一种可回收高选择性、高灵敏度的汞离子受体及其合成和应用
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种高选择性、高灵敏度汞离子的化合物，尤其涉及一种能够高效单 一选择识别氟离子的希夫碱化合物及其合成方法；本发明同时还涉及该希夫碱类化合物在 裸眼、荧光双通识别氟离子中的具体应用，属于化学合成领域和金属离子检测技术领域。
【背景技术】
[0002] 过渡金属的研究在当今社会受到了广大科研工作者的关心，因为它们除了在生命 体系中不可或缺，在生物环境中也扮演着举足轻重的角色。而在众多的过渡金属中，汞离子 被视为是对环境最有危害的金属离子之一。此外，萊离子在环境系统中和活的生物体中性 质很稳定，很难代谢或者与其它物质反应。这种污染导致的结果是，汞离子能够在人体中堆 积，它与硫化物具有很强的缔合能力，使细胞中各项酶的机能失调，从而导致人体的健康状 况出现各种问题，例如胎儿脑部损坏、严重地认知和协调疾病等。基于以上的一系列问题， 设计并研发出一种能有效的检测环境中汞离子的工具成为了人们的迫切期望。
[0003]由于低检测限、简单的结构和方便快捷的检测方法，荧光法提供了一个强大的途 径用来检测金属离子。很多已经被报道的汞离子传感器都含有芘、双酚芘、联苯基、邻苯硫 代羰基奈等荧光基团。尽管如此，汞离子的识别机理一般是基于S-Hg的结合能力很强，在 传感器分子中都含有S。相应的，很多含硫的比率传感器分子都包含一个萊离子与硫结合的 过程，这一过程是不可逆的，所以，研发出一个可回收的汞离子传感器是迫切需要的。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的是提供一种可回收汞离子受体及其的合成方法； 本发明的另一目的是提供该汞离子在荧光检测汞离子中的应用。
[0005] 一、受体分子的合成 以乙醇为溶剂，冰醋酸为催化剂，5-(硝基苯基）呋喃-2-甲醛、盐酸氨基脲为底物进行 回流反应，反应结束后冷却至室温，抽滤，洗涤后重结晶，得黄色晶体即为目标化合物，标记 为BI。其化学名称为：(E)-1-((5-(4-硝基苯基）2_呋喃）亚甲基）缩氨基脲，结构式为：
反应底物5-(硝基苯基）呋喃-2-甲醛与盐酸氨基脲的摩尔比为2 ;催化剂冰醋 酸的用量为盐酸氨基脲摩尔量的5~10% ;回流反应温度为80~85°C，回流反应时间为3~4h。
[0006] 合成产物经红外图谱、核磁图谱、紫外光谱、氢谱等手段得到验证。
[0007] 三、受体化合物的阳离子识别实验 1、受体的阳离子识别性能检测 将BI的粉末用DMS0配置成2. 5X 10 4m〇l/L 1的溶液（BI溶液)，分别移取0. 5mL于13 支lOmL比色管中；再分别移取1. 0 mL的pH=7. 2的HEPES缓冲溶液于上述13支比色管中； 然后在比色管中分别加入常见的重金属离子Cu2+，Co2+，Ni2+，Fe 3+，Hg2+，Ag+，Ca2+，Cd2+，Pb 2+， Zn2+，Cr3+，Mg2+的水溶液（0. 004mol *L SO. 5mL (有一个比色管中不加重金属离子)，最后用 DMS0定容5mL，摇动使其混合均匀，在室温下放置，观察传感器分子对阳离子的紫外响应和 荧光响应。
[0008] 观察发现，加入12种阳离子后，受体分子溶液的颜色没有明显变化。由紫外光谱 (图1)可见，除了 Hg2+的紫外吸收峰从400nm红移至414nm，其它各溶液的吸收带几乎都在 相同位置。当把加入不同金属离子的比色管放在紫外灯（365nm)下与主体溶液颜色作对比， 发现只有加入汞离子溶液的荧光明显减弱，其它溶液都发出明显的红色荧光。在荧光扫描 (图2)中能够清晰的看到，受体分子溶液以及其它金属离子溶液都在568nm处有较强的荧 光发射峰，而只有加入Hg 2+的受体溶液该处的发射峰很弱。因此，受体分子的高选择性识别 主要体现在荧光响应上。
[0009] 实验还发现，当在室温下加入汞离子后，受体溶液的荧光强度会快速减弱（<30 秒)，因此，汞离子与受体的响应时间很短，因而能够达到很好的裸眼识别效果。
[0010] 2、Hg2+抗干扰实验 为了测试传感器分子在复杂的实际环境中对Hg2+的专一选择性识别能力，对BI识别汞 离子进行了干扰性实验的测试：首先，分别在11支比色管中加入〇. 5mL受体分子的溶液，并 分别加入0. 5mL的Hg2+，用DMS0和蒸馏水定容至4. 5mL。之后，在含有Hg2+的受体分子溶液 中混合了除Hg2+之外的其它11种阳离子，以此来检测其它离子对汞离子的干扰性，最后进 行荧光光谱测试。实验结果如图3所示。表明该受体BI能够在其它共存阳离子存在的情 况下，不受干扰的高选择性识别Hg 2+离子。
[0011] 3、荧光滴定及其最低检测限的测定 为了进一步验证主体BI与Hg2+的相互作用，我们用0-6当量的Hg2+对BI做了荧光滴 定，检测主体在不同Hg2+浓度下的光谱特性。结果发现，随着溶液中Hg2+的浓度增加，在567 nm处的荧光发射峰逐渐减小，并且当Hg 2+达到6当量后，荧光发射峰的强度再不发生变化 (见图4、5)。
[0012] 此外，我们利用荧光滴定谱图，用3〇/m法做出了拟合曲线（见图6,线性方程 式：Y=715. 73- 90. 09X，R=0. 998)，并且计算出了受体分子BI对Hg2+响应的最低检测限为 2. 084X 10_、，这也充分证明了该传感器能够在环境中检测浓度很低的Hg2+。
[0013] 4、工作曲线的检测 由受体分子BI与Hg2+的工作曲线可以看出，500nm处最高点对应的客体物质的量分数 为〇. 3,说明受体分子BI与Hg2+之间形成了 2:1的稳定配合物(见图7)。根据这一实验结 果可知，受体分子BI可以作为一种潜在的Hg2+生物分子探针。
[0014] 5、受体分子的可循环实验 近几年，受体分子的可循环性成为阳离子识别研究中的一大热点，因此，我们探讨了该 受体分子对Hg2+识别的可循环性。众所周知，碘离子与汞离子有很强的缔合能力，是一种很 好的Hg 2+离子沉淀剂，因此我们选择碘离子作为Hg2+的络合剂。实验现象表明：当在BI-Hg2+ 络合体系中加入适量的I离子，I离子能够迅速将Hg2+从主体分子上解络合下来，形成Hgl2 沉淀，溶液在紫外灯下的颜色恢复，与主体相当。相应的荧光光谱也恢复到原来主体分子的 水平，如图8所示。当我们再用该溶液去识别Hg2+离子时，该体系的荧光发射峰也会发生红 移，并且基本与受体分子的峰高一致，如此反复循环使用可以达到十次以上(见图8、9)。因 此，该受体分子BI是一种可循环使用的Hg 2+荧光传感器。
[0015] 6、荧光传感器识别汞离子的机理 本发明设计并合成了一个不含硫的新型汞离子荧光传感器，该传感器是通过破坏超分 子自组装的机理来进行汞离子识别的。实验结果表明，主体分子与汞离子的靠近导致了主 体分子之间的超分子自组装被破坏并与汞离子发生配位反应，这一过程使分子内电荷密度 降低，这也就是加入汞离子之后溶液荧光强度明显降低的原因。
[0016] 四、受体分子的应用性检测试纸 为了进一步检验我们所受体分子在人类生产、生活中的实用性，制备了负载有该受体 分子的检测试纸。将滤纸剪成长、宽相等的滤纸条，用0. 5mol/L的稀盐酸浸泡1小时，取出 用蒸馏水洗涤多次，直至洗液成中性，置于真空干燥箱中干燥。将受体化合物BI配制成浓 度为2. 0 X 10 3m〇l/L的DMS0溶液。并将烘干的滤纸浸泡在上述溶液中，直至滤纸均匀吸收 溶液，去除，置于真空干燥箱中燥。
[0017] 利用试纸检测各种阳离子：分别在试纸上滴加Cu2+，Co2+，Ni 2+，Fe3+，Hg2+，Ag+，Ca2+， Cd 2+，Pb2+，Zn2+，Cr3+，Mg2+的水溶液；若试纸在紫外灯下产生色荧光，说明滴加的是Hg 2+溶液， 若试纸在紫外灯下不产生荧光，说明滴加的是其它阴离子溶液。
[0018] 综上所述，本发明设计合成了一个简单、无毒、成本低并且实用价值高的高选择性 高灵敏度的汞离子受体BI，其在室温下对汞离子有很快的荧光猝灭响应，溶液在紫外灯下 (365nm)的颜色变化可以用肉眼清楚的观察到，并且汞