一种快速检测汞离子的荧光探针及其应用

1.本发明属于荧光探针技术领域，具体涉及一种快速检测汞离子的荧光探针及其应用。
技术背景
2.作为一种重金属，汞单质和其化合物都具有很高的毒性，进入人体的汞很难被降解，并可通过生物转化和在食物链中富集而引起各种疾病。例如，上个世纪日本水俣病事件就是由于工厂在不知情的情况下将含汞的工业废水排放到人们吃的鱼、虾的水道中引起的。然而，就是这样一种疾病却花了数万人的性命以及半个多世纪的时间来为此买单。由于汞对环境和人体的巨大危害，世界各国的组织都对汞含量进行了限量。例如，中国饮用水中的汞含量不得超过5nm，化妆品中的汞含量上限为1.0mg kg-1
。因此，快速有效地检测环境中的汞离子具有重要意义。
3.近年来，荧光探针因其明显的可视化、良好的选择性和高灵敏度而备受关注。检测汞离子的荧光探针主要分为两类：络合型和反应型。络合型探针主要通过探针分子上的氮原子、氧原子或硫原子与汞离子络合，以完成汞离子特定识别。这种反应反应速度快，但选择性低，通常易受到其他金属离子的干扰。一般而言，反应型探针因其良好的选择性和高灵敏度而成为研究的焦点，但它们需要较长的反应时间，如基于硫代缩醛(酮)的脱保护反应对汞离子具有良好的选择性但反应速度慢。因此，如何在保证选择性的前提下提高荧光探针与汞离子的反应速率已成为一个关键问题。


技术实现要素：

4.针对现有技术中反应型探针检测汞离子反应时间长的技术问题，本发明提出了一种快速检测汞离子的荧光探针及其应用，所述荧光探针对汞离子具有优异的选择性，且能与汞离子瞬间反应，实现汞离子的超快速检测，解决了反应型探针用于汞离子检测反应时间长的问题。
5.实现本发明的技术方案是：
6.一种快速检测汞离子的荧光探针，所述荧光探针的分子式为c
19h21
no3s，所述荧光探针的结构式为
7.所述荧光探针的制备方法包括如下步骤：
8.(1)将8-羟基久洛尼定-9-甲醛溶于乙醇中，加入乙酰乙酸乙酯，以哌啶为催化剂，将混合液在80-85℃下加热回流8-12h，冷却至室温，过滤，用无水乙醇洗涤并干燥，得到橙色结晶的固体化合物a；
9.(2)将化合物a、2-巯基乙醇和甲磺酸溶于二氯甲烷中，在氮气保护下35-40℃加热回流6-12h，然后通过硅胶柱层析纯化，得到所述荧光探针。
10.所述步骤(1)中8-羟基久洛尼定-9-甲醛和乙酰乙酸乙酯的摩尔比为1:1-1:2。
11.所述荧光探针的合成路线为：
[0012][0013]
所述荧光探针在汞离子检测中的应用。
[0014]
上述应用的检测步骤为：
[0015]
(1)将所述荧光探针溶于dmso制备2mm的探针储备液，将探针储备液加入到10mm，ph＝7的磷酸盐缓冲液pb中；
[0016]
(2)在步骤(1)所得的混合液中加入不同量的汞离子的水溶液，使总体积为2ml，所述荧光探针的终浓度为2μm，测定反应前后各溶液的紫外吸收光谱和荧光发射光谱，观察反应前后各溶液的紫外吸收光谱变化和荧光光谱变化，并在365nm紫外光下观察反应前后各溶液的颜色变化，根据测试结果建立判断标准或构建标准工作曲线；
[0017]
(3)在步骤(1)所得的混合液中加入待测样本的水溶液，使总体积为2ml，所述荧光探针的终浓度为2μm，在365nm紫外灯下或紫外分光光度计上或荧光光谱仪上进行检测，根据检测结果判断待测样本溶液中是否存在汞离子，或计算汞离子的含量。
[0018]
所述步骤(1)中还包括加入罗丹明b的步骤，罗丹明b作为显色剂不影响荧光探针对汞离子的检测。
[0019]
所述荧光探针与罗丹明b的物质的量浓度比为1:5。
[0020]
加入汞离子前后溶液颜色变化：在无罗丹明b的情况下，随着汞离子浓度的增加，在365nm紫外灯下，反应前后溶液颜色由亮绿色逐渐变为暗绿色；当加入罗丹明b作为显色剂时，随着汞离子浓度的增加，在365nm紫外灯下，反应前后溶液由黄绿色变为橘红色；根据365nm紫外灯下溶液颜色的变化可以实现汞离子的可视化检测；
[0021]
加入汞离子前后的紫外吸收光谱变化：随着汞离子浓度的增加，溶液在410nm处的吸收峰逐渐下降，在460nm处的吸收峰逐渐升高，根据紫外吸收光谱的变化可以实现汞离子的定性检测；
[0022]
加入汞离子前后的荧光光谱变化：以460nm为激发波长时，随着汞离子浓度的增加，溶液在500nm处的荧光强度逐渐升高，且溶液在500nm处的荧光强度与汞离子的浓度呈现良好的线性关系，根据溶液荧光强度的变化可以实现汞离子的定量检测。
[0023]
所述荧光探针用于化妆品中汞离子的检测。
[0024]
以聚合物珠为载体，将所述荧光探针负载到聚合物珠上，实现汞离子的检测与去除，所述聚合物珠的材料为聚丙烯酸酯-聚丙烯酰胺共聚物。
[0025]
本发明的有益效果是：
[0026]
(1)本发明与现有技术中其他通过脱保护反应来传感汞离子的探针相比，将硫代缩醛(酮)中的一个硫原子替代为氧原子，在保留巯基作为反应位点的同时，引入了易水解的羟基，使得制备的荧光探针能与汞离子瞬间反应，在保证选择性的前提下，实现汞离子的
超快速检测，解决了现有技术中反应型探针检测汞离子反应时间长的技术问题；
[0027]
(2)本发明制备的荧光探针对汞离子具有优异的选择性，在干扰离子为汞离子浓度的50倍时，探针对干扰离子依然没有响应，能实现汞离子的特异性识别和超快速检测，且检出限低，定量限为50nm，检出限为10pm。
附图说明
[0028]
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。
[0029]
图1为化合物a的核磁共振氢谱图；
[0030]
图2为实施例1制备的荧光探针的核磁共振氢谱图；
[0031]
图3为实施例1制备的荧光探针的核磁共振碳谱图；
[0032]
图4为实施例1制备的荧光探针的高分辨质谱图；
[0033]
图5为本发明制备的荧光探针在磷酸盐缓冲液pb中的最佳激发和发射图谱(a)、对比探针在磷酸盐缓冲液pb:乙醇＝7：3的混合液中的最佳激发和发射图谱(b)、本发明荧光探针和对比探针对汞离子的时间响应图(c和d)；
[0034]
图6为实施例1制备的荧光探针与不同浓度汞离子作用前后的紫外吸收光谱图(a)、荧光光谱图(b)、溶液在500nm处的荧光强度与汞离子浓度的线性拟合图(c和d)以及365nm紫外灯下的溶液颜色变化图(e和f)；
[0035]
图7为实施例1制备的荧光探针与汞离子和不同干扰离子作用后的荧光光谱图(a)、500nm处荧光强度柱状图(b)、在罗丹明b存在条件下，溶液在365nm紫外灯下的荧光成像图；
[0036]
图8为探针负载聚合物珠a和探针负载聚合物珠b与汞离子反应前后荧光颜色变化图(a)、聚合物珠用于检测和去除汞离子的过程示意图(b)、探针负载聚合物珠a和探针负载聚合物珠b荧光颜色随汞离子浓度的变化(c)、0-10μm时，探针负载聚合物珠b荧光颜色随汞离子浓度变化(d)及其“r”值随汞离子的浓度的变化关系图(e)；
[0037]
图9为对比探针的核磁共振氢谱图；
[0038]
图10为对比探针的核磁共振碳谱图；
[0039]
图11为对比探针的高分辨质谱图。
具体实施方式
[0040]
下面将结合本发明实施例，对本发明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，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0041]
实施例1
[0042]
荧光探针的合成
[0043]
(1)将8-羟基久洛尼定-9-甲醛(3mmol，651.3mg)溶于30ml乙醇中并搅拌10min，然
后加入乙酰乙酸乙酯(3.6mmol，468.3mg)、催化剂哌啶(0.6ml)，将混合溶液在80℃下加热回流8h，冷却至室温，过滤，用无水乙醇洗涤并干燥，得到橙色结晶固体化合物a(730.5mg，86％)；
[0044]
(2)将化合物a(1.5mmol，424.9mg)、2-巯基乙醇(380μl)和甲磺酸(150μl)溶于30ml二氯甲烷中，在氮气保护下40℃加热回流6小时，然后通过硅胶柱层析纯化，得到黄色固体的荧光探针(洗脱液：二氯甲烷：石油醚＝10:1，216.1mg，42％)。
[0045]
图1为实施例1中化合物a的核磁共振氢谱图，图谱中显示如下数据：1h nmr(600mhz,chloroform-d)δ8.33(s,1h),6.96(s,1h),3.36
–
3.30(m,4h),2.87(t,j＝6.4hz,2h),2.75(t,j＝6.3hz,2h),2.66(s,3h),2.00
–
1.93(m,4h)；
[0046]
图2为实施例1制备的荧光探针的核磁共振氢谱图，图谱中显示如下数据：1h nmr(600mhz,chloroform-d)δ7.52(s,1h),6.84(s,1h),4.36(m,1h),4.09(m,1h),3.22(t,j＝5.7hz,4h),3.13
–
3.07(m,1h),2.93(m,1h),2.83(t,j＝6.5hz,2h),2.72(t,j＝6.4hz,2h),1.93(t,j＝5.0hz,4h),1.92(s,3h)；
[0047]
图3为实施例1制备的荧光探针的核磁共振碳谱图，图谱中显示如下数据：
13
c nmr(151mhz,dmso)δ160.58,150.74,145.90,135.38,126.09,124.39,118.83,107.53,105.64,91.99,71.43,61.41,60.04,49.73,49.25,41.62,33.14,29.85,27.34,21.39,20.52,20.28；
[0048]
图4为实施例1制备的荧光探针的高分辨质谱图，hrms(esi):calcd.for[m+h]
+
344.1315，found 344.1311；
[0049]
由以上图谱数据可知，本发明所述的荧光探针已成功合成。
[0050]
实施例2
[0051]
荧光探针对汞离子的时间响应
[0052]
将实施例1制备的荧光探针溶解在dmso中，配制2mm的探针储备液；
[0053]
将探针储备液加入到10mm，ph＝7的磷酸盐缓冲液pb中，使荧光探针的浓度为5μm，测定溶液的最佳激发和发射光谱；
[0054]
将探针储备液加入到10mm，ph＝7的磷酸盐缓冲液pb中，然后加入汞离子的水溶液，使总体积为2ml,荧光探针的浓度为2μm，汞离子的终浓度为2μm，在365nm紫外灯下进行观察，并在荧光光谱仪上测量溶液在500nm处的荧光强度随时间的变化，激发波长为460nm，所有测试溶液均在室温下置于10.0mm的石英荧光比色皿中测量其荧光发射光谱。
[0055]
从图5(a)可以看出，本发明制备的荧光探针的最佳激发和发射波长分别为410nm和500nm插图为其在日光和365nm紫外灯下溶液的颜色；
[0056]
从图5(c)可以看出，加入汞离子后，溶液在500nm处的荧光强度显著增强，且瞬间达到响应平台，可以实现汞离子的超快速检测。
[0057]
实施例3
[0058]
荧光探针与hg
2+
作用后，紫外吸收光谱、荧光光谱及溶液颜色变化情况
[0059]
将实施例1制备的荧光探针溶解在dmso中，配制2mm的探针储备液；
[0060]
将探针储备液加入到10mm，ph＝7的磷酸盐缓冲液pb中，然后分别加入不同量的待测样本的水溶液，使总体积为2ml,荧光探针的终浓度为2μm，汞离子的终浓度分别为0nm、50nm、100nm、200nm、400nm、600nm、800nm、1000nm、1200nm、1400nm、1600nm、1800nm、2000nm、
2200nm，在365nm紫外灯下观察各溶液的颜色，并测定各溶液的荧光发射光谱，激发波长为460nm，所有测试溶液均在室温下置于10.0mm的石英荧光比色皿中测量其荧光发射光谱，测试汞离子浓度为0nm、200nm、400nm、600nm、800nm、1000nm、1200nm、1400nm溶液的紫外吸收光谱；
[0061]
将探针储备液和罗丹明b加入到10mm，ph＝7的磷酸盐缓冲液pb中，然后分别加入不同量的待测样本的水溶液，使总体积为2ml,荧光探针的终浓度为2μm，荧光探针与罗丹明b的物质的量浓度比为1:5，汞离子的终浓度分别为0nm、50nm、100nm、200nm、400nm、600nm、800nm、1000nm、1200nm、1400nm、1600nm、1800nm、2000nm、2200nm，在365nm紫外灯下观察各溶液的颜色。
[0062]
从图6(a)可以看出，随着汞离子浓度的增加，溶液在410nm处的紫外吸收峰逐渐降低，在460nm处的紫外吸收峰逐渐增强；图6(b)显示，以460nm为激发波长时，随着汞离子浓度的增加，溶液在500nm处的荧光强度逐渐增强；图6(c)和图6(d)显示，汞离子浓度在50nm-1400nm范围内，溶液在500nm处的荧光强度与汞离子的浓度呈现良好的线性关系，y＝236.6685+872.3011x，其中y表示荧光强度，x表示汞离子浓度，r2＝0.9969，定量下限为50nm；
[0063]
在365nm紫外灯下观察到各溶液的颜色变化情况如下：在不加罗丹明b的情况下，随着汞离子浓度的增加，溶液颜色由亮绿色逐渐变暗，当体系中加入罗丹明b作为显色剂时，溶液颜色由黄绿色逐渐变为橘红色(图6(e)和图6(f)分别为罗丹明b不存在和存在情况下，汞离子浓度在0nm-1800nm范围内的荧光颜色变化图片)。
[0064]
上述现象表明，本发明制备的荧光探针能够对溶液中的汞离子产生响应，且具有灵敏度高和检测限低的特点，可通过光紫外吸收光谱的变化实现汞离子的定性检测，通过365nm紫外灯下溶液颜色变化实现汞离子的可视化检测，通过荧光强度的变化实现汞离子的定量检测。
[0065]
实施例4
[0066]
荧光探针的选择性
[0067]
将实施例1制备的荧光探针溶解在dmso中，配制2mm的探针储备液；
[0068]
配置汞离子溶液及其他干扰离子溶液，干扰离子包括：钠离子溶液(na
+
)、钾离子溶液(k
+
)、钙离子溶液(ca
2+
)、钡离子溶液(ba
2+
)、二价铁离子溶液(fe
2+
)、锌离子溶液(zn
2+
)、二价镉离子溶液(cd
2+
)、镁离子溶液(mg
2+
)、三价铁离子溶液(fe
3+
)、汞离子溶液(hg
2+
)、二价铅离子溶液(pb
2+
)、二价锰离子溶液(mn
2+
)和铝离子溶液(al
3+
)；
[0069]
设置多组实验，每组均将探针储备液加入到10mm，ph＝7的磷酸盐缓冲液pb中，取一组加入汞离子溶液，其余各组分别加入不同的干扰离子溶液，每组溶液的总体积均为2ml，荧光探针的终浓度均为2μm，汞离子的终浓度为2μm，干扰离子的终浓度为100μm，以460nm为激发波长，分别测试各溶液的荧光发射光谱，所有测试溶液均在室温下置于10.0mm的石英荧光比色皿中测量其荧光发射光谱。
[0070]
设置多组实验，每组均将探针储备液和罗丹明b加入到10mm，ph＝7的磷酸盐缓冲液pb中，取一组加入汞离子溶液，其余各组分别加入不同的干扰离子溶液，每组溶液的总体积均为2ml，荧光探针的终浓度均为2μm，荧光探针和罗丹明b的物质的量浓度比为1:5，汞离子的终浓度为2μm，干扰离子的终浓度为100μm，在365nm紫外灯下测试各溶液的颜色。
[0071]
图7(a)和图7(b)显示，荧光探针只对汞离子有较强的响应，加入大量干扰离子对体系的荧光强度无明显影响，图7(c)显示，只有汞离子能使溶液在365nm紫外灯下的颜色发生变化，加入大量干扰离子后溶液的颜色依然不变。
[0072]
实验结果表明：本发明制备的荧光探针对汞离子有极高的选择性，可以实现汞离子的特异性检测。
[0073]
实施例5
[0074]
荧光探针用于化妆品中汞离子的检测
[0075]
取5种不同的化妆品，样品1-5分别为一枝春水漾莹润美白祛斑精华液、qiskinbo烟酰胺美白祛斑乳、baursde美白祛斑霜、bioaoua美白祛斑霜、ziluolan抗皱增亮奶，经消解后，采用所述荧光探针进行检测，根据荧光强度和实施例3中得到的线性方程计算化妆品中的汞离子含量，并在上述各消解液中分别加入浓度增量为0.5μm和1μm汞离子进行加标回收实验，结果见表1。
[0076]
实验结果表明：5种化妆品中均未检测出汞离子，加标回收实验结果证明了本发明用于检测化妆品中汞离子含量的可行性。
[0077]
表1化妆品中汞离子的检测结果及加标回收实验结果
[0078][0079][0080]
实施例6
[0081]
荧光探针负载的聚合物珠对汞离子的检测与去除
[0082]
(a)探针负载聚合物珠的制备
[0083]
将实施例1制备的荧光探针溶解在dmso中，配制2mm的探针储备液；
[0084]
将探针储备液加入到10mm，ph＝7的磷酸盐缓冲液pb中，配制荧光探针浓度为5μm的探针溶液，将14个材料为聚丙烯酸酯-聚丙烯酰胺共聚物的聚合物珠浸入7ml上述探针溶液中，浸泡30min，聚合物珠的荧光颜色由无色变为绿色，取出在室温下(25℃)干燥8h，得到探针负载聚合物珠a；
[0085]
(b)将探针储备液和罗丹明b加入到10mm，ph＝7的磷酸盐缓冲液pb中，使荧光探针浓度为5μm，荧光探针与罗丹明b的物质的量比为1:5，制得含罗丹明b的探针溶液，将14个材料为聚丙烯酸酯-聚丙烯酰胺共聚物的聚合物珠浸入7ml上述含罗丹明b的探针溶液中，浸泡30min，聚合物珠的颜色由无色变为黄绿色，取出在室温下(25℃)干燥8h，得到探针负载聚合物珠b；
[0086]
(c)探针负载聚合物珠a和探针负载聚合物珠b各取7个，分别浸入3ml浓度为20μm的汞离子溶液中，浸泡30min，取出在室温(25℃)下干燥1h，在365nm紫外灯下观察探针负载聚合物珠a和探针负载聚合物珠b与汞离子反应前后的荧光颜色变化；
[0087]
(d)按照上述方法分别采用浓度为0μm、5μm、10μm、15μm、20μm、25μm、30μm、35μm、40μm和45μm的汞离子溶液处理探针负载聚合物珠a和探针负载聚合物珠b，并在365nm紫外灯下观察反应前后探针负载聚合物珠a和探针负载聚合物珠b的荧光颜色变化。
[0088]
如图8(a)所示，365nm紫外灯下，未负载探针的聚合物珠的荧光颜色为无色，探针负载聚合物珠a的荧光颜色为绿色，探针负载聚合物珠b为黄绿色，说明荧光探针已成功负载到聚合物珠上，与汞离子反应后，探针负载聚合物珠a的荧光颜色变为暗绿色，探针负载聚合物珠b变为橙红色，表明荧光探针和汞离子在聚合物珠内部发生反应；图8(b)为探针负载聚合物珠用于汞离子检测和去除的过程示意图，通过检测探针负载聚合物珠a处理前后汞离子溶液中汞离子的浓度，得到汞离子的去除率为83.5％；图8(c)显示，汞离子浓度为10μm时反应达到平衡，故探究了汞离子浓度在0-10μm时，探针负载聚合物珠b在365nm紫外灯下的荧光颜色变化；图8(d)和图8(e)显示了探针负载聚合物珠b在365nm紫外灯下的荧光颜色变化，手机rgb对其进行拟合，发现其“r”值与汞离子的浓度呈现良好的线性关系；注：图中mtk表示本发明中制备的荧光探针。
[0089]
实验结果表明：本发明制备的荧光探针负载到聚合物珠上可以简单快速地实现对溶液中汞离子的检测和去除，具有一定的实际应用价值。
[0090]
对比例1
[0091]
1)合成对比探针
[0092]
采用乙二硫醇代替实施例1中的2-巯基乙醇，合成方法同实施例1；
[0093]
对比探针的合成路线如下：
[0094][0095]
图9为对比探针的核磁共振氢谱，图谱中显示如下数据：1h nmr(600mhz,acetonitrile-d3)δ8.06(s,1h),7.00(s,1h),3.40(m,4h),3.28
–
3.23(m,8h),2.80(t,j＝6.5hz,2h),2.75(t,j＝6.5hz,2h),2.12(s,3h)；
[0096]
图10为对比探针的核磁共振碳谱，图谱中显示如下数据：
13
c nmr(151mhz,cd3cn)δ161.19,151.52,146.40,138.73,126.21,124.70,119.39,108.12,106.21,67.20,49.75,39.95,30.47,27.71,21.83,20.93；
[0097]
图11为对比探针的的高分辨质谱图，hrms(esi):calcd.for[m+h]
+
360.1086,found 360.1087；
[0098]
由以上图谱数据可知，对比探针已成功合成。
[0099]
2)对比探针对汞离子的时间响应
[0100]
将制备的对比探针溶解在dmso中，配制2mm的对比探针储备液；
[0101]
将对比探针储备液加入到磷酸盐缓冲液pb(10mm，ph＝7)：乙醇＝7：3的混合溶液中，使对比探针的浓度为5μm，测定溶液的最佳激发和发射光谱；
[0102]
将对比探针储备液加入到磷酸盐缓冲液pb(10mm，ph＝7)：乙醇＝7：3的混合溶液中，然后加入待测样本的水溶液，使总体积为2ml,对比探针的终浓度为5μm，汞离子的终浓度为20μm，在365nm紫外灯下进行观察，并在荧光光谱仪上测量溶液在490nm处的荧光强度随时间的变化，激发波长为410nm，所有测试溶液均在室温下置于10.0mm的石英荧光比色皿中测量其荧光发射光谱。
[0103]
图5(b)可以看出，对比探针的最佳激发和发射波长分别为410nm和490nm，插图为其在日光和365nm紫外灯下溶液的颜色；
[0104]
从图5(d)可以看出，加入汞离子后，溶液在490nm处的荧光强度逐渐猝灭，可以实现溶液中汞离子的检测，但是需要15min才能达到响应平台。
[0105]
3)结果对比
[0106]
由图5(c)和图5(d)对比可知，对比探针上的一个硫原子被氧原子取代后，与汞离子的反应时间大大缩短，解决了现有技术中硫代缩醛(酮)脱保护的动力学难题，对汞离子的检测时间由15min缩短至瞬间完成，实现了汞离子的超快速检测；
[0107]
不仅如此，本发明制备的荧光探针与现有技术报道的其他基于脱保护反应来特异性识别汞离子的探针相比，反应速度也是最快的，本发明制备的荧光探针、对比探针以及现有技术中报道的其他硫代缩醛(酮)探针对汞离子的响应时间对比见表2。
[0108]
表2本发明荧光探针与对比探针、其他硫代缩醛(酮)探针的比较
[0109][0110][0111]
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。