阅读说明：本技术 一种汞离子检测的荧光探针材料及制备方法 (Fluorescent probe material for mercury ion detection and preparation method thereof ) 是由 万学娟 石圳 柯浩奇 王文韬 于 2019-09-10 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种汞离子检测的荧光探针材料及制备方法,其中,汞离子检测的荧光探针材料,分子结构式为：<Image he="360" wi="355" file="DDA0002197487630000011.GIF" imgContent="drawing" imgFormat="GIF" orientation="portrait" inline="no"></Image>本发明的汞离子荧光检测材料分子结构中,六元杂环和五元杂环上的氮、硫原子能够与汞离子发生特异性结合,改变了分子内部电荷转移过程,进而引起荧光淬灭,实现对汞离子的检测。此外本荧光检测材料化学稳定性,即使在pH接近3.5左右,仍保持着活性,对汞离子进行快速检测。(The invention provides a fluorescent probe material for mercury ion detection and a preparation method thereof, wherein the molecular structural formula of the fluorescent probe material for mercury ion detection is as follows: in the molecular structure of the mercury ion fluorescence detection material, nitrogen and sulfur atoms on the six-membered heterocyclic ring and the five-membered heterocyclic ring can be specifically combined with mercury ions, so that the internal charge transfer process of molecules is changed, fluorescence quenching is further caused, and the detection of the mercury ions is realized. In addition, the fluorescence detection material has chemical stability, and can still keep activity even if the pH value is close to about 3.5, so that mercury ions can be rapidly detected.)

一种汞离子检测的荧光探针材料及制备方法

技术领域

本发明属于荧光检测材料领域，尤其涉及一种汞离子检测的荧光探针材料及制备方法。

背景技术

汞，作为一种广泛存在的重金属污染物，在环境中主要以无机汞和有机汞，两种形式存在。无论是元素态或是离子态的汞，都可以通过环境中的细菌转换成甲基汞，进入食物链最后进入到动物和人体内，导致心脏病和高血压等心血管疾病，并影响人类的肝、甲状腺和皮肤的功能，还会严重损害人体的中枢神经系统和内分泌系统。

近年来，基于荧光的传感材料被认为是金属离子检测中最有前景的技术之一，目前，大多数荧光检测材料都是在中性条件下检测，而很多重金属污染物源呈现酸性，荧光探针活性降低，无法实现极端酸性条件下的汞离子污染水平的评估。

因此，现有技术还有待于改进和发展。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种汞离子检测的荧光探针材料及制备方法，旨在解决现有的汞离子荧光检测材料无法实现极端酸性条件下的汞离子污染水平的评估。

为解决上述技术问题，本发明是这样实现的，一种汞离子检测的荧光探针材料，其特征在于，所述荧光探针材料的分子结构式如下：

一种制备如上所述的汞离子检测的荧光探针材料的方法，合成路线如下：

步骤A、将氨基苯丙噻唑、乙酰乙酸乙酯、吡啶甲醛三种原料进行反应，得到化合物1，所述化合物1的结构如下：

步骤B、将所述化合物1与N-溴代琥珀酰亚胺进行反应，生成化合物2，所述化合物2的结构如下：

步骤C、将所述化合物2与吗啉进行反应，得到所述汞离子检测的荧光探针材料。

进一步地，所述步骤A中，氨基苯丙噻唑、乙酰乙酸乙酯、吡啶甲醛各自占所述三种原料的总量的摩尔百分比均为25-40％。

进一步地，所述步骤A中，反应前向反应体系中加入氯化钯催化剂。

进一步地，氯化钯催化剂占所述三种原料的摩尔百分比为3-15％。

进一步地，生成所述化合物1的反应，反应条件为：80-100℃下反应0.5-1.0h。

进一步地，所述步骤B包括如下步骤：

将所述化合物1溶解于有机溶剂，并加入过氧化苯甲酰和N-溴代琥珀酰亚胺，避光反应得到所述化合物2。

进一步地，生成所述化合物2的反应，反应条件为：70-90℃下反应2-3h。

进一步地，所述步骤C包括如下步骤：

向所述化合物2中加入吗啉、三乙胺，反应后进行分离得到所述汞离子检测的荧光探针材料。

进一步地，生成所述汞离子检测的荧光探针材料的反应，反应条件为：30-50℃下反应12-24h。

本发明与现有技术相比，有益效果在于：本发明的汞离子荧光检测材料，其分子结构中的六元杂环和五元杂环上的氮、硫原子能够与汞离子发生特异性结合，改变了分子内部电荷转移过程，进而引起荧光淬灭，实现对汞离子的检测。此外本荧光检测材料化学稳定性，即使在pH接近3.5左右，仍保持着活性，对汞离子进行快速检测。

附图说明

图1是本发明实施例1中的汞离子荧光检测材料的核磁氢谱图。

图2是本发明实施例1中的汞离子荧光检测材料在DMF溶液中对汞离子浓度响应的荧光光谱图。

图3是本发明实施例1中的汞离子荧光检测材料在不同汞离子浓度下对应的最大荧光强度值(467nm)的变化趋势图。

图4是本发明实施例1中的汞离子荧光检测材料在DMF溶液中在随pH变化对应的荧光光谱图。

图5是本发明实施例1中的汞离子荧光检测材料在DMF溶液中对汞离子选择性响应的荧光光谱图。

图6是本发明实施例1中的汞离子荧光检测材料在DMF溶液中对汞离子选择性的紫外吸收光谱图

图7是本发明实施例1中的汞离子荧光检测材料在DMF溶液中加入汞离子后在不同干扰阳离子存在下的荧光光谱图。

图8是本发明实施例1中的汞离子荧光检测材料在DMF溶液中加入汞离子后在不同干扰阳离子存在下的柱状图。

图9是本发明实施例1中的汞离子荧光检测材料在DMF溶液中循环加入汞离子与汞离子螯合剂(乙二胺四乙酸EDTA)的荧光光谱图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提供的汞离子检测的荧光探针材料，分子结构式如下：

本荧光材料分子结构中，六元杂环和五元杂环上的氮、硫原子能够与汞离子发生特异性结合，改变分子内部电荷转移过程，进而引起荧光淬灭，实现对汞离子的检测。此外本荧光检测材料稳定性与分散性好，即使在pH接近3.5左右，仍保持着活性，能够对汞离子进行快速检测。采用本发明的荧光材料检测汞离子，具有成本低、选择性高、操作简单、便携性强、响应时间短等优点。

本发明还提供了一种上述汞离子检测的荧光探针材料的制备方法实施例，合成路线如下：

具体包括如下步骤：

步骤A、将氨基苯丙噻唑、乙酰乙酸乙酯、吡啶甲醛三种原料进行反应，得到化合物1。其中，氨基苯丙噻唑、乙酰乙酸乙酯、吡啶甲醛的添加量，各自可以按照占三种原料总量的25-40％(摩尔百分数)进行添加,最佳反应摩尔比为1:1:1，产率最高。具体的，可以向反应体系中加入具有特异性催化效果的氯化钯，加入量为上述三种原料的3-15％(摩尔百分比)，整个反应体系在80-100℃下反应0.5-1.0h。反应结束后待体系冷却到室温，用助溶剂(例如二氯甲烷)溶解，过滤并收集滤液，浓缩后用于过柱。过柱纯化获得黄色溶液，然后在乙酸乙酯中重结晶，得到黄色颗粒状的化合物1。

步骤B、将所述化合物1与N-溴代琥珀酰亚胺进行反应，生成化合物2。具体的，将黄色颗粒状的化合物1溶于四氯化碳，加入N-溴代琥珀酰亚胺(NBS)的同时，可以加入过氧化苯甲酰(BPO)作为催化剂，有效提高反应速率。然后避光进行反应，优选的，在70-90℃下反应2-3h。反应结束后过滤收集滤液并浓缩。

步骤C、将所述化合物2与吗啉进行反应，得到所述汞离子检测的荧光探针材料。具体的，向步骤B中反应并浓缩后的滤液中加入吗啉，同时可以加入三乙胺作为敷酸剂进行反应，优选的，在30-50℃下反应12-24h。然后冷却到室温过柱纯化。最终得到棕黄色油状物质，静置后生成棕黄色粉状物质，即汞离子检测的荧光探针材料。

本制备方法中，其中氨基苯丙噻唑提供五元杂环，吡啶甲醛、吗啉提供六元杂环，这些杂环上的氮、硫原子能够与汞离子发生特异性结合，改变分子内部电荷转移过程，进而引起荧光淬灭，从而赋予了该荧光材料对汞离子的检测功能。并且本荧光检测材料稳定性与分散性好，在极端酸性条件下仍能够实现对汞离子的快速检测。

实施例1吗啉改性汞离子荧光探针检测材料的制备：

将18.0g氨基苯丙噻唑、15.0g乙酰乙酸乙酯、12.0g吡啶甲醛、2.0g氯化钯混合均匀，在90℃无溶液反应45min，反应结束后待体系冷却到室温，用助溶剂二氯甲烷溶解过滤并收集滤液，浓缩后过柱纯化，收集黄色溶液，最后用乙酸乙酯重结晶，得到黄色颗粒。

将收集到的黄色颗粒溶于四氯化碳，加入过氧化苯甲酰(BPO)0.24g，N-溴代琥珀酰亚胺(NBS)1.78g，于80℃避光条件下反应2.5h。反应结束后过滤收集滤液并浓缩。再向浓缩后的滤液中加入0.39g吗啉、0.11g三乙胺于40℃下反应18h。冷却到室温后，用于过柱收集，最终得到棕黄色固体粉末状物质，即汞离子荧光检测材料。

测试与表征

(1)图1是实施例1中的汞离子荧光检测材料的核磁共振氢谱图。

对图1进行详细分峰处理，实施例1中的汞离子荧光检测材料上氢原子均得到归属，并且在2.6ppm处出现吗啉环上的特征峰，说明成功合成分子结构对应的汞离子荧光检测材料。

(2)实施例1中的汞离子荧光检测材料对不同浓度汞离子的荧光检测

量取配制好的1mM的荧光检测样品溶液40μL，pH缓冲液400μL和DMF1160μL于已标号的24支离心管中，从1到24号离心管中分别加入汞离子溶液(100mM)0μL、4μL、8μL、12μL、16μL、20μL、24μL、28μL、32μL、36μL、40μL、80μL、120μL、160μL、200μL、240μL、280μL、320μL、360μL、400μL、800μL、1200μL、1600μL、2000μL，最后用蒸馏水定容至4ml。

采用荧光滴定法研究所制备的荧光检测材料对汞离子检测的灵敏度，实验结果如图2所示。探针材料的DMF溶液具有较强的荧光强度，当向其DMF溶液中逐渐加入汞离子，该材料的荧光强度逐渐减弱，当汞离子浓度达到10mM时，荧光强度变化减小。汞离子浓度继续增加到30mM时达到最小值1.37*10⁶，其荧光淬灭一半左右，继续增大汞离子浓度，荧光强度几乎不再变化。从图3中可以看出，汞离子浓度在1-10mM范围时，荧光强度与汞离子浓度之间存在着一定的线性关系，并且可知该材料对汞离子的响应范围为1-30mM，用公式3σ/s可求得该材料对汞离子检测的极限为0.9mM，其中，σ为空白样品的标准偏差，s为图3中插图的曲线斜率。

(3)不同pH下该荧光材料对汞离子的检测

向已标号的24支离心管中分别加入40μL的荧光检测样品溶液(1mM)和1160μL的DMF，向1到12号试管中加入200μL的汞离子溶液并分别加入pH＝3.6、pH＝3.8、pH＝4.0、pH＝4.2、pH＝4.4、pH＝4.6、pH＝4.8、pH＝5.0、pH＝5.2、pH＝5.4、pH＝5.6、pH＝5.8的pH缓冲液，最后用蒸馏水定容至4ml，向13到24试管中分别加入pH＝3.6、pH＝3.8、pH＝4.0、pH＝4.2、pH＝4.4、pH＝4.6、pH＝4.8、pH＝5.0、pH＝5.2、pH＝5.4、pH＝5.6、pH＝5.8的pH缓冲液，最后用蒸馏水定容至4ml。

采用荧光滴定法研究pH对该材料检测性能的影响，结果如图4所示。当pH小于6时，汞离子对材料的荧光淬灭性能并没有受到很大影响，且随着pH的增大，材料的淬灭性能微弱提升。当pH大于6时，随着pH的增加，材料荧光强度减小，当pH超过7时，材料的荧光强度与加入汞离子而淬灭的荧光强度相当。由以上分析可知，该材料能够在酸性条件下检测汞离子，且pH为5.8时最佳，此条件下保证了金属污染物以离子形式存在，从而可以更好地定性并且定量分析金属离子含量并提高荧光分析的适用性。

(4)该汞离子荧光检测材料的选择性测试

在已标号的14支离心管中分别加入40μL配置好的样品溶液(1mM)，1160μL的DMF和pH缓冲液400μL，并向1到14号离心管中分别加入200μL的锌离子溶液，钠离子溶液，钴离子溶液，钾离子溶液，铝离子溶液，镍离子溶液，汞离子溶液，镁离子溶液，铜离子溶液，铅离子溶液，镉离子溶液，钙离子溶液，铬离子溶液。并将14支离心管用蒸馏水定容至4ml。

探针材料对各种阳离子的选择性测试结果如图5所示，加入汞离子时，材料荧光淬灭最明显，其它阳离子如锌离子，钠离子，钴离子，钾离子，铝离子，镍离子，汞离子，镁离子，铜离子，铅离子，镉离子，钙离子，铬离子加入时，荧光强度变化比较微小。在图6中可以很直观地看到，加入汞离子后的荧光探针发生了明显蓝移，说明其六元杂环与五元杂环上氮与硫原子与汞离子发生特异性结合。由如上分析可得知，该材料对汞离子检测具有很好的选择性。

(5)汞离子检测的荧光探针材料抗干扰性测试

在已标号的15支离心管中分别加入40μL配制好的样品溶液(1mM)，1160μL的DMF和pH缓冲液400μL并向1到13号离心管中加入200μL汞离子溶液(0.1mM)，之后分别向1到12号离心管中分别加入200μL铝离子、钙离子、镉离子、钴离子、铬离子、铜离子、钾离子、镁离子、钠离子、镍离子、铅离子及锌离子溶液，将1到14号离心管用蒸馏水定容至4mL。

干扰选择性实验结果如图7、8所示。从图中可以看到，在不同干扰离子存在的条件下，只要有汞离子存在，荧光强度都大大减弱，并且各溶液的荧光强度相差不大，表明其荧光减弱主要是由汞离子引起的，受其他阴离子的影响比较小，这进一步说明了该材料对汞离子的检测具有单一的选择性，和对其他阴离子的抗干扰性。

(6)该汞离子荧光检测材料的可逆性

向已标号的4支离心管中分别加入40μL配制好的样品溶液(1mM)，1160μL的DMF和pH缓冲液400μL，向1号离心管中加入200μL汞离子溶液，向2号离心管中加入200μL汞离子溶液和280μL乙二胺四乙酸(EDTA)溶液，向3号离心管中加入200μL汞离子溶液与280μL乙二胺四乙酸(EDTA)溶液再加入200μL汞离子溶液，向4号离心管中加入200μL汞离子溶液与280μL的乙二胺四乙酸(EDTA)溶液再加入200μL汞离子溶液和280μL的乙二胺四乙酸(EDTA)溶液。

其可逆性结果如图9所示。从图中可以看出该荧光材料在经过两次汞离子和汞离子螯合剂(乙二胺四乙酸EDTA)循环后荧光强度保持不变，其检测汞离子时淬灭效果稳定，说明该荧光材料具有可重复利用的优点，是一种环保节约的检测工具。

综上所述，本发明提供了一种汞离子检测的荧光探针材料及制备方法，通过将氨基苯丙噻唑、乙酰乙酸乙酯、吡啶甲醛混合反应制备化合物1，将化合物1溴代后得到化合物2，最后用吗啉修饰获得一种汞离子检测的荧光探针材料。本制备方法简单易行，化学性质稳定好，可在酸性条件下对汞离子进行检测分析。本发明的汞离子荧光检测材料稳定性与分散性好，且可重复利用，在环境工程、分析检测等领域实现污染物的快速定性定量测试，克服了传统荧光检测材料只能在中性条件下检测而无法实现更广泛的重金属污染水平评估的问题。

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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。