传感装置和化学传感器和与其相关的化合物的制作方法

1.本公开涉及用于离子传感的化合物，例如使用所述化合物并被配置为传感流体介质中的离子的化学传感器。


背景技术：

2.保证饮用水的品质已成为全世界的焦点。已努力除去饮用水中的污染物。这些污染物的一些是重金属离子，如铅离子（pb
2
）、砷离子（as
3
或as
5
）、汞离子（hg
2
）、铬离子（cr
2
）或镉离子（cd
2
），它们可对人类造成有害健康影响。例如，pb
2
离子可进入细胞并结合到蛋白质上，以诱发细胞毒性。因此，监测饮用水中的重金属离子的水平至关重要。


技术实现要素：

3.根据一个实施方案，公开了用于离子传感的化合物。所述化合物可包含荧光团、键合到荧光团的间隔基团和具有键合到间隔基团的不饱和杂环环的受体。所述间隔基团可以是甲胺基团（-ch
2-nh-）。所述受体和/或间隔基团分别可具有键合到不饱和杂环环的受体侧链和/或键合到甲胺基团（-ch
2-nh-）的间隔基团侧链。所述受体可包含至少两个电负性原子。所述不饱和杂环环可以是噻唑。所述受体侧链可以是哌啶基团或含硫基团。所述间隔基团侧链可以是烷基或苯基。所述荧光团可以是蒽、苯、咔唑、二苯基呋喃、萘、1,8萘二甲酰亚胺、卟啉或芘。
4.根据另一实施方案，公开了被配置为捕获流体介质中的离子的化学传感器。所述化学传感器可包含荧光团、键合到荧光团的间隔基团和具有键合到间隔基团的不饱和杂环环的受体。所述间隔基团可以是甲胺基团（-ch
2-nh-）。所述受体和/或间隔基团分别可具有键合到不饱和杂环环的受体侧链和/或键合到甲胺基团（-ch
2-nh-）的间隔基团侧链。所述受体可包含至少两个电负性原子。所述不饱和杂环环可以是噻唑。所述受体侧链可以是哌啶基团或含硫基团。所述间隔基团侧链可以是烷基或苯基。所述荧光团可以是蒽、苯、咔唑、二苯基呋喃、萘、1,8萘二甲酰亚胺、卟啉或芘。
5.根据再一实施方案，公开了传感装置。所述传感装置可包括被配置为捕获离子和响应于捕获离子而生成信号的化学传感器和被配置为收集信号和计算流体介质中的离子浓度的检测器。所述化学传感器可进一步包含荧光团、键合到荧光团的间隔基团和具有键合到间隔基团的不饱和杂环环的受体。所述间隔基团可以是甲胺基团（-ch
2-nh-）。所述受体和间隔基团被配置为捕获离子以生成信号。受体和/或间隔基团分别可具有键合到不饱和杂环环的受体侧链和/或键合到甲胺基团（-ch
2-nh-）的间隔基团侧链。所述受体可包含至少两个电负性原子。所述不饱和杂环环可以是噻唑。所述受体侧链可以是哌啶基团或含硫基团。所述间隔基团侧链可以是烷基或苯基。所述荧光团可以是蒽、苯、咔唑、二苯基呋喃、萘、1,8萘二甲酰亚胺、卟啉或芘。
附图说明
6.图1描绘被配置为检测流体介质中的离子的化学传感器的示意图。
7.图2描绘可用于执行量子化学代码的计算平台，如orca的示意图。
8.图3a描绘表1中的各分子与mg
2
离子之间的结合能 vs. 表1中的各分子与pb
2
离子之间的结合能的示意图。
9.图3b描绘表1中的各分子与ca
2
离子之间的结合能 vs. 表1中的各分子与pb
2
离子之间的结合能的示意图。
10.图3c描绘表1中的各分子与na

离子之间的结合能 vs. 表1中的各分子与pb
2
离子之间的结合能的示意图。
11.图3d描绘表1中的各分子与h

离子之间的结合能 vs. 表1中的各分子与pb
2
离子之间的结合能的示意图。
12.图3e描绘表1中的各分子的质子化形式与pb
2
离子之间的结合能 vs. 表1中的各分子与pb
2
离子之间的结合能的示意图。
13.图4描绘表1中的各分子与离子之间的结合能（ev）vs. 该离子的离子电荷量（%）的示意图。
14.图5a描绘根据本公开的示例性化学传感器的示意图。
15.图5b描绘图解图5a中描述的化学传感器中的电荷转移对pb
2
离子结合的影响的示意图。
16.图6描绘在表1中的各分子结合到离子时的电荷转移量 vs. 化学传感器的一部分与该离子之间的距离的示意图。
17.图7描绘图解如图6中所述的双层静电效应的示意图。
18.图8描绘被配置为用于选择性pb
2
离子传感的化学传感器的候选者。
19.图9描绘被配置为检测流体介质中的离子的传感装置的示意性透视图。
具体实施方式
20.在本文中描述了本公开的实施方案。但是，要理解的是，所公开的实施方案仅是实例并且其它实施方案可呈现各种替代形式。附图不一定按比例；一些特征可能放大或最小化以显示组件的细节。因此，本文中公开的具体结构和功能细节不应被解释为限制，而是仅作为教导本领域技术人员以各种方式利用实施方案的代表性基础。如本领域普通技术人员所理解，参照任一附图图解和描述的各种特征可与一个或多个其它附图中图解的特征组合以得出没有明确图解或描述的实施方案。图解的特征的组合提供了典型应用的代表性实施方案。但是，应用或实施可能需要与本公开的教导相符的特征的各种组合和修改。
21.本公开不限于下述具体实施方案和方法，因为具体组分和/或条件当然可变。此外，本文所用的术语仅以描述本公开的实施方案为目的并且无意以任何方式进行限制。
22.除非文中清楚地另行指明，说明书和所附权利要求书中所用的单数形式“一个”、“一种”和“所述”包含复数对象。例如，以单数形式提到一个组分意在包含多个组分。
23.一组或一类材料被描述为适用于与一个或多个实施方案相关的给定目的意味着该组或该类中的任何两个或更多个成员的混合物是合适的。以化学术语描述成分是指在添加到说明书中规定的任何组合中时的成分，并且不一定排除一经混合后混合物的成分之间
的化学相互作用。
24.除非明确指明，本说明书中指示尺寸或材料性质的所有数值量应被理解为被词语“大约”修饰以描述本公开的最宽泛范围。
25.首字母缩略词或其它缩写词的首次定义适用于相同缩写词在本文中的所有后续使用并在加以必要修改的情况下用于最初定义的缩写词的正常语法变型。除非明确作出相反的指示，性质的测量是通过与之前或之后对相同性质提到的相同技术来测定的。
26.术语“基本”在本文中可用于描述所公开或请求保护的实施方案。术语“基本”可修饰本公开中公开或请求保护的任何数值或相对特征。“基本”可意味着其修饰的数值或相对特征在该数值或相对特征的
±ꢀ
0%、0.1%、0.5%、1%、2%、3%、4%、5%或10%内。
27.详细提到本发明人已知的化合物、实施方案和实施方案的方法。但是，所公开的实施方案仅是本公开的示例，其可具体化为各种替代形式。因此，本文中公开的具体细节不应被解释为限制，而是仅作为教导本领域技术人员以各种方式利用本公开的代表性基础。
28.离子传感技术已用于检测流体介质（例如水）中的离子。例如，基于荧光的检测方法已用于传感水中的离子，包括重金属离子，其中离子结合到检测分子（例如化学传感器）上以生成或猝灭荧光。测量荧光可随后测定水中的离子量。
29.但是，由于不同离子具有不同大小并且当结合到不同的检测分子时需要不同的结合能，常规的基于荧光的检测方法可能对传感不同离子而言表现出不同的灵敏度。因此，为了精确检测流体介质中的目标离子的存在，检测分子需要以高灵敏度选择性结合到目标离子上。
30.本公开的方面涉及化合物和使用所述化合物并被配置为检测流体介质（例如水）中的离子，尤其是pb
2
离子的化学传感器。在一个实施方案中，该化学传感器是受体-间隔基团-荧光团类型的传感器，其中间隔基团是甲胺基团（-ch
2-nh-），且受体包含键合到间隔基团的不饱和杂环环并进一步包含至少一个键合到不饱和杂环环的侧链。在另一实施方案中，该化学传感器是受体-间隔基团-荧光团类型的传感器，其中间隔基团是具有至少一个侧链的甲胺基团（-ch
2-nh-），且受体包含键合到间隔基团的不饱和杂环环。在再一实施方案中，本公开涉及包括化学传感器并被配置为测定流体介质中的离子（例如pb
2
离子）的量的传感装置。
31.图1描绘被配置为检测流体介质（例如水）中的离子（例如pb
2
离子）的化学传感器的示意图。如图1中所示，化学传感器10是受体-间隔基团-荧光团类型的传感器。具体地，化学传感器10包含荧光团12。荧光团12的非限制性实例可以是蒽、苯、咔唑、二苯基呋喃、萘、1,8-萘二甲酰亚胺、n,n,n',n'-四甲基联苯胺、卟啉或芘。
32.化学传感器10还包含键合到荧光团12的间隔基团14。间隔基团14可以是甲胺基团（-ch
2-nh-），其可任选包含至少一个附着于其上的侧链。所述至少一个侧链的非限制性实例可以是烷基、苯基或胺基。
33.此外，化学传感器10包含键合到间隔基团14并被配置为捕获流体介质中的离子（例如pb
2
离子）的受体16。受体16可包含键合到间隔基团14的不饱和杂环环。受体16还可包含至少一个键合到不饱和杂环环的侧链。所述不饱和杂环环可以是、但不限于噻唑、二嗪或吡啶。在一些实施方案中，受体16可包含至少一个电负性原子，其可以是、但不限于氧(o)、氮(n)或硫(s)。
34.化学传感器10还可包含锚18，其可将化学传感器10连接到纤维素微粒上，以固定化学传感器10。锚18可以是二乙砜。所述纤维素微粒可具有1至100
ꢀµ
m的尺寸并可被水凝胶包埋。水凝胶可以是、但不限于聚氨酯或聚(甲基丙烯酸2-羟乙酯)（聚hema）。此外，所述纤维素微粒和水凝胶可受聚合物载体支撑，所述聚合物载体可以是、但不限于聚对苯二甲酸乙二醇酯（pet）。
35.图2描绘可用于执行量子化学代码的计算平台，如orca的示意图。计算平台20可包括处理器22、内存24和非易失存储器26。处理器22可包括选自高性能计算（hpc）系统的一个或多个设备，包括高性能核心、微处理器、微控制器、数字信号处理器、微型计算机、中央处理单元、现场可编程门阵列、可编程逻辑器件、状态机、逻辑电路、模拟电路、数字电路或基于存在于内存中的计算机可执行指令而操纵信号（模拟或数字）的任何其它设备。内存24可包括单个内存设备或许多内存设备，包括随机存取内存（ram）、易失性内存、非易失性内存、静态随机存取内存（sram）、动态随机存取内存（dram）、闪存、高速缓冲内存或能够存储信息的任何其它设备。非易失存储器26可包括一个或多个永久数据存储设备，如硬盘驱动器、光盘驱动器、磁带驱动器、非易失性固态设备、云存储或能够永久存储信息的任何其它设备。
36.处理器22可被配置为读入内存并执行存在于非易失存储器26的计算软件模块28中并将一个或多个实施方案的算法、计算和/或方法具体化的计算机可执行指令。计算软件模块28可包括操作系统和应用程序。计算软件模块28可由使用各种编程语言和/或技术（包括、但不限于独自或组合的java、c、c 、c#、objective c、fortran、pascal、java script、python、perl和pl/sql）创建的计算机程序编写或解释。
37.在通过处理器22执行时，计算软件模块28的计算机可执行指令可使计算平台20执行本文中公开的计算算法和/或方法的一个或多个。非易失存储器26还可包括支持本文所述的一个或多个实施方案的功能、特征、计算和过程的计算数据30。
38.将本文所述的算法和/或方法具体化的程序代码能够独立地或共同地作为各种不同形式的程序产品分配。程序代码可使用其上具有计算机可读程序指令的计算机可读存储介质分配，以使处理器执行一个或多个实施方案的方面。固有非暂时性的计算机可读存储介质可包括在用于存储信息（如计算机可读指令、数据结构、程序模块或其它数据）的任何方法或技术中执行的易失性和非易失性、可移动和不可移动的有形介质。计算机可读存储介质可进一步包括ram、rom、可擦除可编程只读内存（eprom）、电可擦除可编程只读内存（eeprom）、闪存或其它固态内存技术、便携式光盘只读内存（cd-rom）或其它光学存储器、磁带盒、磁带、磁盘存储器或其它磁存储设备、或可用于存储所需信息并可被计算机读取的任何其它介质。计算机可读程序指令可从计算机可读存储介质下载到计算机、另一类型的可编程数据处理装置或另一设备，或经网络下载到外部计算机或外部存储设备。
39.存储在计算机可读介质中的计算机可读程序指令可用于指导计算机、其它类型的可编程数据处理装置或其它设备以特定方式工作，以使存储在计算机可读介质中的指令生成包括执行流程图或图表中指定的功能、动作和/或操作的指令的制造品（article of manufacture）。在某些替代性实施方案中，流程图和图表中指定的功能、动作和/或操作可依据一个或多个实施方案重新排序、串行处理和/或并行处理。此外，任何流程图和/或图表可包括比依据一个或多个实施方案例示的那些更多或少的节点或区块。
40.参考图2，计算平台20可用于筛选以高灵敏度选择性结合到pb
2
离子上的化学传感
器。计算平台20可计算给定分子的能量和/或光谱。具体地，计算平台20可使用具有类导体可极化连续溶剂化模型（conductor-like polarizable continuum solvation model）（cpcm）和karlsruhe基组def2-svp的局域密度近似（lda）或b3lyp杂化泛函来优化给定分子的几何结构。计算平台20可计算在可能的结合位点处的能量并选择具有最低结合能的结合位点。此外，计算平台20可使用具有恒等逼近解析（resolution of the identity approximation）的二阶moeller-plesset微扰理论（ri-mp2）以及溶剂化模型cpcm和基组def2-svp来计算给定分子的总能量。可在lda下加入基组校正至def2-qzvpp。可在def2-svp下进一步加入来自基于域的局部对-自然轨道耦合簇（domain-based local pair-natural orbital coupled cluster）（dlpno-ccsd(t)）近似的独立相关校正。此外，计算平台20可使用orca asa或orca esd模块来计算荧光。计算平台20还可使用具有溶剂化模型cpcm和基组def2-svp的ri-mp2基于电荷方案如mulliken或hirshfeld来计算电荷。此外，可作为未结合分子的能量 离子能量与结合分子的能量之间的能量差来计算结合能。各离子可具有未被cpcm近似捕获的相关溶剂化能量，其可忽略不计，除非将离子互相比较。
41.表1提供通过计算平台20筛选的一组分子。各分子由基于噻唑的受体和基于甲胺的间隔基团组成。基于噻唑的受体可进一步包含至少一个附着于其噻唑部分的侧链，且间隔基团也可包含至少一个附着于其甲胺基团（-ch
2-nh-）部分的侧链。各分子可键合到荧光团，即1,8-萘二甲酰亚胺，以形成化学传感器。荧光团可进一步键合到锚，即二乙砜。使用图2中描述的计算平台20，可确定强力结合到pb
2
离子的分子。
42.表1提供各分子与pb
2
离子之间的结合能（ev）。表1还提供各分子的mdl/mfcd/chemspace识别码（id）（如果有的话）、化学文摘服务（cas）号（如果有的话）和简化分子线性输入规范（simplified molecular-input line-entry system）（smiles）。各分子包括其可能相关的任何立体异构体。
43.根据表1中提供的结合能，看起来强力结合到pb
2
离子上的分子是分子9（4-(氨基甲基)-n-[3-(二甲基氨基)甲基]-n-甲基-1,3-噻唑-2-胺）、分子4 (4-(3-氨基丙基)-1,3-噻唑-2-胺)、分子y（(2-{[4-(丙-2-基)哌啶-1-基]甲基}-1,3-噻唑-4-基)甲胺）、分子v（{2-[(4-甲基哌啶-1-基)甲基]-1,3-噻唑-4-基}甲胺）、分子e（{2-[(3,5-二甲基哌啶-1-基)甲基]-1,3-噻唑-4-基}甲胺）、分子t（4-[(3-甲基-1-哌啶基)甲基]-1,3-噻唑-2-胺）、分子d（4-[(3,5-二甲基-1-哌啶基)甲基]-1,3-噻唑-2-胺）和分子8（4-(1-氨基乙基)-n-[2-(二甲基氨基)乙基]-n-甲基-1,3-噻唑-2-胺）。
[0044]
除pb
2
离子结合能外，为了探究各分子对pb
2
离子结合的选择性和灵敏度，还使用计算平台20确定各分子与竞争离子，如镁离子（mg
2
）、钙离子（ca
2
）、钠离子（na

）或质子（h

）之间的结合能。
[0045]
如由计算平台20生成，图3a描绘表1中的各分子与mg
2
离子之间的结合能 vs. 表1中的各分子与pb
2
离子之间的结合能的示意图。对于选择性结合到pb
2
离子而非mg
2
离子的分子，该分子可能表现出相对更负的pb
2
离子结合能和相对更正的mg
2
离子结合能。因此，这样的分子可能倾向于位于该图的左上区域。如图3a中所示，分子y、v、e、t和d看起来表现出相对较强的pb
2
离子结合和较弱的mg
2
离子结合。
[0046]
在图3b中可观察到类似的结果，其描绘表1中的各分子与ca
2
离子之间的结合能 vs. 表1中的各分子与pb
2
离子之间的结合能的示意图。类似地，对于选择性结合到pb
2
离
子而非ca
2
离子的分子，该分子可能表现出相对更负的pb
2
离子结合能和相对更正的ca
2
离子结合能。因此，这样的分子可能倾向于位于该图的左上区域。如图3b中所示，分子y、v、t和d可能表现出相对较强的pb
2
离子结合和较弱的ca
2
离子结合。
[0047]
此外，如由计算平台20生成，图3c描绘表1中的各分子与na

离子之间的结合能 vs. 表1中的各分子与pb
2
离子之间的结合能的示意图。对于选择性结合到pb
2
离子而非na

离子的分子，该分子可能表现出相对更负的pb
2
离子结合能和相对更正的na

离子结合能。因此，这样的分子可能倾向于位于该图的左上区域。如图3c中所示，分子9、y、v、t和4可能表现出相对较强的pb
2
离子结合和较弱的na

离子结合。
[0048]
此外，如由计算平台20生成，图3d描绘表1中的各分子与h

离子之间的结合能 vs. 表1中的各分子与pb
2
离子之间的结合能的示意图。对于选择性结合到pb
2
离子而非h

的分子，该分子可能表现出相对更负的pb
2
离子结合能和相对更正的h

结合能。因此，这样的分子可能倾向于位于该图的左上区域，其中该分子较不可能被质子化。如图3d中所示，分子9、y、v、e、t、d和8可能表现出相对较强的pb
2
离子结合和较弱的h

结合。
[0049]
此外，如由计算平台20生成，图3e描绘表1中的各分子的质子化形式与pb
2
离子之间的结合能 vs. 表1中的各分子（即非质子化形式）与pb
2
离子之间的结合能的示意图。与图3a-3d相反，对于当分子被质子化时以较高灵敏度结合到pb
2
离子的分子（即该结合相对ph不敏感），这样的分子可能倾向于位于该图的左下区域。如图3d中所示，当各分子被质子化时，分子e、y和8看起来表现出相对较强的pb
2
离子结合。
[0050]
纵观图3a至3e，候选分子在每种情形下与表1中认定的那些相符（即分子9、4、y、v、e、t、d和8）。但是，尽管分子9在na

和/或h

离子存在下表现出相对更强的pb
2
离子结合和更好的对pb
2
离子的选择性，但分子9目前在商业上不可得。此外，尽管分子4表现出相对较强的pb
2
离子结合 vs. na

离子，但分子4在mg
2
、ca
2
和/或h

离子存在下表现出相对差的对pb
2
离子的选择性。此外，尽管分子e在mg
2
和/或h

离子存在下表现出相对较强的对pb
2
离子的选择性，但当ca
2
和/或na

离子也存在于流体介质中时，分子e表现出相对差的对pb
2
离子的选择性。此外，分子8看起来在mg
2
、ca
2
和/或na

离子存在下表现出相对差的对pb
2
离子的选择性。
[0051]
另一方面，分子y、v和d表现出相对更强的pb
2
离子结合和更好的对pb
2
离子的选择性，并且它们每个都包含基于哌啶的侧链，该侧链附着于各分子的基于噻唑的受体的噻唑部分。另外，分子t不仅表现出相对更强的pb
2
离子结合，还当mg
2
、ca
2
、na

和/或h

离子也存在于流体介质中时表现出良好的对pb
2
离子的选择性。
[0052]
除了基于噻唑的受体和基于甲胺的间隔基团的化学结构的影响外，其它因素也可影响化学传感器的结合行为（例如选择性或灵敏度）。这些因素的一些可包括键合到基于甲胺的间隔基团上的荧光团的结构、荧光团与结合离子之间的距离、和基于噻唑的受体的电负性原子（例如n、o或s）与结合离子之间的距离。例如，在上文讨论的分子中，结果也表明，由于各分子的荧光团靠近pb
2
离子，分子4、e和t更可能表现出弱荧光。此外，在用于选择性离子传感的化学传感器的选择中，也可能需要考虑经济原因（例如合成化学传感器的成本或可行性）。
[0053]
此外，表1和图3a至3e中的结果还表明，将侧链引入化学传感器的基于噻唑的受体或基于甲胺的间隔基团可增强该化学传感器对pb
2
离子结合的选择性。此外，由于卤素，如
氟(f)或氯(cl)的高反应性，将卤素添加到化学传感器的基于噻唑的受体或基于甲胺的间隔基团可能不利于pb
2
离子结合。
[0054]
图4描绘表1中的各分子与离子之间的结合能（ev）vs. 该离子的离子电荷量（%）的示意图。该离子可分别是ca
2
（圆形）、mg
2
（三角形）或pb
2
（正方形）。如图4中所示，各分子与离子之间的结合能与相应离子的离子电荷量（%）大致呈线性。例如，较强的pb
2
结合能看起来对应于pb上的较小离子电荷量（%）（即pb上的电荷小于2 ）。此外，随着pb上的离子电荷量（%）增加，pb
2
结合强度看起来降低。在ca
2
和mg
2
结合情形中可观察到类似的结果。这些结果表明，离子结合过程可能不仅是库仑相互作用，还受电荷转移倾向的影响。这样的电荷转移过程可能是从相邻原子（即位于相对靠近结合离子的给电子原子）转移到结合离子。因此，根据基于噻唑的受体、基于甲胺的间隔基团和/或荧光团的化学结构和根据基于噻唑的受体、基于甲胺的间隔基团和/或荧光团各自与结合离子之间的距离，高的电荷转移倾向可提高在结合位点处或附近的电子密度，从而有助于相对较强的离子结合。
[0055]
图5a描绘根据本公开的示例性化学传感器的示意图。如图5a中所示，化学传感器50包含噻唑受体、甲胺间隔基团和1,8-萘二甲酰亚胺荧光团。该化学传感器可经由噻唑受体的n原子和甲胺间隔基团的n原子配位到pb
2
离子。此外，荧光团可附着于锚，即二乙砜。
[0056]
图5b描绘图解图5a中描述的化学传感器中的电荷转移对pb
2
离子结合的影响的示意图。如图5b中所示，该化学传感器的原子可能在pb
2
离子结合时损失或获得电荷。结合状态（即当化学传感器结合到pb
2
离子时）与未结合状态（即当化学传感器没有结合到pb
2
离子时）之间的电荷差可代表从各原子到pb
2
离子的电荷转移量。具体地，负电荷差表明在pb
2
离子结合时的电荷损失（即获得电子）。相反，正电荷差表明在pb
2
离子结合时的电荷增加（即损失电子）。
[0057]
参考图5b，pb
2
离子表现出负电荷差，其因此表明在pb
2
离子结合时，pb
2
离子损失电荷（即pb上的电荷小于2 ）。这也表明在pb
2
离子结合时，至少一个相邻原子向pb
2
离子转移电子，由此促进pb
2
离子结合。类似地，噻唑受体的n原子和甲胺间隔基团的n原子都表现出负电荷差，这表明这两个n原子都在pb
2
离子结合时损失电荷（即获得电子）。另一方面，噻唑受体的s原子表现出正电荷差，这意味着在pb
2
离子结合时，该s原子损失电子。类似地，荧光团中的原子的正电荷差也表明这些原子给出电子以促进pb
2
离子结合。
[0058]
图6描绘在表1中的各分子结合到离子时的电荷转移量 vs. 化学传感器的一部分与该离子之间的距离的示意图。该离子可分别是ca
2
（圆形）、h

（三角形）、mg
2
（正方形）、na

（十字）或pb
2
（菱形）。化学传感器的所述部分可分别是(a) 基于噻唑的受体的噻唑部分的n原子；(b) 基于噻唑的受体的o原子（如果有的话）；(c) 基于噻唑的受体的s原子（如果有的话）；(d) 1,8-萘二甲酰亚胺荧光团；和(e) 基于噻唑的受体的噻唑部分的s原子。
[0059]
参考图6，从所述部分中的每个到结合离子的电荷转移量可根据该部分与结合离子之间的距离而变。具体地，在图6(a)至(c)中，在离子结合时，当各部分与结合离子之间的距离为2至3
ꢀå
（或对于图6(a)而言2至3.5
ꢀå
）时，各相邻原子表现出负电荷差。这些结果表明在离子结合时，相邻原子损失电荷（即获得电子）。另一方面，在图6(d)中，在离子结合时，当荧光团与结合离子之间的距离远于3.5
ꢀå
时，电荷差大多为正。这些结果表明在离子结合时，荧光团向相邻原子和结合离子给出电子，从而导致荧光团获得电荷。类似地，在图6(e)中，在离子结合时，当s原子与结合离子之间的距离远于3.5
ꢀå
时，基于噻唑的受体的噻唑部
分的s原子的电荷差大多为正。这也表明在离子结合时，s原子向相邻原子和结合离子给出电子，从而获得电荷。
[0060]
图7描绘图解如图6中所述的双层静电效应的示意图。如图6中论述，在离子结合时，当各相邻原子与结合离子之间的距离通常为2至3.5
ꢀå
时，相邻原子如n、o和s可获得电子（即损失电荷）。这样的效应可在结合离子周围形成“负壳”（层1）。此外，由于当荧光团或s原子与结合离子之间的距离通常远于3.5
ꢀå
时，荧光团和基于噻唑的受体的噻唑部分的s原子在离子结合时向相邻原子和结合离子给出电子，因此荧光团和s原子因此获得电荷，从而在层1周围形成“正壳”（层2）。因此，来自荧光团和基于噻唑的受体的噻唑部分的s原子的电荷转移倾向可在结合离子周围造成双层静电效应。这样的效应可有助于筛选和识别可强力和选择性结合到pb
2
离子上的化学传感器。
[0061]
基于图3a-3e中所示的结果和图7中描述的双层静电效应，图8描绘被配置为用于选择性pb
2
离子传感的化学传感器的候选者。如图8中所示，图8中的各化学传感器包含基于噻唑的受体、键合到基于噻唑的受体的基于甲胺的间隔基团、键合到基于甲胺的间隔基团的1,8-萘二甲酰亚胺荧光团和键合到荧光团的锚。该锚是二乙砜。
[0062]
具体地，图8(a)和8(e)描绘包含附着于基于甲胺的间隔基团的甲基侧链的化学传感器。图8(b)描绘包含附着于基于噻唑的受体的噻唑部分的哌啶基侧链的化学传感器。此外，图8(c)和8(d)描绘包含附着于基于噻唑的受体的噻唑部分的含硫基团的化学传感器。特别地，图8(c)中的含硫基团是硫醚基团，且图8(d)中的含硫基团侧链是噻吩基。
[0063]
图9描绘被配置为检测流体介质（例如水）中的离子，尤其是pb
2
离子的传感装置的示意性透视图。如图9中所示，传感装置60包括入口62、出口64、被配置为检测流体介质中的离子的传感器（未显示）和检测器66。检测器66可以是光检测器。传感器可以是如上所述的化学传感器。在一个实施方案中，化学传感器是受体-间隔基团-荧光团类型的传感器，其中间隔基团是甲胺基团（-ch2-nh-），且受体包含键合到间隔基团的不饱和杂环环并进一步包含至少一个键合到不饱和杂环环的侧链。在另一实施方案中，化学传感器是受体-间隔基团-荧光团类型的传感器，其中间隔基团是具有至少一个侧链的甲胺基团（-ch2-nh-），且受体包含键合到间隔基团的不饱和杂环环。
[0064]
参考图9，在流体介质经由入口62进入传感装置60后，传感器可捕获流体介质中的pb
2
离子，从而生成信号（例如荧光）。检测器66可收集信号，并基于该信号来计算流体介质中的pb
2
离子的浓度。传感装置60可进一步包括电子屏68，其可显示与离子传感事件，如流体介质中的pb
2
离子的浓度有关的信息。在一些实施方案中，传感装置60可向被配置为记录和储存信息的远程位置传送信息。例如，该信息可无线传送或经由连向传感装置60的电缆70传送。
[0065]
尽管上文描述了示例性实施方案，但这些实施方案无意描述由权利要求书涵盖的所有可能的形式。说明书中所用的词语是描述性而非限制性的词语，并且要理解的是，可作出各种改变而不背离本公开的精神和范围。如上所述，各种实施方案的特征可组合以形成没有明确描述或例示的本公开的进一步实施方案。尽管各种实施方案可能已被描述为在一个或多个所需特征方面提供优点或优先于其它实施方案或现有技术实施方式，但本领域普通技术人员会认识到，可折衷一个或多个要素或特征以实现所需的整体系统属性，这取决于具体应用和实施方式。这些属性可包括、但不限于成本、强度、耐久性、寿命周期成本、适
销性、外观、包装、尺寸、可用性、重量、可制造性、易组装性等。因此，对于任何实施方案被描述为在一个或多个特征方面不如其它实施方案或现有技术实施方式理想的程度而言，这些实施方案并不在本公开的范围外并可能对特定应用是理想的。