一种基于苯并噻唑荧光团的荧光探针及在次氯酸检测中的应用
阅读说明：本技术 一种基于苯并噻唑荧光团的荧光探针及在次氯酸检测中的应用 (Fluorescence probe based on benzothiazole fluorophore and application of fluorescence probe in hypochlorous acid detection ) 是由 王素华 余龙 李鑫 孙明泰 苏鹏辰 殷冉皓 于 2021-08-10 设计创作，主要内容包括：本发明的目的是提供一种基于苯并噻唑荧光团的荧光探针及在次氯酸检测中的应用。本发明的荧光探针是一种可视化检测次氯酸盐的荧光探针,该荧光探针是HBT甲基衍生物,本发明验证了在不同溶剂中的荧光稳定性,并基于此应用于对次氯酸/次氯酸盐的线性检测。本发明的探针可制成试纸传感器,而用于现场快速可视化半定量检测溶液中的次氯酸/次氯酸盐浓度。(The invention aims to provide a fluorescence probe based on a benzothiazole fluorophore and application thereof in hypochlorous acid detection. The fluorescence probe is a fluorescence probe for visually detecting hypochlorite, is an HBT methyl derivative, verifies the fluorescence stability in different solvents, and is applied to linear detection of hypochlorous acid/hypochlorite based on the fluorescence stability. The probe can be made into a test paper sensor and used for quickly visualizing the concentration of hypochlorous acid/hypochlorite in a semi-quantitative detection solution on site.)
技术领域
本发明属于次氯酸及次氯酸盐的荧光分析检测
技术领域
，特别涉及一种基于苯并噻唑荧光团的荧光探针及在次氯酸检测中的应用。背景技术
次氯酸盐尤其是次氯酸钠因其氧化能力强，被广泛应用于日常生活中的各种环境消毒。在新冠肺炎大流行期间，次氯酸钠被广泛用于室内外消毒灭菌。在一些疫情严重的城市，为了彻底消灭环境中残留的病毒，防疫部门大量使用次氯酸钠，消灭城市各个角落潜在的病毒。在病毒被消灭的同时，残留在环境中的次氯酸钠也通过下水道进入河流和湖泊。然而，过量的次氯酸钠对人类和动物的健康构成潜在威胁，会导致肾脏、肺损伤和癌症等疾病。中华人民共和国卫生部有相关规定，配水系统中游离氯的最大值不能超过4mg/L。因此，构建一种高选择性、快速检测实际水样中次氯酸钠浓度的传感器具有重要意义。
到目前为止，常见检测次氯酸钠的方法有电化学法、比色法、表面增强拉曼光谱法、化学发光法、光声光谱法和荧光光谱法。在这些分析方法中，荧光分析法因其灵敏度高、选择性好、操作简单而得到了广泛的研究。在众多的有机荧光探针中，以苯并噻唑为原料合成的2-(2-羟苯基)苯并噻唑(HBT)因其优异的荧光性能而被广泛用作各种荧光探针的前驱体。然而，大多数研究成果均是在HBT分子上引入一个特定的识别基团来达到检测效果(HuR,Feng J,Hu D.A rapid aqueous fluoride ion sensor with dual output modes[J].Angew Chem Int Edit,2010,49(29):4915-4918.)。几无报道有关HBT及其甲基衍生物本身在不同溶剂中的荧光性质的研究。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于苯并噻唑荧光团的荧光探针及在次氯酸检测中的应用。本发明的荧光探针是一种可视化检测次氯酸盐的荧光探针，该荧光探针是HBT甲基衍生物，本发明验证了在不同溶剂中的荧光稳定性，并基于此应用于对次氯酸盐的线性检测。本发明的探针可制成试纸传感器，而用于现场快速可视化半定量检测溶液中的次氯酸盐浓度。
本发明的一种基于苯并噻唑荧光团的荧光探针,命名3-HBT，分子式为C14H11NOS，其结构式如下：
本发明提供了一种上述所述荧光探针的制备方法，其包括步骤：将3-甲基水杨醛与2-氨基苯硫酚溶于乙醇，抽真空，通氮气，在氮气氛围下常温反应20-40分钟后，加入盐酸和过氧化氢溶液，在氮气氛围继续反应10-20小时后，冰水浴条件下加入盐酸，除去未反应完全的2-氨基苯硫酚，再经后处理纯化即得。具体反应式如下：
上述所述荧光探针的制备方法中，优选的，所述后处理纯化是指加入饱和食盐水，乙酸乙酯萃取，旋蒸得到初步纯化的产品，再通过柱层析纯化进一步分离得到纯的样品。
上述荧光探针的制备方法，具体的，可以包括如下步骤：
(1)将3-甲基水杨醛与2-氨基苯硫酚加入到单口烧瓶中，加入适量的乙醇作为溶剂。然后抽真空，通氮气，在氮气氛围下常温搅拌30分钟。待反应30分钟后，往烧瓶中加入一定量的盐酸和过氧化氢溶液，在氮气氛围继续反应12小时。
(2)待反应结束后，将烧瓶转移到冰水中，加入一定量的盐酸溶液，以除去未反应完全的2-氨基苯硫酚。
(3)将烧瓶中的溶液转入到烧杯中，加入饱和的食盐水，然后用乙酸乙酯萃取3次，通过旋转蒸发仪将样品蒸干得到初步纯化的产品。
(4)初步纯化的样品，通过柱层析纯化进一步分离得到纯的样品，然后通过高分辨质谱确定分子量。
本发明荧光探针3-HBT的制备方法可参考Long Yu.A fluorescence probe forhighly selective and sensitive detection ofgaseous ozone based on excited-state intramolecular proton transfermechanism.Sensors and Actuators B 266(2018)717–723中关于HBT的制备。
本发明所述的荧光探针可应用于次氯酸盐的检测。具体的，所述应用，可采用下述方法步骤：将荧光探针溶于甲醇中，得到的探针储备液，然后进行次氯酸盐检测。
所述应用中，作为优选方案，可先取探针储备液加入到甲醇、水和NaOH的混合溶液中，随后加入次氯酸盐溶液，再进行次氯酸盐检测。其中，所述甲醇和水最终体积比1:1为佳，此时既能满足荧光猝灭的可识别度又能便于水系中对于次氯酸盐的检测。
作为所述的应用的一种具体方法，可采用下述步骤：将荧光探针溶于甲醇中，得到1mM的探针储备液，取20μL探针储备液加入到甲醇、水和NaOH的混合溶液中，随后加入次氯酸盐溶液，使最终体积为2mL，进行次氯酸盐检测；其中，所述甲醇和水的最终体积比1:1，加入20μL浓度为0.04M的NaOH溶液。
上述所述的应用，优选的，可取20μL探针储备液加入到甲醇和水的混合溶液中，随后计入20μL的浓度为0.04M的NaOH溶液，然后加入次氯酸盐进行检测。
上述所述的应用中，优选的，可向探针溶液中加入NaOH溶液，然后进行次氯酸盐检测。由于探针在碱性条件下荧光强度增加，因此测试了NaOH加入量，而当加入20μL浓度为0.04M的NaOH溶液可使探针起始荧光强度达到最大，并且测试了加入NaOH溶液的紫外吸收光谱。
上述所述的应用，还可采用另一种方案，如可将荧光探针溶于甲醇中，得到探针储备液，取试纸浸入探针储备液，再干燥得到测试用荧光试纸，然后进行次氯酸盐检测。
上述所述的应用，当次氯酸盐不足量时，探针的酚羟基和硫醚结构首先被氧化成醌和亚砜结构；而在次氯酸盐过量时，亚砜结构被进一步氧化成砜结构，反应过程如下：
本发明的荧光探针可制作成试纸传感器，往试纸上加入不同浓度的次氯酸钠溶液，试纸荧光会被不同程度的淬灭，从而实现了对次氯酸钠的半定量检测。本发明测试了探针在甲醇、乙醇、异丙醇、N,N-二甲基甲酰胺、乙腈、二甲基亚砜和丙酮这几种常见并且能与水互溶的有机溶剂环境下对次氯酸钠溶液的荧光响应。结果发现探针在甲醇环境中，荧光能被次氯酸钠溶液明显淬灭。为了应用于实际环境(实际环境大多是水环境)，最终选择了甲醇和水体积比为1:1的溶剂环境。
本发明探究了HBT的甲基衍生物(3-HBT)在特定溶剂中被次氯酸钠淬灭荧光，为有机荧光分析检测提供了重要思路。
本发明可在特定溶剂环境中对次氯酸钠的高选择性检测。同时可在较广的浓度范围实现了对次氯酸钠线性检测。验证了3-HBT的氧化机制，首先是酚羟基被氧化成苯醌结构，硫醚结构被氧化成亚砜，在次氯酸钠过量是亚砜被进一步氧化成砜结构。本实验中的分子探针固体即可以发射荧光，因此制成的试纸荧光传感器比其它只能在液体中发光的探针制成的试纸传感器效果要更加明显。
附图说明
图1是确定浓度为0.04M的NaOH溶液的加入量，使探针荧光强度达到最大；图中，四条荧光曲线从下至上(箭头方向)代表NaOH溶液量依次为5μL,10μL,15μL,20μL，而25μL的荧光曲线与20μL重合；
图2是探针溶液中加入不同量的NaOH溶液的紫外吸收变化图谱；图中，箭头方向代表NaOH溶液量逐渐增大；
图3是探针在水和其它常见有机溶剂中，加入相同且过量的次氯酸钠溶液荧光图片，在365nm紫外灯下拍摄荧光照片，发现在甲醇中淬灭效果最好，水次之，其他溶剂中荧光猝灭均不明显；
图4是探针对不同浓度的次氯酸钠的荧光响应图与线性图谱；左图中，荧光曲线从上至下，次氯酸钠用量从0-80μL逐渐增大；
图5是纯化后的探针分子高分辨质谱图；
图6是加入少量的次氯酸钠的高分辨质谱图；
图7是加入过量的次氯酸钠的高分辨质谱图；
图8是半定量检测次氯酸钠的荧光检测图；
图9是在与线性检测相同的探针浓度和溶剂环境下，NaClO的浓度为120μM，其它物质的浓度为240μM。但是依然是NaClO表现出好的选择性。图中，过氧亚硝酸根(ONOO-)，过氧化氢叔丁醇(TBHP)，羟基自由基(·OH)。
具体实施方式
下述实施例是对于本发明内容的进一步说明以作为对本发明技术内容的阐释，但本发明的实质内容并不仅限于下述实施例所述，本领域的普通技术人员可以且应当知晓任何基于本发明实质精神的简单变化或替换均应属于本发明所要求的保护范围。
实施例1
荧光探针制备：
将3mmol的水杨醛和3.2mmol的2-氨基巯基酚加入到装有6mL乙醇溶液的圆底烧瓶中，并将一头接有气球的玻璃三通阀连接到烧瓶上。通过带有气球的玻璃三通阀门将烧瓶抽真空和通氮气，在常温下反应30min。待反应30min后，迅速加入0.34mL的H2O2(30％，质量)和0.17mL的HCl(37％，质量)。继续在氮气氛围下反应12h。
反应结束后，将烧瓶在冰水条件下继续0.05mL的HCl(37％)，然后将溶液转移到100mL的烧杯中，加入30mL的饱和食盐水。用50mL的乙酸乙酯萃取3次，将样品通过旋转蒸发仪蒸干得到初步纯化的样品。
将初步纯化的样品，用乙酸乙酯溶解并加入适量的硅胶，通过旋转蒸发仪蒸干，然后通过体积比为5:1的石油醚/乙酸乙酯洗脱液的硅胶色谱柱纯化，得到纯的探针样品，然后取样少量样品做高分辨质谱分析。结果如图5。
实施例2
取0.01mmol的探针溶于10mL的甲醇溶液中，得到1mM的探针储备液。取20μL的探针储备液，加入到甲醇和水溶液的比色皿中，然后逐渐加入5,10,15,20和25μL浓度为0.04M的氢氧化钠溶液。当加入到20μL时，荧光强度就基本不再增加。因此后续溶剂环境均是在相同条件下加入20μL的浓度为0.04M的NaOH溶液。并且同时测得加入对应的紫外吸收光谱图。如图1、图2所示。
实施例3
取实施例2所述的20μL探针储备液，分别加入到水、甲醇、乙醇、异丙醇、N,N-二甲基甲酰胺、乙腈、二甲基亚砜和丙酮溶剂的离心管中，再加入20μL的浓度为0.04M的NaOH溶液，然后加入相同且过量的次氯酸钠溶液，在365nm波长的紫外灯下面拍摄荧光照片。发现在甲醇溶液中，探针的淬灭效果最好(明显荧光猝灭)。如图3。
实施例4
从实施例2所述储备液中取20μL加入到甲醇、水和NaOH溶液(20μL，0.04M)的比色皿中。随后分别加入体积为10,20,30,40,50,60,70和80μL浓度为4mM的次氯酸钠溶液(使得最终体积均为2mL(甲醇：水＝1:1))。从而实现在20-160μM线性检测次氯酸钠溶液。如图4所示。
实施例5
在实施例4那样的溶剂环境中(甲醇、水和NaOH溶液)，使加入的探针和次氯酸钠摩尔比例为2:1(次氯酸钠不足量)，然后测试反应后的高分辨质谱。质谱数据表明溶液中剩余未反应完全探针和未被完全氧化亚砜结构产物。结果如图6。
在选定的溶剂中(甲醇、水和NaOH溶液)，加入过量的次氯酸钠溶液，然后测试反应后的高分辨质谱。剩余产物为完全氧化的砜结构产物。结果如图7。
实施例6
制作试纸：将聚四氟乙烯材料的纸片通过打孔器制成一张纸的圆纸片，然后浸入在浓度为1mM的3-HBT中，然后干燥得到检测次氯酸钠的荧光试纸。
取次氯酸钠母液浓度大约为1M，再取1mL的次氯酸钠，稀释至10mL，此时浓度为0.1M。然后分别取5，25，50，75，100和200μL的次氯酸钠溶液定容至10mL。此时次氯酸钠的浓度依次为3.7、18.5、37、55.5、74和148ppm。然后取10μL不同ppm的次氯酸钠溶液，滴加在试纸上面，在365nm的紫外灯下面拍照，可获得半定量检测次氯酸钠的荧光检测图。如图8。图中，A组为对照组，各圆形试纸均显示绿色荧光；B组为测试组，滴加次氯酸钠溶液后，绿色荧光猝灭，随次氯酸钠溶液浓度升高，荧光猝灭越明显。
实施例7
从实施例2所述储备液中取20μL加入到甲醇、水和NaOH溶液(20μL，0.04M)的比色皿中。随后加入20μL浓度为120μM的次氯酸钠溶液(最终体积为2mL(甲醇：水＝1:1))。
从实施例2所述储备液中取20μL加入到甲醇、水和NaOH溶液(20μL，0.04M)的比色皿中。随后分别加入20μL浓度为240μM的1-12号所示物质的溶液(最终体积均为2mL(甲醇：水＝1:1))。
如图9，荧光检测结果对比发现，1-12号所示物质的溶液浓度虽然较次氯酸钠溶液浓度高出一倍，但是本发明荧光探针对于NaClO仍表现出高选择性。
应当说明的是，本发明的上述所述之技术内容仅为使本领域技术人员能够获知本发明技术实质而进行的解释与阐明，故所述之技术内容并非用以限制本发明的实质保护范围。本发明的实质保护范围应以权利要求书所述之为准。本领域技术人员应当知晓，凡基于本发明的实质精神所作出的任何修改、等同替换和改进等，均应在本发明的实质保护范围之内。
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