本发明涉及一种铜离子罗丹明类紫外探针及其制备方法与应用，属于探针技术领域。
背景技术
铜是人体不可缺少的元素之一，它主要存在于肝、脑、肾，对有机生物体的生理过程起着至关重要的作用。铜含量过高或者过低都会影响人的身体健康。缺铜会引起骨质疏松，但摄入量过多，轻者引起嗜睡和血压升高，重者则会引起神经变性类疾病，例如帕金森病，朊病毒和阿尔茨海默病等。总之，铜污染不仅会影响生态环境中动、植物和微生物的生长和土壤酶的活性，而且铜元素会以各种形式在体内富集，最终对人体生命健康造成不良后果。除此之外，铜元素在化学、环境、医学以及生命科学等领域中都具有重要意义和重大作用，因此，在生态环境和医学方面检测铜离子是非常重要的。
目前常见的检测铜离子的分析方法包括光学分析法、容量分析法、铜离子选择电极法、离子色谱法工等方法。在这些众多的检测方法中比色探针由于其特有的优点而成为研究人员关注的焦点。然而，目前报道的比色探针仍存在一些问题，包括合成复杂、选择性不够好、响应速度不够快等缺点，所以开发出新的比色探针成为了急需解决的新课题。
罗丹明染料被广泛用作荧光探针和传感器，在电磁波谱的可见光区具有高吸收系数、广泛的荧光，高的荧光量子产率和光稳定性，通过激活螺内酯或螺内酰胺部分中的羰基与金属离子络合。通常，罗丹明衍生物的螺内酰胺形成是非荧光的，而其开环的酰胺体系会产生粉红色的颜色变化和强烈的荧光发射。但由于铜离子的顺磁性会导致荧光猝灭现象，所以罗丹明染料常被用来作为铜离子的紫外比色探针。
中国专利201710849342.4“一种铜离子的比色检测探针”所述的吡啶甲酸酯化合物，通过紫外检测方法，用于检测水体中的cu2+，并取得了高的灵敏度和选择性。该方法不需要大型仪器，可实现原位快速检测，检测限低，可应用于更多条件和范围，并且操作简单造价低，所用试剂和操作过程无毒副作用。中国专利201610761092.4“一种银包金纳米棒比色探针可实现裸眼用于检测cu2+。该方法快速有效，而且简便，有良好的选择性、灵敏度和很强的抗干扰能力。
技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题是：提供一种罗丹明类紫外探针及其制备和应用，该探针对铜离子有很好的选择性，在污水处理应用中不仅方便而且具有较好的使用效果。
为了解决上述问题，本发明提供了一种铜离子罗丹明类紫外探针，其特征在于，结构式如式i所示：
本发明还提供了一种上述铜离子罗丹明类紫外探针的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1)：将罗丹明b溶于溶剂中，室温条件下搅拌并滴加入水合肼，回流反应，冷却至室温，旋转蒸发，得粗产物，提纯，得到罗丹明酰肼(rha)；其中罗丹明b与水合肼的摩尔比为1∶1～1∶3；
步骤2)：将罗丹明酰肼、4-溴-2-羟基苯甲醛溶于溶剂中，氮气保护下，回流12～15h，冷却，提纯，即得罗丹明类紫外探针rhbr。
优选地，所述步骤1)中提纯具体为：将盐酸加入粗产物中，溶解、搅拌，再加入naoh溶液，调节ph值为9～10，沉淀析出后过滤即可。
更优选地，所述盐酸与naoh的摩尔浓度均为0.8～1.0m。
优选地，所述步骤1)、步骤2)中的溶剂均采用无水乙醇。
优选地，所述步骤2)中提纯具体为：过滤固体，然后用乙醇进行冲洗3次，最后在乙醇中重结晶，过滤后干燥即可。
本发明还提供了一种上述铜离子罗丹明类紫外探针在检测铜离子中的应用。
优选地，将铜离子罗丹明类紫外探针配置成探针溶液，然后在待测铜离子溶液中加入探针溶液，利用溶剂定容，静置，通过紫外-可见吸收光谱法，检测561nm波长下的吸光度，根据相对紫外强度与铜离子浓度的关系，确定铜离子待测铜离子溶液中铜离子的含量。
优选地，所述探针溶液的质量浓度为0.8×10-5～1.2×10-5m；待测铜离子溶液的质量浓度为0.85×10-2～1.15×10-2m；探针溶液采用的溶剂为dmso；用于定容的溶剂采用体积比为1∶1的dmso/tris-hcl。
优选地，所述相对紫外强度与铜离子浓度关系为：y＝0.015+0.066x，其中y表示相对紫外强度，x为铜离子的浓度。
本发明提供的铜离子罗丹明类紫外探针对铜离子待测液的检测限为0.8～10μm。可利用本发明制成可检测铜离子的便携试纸。本发明中罗丹明类紫外探针为浅红色固体粉末，以便于使用贮藏，并且其通过水合肼为桥与4-溴-2-羟基苯甲醛反应所得，合成方法简单、收率高、成本低，应用前景良好。
本发明利用罗丹明b酰肼和4-溴-2-羟基苯甲醛作为探针，通过其紫外吸光度随着铜离子溶液浓度的增加而增加，当铜离子浓度达到一定值后吸光度保持不变的特性，对溶液中的铜离子进行高灵敏检测。本发明的紫外探针的罗丹明螺内酰胺开环和闭环结构的差异，其对铜离子具有识别作用。其机理在于：其机理在于：在cu2+识别过程中，cu2+与n、o原子通过1∶1络合比实现配位，络合常数为2×106～3×106m-1。通过紫外-可见光谱法，利用561nm波长下的吸光度来检测铅离子的含量。在浓度为0.8～10μm范围内呈现良好的线性范围，线性相关系数为0.994，其检测限0.17μm。
本发明中的探针由罗丹明b、水合肼、4-溴-2-羟基苯甲醛反应得到，该紫外探针含有n原子和o原子这二种配位原子，适应不同中心离子的配位性能。它的不同的给电子基团与酸碱的介质相应性存在差异，因而可调节反应介质酸碱性，获得实际参与原子种类和数目的不同，进而得到多种配位行为，极大丰富配位化学基础，均可作为电子的给予体提供电子对和多种金属离子配位生成金属鳌合物等特点来实现对重金属离子的配位识别。
本发明的罗丹明类紫外探针rhbr的合成方程为：
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
(1)本发明中的罗丹明类紫外探针对铜离子有很好的选择性，在污水处理应用中不仅方便而且具有较好的使用效果；同时，提供一种利用该探针制备的可检测铜离子的便携试纸(便携试纸是通过实验室普通过滤试纸制备：首先试纸浸泡在1×10-3rhbr溶液中，然后烘干作为便携试纸)；
(2)本发明中罗丹明类紫外探针为固体粉末，便于使用贮藏，并且其由罗丹明b、水合肼、4-溴-2-羟基苯甲醛直接反应所得，合成收率高、成本低，应用前景良好。
附图说明
图1为实施例3中紫外探针加入铜离子后的紫外光谱变化；其中，横坐标为紫外吸收波长(nm)，纵坐标为吸光度；
图2为实施例4中紫外探针rhbr紫外-可见吸收光谱与铜离子的浓度关系图；其中，横坐标为紫外吸收波长(nm)，纵坐标为吸光度，图中曲线分别代表加入不同浓度的铜离子吸光度变化曲线(铜离子浓度依次为0-5.0equiv.)；
图3为实施例5中探针相对紫外吸收强度a和铜浓度线性关系曲线(λex＝561nm)；其中，横坐标为铜离子浓度，纵坐标为吸光度；
图4为实施例6中共存金属离子对含铜离子的溶液的紫外-可见吸收光谱的影响。
具体实施方式
为使本发明更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下。
实施例1-6中的铜离子罗丹明类紫外探针的结构式为：
实施例1
一种铜离子罗丹明类紫外探针的制备方法：
步骤1：罗丹明酰肼的合成：取100ml三口烧瓶，称取1.200g(2.5mmol)罗丹明b溶于30ml无水乙醇中，室温下剧烈搅拌并缓慢向内滴加1ml(19.8mmol过量)98％水合肼。78℃加热回流2h至溶液由暗红色变为澄清黄色。反应完成后冷却至室温，利用旋转蒸发仪蒸除溶剂和过量水合肼，得淡黄色罗丹明b酰肼粗产物。取50ml新配制1mhcl加入粗产物中，产物溶解呈粉红色溶液状。搅拌下向溶液中缓慢加入1mnaoh，调节ph值至9-10之间。当naoh逐滴加入到混合液中时，溶液ph调节至6左右时开始有淡粉色絮状沉淀析出。过滤并重复3次用15ml去离子水洗涤沉淀得纯净的罗丹明b酰肼产品。放入50℃真空干燥箱内干燥至恒重，最终可得淡粉红色粉末状产物1。最高产率可达80％。ftir(kbr)：v＝3450cm-1(nh2)；1619cm-1(n-c＝o)；1225cm-1，1270cm-1(c6h6-o)；825cm-1，786cm-1，762cm-1，703cm-1(n-h)。1hnmr(400mhz，dmso，298k，δ/ppm)：1.07-1.11(t，12h，j＝16hz，ch3)，3.30-3.35(q，8h，j＝12hz，ch2)，4.29(s，2h，nh2)，6.34(s，4h，arh)，6.38(s，2h，arh)，6.99-7.00(d，1h，j＝4hz，arh)，7.47-7.49(t，2h，j＝8hz，arh)，7.76-7.78(d，1h，j＝4hz，arh)。
步骤2：罗丹明类目标产物rhbr的合成，取100ml三口烧瓶，称取0.175g(0.5mmol)罗丹明酰肼和0.1g(0.5mmol)4-溴-2-羟基苯甲醛溶于30ml无水乙醇中，氮气保护下，回流12～15h，冷却，过滤，重结晶，即得浅红色的固体产物(罗丹明类目标产物rhbr)。最高产率可达85％。ftir(kbr)：v＝3450cm-1(nh2)；1619cm-1(n-c＝o)；1225cm-1，1270cm-1(c6h6-o)；825cm-1，786cm-1，762cm-1，703cm-1(n-h)。1hnmr(600mhz，dmso，298k，δ/ppm)：1.07-1.11(t，12h，j＝16hz，ch3)，3.30-3.35(q，8h，j＝12hz，ch2)，6.34(s，4h，arh)，6.38(s，2h，arh)，6.99-7.00(d，1h，j＝4hz，arh)，7.47-7.49(t，2h，j＝8hz，arh)，7.76-7.78(d，1h，j＝4hz，arh)，7.14-7.54(d，3h，j＝5hz，arh)，8.36(s，1h，＝ch)。
实施例2
一种利用罗丹明类紫外探针检测铜离子的方法：
配置1×10-5m的铜离子待测液，应用实施例1中合成的罗丹明类紫外探针检测其中的铜离子的方法，具体步骤为：
步骤1：将实施例1合成的罗丹明类紫外探针溶于溶剂dmso中，利用溶剂dmso在100ml容量瓶内定容，得到浓度为1.0×10-3m的探针储备液；
步骤2：将氯化铜溶于溶剂dmso中，利用溶剂dmso在100ml容量瓶内定容，得到浓度为1.0×10-2m的铜离子储备液；移取浓度为1.0×10-2m的铜离子储备液于100ml容量瓶中，利用溶剂dmso定容，得到浓度为1.0×10-3m的铜离子储备液；再移取浓度为1.0×10-3m的铜离子储备液于100ml容量瓶中，利用溶剂dmso定容，得到浓度为1.0×10-4m的铜离子储备液。以同样的方式，将氯化铜溶于去离子水中，利用去离子水定容，得到1.0×10-3m的铜离子储备液。
步骤3：分别移取0.08ml、0.09ml、0.1ml、0.2ml、0.3ml、0.4ml、0.5ml、0.6ml、0.7ml、0.8ml、0.9ml、1ml浓度为1.0×10-4m的铜离子标准溶液加入1ml步骤1中得到的探针储备液，加入5mltris-hcl，利用溶剂dmso在10ml容量瓶中定容，静置7min后，通过紫外-可见光谱法，检测561nm波长下的吸光度，结果为0.101、0.110、0.123、0.220、0.283、0.339、0.405、0.449、0.541、0.588、0.634、0.726，确定相对紫外吸收强度与铜离子浓度呈现良好的线性关系。
步骤4：取0.55ml铜离子待测液，浓度为1.0×10-4m的铜离子标准溶液加入1ml步骤1中得到的探针储备液，加入5mltris-hcl，利用溶剂dmso在10ml容量瓶中定容，静置7min后，通过紫外-可见光谱法，检测561nm波长下的吸光度，结果为0.378，根据所测相对紫外强度与铜离子浓度关系，确定铜离子待测液中铜离子的含量，结果为5.5μm。
实施例3
rhbr紫外-可见吸收光谱对金属离子的选择性：
在体积比1∶1的dmso/tris-hcl体系中，测定紫外探针(rhbr)在加入金属离子pb2+、fe3+、cd2+、zn2+、mg2+、cr3+、ca2+、ba2+、na+、mn2+、hg2+前后的紫外-可见吸收光谱。
步骤1：将实施例1合成的活性染料荧光探针溶于溶剂dmso中，利用溶剂dmso在100ml容量瓶内定容，得到浓度为1.0×10-3m的探针储备液；
步骤2：将铅盐、铁盐、镉盐、锌盐、镁盐、铬盐、钙盐、钡盐、钠盐、锰盐、汞盐溶于溶剂去离子水中，利用溶剂去离子水在100ml容量瓶内定容，得到浓度为1.0×10-2m的各金属离子储备液；
步骤3：分别移取0.01ml浓度为1.0×10-2m的各金属离子储备液，加入0.1ml步骤1中得到的探针储备液，加入5mltris-hcl，利用溶剂dmso在10ml容量瓶中定容，静置7min后，检测其紫外-可见光谱；
通过实验发现rhbr的紫外-可见吸收光谱对cu2+离子有很好的响应。其中，溶剂：dmso/tris-hcl(1/1，v/v)，浓度：10μm(rhbr)，10μm(金属离子)。
实施例4
rhbr紫外-可见吸收光谱与cu2+的浓度关系：
加入不同浓度的cu2+后，测定紫外探针rhbr在dmso/tris-hcl(1/1，v/v)体系的紫外-可见吸收光谱图。其中，溶剂：dmso/tris-hcl(1/1，v/v)，浓度：10μm(rhbr)，cu2+当量从下到上依次为0、0.06、0.07、0.08、0.09、0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1.0、2.0、3.0、4.0、5.0。
步骤1：将实施例1合成的活性染料荧光探针溶于溶剂dmso中，利用溶剂dmso在100ml容量瓶内定容，得到浓度为1.0×10-3m的探针储备液；
步骤2：将氯化铜溶于溶剂dmso中，利用溶剂dmso在100ml容量瓶内定容，得到浓度为1.0×10-2m的铜离子储备液；移取浓度为1.0×10-2m的铜离子储备液于100ml容量瓶中，利用溶剂dmso定容，得到浓度为1.0×10-3m的铜离子储备液；再移取浓度为1.0×10-3m的铜离子储备液于100ml容量瓶中，利用溶剂dmso定容，得到浓度为1.0×10-4m的铜离子储备液。
步骤3：分别移取0ml、0.06ml、0.07ml、0.08ml、0.09ml、0.1ml、0.2ml、0.3ml、0.4ml、0.5ml、0.6ml、0.7ml、0.8ml、0.9ml、1ml浓度为1.0×10-4m的铜离子标准溶液加入1ml步骤1中得到的探针储备液，利用溶剂dmso在10ml容量瓶中定容，另移取0.2ml、0.3ml、0.4ml、0.5ml浓度为1.0×10-3m的铜离子储备液加入1ml步骤1中得到的探针储备液，加入5mltris-hcl，利用溶剂dmso在10ml容量瓶中定容，静置7min后，通过紫外-可见光谱法，检测561nm处的吸光度；
当加入cu2+的浓度达到0.08μm时，在561nm出现新的吸收峰，随着cu2+浓度的不断增加，其紫外吸收强度也不断增加，在0.8～10μm之间呈现较好的线性关系。
实施例5
标准曲线及检测限的测定：
基于stern-volmer理轮，测定探针(10μm)溶液在dmso/h2o(1/1)的混合溶剂中对cu2+进行检测时的线性范围和最低检测限。
步骤1：将实施例1合成的活性染料荧光探针溶于溶剂dmso中，利用溶剂dmso在100ml容量瓶内定容，得到浓度为1.0×10-3m的探针储备液，移取探针储备液于100ml容量瓶中，利用溶剂dmso在100ml容量瓶内定容，得到浓度为1.0×10-4m探针溶液；
步骤2：将氯化铜溶于溶剂dmso中，利用溶剂dmso在100ml容量瓶内定容，得到浓度为1.0×10-2m的铜离子储备液；移取浓度为1.0×10-2m的铜离子储备液于100ml容量瓶中，利用溶剂dmso定容，得到浓度为1.0×10-3m的铜离子储备液；再移取浓度为1.0×10-3m的铜离子储备液于100ml容量瓶中，利用溶剂dmso定容，得到浓度为1.0×10-4m的铜离子储备液。
步骤3.分别移取0、0.06ml、0.07ml、0.08ml、0.09ml、0.1ml、0.2ml、0.3ml、0.4ml、0.5ml、0.6ml、0.7ml、0.8ml、0.9ml、1ml，浓度为1.0×10-4m的铜离子标准溶液加入1ml步骤1中得到的探针储备液，加入5mltris-hcl，利用溶剂dmso在10ml容量瓶中定容，静置7min后，通过紫外-可见光谱法，检测561nm处的吸光度；
铜离子的浓度从0增加到5.0×10-5m，静置7min后测试。探针在561nm处吸光度很低。随着cu2+的加入，吸光度不断增强，根据stem-volmer方程：
a/a0＝1+ksvcq
其中a0和a分别表示加入离子前后所测的探针体系的吸光度，ksv是增强常数，cq为离子的浓度。探针体系吸光度增强程度与离子浓度呈现良好的线性关系，如图4所示，通过计算线性回归方程，线性相关系数为0.994，线性范围为0.8～10μm，实际检出限为0.17μm。上述计算结果可以看出探针对cu2+呈现出很好的检测灵敏性，cu2+识别过程简单。
实施例6
紫外探针rhbr检测cu2+时的抗干扰性：
探究环境和生物相关共存离子对rhbr/cu2+的dmso/tris-hcl(1∶1)溶液在561nm处吸光度的影响。其中，溶剂：dmso/tris-hcl(1/1，v/v)，浓度：10μm(rhbr)，10μm(cu2+)，10μm(其它离子)，黑色柱子为在rhbr中加入不同金属离子，红色柱子为在rhbr-cu2+体系加入不同金属离子。
步骤1：将实施例1合成的活性染料荧光探针溶于溶剂dmso中，利用溶剂dmso在100ml容量瓶内定容，得到浓度为1.0×10-3m的探针储备液；
步骤2：将铅盐、铁盐、镉盐、锌盐、镁盐、铬盐、钙盐、钡盐、钠盐、锰盐、汞盐溶于溶剂去离子水中，利用溶剂去离子水在100ml容量瓶内定容，得到浓度为1.0×10-2m的各金属离子储备液；
步骤3：移取0.01ml浓度为1.0×10-2m的铜离子储备液，加入0.1ml步骤1中得到的探针储备液，加入5mltris-hcl，利用溶剂dmso在10ml容量瓶中定容，静置7min后，检测其紫外-可见光谱；
步骤4：移取0.01ml浓度为1.0×10-2m的铜离子储备液，加入0.1ml步骤1中得到的探针储备液，另分别加入0.01ml浓度为1.0×10-2m的各金属离子储备液，加入5mltris-hcl，利用溶剂dmso在10ml容量瓶中定容，静置7min后，检测其紫外-可见吸收光谱；
从图4中可见，其它离子均对其影响不大，因此，罗丹明类紫外探针有良好的抗干扰性。