁺和ni²⁺的测试均在纯水相室温条件下测试。具体测试方式为：取20μl1mm的探针溶液，所需量的1mm的cu²⁺或ni²⁺水溶液和所需量的去离子水溶液于2ml的样品管中，每一个测试样品总体积为2ml，探针终浓度为10μm。例如当要求测试cu²⁺浓度为10μm时探针与cu²⁺反应后的吸光度，配制样品情况为20μl1mm的探针溶液，20μl1mm的cuso4水溶液和1960μl的去离子水于2ml的样品管中，检测液颜色迅速变为鲜红色，摇匀后即可测试吸光度。从图1-图3可以看出，探针对水样中的cu²⁺和ni²⁺具有极高的灵敏度和选择性，对不同水样中的cu²⁺和ni²⁺都有很好的响应。本发明提供的探针分子能将不同水样中的cu²⁺和ni²⁺区别检测出来，在环境科学、分析检测等领域具有较高的应用价值。

本发明的一种比色法检测水中cu²⁺和ni²⁺探针的合成与应用，基于同一探针，针对不同的检测对象，利用不同的检测现象和紫外吸收信号，高灵敏度高选择性快速检测水样中cu²⁺和ni²⁺含量，在环境科学、分析检测等领域都具较高的实用价值。同时为今后金属离子探针的发展与应用提供了一些思路。尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细的介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，具有本文所述技术特征的一种比色法检测水中cu²⁺和ni²⁺探针的合成与应用，均落入本专利的保护范围。