一种高选择性识别汞离子荧光探针、制备方法与应用

1.本发明属于荧光探针领域，具体涉及一种茚酮类化合物的荧光探针及其在测量、筛选或检测汞离子中的应用；本发明还提供了制备所述荧光探针的方法。


背景技术：

2.汞是一种重金属元素，俗称水银，当人们吸入汞蒸气或者食用被汞污染的海产品或吸食入汞化合物均会引起中毒。汞污染的主要来源包括固体废弃物的燃烧、仪表厂、冶炼贵金属等工业的废水，由于越来越多的汞释放到环境中，对人体和环境均造成了严重的影响，因此引起了越来越多的关注。即使很低浓度的汞进入到人体中也会对大脑、肝脏及神经系统等产生严重的危害，并且，目前我国环境保护标准正在日益提高，对汞离子灵敏度要求越来越高。因此，急需一种高选择性识别汞离子的方法，尤其是对环境中汞离子的原位、超灵敏监测，对生态环境的保护具有重要的意义。
3.当前，常见的汞离子的检测方法主要有分光光度比色法、光谱法、电化学法和荧光探针分析法等。在众多汞离子的检测方法中，荧光探针分析法因其具有操作简单、高选择性和高灵敏度等优点而成为众多研究者关注的焦点。目前已报道的检测汞离子的荧光探针有很多，但大多数荧光探针仍存在一些缺陷，比如说合成复杂、灵敏度低、选择性差、水溶性差等。因此，发展合成简单、水溶性好、灵敏度及选择性高的汞离子荧光探针是本领域技术人员急需解决的问题。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明的目的是在于提供一类高灵敏高选择性汞离子荧光探针，以及它们的制备方法和用途，具有水溶性好、灵敏度高、高选择性以及合成简单的特点，尤其适合对水环境中的汞离子进行有效测量、筛选或检测。
5.具体而言，本发明提供了一种化合物，具有式(i)所示的结构：
[0006][0007]
式(i)中，r1，r2，r3，r4，r5，r6，r7，r8，r9，r
10
，r
11
，r
12
，r
13
，r
14
和r
15
为氢原子，直链或支链烷基，直链或支链烷氧基，磺酸基，酯基，羧基；r1，r2，r3，r4，r5，r6，r7，r8，r9，r
10
，r
11
，r
12
，r
13
，r
14
和r
15
可以相同或不同。
[0008]
在本发明的一些具体实施方案中，本发明的化合物是r1，r2，r3，r4，r5，r6，r7，r8，r9，r
10
，r
11
，r
12
，r
13
，r
14
和r
15
均为氢原子的式(ⅱ)化合物，其结构式如下：
[0009][0010]
本发明还提供了式(i)化合物的制备方法，包括如下步骤：使式(iii)化合物与式(ⅳ)化合物反应制备得式(i)化合物，其反应式如下：
[0011][0012]
式(ⅰ)、(ⅲ)和(ⅳ)中：r1，r2，r3，r4，r5，r6，r7，r8，r9，r
10
，r
11
，r
12
，r
13
，r
14
和r
15
为氢原子，直链或支链烷基，直链或支链烷氧基，磺酸基，酯基，羧基；r1，r2，r3，r4，r5，r6，r7，r8，r9，r
10
，r
11
，r
12
，r
13
，r
14
和r
15
可以相同或不同。
[0013]
在本发明的一些具体实施方案中，将一定摩尔比的式(ⅲ)化合物和式(ⅳ)化合物溶于二氯甲烷中，常温搅拌反应，待反应完毕后，旋蒸干有机溶剂得到粗产品，柱色谱分离提纯，得到纯品式(i)化合物。
[0014]
在本发明的一些具体实施方案中，所述式(iii)化合物与式(ⅳ)化合物的摩尔比为1:1-1:3。
[0015]
在本发明的一些具体实施方案中，所述常温反应时间为1-6小时。
[0016]
在本发明的一些具体实施方案中，所述反应温度为常温。
[0017]
在本发明的一些具体实施方案中，将摩尔比为1:1的5-羟基-1-茚酮和苯甲醛溶于乙醇中，在哌嗪的催化作用下，80℃下回流搅拌72h，待反应完毕后，旋蒸干有机溶剂得到粗产品，柱色谱分离提纯，得到纯品式(ⅱi)化合物。
[0018]
本发明还提供了用于测量、筛选或检测汞离子的荧光探针组合物，其包含本发明的所述式(i)化合物。
[0019]
在本发明的一些具体实施方案中，所述式(i)化合物具有以下结构：
[0020][0021]
在本发明的一些具体实施方案中，所述荧光探针组合物进一步包含溶剂、酸、碱、缓冲溶液或其组合。
[0022]
本发明还提供了式(i)化合物在制备测量、筛选或检测汞离子试剂中的应用。
[0023]
本发明还提供了检测样品中汞离子的存在或测定样品中的汞离子含量的方法，其包括：
[0024]
a)使式(i)或式(ⅱ)化合物与样品接触以形成荧光化合物；
[0025]
b)测定所述荧光化合物的荧光性质。
[0026]
在本发明的一些具体实施方案中，所述样品是化学样品。
[0027]
在本发明的一些具体实施方案中，所述样品是水环境样品。
[0028]
在本发明的一些具体实施方案中，所述水环境样品是地下水、河流或湖泊水环境样品。
[0029]
本发明还提供了检测样品中汞离子的存在或测定样品中的汞离子含量的试剂盒，其包含所述式(i)或式(ii)化合物。
[0030]
本发明相对于现有技术具有如下的显著优点及效果：
[0031]
(1)水溶性好
[0032]
本发明的汞离子荧光探针水溶性好，能够在纯水体系中对汞离子进行检测或测量，非常适合水环境，尤其是地下水、河流或湖泊水样品中汞离子的检测或测量。
[0033]
(2)灵敏度高
[0034]
本发明的汞离子荧光探针与汞离子反应非常灵敏，从而有利于对汞离子的检测，尤其适合浓度0-2.5μm的水环境中汞离子的检测或测量。
[0035]
(3)选择性高
[0036]
本发明的汞离子荧光探针可选择性的与汞离子发生特异性反应，生成荧光变化的产物，相较于常见水环境中常见的其他物质进，包括但不限于铬离子、铜离子、二价铁离子、钙离子、钾离子、镁离子、钠离子、镍离子、铅离子、锡离子、锌离子、硝酸根离子、硫酸根离子、氯离子，本发明荧光探针对汞离子显示出了较高的选择性。
[0037]
(4)稳定性好
[0038]
本发明的汞离子荧光探针的稳定性好，进而能够长期保存使用。
[0039]
(5)合成简单
[0040]
本发明的汞离子荧光探针合成简单，有利于商业化的推广应用。
附图说明
[0041]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0042]
图1是探针(5μm)加入汞离子(20μm)前后荧光光谱变化情况；
[0043]
图2是探针(20μm)加入汞离子(20μm)前后吸收光谱变化情况；
[0044]
图3是探针(5μm)加入汞离子(0-4μm)后的荧光光谱；
[0045]
图4是探针(5μm)定量分析不同浓度汞离子(0-2.5μm)的工作曲线。
[0046]
图5是探针(5μm)选择性识别汞离子能力的测试。其中编号1-16分别为：1.空白；2.铬离子cr
2+
；3.铜离子cu
2+
；4.二价铁离子fe
2+
；5.钙离子ca
2+
；6.钾离子k
+
；7.镁离子mg
2+
；8.钠离子na
+
；9.镍离子ni
2+
；10.铅离子pb
2+
；11.锡离子sn
2+
；12.锌离子zn
2+
；13.硝酸根离子no
3-；14.硫酸根离子so
42-；15.氯离子cl-；16.汞离子hg
2+
(5μm)(除特殊标明外，其他分析物浓度均为50μm)。柱状图代表的是不同分析物存在下探针在505nm处的荧光强度值；
具体实施方式
[0047]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行、清楚完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，不应该用来限制本发明的保护范围。基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。实施例1：式(ii)化合物的合成
[0048]
合成设计路线如下：
[0049][0050]
实施方案1：将236mg(1mmol)2-苯亚甲基-5-羟基-1-茚酮溶于15ml二氯甲烷中，再加入173mg(1mmol)硫代氯甲酸苯酯，然后加入dipea129mg(1mmol)，常温搅拌2h，然后利用旋转蒸发仪进行旋蒸，得到粗产品，进行色谱柱分离得到纯品，得到纯净产品275mg，产率为73.9％。
[0051]
实施方案2：将236mg(1mmol)2-苯亚甲基-5-羟基-1-茚酮溶于15ml二氯甲烷中，再加入260mg(1.5mmol)硫代氯甲酸苯酯，然后加入dipea194mg(1.5mmol)，常温搅拌2h，然后利用旋转蒸发仪进行旋蒸，得到粗产品。如果要得到较纯的产品，进行色谱柱分离得到纯品，得到纯净产品290mg，产率为78％。
[0052]
实施方案3：将236mg(1mmol)2-苯亚甲基-5-羟基-1-茚酮溶于15ml二氯甲烷中，再加入346mg(2mmol)硫代氯甲酸苯酯，然后加入dipea258mg(2mmol)，常温搅拌4h，然后利用旋转蒸发仪进行旋蒸，得到粗产品。如果要得到较纯的产品，进行色谱柱分离得到纯品，得到纯净产品310mg，产率为83.3％。
[0053]
实施方案4：将236mg(1mmol)2-苯亚甲基-5-羟基-1-茚酮溶于15ml二氯甲烷中，再加入519mg(3mmol)硫代氯甲酸苯酯，然后加入dipea387mg(3mmol)，常温搅拌4h，然后利用旋转蒸发仪进行旋蒸，得到粗产品，，进行色谱柱分离得到纯品，得到纯净产品330mg，产率为88.7％。
[0054]
实施方案5：将236mg(1mmol)2-苯亚甲基-5-羟基-1-茚酮溶于15ml二氯甲烷中，再加入519mg(3mmol)硫代氯甲酸苯酯，然后加入dipea387mg(3mmol)，常温搅拌6h，然后利用旋转蒸发仪进行旋蒸，得到粗产品。如果要得到较纯的产品，进行色谱柱分离得到纯品，得到纯净产品335mg，产率为90.1％。
[0055]
实施例2：测试探针对汞离子识别前后的荧光光谱的变化
[0056]
在比色管中加入5ml的蒸馏水，加0.5ml的4-羟乙基哌嗪乙磺酸(hepes，100mm)，再用蒸馏水定容到10ml，移取50μl的探针储备液(1mm)放进比色管中，然后加入汞离子储备液，使得汞离子浓度为20μm，摇晃均匀后，静置50分钟，用荧光光谱仪测试其荧光光谱的变化，上述测定是在纯水体系中进行的，所使用的探针是实施例1中所制备的探针，且所有光谱测试都是在25℃下测得的。结果如图1所示。
[0057]
由图1可以清楚地看到，当汞离子加入后，505nm处荧光强度变化非常明显。
[0058]
实施例3：测试探针对汞离子识别前后的吸收光谱的变化
[0059]
在比色管中加入5ml的蒸馏水，加0.5ml的4-羟乙基哌嗪乙磺酸(hepes，100mm)，再用蒸馏水定容到10ml，移取200μl的探针储备液(1mm)放进比色管中，然后加入汞离子储备液，使得汞离子浓度为20μm，摇晃均匀后，静置50分钟，用紫外吸收光谱仪测试其吸收光谱的变化，上述测定是在纯水体系中进行的，所使用的探针是实施例1中所制备的探针，且所有光谱测试都是在25℃下测得的。结果如图2所示。
[0060]
由图2可以看出，325nm处吸收强度值明显降低。
[0061]
实施例4：测试荧光探针对于汞离子的浓度梯度
[0062]
在比色管中加入5ml的蒸馏水，加0.5ml的4-羟乙基哌嗪乙磺酸(hepes，100mm)，再用蒸馏水定容到10ml，最后移取50μl的探针储备液(1mm)放进比色管中，再根据拟配制不同浓度的汞离子(浓度分别为：0.05μm，0.1μm，0.2μm，0.3μm，0.5μm，0.7μm，1μm，1.5μm，2μm，2.5μm，3μm，3.5μm，4μm)加入不同体积的汞离子储备液，摇晃均匀后，静置50分钟，然后，用荧光光谱仪测试其荧光强度变化。上述测定是在纯水体系中进行的，所使用的探针是实施例1中所制备的探针，且所有光谱测试都是在25℃下测得的。结果如图3所示。
[0063]
从图3可以清晰的看出，随着加入汞离子浓度的增加，505nm处的荧光强度逐渐增高；并且，由图4可以看出，在505nm处，汞离子荧光探针(5μm)加入汞离子(0-2.5μm)之后荧光强度呈现了良好的线性关系，这证明借助于该荧光探针能够对汞离子进行定量分析。
[0064]
实施例5：测试荧光探针对于汞离子的选择性
[0065]
分析物分别为：1.空白；2.铬离子cr
2+
；3.铜离子cu
2+
；4.二价铁离子fe
2+
；5.钙离子ca
2+
；6.钾离子k
+
；7.镁离子mg
2+
；8.钠离子na
+
；9.镍离子ni
2+
；10.铅离子pb
2+
；11.锡离子sn
2+
；12.锌离子zn
2+
；13.硝酸根离子no
3-；14.硫酸根离子so
42-；15.氯离子cl-；16.汞离子hg
2+
(5μm)(除特殊标明外，其他分析物浓度均为50μm)。柱状图代表的是不同分析物存在下探针在505nm处的荧光强度值。上述测定是在纯水体系中进行的，所使用的探针是实施例1中所制备的探针，且所有光谱测试都是在25℃下测得的。具体地，在比色管中加入5ml的蒸馏水，加0.5ml的4-羟乙基哌嗪乙磺酸(hepes，100mm)，再用蒸馏水定容到10ml，最后移取50μl的探针储备液(1mm)放进比色管中，再加入一定量的上述分析物，摇匀，静置50分钟后测定荧光强度值。结果如图5所示。
[0066]
从图5可以看出，本发明的探针对汞离子具有很高的选择性，能够专一性地和汞离子进行反应，反应前后，荧光光谱有明显变化，而水环境中其他常见分析物与探针作用后荧光强度并不发生明显变化
[0067]
实施例6：探针的检出限测试和计算
[0068]
采用荧光滴定法计算检出限。检测限计算公式如下:
[0069]
检出限＝3σ/k
[0070][0071]
σ是空白探针的荧光强度的标准差，k是图4线性关系图的斜率。
[0072]
由此计算式(ⅱ)探针对汞离子的检出限为16nm。
[0073]
实施例7：探针在三个真实水样中hg
2+
的分析测试
[0074]
分别采集三个真实水样，水样a采集自济南大学甲子湖湖水，水样b采自己济南市锦云川地下水，水样c采自己济南市锦阳川河水，对这些水样均进行了检测，均未发现汞离
子，然后，每个水样配置两组测试体系，每组测试体系均加入5μm探针，所使用的探针是实施例1中所制备的探针，然后分别向每个水样每组测试体系加入1μm和2μm硝酸汞，摇晃均匀，静置50分钟，然后测试其荧光强度变化，从而计算每组测试体系的汞离子含量。
[0075]
上述步骤重复测试三次。
[0076]
测试结果如下表所示，测试结果表明，三种水样的回收率84.07％-109.20％，进一步证实了本发明荧光探针可以有效地检测真实水样中的hg
2+
。
[0077][0078]
虽然用上述实施方式描述了本发明，应当理解的是，在不背离本发明的精神的前提下，本发明可进行进一步的修饰和变动，且这些修饰和变动均属于本发明的保护范围之内。