一种具有二氧化硫识别功能的聚合物比率荧光传感器及制备方法与应用

1.本发明属于化学材料制备及分析检测领域，涉及可比率检测二氧化硫的荧光传感器的制备及其应用，具体地说，涉及一种具有二氧化硫识别功能的聚合物比率荧光传感器及制备方法与应用。


背景技术：

2.众所周知，二氧化硫(so2)作为的硫氧化物，对于环境来说是一种有毒的气态污染物，但是由于二氧化硫及其衍生物具有漂白、防止酶促褐变、抗菌、抗氧化等特性，常常用于食品添加剂和抗氧化剂，是有价值的商品化添加剂，广泛应用于新鲜果蔬保鲜、食品制药、酿酒等行业。此外，so2及其衍生物也可以由含硫分子的代谢内源性产生，在生物系统中作为信号分子。除此之外，内源性二氧化硫及其衍生物的产生和代谢在维持体内氧化还原平衡和生物硫的平衡方面发挥着独特的生物学作用。但是，过量摄入二氧化硫和亚硫酸盐会对人体造成极大危害，包括易感人群的腹泻、低血压、过敏反应和哮喘反应、心脑血管疾病、肺癌等疾病。
3.螺吡喃分子作为传统的光致变色分子，在光可逆擦写、信息的防伪与加密、以及生物传感等方面有着非常广泛的应用。而开环时螺吡喃所具有双键结构，使得其能够对so2进行响应，因此也发展了很多基于螺吡喃分子的荧光传感器用于so2的检测(cn110143966a，cn112939963a)。但是，这些荧光探针在检测so2的时候需要紫外光365nm照射使螺吡喃开环，暴露出双键后才能与so2响应，这无疑会对螺吡喃分子造成光漂白损伤，并且紫外光的照射也会生物体带来损害。同时，小分子螺吡喃探针需要在有机溶剂中工作，而有机溶剂的使用无疑会加大生物毒性。因此，发明一种简单、低成本、优良的水溶性、生物毒性低的快速检测技术具有相当重要的现实意义和应用前景。近年来，基于fret的聚合物荧光传感器因其优异的水溶性、低细胞毒性、无有机溶剂残留、可设计性强、高灵敏度、高选择性等优点，受到了越来越多的关注，在化学、医学和环境科学等研究领域显示了极其广阔的应用前景。


技术实现要素：

4.本发明要解决的技术问题在于克服现有技术的不足，提供一种可用于二氧化硫检测的聚合物比率荧光传感器，该荧光传感器以根据现有的技术制备的聚环氧乙烷-共-聚苯乙烯(cn109370572a，cn108597911a)、聚[9,9-二己基芴基-2,7-二基](cn103594629a，cn104737319a)，4，5-甲基-4-氮杂金刚烷碘盐，5-硝基水杨醛为原料制备。进一步应用研究表明，该荧光传感器能够实现对二氧化硫的高灵敏度，高选择性的比率检测。
[0005]
为解决上述技术问题，本发明采用技术方案的基本构思是：
[0006]
一种可用于二氧化硫检测的聚合物比率荧光传感器，由mahd-sp、聚[9,9-二己基芴基-2,7-二基]和聚环氧乙烷-共-聚苯乙烯在水中自组装而成，所述目标分子mahd-sp的结构式为：
[0007][0008]
根据现有技术制备的聚环氧乙烷-共-聚苯乙烯(cn109370572a，cn108597911a)的结构式为：
[0009][0010]
式中n/x为110～40:50。
[0011]
根据现有技术制备的聚[9,9-二己基芴基-2,7-二基](cn103594629a，cn104737319a)的结构式为：
[0012][0013]
式中n为120～450
[0014]
一种具有二氧化硫识别功能的聚合物比率荧光传感器的制备，包括以下步骤：
[0015]
1、将一定量的根据现有技术制备的4,5-二甲基-4-氮杂金刚烷碘盐和5-硝基水杨醛溶解于无水乙醇中，加入一定量的哌啶，置于n2保护和避光的条件下，回流12h，反应结束后旋转蒸发除去85～95％溶剂，柱分离提纯产物，真空干燥，得到目标分子mahd-sp。
[0016]
根据上述制备方法制备的聚合物荧光传感器，4,5-二甲基-4-氮杂金刚烷碘盐和5-硝基水杨醛摩尔比为1:1～2，优选为1:1.2～1.5，4,5-二甲基-4-氮杂金刚烷碘盐和哌啶摩尔比为1:1.1～1.3，优选为1:1.15～1.25。
[0017]
2、取步骤1合成的目标分子配制成一定浓度的四氢呋喃(thf)溶液a，取根据现有技术制备的聚[9,9-二己基芴基-2,7-二基]配制成一定浓度的四氢呋喃(thf)溶液b，取根据现有技术制备的聚环氧乙烷-共-聚苯乙烯配制为一定浓度的四氢呋喃(thf)溶液c，然后分别取a、b和c混合，在超声条件下滴加到10ml水中，滴加完成后继续超声10min，然后在室温下减压除去四氢呋喃，定容到10ml得到所需的荧光传感器，即一种具有二氧化硫识别功能的聚合物比率荧光传感器。
[0018]
根据上述制备方法制备的聚合物比率荧光传感器，目标分子和聚环氧乙烷-共-聚苯乙烯的质量比为1:5～15，优选为1:8～12，目标分子和聚[9,9-二己基芴基-2,7-二基]的质量比为1000：1～5，优选为1000：1～2，目标分子在水中的浓度为0.1～0.5mg/ml，优选为0.1～0.2mg/ml。
[0019]
根据上述制备方法制备的聚合物比率荧光传感器目标分子mahd-sp，其具体的反应过程如下：
[0020][0021]
根据上述的制备方法制备的聚合物比率荧光传感器在比率检测二氧化硫中的应用。
[0022]
采用上述技术方案后，本发明与现有技术相比具有以下有益效果。
[0023]
本发明以根据现有技术制备的聚环氧乙烷-共-聚苯乙烯、聚[9,9-二己基芴基-2,7-二基]，4,5-二甲基-4-氮杂金刚烷碘盐，5-硝基水杨醛为原料来制备所需要的聚合物比率荧光传感器，该聚合物比率荧光传感器在ph为7.4的pbs缓冲溶液稀释之后，在有so2存在时，在423nm处会随着so2浓度的增加出现显著的荧光增强现象，而在564nm处，随着so2浓度的增加呈现明显的荧光下降现象，进而表现出明显的比率检测效果。并且随着二氧化硫浓度的增加，可见光下溶液逐渐由淡黄色变为无色，而在紫外光下，溶液由明亮的橙红色荧光逐渐变为明亮的蓝色荧光。而且该聚合物比率荧光传感器对二氧化硫的检测具有明显的高选择性快速响应，并且能达到高灵敏度检测的效果，而聚合物比率荧光传感器中对so2响应的组分分子mahd-sp，是一种暂未报道的新分子。相比于现有的一些检测技术，本发明中的聚合物比率荧光传感器成本投入较少，合成路线简单、后处理方便、可直接对二氧化硫实现快速特异性识别，尤其是在生理环境ph为7.4左右的生物体内环境的应用有着极其重要的意义。
[0024]
本发明提供了一种可比率检测二氧化硫的聚合物比率荧光传感器及应用，该聚合物比率荧光传感器制备简单，灵敏度高，有望在分析化学、生物环境检测科学领域得到广泛应用。
[0025]
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的描述。
附图说明
[0026]
附图作为本技术的一部分，用来提供对本发明的进一步的理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但不构成对本发明的不当限定。显然，下面描述中的附图仅仅是一些实施例，对于本领域普通技术人员来说，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附图。在附图中：
[0027]
图1为制备的目标分子mahd-sp在dmso-d6中的核磁氢谱图。
[0028]
图2为制备的聚合物比率荧光传感器的粒径图。
[0029]
图3为制备的聚合物比率荧光传感器对二氧化硫的识别示意图。
[0030]
图4为不同so2浓度时，聚合物比率荧光传感器的荧光发射变化示意图(激发波长：370nm)，[na2so3]＝0(a)，2
×
10-6
mol/l(b),5
×
10-6
mol/l(c),1
×
10-5
mol/l(d)，1.5
×
10-5
mol/l(e),2
×
10-5
mol/l(f),2.5
×
10-5
mol/l(g),3
×
10-5
mol/l(h),4
×
10-5
mol/l(i),5
×
10-5
mol/l(j),6
×
10-5
mol/l(k),7
×
10-5
mol/l(l),8
×
10-5
mol/l(m),9
×
10-5
mol/l(n),1.0
×
10-4
mol/l(o),1.1
×
10-4
mol/l(p),1.2
×
10-4
mol/l(q)。
[0031]
图5为各种离子对该聚合物比率荧光传感器的荧光比率强度的选择性对比数据
图，加入后的离子的浓度均为1
×
10-4
mol/l，二氧化硫浓度为1.0
×
10-4
mol/l，i
423
和i
564
为各离子和过氧化物加入前后的荧光传感器在以370nm为激发波长，423nm和564nm为发射波长处的荧光强度变化值。
[0032]
图6为各种离子对聚合物比率荧光传感器的荧光比率强度的干扰性对比数据图，加入后的离子的浓度均为1
×
10-4
mol/l，二氧化硫浓度为1.0
×
10-4
mol/l，i
423
和i
564
为各离子和过氧化物加入前后的荧光传感器在以370nm为激发波长，423nm和564nm为发射波长处的荧光强度变化值。
[0033]
需要说明的是，这些附图和文字描述并不旨在以任何方式限制本发明的构思范围，而是通过参考特定实施例为本领域技术人员说明本发明的概念。
具体实施方式
[0034]
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
[0035]
实施例1：一种具有二氧化硫识别功能的聚合物比率荧光传感器的制备，具体步骤以下：
[0036]
(1)将根据现有技术制备的4,5-二甲基-4-氮杂金刚烷碘盐(1mmol)和5-硝基水杨醛(1.2mmol)溶解于20ml无水乙醇中，加入哌啶(1.19mmol)，置于n2保护和避光的条件下，回流12h，反应结束后旋转蒸发除去85～95％溶剂，柱分离提纯产物，真空干燥，得到目标分子。
[0037]
(2)取步骤(1)合成的目标分子配制成1mg/ml的四氢呋喃(thf)溶液a，取根据现有技术制备的聚[9,9-二己基芴基-2,7-二基]配制成1μg/ml的四氢呋喃(thf)溶液b，取根据现有技术制备的聚环氧乙烷-共-聚苯乙烯配制成10mg/ml的四氢呋喃(thf)溶液c，然后分别取1mla、1μl b和1ml c混合，在超声条件下滴加到10ml水中，滴加完成后继续超声10min，然后在室温下减压除去四氢呋喃，定容到10ml得到所需的荧光传感器，即一种具有二氧化硫识别功能的聚合物比率荧光传感器。该聚合物荧光传感器以纳米粒子形式存在，其粒径数据如图1所示。
[0038]
实施例2：一种具有二氧化硫识别功能的聚合物比率荧光传感器的制备，具体步骤以下：
[0039]
(1)将根据现有技术制备的4,5-二甲基-4-氮杂金刚烷碘盐(0.5mmol)和5-硝基水杨醛(0.6mmol)溶解于20ml无水乙醇中，加入哌啶(0.595mmol)，置于n2保护和避光的条件下，回流12h，反应结束后旋转蒸发除去85～95％溶剂，柱分离提纯产物，真空干燥，得到目标分子。
[0040]
(2)取步骤(1)合成的目标分子配制成0.5mg/ml的四氢呋喃(thf)溶液a，取根据现有技术制备的聚[9,9-二己基芴基-2,7-二基]配制成0.5μg/ml的四氢呋喃(thf)溶液b，取根据现有技术制备的聚环氧乙烷-共-聚苯乙烯配制成5mg/ml的四氢呋喃(thf)溶液c，然后分别取1mla、1μl b和1ml c混合，在超声条件下滴加到10ml水中，滴加完成后继续超声10min，然后在室温下减压除去四氢呋喃，定容到10ml得到所需的荧光传感器，即一种具有二氧化硫识别功能的聚合物比率荧光传感器。
[0041]
实施例3：一种具有二氧化硫识别功能的聚合物比率荧光传感器的制备，具体步骤以下：
[0042]
(1)将根据现有技术制备的4,5-二甲基-4-氮杂金刚烷碘盐(1.5mmol)和5-硝基水杨醛(1.8mmol)溶解于20ml无水乙醇中，加入哌啶(1.785mmol)，置于n2保护和避光的条件下，回流12h，反应结束后旋转蒸发除去85～95％溶剂，柱分离提纯产物，真空干燥，得到目标分子。
[0043]
(2)取步骤(1)合成的目标分子配制成1.5mg/ml的四氢呋喃(thf)溶液a，取根据现有技术制备的聚[9,9-二己基芴基-2,7-二基]配制成1.5μg/ml的四氢呋喃(thf)溶液b，取根据现有技术制备的聚环氧乙烷-共-聚苯乙烯配制成15mg/ml的四氢呋喃(thf)溶液c，然后分别取1mla、1μl b和1ml c混合，在超声条件下滴加到10ml水中，滴加完成后继续超声10min，然后在室温下减压除去四氢呋喃，定容到10ml得到所需的荧光传感器，即一种具有二氧化硫识别功能的聚合物比率荧光传感器。
[0044]
实施例4：二氧化硫的检测实验。
[0045]
取17个5ml样品瓶，分别加入实施例1中所得的荧光传感器溶液0.1ml(该聚合物荧光传感器原溶液的浓度为1mg/ml)，依次加入2.9ml的ph为7.4的缓冲溶液溶液，搅拌3min之后分别将浓度为[na2so3]＝0(a)，2
×
10-3
mol/l(b),5
×
10-3
mol/l(c),1
×
10-2
mol/l(d)，1.5
×
10-2
mol/l(e),2
×
10-2
mol/l(f),2.5
×
10-2
mol/l(g),3
×
10-2
mol/l(h),4
×
10-2
mol/l(i),5
×
10-2
mol/l(j),6
×
10-2
mol/l(k),7
×
10-2
mol/l(l),8
×
10-2
mol/l(m),9
×
10-2
mol/l(n),1.0
×
10-1
mol/l(o),1.1
×
10-1
mol/l(p),1.2
×
10-1
mol/l(q)的3μl亚硫酸钠溶液加入17个样品瓶中，常温下搅拌30min后，以370nm为激发波长，分别测定每个样品的荧光发射光谱，得17个样品的荧光发射光谱变化图，见图3。测定结果表明：该聚合物荧光传感器在423nm处的荧光强度随着二氧化硫浓度的逐渐增加而逐步上升，而在564nm处的荧光强度明显下降。
[0046]
实施例5：其它离子和过氧化物影响的对比检测实验。
[0047]
取23个5ml样品瓶，分别装入实施例1中所得的聚合物荧光传感器溶液0.1ml(该聚合物荧光传感器浓度为1mg/ml)，然后依次加入2.9ml的ph为7.4的缓冲溶液，搅拌3min之后分别将浓度为1.0
×
10-2
mol/l的cys(半胱氨酸)、hcy(高半胱氨酸)、gsh(谷胱甘肽)、so
42-、scn-、s2o
32-、aco-、co
32-、no
3-、s
2-、zn
2+
、mg
2+
、fe
3+
、ni
2+
、fe
2+
、ni
2+
、hpo
42-、h2po
42-、ho
·
(羟基自由基)、h2o2(过氧化氢)、t-buo
·
(过氧化叔丁基自由基)、1o2(单线态氧)溶液和浓度为1.0
×
10-2
mol/l的na2so3溶液各取30μl加入后23个样品瓶中，1号样品为空白样。然后分别测定23个样品在370nm波长激发下的荧光光谱数据，得到在423nm和564nm波长发射处的荧光比率变化值，结果见图4。测定结果表明：除了二氧化硫外，其它上述各种离子和过氧化物对所制备的聚合物荧光传感器的荧光比率强度没有明显影响。
[0048]
实施例6：其它离子和过氧化物共存时的影响的对比检测实验。
[0049]
取23个5ml样品瓶，分别装入实施例1中所得的聚合物荧光传感器溶液0.1ml(该聚合物荧光传感器浓度为1mg/ml)，然后依次加入2.9ml的ph为7.4的缓冲溶液，搅拌3min之后，1号为空白样品，其余样品瓶依次加入1.0
×
10-2
mol/l的na2so3溶液30μl，继续搅拌1min，然后分别将30μl浓度为1.0
×
10-2
mol/l的cys(半胱氨酸)、hcy(高半胱氨酸)、gsh(谷胱甘肽)、so
42-、scn-、s2o
32-、aco-、co
32-、no
3-、s
2-、zn
2+
、mg
2+
、fe
3+
、ni
2+
、fe
2+
、ni
2+
、hpo
42-、
h2po
42-、ho
·
(羟基自由基)、h2o2(过氧化氢)、t-buo
·
(过氧化叔丁基自由基)、1o2(单线态氧)溶液加入到2号至22号样品瓶中。搅拌30min之后然后分别测定11个样品在370nm为波长激发下的荧光光谱数据，得到在423nm和564nm波长发射处的荧光比率变化值，结果见图5。测定结果表明：除了二氧化硫外，其它上述各种离子和过氧化物对所制备的聚合物荧光传感器的荧光比率强度没有明显影响。
[0050]
以上所述仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专利的技术人员在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述提示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明方案的范围内。