本发明属于超分子化学传感器领域，特别涉及一种杯[4]硫脲香豆素化学传感器及其制备方法和用途。
背景技术：
氟离子在人体生命和食品健康中扮演着重要的角色，可以作为食品添加剂，为人体必需元素，在骨骼生长和牙齿健康中起着重要的作用，但是人体摄入过量的氟离子会引起骨质疏松症、骨肉瘤等疾病。氟化物容易被人体吸收，但很难通过人体代谢，人体过多接触氟化物会引起胃癌和一些肾脏疾病。在一些欠发达国家，饮用水中含有超标的氟化物，则导致人体氟化物中毒，引起一系列的骨骼方面的疾病。因此检测人体和环境中的氟离子具有重要的意义，合成识别f-的受体分子具有很好的潜在应用价值。
很多常用的分析方法，如紫外可见光谱(uv-vis)、循环伏安法(cv)、核磁共振(nmr)以及电子顺磁共振(epr)等均不适用于f-的测定。使用荧光光谱法检测f-不仅操作简便，而且选择性、灵敏度、实时原位检测方面均有突出优点，且不会破坏样品。因此，利用荧光探针简便的定量检测环境中的f-，对进一步了解f-在生物体系内的作用具有重要意义。
技术实现要素：
本发明的目的之一在于克服现有检测f-的分析方法上的不足，提供一种合成简单，选择性好，能快速检测f-的杯[4]硫脲香豆素化学传感器。
本发明的目的之二在于提供一种检测f-的杯[4]硫脲香豆素化学传感器的制备方法。
本发明的目的之三在于将制得的杯[4]硫脲香豆素化学传感器用于检测f-。
本发明提供的检测f-的杯[4]硫脲香豆素化学传感器的分子结构式如下所示：
本发明提供的杯[4]硫脲香豆素化学传感器的制备方法，其合成路线如下：
杯[4]硫脲香豆素化学传感器的具体制备方法，按照下述步骤进行：
(1)将杯[4]芳烃通过傅克逆反应脱去上沿的叔丁基，把下沿的酚羟基通过正丁基溴进行全醚化，这样就得到裸露上沿杯[4]芳烃。
其中，杯[4]芳烃是以对叔丁基苯酚和甲醛为原料，在碱性条件下加热回流缩合得到的。
(2)将步骤(1)中的裸露上沿杯[4]芳烃溶于二氯甲烷中，通过与硝酸和醋酸对上沿进行硝化修饰，将硝化产物通过水合肼和raney-li还原为氨基，过滤除去还原剂，用二氯甲烷洗涤，旋蒸即可得到还原产物5,17-二氨基-25,26,27,28-四正丁基杯[4]芳烃。
其中，硝酸和醋酸体积比为1:2。
硝化产物的质量(g)与水合肼和raney-li的体积(ml)比为1:3:3,其中，水合肼和raney-li为还原剂。
(3)将7-氨基-4-三氟甲基香豆素溶于二氯甲烷中，然后和硫光气在室温下反应，通过真空泵将残余的硫光气抽出反应体系，可以高收率得到7-异硫氰基-4-三氟甲基香豆素；由于硫光气具有很高的活性和易挥发性，所以该反应转化率很高，且其后处理简单。
其中，7-氨基-4-三氟甲基香豆素和硫光气的摩尔比为1:3。
(4)将步骤(2)得到的5,17-二氨基-25,26,27,28-四正丁基杯[4]芳烃溶于二氯甲烷中，然后加入步骤(3)得到的7-异硫氰基-4-三氟甲基香豆素，在室温下反应得到杯[4]硫脲香豆素化学传感器，反应条件比较温和，收率较高。
该反应以二氯甲烷做溶剂并且在室温下反应，反应条件温和，由于异硫氰基具有较高的活性很容易与氨基反应，收率较高。
其中，步骤(4)中5,17-二氨基-25,26,27,28-四正丁基杯[4]芳烃和7-异硫氰基-4-三氟甲基香豆素的摩尔比为1:2-3，优选为1:2.2。
基于杯[4]硫脲香豆素化学传感器的应用，本发明制得的化学传感器以高选择性和高灵敏度对f-具有荧光和比色双响应，可用于识别溶液中的氟离子。
本发明推断f-在较低浓度时与探针分子通过氢键相互作用，两个硫脲基团可以同时与f-通过n-h结合成为更加稳定的四重氢键配合物。当f-浓度较高时，由于f-具有较强的电负性，导致f-可以脱去硫脲基团中的质子，从而达到去质子化，同时伴随产生hf2-，氮原子上的电子云密度增加，从而导致电子转移效应增强，符合pet发光机理，从而导致主体分子荧光被淬灭。
本发明制得的化学传感器具有较低的检测限和较高的络合常数，可用于环境中f-的分析检测，其特点在于使用方便、成本低、不需预处理。
本发明的化学传感器可用于检测自然环境中的f-。模拟自然环境检测f-的方法为：取数个10ml容量瓶，配制荧光探针的二甲基亚砜(dmso)溶液，浓度为2×10-5mol/l，依次在各个容量瓶中加入不同浓度的f-后用dmso定容到10ml，摇匀，室温下放置30min后，用荧光分光光度计，以387nm为激发波长，狭缝5/5nm，481nm为发射波长测试荧光强度，测试得到相对应的荧光强度。
本发明的有益效果是：
(1)本发明的荧光探针合成过程较为简单，反应条件容易控制，通过简单的后处理就能够得到纯的产物。此外，制备的荧光探针具有优良的光学性能和光学稳定性。
(2)本发明的荧光探针在对氟离子识别过程中，荧光发生显著的淬灭现象，溶液颜色也发生变化，具有比色识别功能，有利于对氟离子进行检测。
(3)本发明的荧光探针对氟离子的识别具有良好的选择性和抗干扰性。
附图说明
图1为本发明实施例1中荧光探针分子对f-的选择性识别图；其中，横坐标为波长(nm)，纵坐标为荧光强度。
图2为本发明实施例1中荧光探针分子对不同阴离子的抗干扰性图；其中，横坐标为不同离子添加情况，纵坐标为荧光强度。
图3为本发明实施例1中荧光探针分子荧光强度与时间变化关系图；其中，横坐标为时间，纵坐标为荧光强度。
图4为本发明实施例1中荧光探针分子荧光强度与探针自身浓度的线性关系图；其中，横坐标为浓度，纵坐标为荧光强度。
图5为本发明实施例1中荧光探针分子与f-的荧光和紫外滴定图，其中，图5-a横坐标为波长，纵坐标为荧光强度，图5-b横坐标为波长，纵坐标为紫外吸光度。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明进行详细描述，但本发明不局限于这些实施例。
实施例1
化学传感器l的合成：
(1)在250ml的三口烧瓶中依次加入杯[4]芳烃四正丁醚粉末(25.0g,38.0mmol)，二氯甲烷(600ml)，冰醋酸(120ml)，用恒压滴液漏斗缓慢滴加65％硝酸(50ml)和冰醋酸(100ml)的混合溶液，体系颜色由酒红色逐渐变为黑色，室温下搅拌1h，加水(600ml)淬灭反应，搅拌，充分混合震荡后分液，水层用二氯甲烷(3×50ml)萃取，合并有机相，再依次用水(2×200ml)，饱和食盐水(2×200ml)洗涤，无水硫酸钠干燥。蒸发浓缩后，得粘稠状固体，加入少量二氯甲烷加热溶解，在不断搅拌下冲入甲醇溶液，析出白色固体，抽滤，干燥后得目标产物，产率29％。
1hnmr(300mhz,dmso):δ＝7.91(d,j＝9.0hz,2h,arh),7.83(d,j＝7.5hz,2h,arh),7.76(t,j＝7.5hz,2h,arh),7.66(t,j＝7.5hz,2h,arh),5.94(s,2h,ch),4.48(d,j＝10.6hz,2h,ch2),3.94(d,j＝11.3hz,2h,ch2),3.83(d,j＝11.7hz,2h,ch2),3.68(d,j＝11.6hz,2h,ch2).
(2)在250ml的两口烧瓶中，加入步骤(1)的白色固体(1.00g,1.40mmol)，然后加入20ml甲醇作为溶剂，在油浴中加热至甲醇回流，然后向反应体系滴加3ml水合肼和3ml的raney-ni,在氮气保护下进行反应，加热到80℃反应5h后，停止加热，冷却，用硅藻土抽滤，用蒸馏水洗涤滤液至中性，得油相，蒸发出二氯甲烷和甲醇得灰色固体，产率98％。
1hnmr(300mhz,cdcl3):δ＝0.95-1.00(m,12h,ch3),1.35-1.50(m,8h,ch2),1.80-1.91(m,8h,ch2),3.03(d,j＝13.2hz,6h,arch2ar+nh2),3.77(t,j＝7.2hz,4h,aroch2),3.88(t,j＝7.5hz,4h,aroch2),4.38(d,j＝13.2hz,4h,arch2ar),5.92(s,4h,arh),6.60-6.74(m,6h,arh).
(3)在150ml单口烧瓶中，加入7-氨基-4-三氟甲基香豆素(1.40g,6.11mmol),加入约20ml二氯甲烷作为溶剂，用恒压滴液漏斗向反应体系缓慢滴加硫光气(2.10g,18.26mmol)。反应2h后停止反应，然后用隔膜泵对反应体系进行抽真空，去除多余的硫光气，粗产品经柱层析分离提纯(乙酸乙酯:石油醚＝1:20)得灰褐色固体，产率82％。
1hnmr(300mhz,dmso-d6):δ＝7.12(s,1h,c-ch-c＝o),7.50(dd,1h,j1＝2.1hz,j2＝8.7hz,arh),7.71(d,1h,j＝0.6hz,arh),7.73-7.76(m,1h,arh).13cnmr(75mhz,dmso-d6):113.00,115.13,118.29,123.65,126.56,134.37,136.87,138.59,139.03,154.83,158.45ppm.
(4)在100ml单口烧瓶中，加入步骤(2)的白色固体(0.80g,1.18mmol)，二氯甲烷(15ml)，最后加入步骤(3)的灰褐色固体(0.68g，2.50mmol)，室温下反应50min，通过旋转蒸发仪去除溶剂，粗产品经柱层析分离提纯(乙酸乙酯:石油醚＝1:40)得淡黄色固体目标产物，产率82％。
1hnmr(300mhz,dmso-d6):δ＝0.95-1.01(m,12h,ch3),1.41-1.49(m,8h,ch2),1.84-1.91(m,8h,ch2),3.17(d,4h,j＝13.2hz,arch2ar),3.82(t,8h,j＝13.2hz,aroch2),4.33(d,4h,j＝12.9hz,arch2ar),6.54(t,2h,j＝13.2hz,arh),6.65(d,4h,j＝7.5hz,arh),6.83(s,4h,arh),6.87(s,2h,c-ch-c＝o),7.38(dd,2h,j1＝2.1hz,j2＝8.7hz,arh),7.53(d,2h,j＝7.5hz,arh),7.94(d,2h,j＝1.8hz,arh),9.70(s,2h,nh),10.01(s,2h,nh).13cnmr(75mhz,dmso-d6):14.36,19.36,30.67,32.29,74.96,108.44,118.76,122.51,123.84,125.08,128.50,132.84,134.70,135.20,139.45,144.71,154.07,154.57,156.82,159.04,164.61,178.55ppm.esi-ms:m/z＝1221.4([m+h]+).
实施例2
参照实施例1的方法，步骤(1)硝酸和醋酸体积比1:1参与反应，产物的收率为25％。
实施例3
参照实施例1的方法，步骤(1)硝酸和醋酸体积比1:3参与反应，产物的收率为22％。
实施例4
参照实施例1的方法，步骤(1)硝酸和醋酸体积比3:1参与反应，产物的收率为16％。
实施例5
实施例1获得的荧光探针对f-荧光检测的选择性。
用dmso配制浓度为2.0×10-4mol/l的荧光探针分子母液，取1ml荧光探针分子于10ml容量瓶中，用dmso稀释至5.0×10-5mol/l，待用。用dmso配制浓度为0.1mol/l的f-,cl-,br-,i-,ch3coo-，hso4-和h2po4-离子溶液，用微量进样器移取0.1ml至容量瓶中，阴离子浓度为探针浓度的100倍，以波长为387nm的激发光检测探针子对不同阴离子的响应，其测定结果如图1所示。
从图1的结果中可以发现，探针分子体系的荧光强度达到了250a.u.左右，当加入不同阴离子后，只有加入f-体系荧光强度降到了20a.u.以下，表现出显著的荧光淬灭现象，而cl-,br-,i-离子对体系荧光强度没影响，ch3coo-，hso4-，h2po4-对体系的荧光强度稍有影响。说明我们的主体分子对f-具有很强的选择性识别，具有很好的专一性，较高的灵敏度。通过在365nm紫外灯下观察，探针分子自身发出强烈的蓝光，而加入f-探针自身荧光被淬灭。该结果表明：该荧光探针对f-有较高的灵敏度。
实施例6
其他常见离子对实施例1获得的荧光探针检测f-的干扰实验。
离子抗干扰实验是对离子能够作为荧光探针的重要的性能指标，通过离子干扰实验可以研究探针对阴离子的选择性和灵敏度。
实验步骤：取8个10ml容量瓶分别标记1-8(1号为浓度为2.0×10-5mol/l主体分子溶液)。分别移取0.2ml浓度为0.1mol/l阴离子溶液(f-,cl-,br-,i-,ch3coo-,hso4-,h2po4-)到2至8号容量瓶中，然后移取0.2ml浓度为0.1mol/lf-溶液到3至8号容量瓶。用dmso溶剂定容，待平衡20min后在同等条件下进行荧光测试(ex＝387nm,扫描电压600v,温度298k)。
从图2的结果中可以发现，向体系中加入cl-,br-,i-,ch3coo-,hso4-,h2po4-后，在加入其它阴离子的时候，我们发现当加入cl-,br-,i-时，体系颜色没有变化，但当加入ch3coo-,hso4-,h2po4-时，体系颜色稍有褪色，我们推测cl-,br-,i-几乎没有干扰，ch3coo-,hso4-和h2po4-稍有干扰。我们发现加入其它离子对主体分子的荧光强度没有明显的变化，但向体系中加入f-时，体系的荧光强度急剧下降，减小程度很大。这样的离子共存实验表明，主体分子对f-具有较强的识别专一性，具有良好的选择性，几乎不受其它共存离子的影响。
实施例7
反应时间对实施例1获得的荧光探针检测f-的影响。
取一个10ml容量瓶，用1ml移液管移取1ml主体分子母液并用微量进样器移取0.2mlf-至容量瓶中，然后用dmso进行定容，并迅速进行荧光测试。从0.5min开始，并在1.5min、3min、4min、6min、7min、8min、10min、12min、15min时间在和上述相同条件下进行荧光测试，延长反应时间荧光淬灭程度基本趋于稳定状态，见图3。
实施例8
实施例1获得的探针的荧光强度与f-浓度的线性关系。
在自然环境下，取不同低浓度的f-，用荧光光谱仪，得到一条工作曲线，如图4，结果表明溶液的荧光强度在2.0×10-6mol/l到2.0×10-5mol/l的范围内呈线性关系，对f-的检测限为3.5×10-6mol/l。(r2＝0.99072)
实施例9
探针分子与f-的荧光紫外滴定
为了进一步研究主客体之间的络合性质，如图5-a所示，通过在dmso溶液中进行荧光滴定实验，当激发波长为387nm时，探针分子自身具有较强的荧光，通过在探针的dmso溶液中加入不同浓度的f-，随着f-的浓度不断增加，481nm处的荧光发射强度逐渐下降，从而探针分子对f-表现出on-off响应。
同样也研究了在探针的dmso溶液中加入不同当量的氟离子的紫外可见光吸收滴定实验，如图5-b所示，随着f-浓度逐渐增大，探针分子在366nm处的吸收强度逐渐减弱，伴随着在475nm红移出一个新的吸收峰，并且在400nm左右出现了一个新的等吸收点，说明在的滴定过程中出现了新的络合物，而且随着f-浓度逐渐增大，红移出的吸收峰强度逐渐增强，当f-浓度增加到探针分子的浓度的100倍时，紫外可见光光谱吸收强度趋于稳定。插图表示在自然光下，用肉眼就可以观察到f-的加入可以导致溶液由无色瞬间变成了橘黄色，具有裸眼识别的作用。