一种基于巴比妥酸的荧光探针及其在检测汞离子中的应用

1.本发明属于先进材料和电子核心技术领域，涉及传感材料的制备，具体涉及一种基于巴比妥酸的荧光探针及其在检测汞离子中的应用。


背景技术：

2.公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
3.目前，荧光技术是检测汞离子的有效方法。然而，传统荧光探针大多具有较大的π-π共轭刚性结构，这使得它们容易聚集而引起猝灭(acq)。据发明人研究了解，许多用于探测金属汞离子的荧光探针都具有二硫缩醛单元，其能够被汞离子水解为醛基，从而实现了聚集效应，增强了溶液发光，使离子检测可视化。另外，部分荧光探针是利用汞离子与探针反应，改变探针结构和发光。
4.为了获得具有更高响应灵敏度、更好的选择性和抗干扰性的检测汞离子的荧光探针，设计新的探针分子结构，并采用新的响应机理的荧光探针依然具有十分重要的意义。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种基于巴比妥酸的荧光探针及其在检测汞离子中的应用，本发明提供的基于巴比妥酸的荧光探针通过与汞离子结合而防止探针与水结合，不仅大大提高了探针的选择性和抗干扰性，而且使其能够在水溶液中快速响应。
6.为了实现上述目的，本发明的技术方案为：
7.一方面，一种基于巴比妥酸的荧光探针，其化学结构式如下所示：
8.记为探针bnea。
9.研究表明，该荧光探针与水结合会导致探针在水溶液中失去荧光，而与水溶液中的汞离子结合增强荧光，如下式所示，从而实现对水溶液中汞离子的可视化检测。
[0010][0011]
另一方面，一种上述基于巴比妥酸的荧光探针的制备方法，包括以2-(n-乙基苯氨基)乙醇作为原料按照如下反应路线获得探针bnea：
[0012][0013]
第三方面，一种上述基于巴比妥酸的荧光探针在检测汞离子中的应用。
[0014]
第四方面，一种检测汞离子的系统，包括荧光检测仪和上述基于巴比妥酸的荧光探针。
[0015]
第五方面，一种检测水中汞离子的方法，将基于巴比妥酸的荧光探针或基于巴比妥酸的荧光探针的溶液加入至含有汞离子的待测溶液中，搅拌均匀后，进行荧光检测。
[0016]
本发明的有益效果为：
[0017]
本发明设计并合成了一种具有聚集诱导发射(aie)的基于巴比妥酸的荧光探针，研究表明，该荧光探针对汞离子具有良好的检测性能。同时该荧光探针在检测水溶液中汞离子时具有响应速度快、选择性高、抗干扰能力强和检测限低(22.27nm)等优点。汞离子与bnea结合形成的络合物，增加了分子共轭程度，不仅使荧光峰红移，还增强了荧光强度，可以达到汞离子检测的效果。
附图说明
[0018]
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
[0019]
图1为本发明实施例中对bnea进行检测的紫外-可见吸收光谱，(a)bnea在thf-h2o混合液中的紫外可见光谱，(b)bnea在dcm-pe混合液中的紫外可见光谱([bnea]＝20μm)，
(c)m4在thf-h2o混合液中的紫外可见光谱，([m4]＝20μm)；
[0020]
图2为本发明实施例中对bnea进行检测的荧光光谱，(a)bnea在thf-h2o混合溶液中的荧光光谱，(b)bnea在thf-h2o混合溶液中的荧光强度变化，(c)bnea在dcm-pe混合液中的荧光光谱，(d)bnea在dcm-pe混合液中的荧光强度变化，(λ
ex
＝430nm，[bnea]＝20μm)；
[0021]
图3为本发明实施例中对bnea在不同溶剂中检测的1h nmr谱图，(a)dmso-d6，(b)混合溶剂(v
dmso-d6:v
d2o
＝1:1)；
[0022]
图4(a)bnea和(b)bnea和水h2o在甲醇溶剂中的hrms(esi)谱图，(c)bnea在99％甲醇溶液(v
甲醇
:v
dmso
＝99:1)和99％水溶液(v
h2o
:v
dmso
＝99:1)中的荧光稳定性，([bnea]＝10μm)；
[0023]
图5为本发明实施例制备的bnea在不同ph、不同溶剂中的荧光表征图，(a)水溶液中的荧光光谱，(b)水溶液中荧光强度的变化，(c)在甲醇溶液中的荧光光谱，(d)在甲醇溶液中的荧光强度的变化，(λ
ex
＝450nm，[bnea]＝10μm)；
[0024]
图6为本发明实施例制备的bnea不同ph、不同溶剂中的紫外可见光谱，(a)水溶液，(b)在甲醇溶液；
[0025]
图7为本发明实施例特异性检测结果图，(a)溶液在日光下的颜色比较，含有[bnea(10μm)和不同阳离子([ions]＝10μm)水溶液中的(b)荧光光谱(λ
ex
＝450nm)和(c)最大荧光强度的柱状图(a＝blank,b＝k

，c＝ca
2
，d＝nh
4
，e＝mn
2
，f＝cr
3
，g＝cu
2
，h＝cu

，i＝pb
2
，j＝hg
2
，k＝fe
2
，l＝ni
2
，m＝cd
2
，n＝co
2
，o＝al
3
，p＝ba
2
，q＝na

，r＝ag

)；
[0026]
图8为本发明实施例制备的bnea在不同ph的汞离子混合溶液中的(a)荧光光谱(λ
ex
＝450nm)，(b)荧光强度变化和(c)紫外可见光谱([bnea]＝10μm)；
[0027]
图9为本发明实施例制备的bnea抗干扰实验对汞离子响应性能的(a)荧光光谱和(b)最大荧光强度的柱状图(a＝blank,b＝k

，c＝ca
2
，d＝nh
4
，e＝mn
2
，f＝cr
3
，g＝cu
2
，h＝cu

，i＝pb
2
，j＝fe
2
，k＝ni
2
，l＝cd
2
，m＝co
2
，n＝al
3
，o＝ba
2
，p＝na

，q＝ag

)(λ
ex
＝450nm，[bnea]＝10μm)；
[0028]
图10(a)bnea(10μm)在不同汞离子浓度(0～2当量)的水溶液中的荧光强度变化，(b)bnea对汞离子的检出限；
[0029]
图11(a)bnea(10μm)在99％水溶液(vh2o:vdmso＝99:1)中对hg
2
的job's plot图，(b)甲醇溶液中bnea与hg
2
的hrms(esi)光谱。
[0030]
图12(a)bnea在dmso-d6中的1h nmr谱图，(b)bnea和汞离子在混合溶剂(v
dmso-d6:v
cd4o
＝1:1)中的1h nmr谱图。
[0031]
图13本发明实施例制备的bnea在不同水质中加入汞离子([hg
2
]＝10μm)检测的(a)荧光图谱(λ
ex
＝450nm，[bnea]＝10μm)和(b)柱状图。
具体实施方式
[0032]
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
[0033]
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式
也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
[0034]
本发明的目的是提出了一种基于巴比妥酸的荧光探针及其在检测汞离子中的应用。
[0035]
本发明的一种典型实施方式，提供了一种基于巴比妥酸的荧光探针，其化学结构式如下所示：
[0036][0037]
本发明的另一种实施方式，提供了一种上述基于巴比妥酸的荧光探针的制备方法，包括以2-(n-乙基苯氨基)乙醇作为原料按照如下反应路线获得探针bnea：
[0038][0039]
在一些实施例中，2-(n-乙基苯氨基)乙醇与乙酸酐进行反应获得m1，m1通过vilsmeier-haack反应获得m2，m3通过脱保护反应获得m3，m3与丙烯酰氯在缚酸剂存在的条件下进行醇解反应获得m4，m4和巴比妥酸在碱性条件下进行缩合反应，即得。
[0040]
在一种或多种实施例中，2-(n-乙基苯氨基)乙醇与乙酸酐在碱性条件下与乙酸酐加热至80～100℃进行反应获得m1。所述碱性条件由向反应体系中添加吡啶形成。
[0041]
本发明所述vilsmeier-haack反应，是指芳烃、活泼烯烃化合物与二取代甲酰胺在三氯氧磷作用下，反应生成芳环甲酰化产物。在一种或多种实施例中，vilsmeier-haack反应的过程为：将m1加入至dmf(n,n-二甲基甲酰胺)中，在-1～0℃条件下滴加三氯氧磷(pocl3)混合均匀后，升温至室温进行反应，再升温至85～95℃进行反应，然后冷却，调节ph至6～8即得。所述冷却的过程为：先冷却至15～25℃，然后添加冰水继续进行冷却。所述dmf为干燥后的dmf。
[0042]
在一种或多种实施例中，所述脱保护反应先在碱性条件下进行水解，然后用盐酸
调节ph即得。调节ph为8～9。
[0043]
在一种或多种实施例中，醇解反应过程中，缚酸剂为三乙胺。
[0044]
在一种或多种实施例中，缩合反应的温度为75～85℃。
[0045]
本发明的第三种实施方式，提供了一种上述基于巴比妥酸的荧光探针在检测汞离子中的应用。
[0046]
本发明的第四种实施方式，提供了一种检测汞离子的系统，包括荧光检测仪和上述基于巴比妥酸的荧光探针。
[0047]
本发明的第五种实施方式，提供了一种检测水中汞离子的方法，将基于巴比妥酸的荧光探针或基于巴比妥酸的荧光探针的溶液加入至含有汞离子的待测溶液中，搅拌均匀后，进行荧光检测。
[0048]
在一些实施例中，在搅拌过程中调节使调节后溶液的ph为6～11。该条件下，尤其是时ph为6～8时，检测的荧光信号更强。
[0049]
为了使得本领域技术人员能够更加清楚地了解本发明的技术方案，以下将结合具体的实施例详细说明本发明的技术方案。
[0050]
实施例
[0051]
所使用的所有材料均为市售，除非另有说明，否则无需进一步净化即可直接使用。2-(n-乙基苯氨基)乙醇(98％)、巴比妥酸(99％)、吡啶(99％)、丙烯酸(aa)、三氯氧磷(pocl3)、乙酸酐(98.5％)、乙二胺，n,n-二甲基甲酰胺(dmf)和二氯甲烷按标准方法干燥，实施例实验过程中使用的水除特殊需要外均为蒸馏水。
[0052]
荧光探针bnea的合成，路线为：
[0053][0054]
步骤如下：
[0055]
在90℃下将2-(n-乙基苯氨基)乙醇(5g)、乙酸酐(16g)和吡啶(7g)的混合物搅拌24h。将所得黑褐色溶液冷却到室温然后加入h2o(20ml)。用乙酸乙酯萃取混合物并且用水洗涤有机相两次。将黄色溶液加入无水mgso4干燥过夜，过滤，然后去除溶剂。得到黑色油状物即为2-(n-乙基苯氨基)乙酸乙酯(m1)。
[0056]
将2-(n-乙基苯氨基)乙酸乙酯(5g)添加至干燥后的dmf(5ml)中。将pocl3(4g)在0
℃下逐滴加入深绿色油中并快速搅拌，将得到的深绿色油在0℃下继续搅拌40min。将混合物的温度缓慢升至室内温度并保持20min，然后在90℃下搅拌3h，得到深绿色溶液。将混合物置于空气中并冷却至20℃，然后添加冰水(20ml)。用30％na2co3溶液将混合溶液的ph值调整为6～8。通过去除溶剂收集绿色沉淀物并在真空中干燥，即得2-(乙基(4-甲酰苯基)胺基)乙酸乙酯(m2)。1h nmr(400mhz,dmso-d6)δ9.65(s,1h)、7.67(d,j＝8.6hz,2h)、6.83(d,j＝8.7hz,2h)、4.18(t,j＝5.9hz,2h)、3.65(t,j＝5.9hz,2h)、3.48(q,j＝7.0hz,2h)、1.98(s,3h)、1.11(t,j＝7.0hz,3h)。
[0057]
在25℃下将2-(乙基(4-甲酰苯基)胺基)乙酸乙酯(2g)加入乙醇(20ml)中，naoh(1.5g)溶于水(10ml)中，混合成为绿色混合物搅拌7h，然后使用稀释的hcl溶液将ph调整为8～9。去除乙醇和水并且将残余固体溶解于乙酸乙酯(50ml)中。过滤并蒸发滤液。通过过滤可以获得和收集黄色粘性溶液，然后在真空中干燥，即得4-(乙基(2-羟乙基)胺基)苯甲醛(m3)。1h nmr(400mhz,dmso-d6)δ9.63(s,1h),7.65(d j＝8.5hz,2h),6.78(d j＝8.8hz,2h),4.83(t,j＝5.4hz,1h),3.57(q,j＝5.9hz,2h),3.49-3.46(m,2h),3.46-3.43(m,2h),1.10(t,j＝7.0hz,3h)。
[0058]
将4-(乙基(2-羟乙基)胺基)苯甲醛(0.3g)溶解于干燥的二氯甲烷(1.0ml)中。在溶液中加入三乙胺(41.8μl)后，在0℃下滴加丙烯酰氯(16.2ml)。然后在室温下将混合物搅拌3h。用水(20ml)洗涤混合物并用乙酸乙酯(50ml)萃取。蒸发有机相溶剂并且进行柱层析，利用二氯甲烷与环己烷(1:2)作为洗脱剂纯化得到黄色黏性溶液，即为2-(4-甲酰苯基)氨基)丙烯酸乙酯(m4)。1h nmr(500mhz,dmso-d6)δ9.66(s,1h)，7.70-7.65(m,2h)，6.90-6.84(m,2h)，6.31(dd,j＝17.3,1.5hz,1h)，6.15(dd,j＝17.3,10.4hz,1h)，5.95(dd,j＝10.4,1.5hz,1h)，4.30(t,j＝5.8hz,2h)，3.72(t,j＝5.8hz,2h)，3.50(q,j＝7.0hz,2h)，1.12(t,j＝7.0hz,3h)。
[0059]
在乙醇(20ml)中加入2-(4-甲酰苯基)氨基)丙烯酸乙酯(1g)，然后在100ml的三颈烧瓶中加入巴比妥酸(1g)。在80℃恒温下搅拌4h。反应结束后，冷却一段时间，减压过滤，得到淡黄色产物，即为荧光探针bnea。1h nmr(500mhz,dmso-d6)δ11.09(d,j＝2.1hz,1h),10.96(d,j＝2.0hz,1h),8.42(d,j＝9.2hz,2h),8.15(s,1h),6.87(d,j＝9.0hz,2h),6.31(dd,j＝17.3,1.5hz,1h),6.15(dd,j＝17.3,10.4hz,1h),5.95(dd,j＝10.4,1.5hz,1h),4.33(t,j＝5.7hz,2h),3.79(d,j＝11.4hz,2h),3.56(q,j＝7.0hz,2h),1.15(t,j＝7.0hz,3h)。
[0060]
聚集诱导发光现象：
[0061]
利用紫外-可见吸收光谱仪和荧光光谱仪分析荧光探针bnea的发光现象。由于它几乎不溶于水，本实施例通过改变混合溶液(thf-h2o)中不良溶剂的比例来确定它是否有aie现象。在图1a中，450nm处的吸收峰随着混合溶液中水比例的增加而减小，而350nm处的吸收峰开始出现并不断增大。在图2a和图2b中则可以发现随着不良溶剂的增加，溶液的荧光强度先升高后降低，由于随着不良溶剂比例的增加，分子容易聚集并析出溶液，导致溶液中发光分子减少，荧光降低，因而表明本实施例制备的bnea具有aie现象。但通过观察，发现bnea在混合溶液中的溶液颜色随着时间的推移不断下降，最后消失。对此，可以认为bnea与水的结合改变了分子结构，导致了图2b中荧光的降低。
[0062]
为此，本实施例使用二氯甲烷作为良溶剂，石油醚作为不良溶剂来验证bnea的aie
现象。可以发现，在图2c和图2d中，bnea的荧光强度虽然有时会下降，但其总体趋势随着不良溶剂比例的增加而增加，并没有像图2b所示的荧光强度急剧下降。此外，在紫外可见吸收光谱图1b中，在350nm处没有发现新的吸收峰。这证明了bnea分子在良溶剂中会与水发生结合。因此，在此基础上，本实施例研究了m4在thf-h2o混合溶液中的紫外-可见光谱。如图1c所示，m4的紫外-可见吸收峰在350nm左右。这与图1a中随着水比例的增加所发现的吸收峰是一致的。因此，我们可以确定，水与bnea分子结合，分子的d-π-a结构被破坏，分子共轭程度降低，导致吸收峰蓝移。
[0063]
如图3所示，用1h nmr进一步证实了水与bnea发生了反应。首先将bnea溶解于dmso-d6溶剂中测定1h nmr谱(图3a)，然后在另一dmso-d6溶剂中加入d2o和bnea测定1h nmr谱(图3b)。可以发现，随着d2o的加入，代表n-h的吸收峰消失了，这证明了图2b中荧光的降低是由于水与活性n-h的结合引起的。但是由于双键上氢的化学位移没有改变，因而可以认为d2o只是破坏了巴比妥酸的平面结构，并没有使巴比妥酸基团脱离分子。
[0064]
对于bnea与水的结合，本实施例使用高分辨质谱进一步证实。图4a为bnea的hrms谱图，图4b为bnea与水结合后的hrms谱图，可以进一步确定bnea与水的结合情况。同时测定了bnea在两种不同溶剂(水和甲醇)中的荧光稳定性。从图4可以看出，bnea在水溶液中的荧光强度低于在甲醇溶液中的荧光强度，且随着时间的延长，bnea在水溶液中的荧光强度下降缓慢。这说明它在水溶液中不稳定，可能是由于水分子与bnea分子的结合导致巴比妥酸基团结构发生扭曲，使荧光强度不断降低。
[0065]
bnea对于ph的响应：
[0066]
由于bnea溶液与水反应使其溶液颜色和荧光消失，因而本实施例研究了其在不同ph值的水溶液中的荧光变化。在图5a和图5b中可以发现，溶液在酸碱环境下的荧光强度低于中性环境(5《ph《8)。从图6a中也可以发现，在酸性或碱性环境中，350nm处的吸收峰更高。这说明酸性环境中大量的质子可以促进水与bnea中n-h键结合。同时，在碱性条件下，bnea中的酰胺键会被水解，从而导致荧光的降低，也导致分子共轭程度的降低。由于bnea在甲醇溶液中稳定，因此以甲醇为溶剂，用1％的盐酸溶液和naoh溶液调节甲醇溶液的酸碱性质。在酸性条件下，甲醇溶液的荧光强度几乎没有变化，但在碱性条件下荧光强度降低(图5c和图5d)。同时，在紫外可见吸收光谱中，在350nm处没有出现新的吸收峰(图6b)。这说明bnea在良溶剂中处于酸性环境时是稳定的，进一步证明了bnea分子在酸性环境中与水分子发生了结合，并且有大量的质子在反应中起到了催化作用。而在碱性条件下，强碱会破坏分子结构，导致吸收和荧光强度降低。
[0067]
水溶液中hg
2
对bnea荧光的影响：
[0068]
由于bnea在水中的特殊现象及其特殊的发光机制，本实施例对bnea进行了阳离子检测实验，发现在17种常见阳离子中，该探针仅对汞离子有特异性响应。在图7a中，含有汞离子的溶液在阳光下溶液的颜色没有消失，但含有其他离子的溶液则变的无色，这表明检测人员可以用肉眼观察离子检测结果，大大提高了其便利性。而且在图7b中，不仅含有汞离子溶液的荧光强度大于其他离子的溶液，而且最大荧光峰的位置也出现了较大的红移。这是由于汞离子与bnea分子中的n-h键结合形成氢键(hg
2
:bnea＝1:1)，扩大了分子的共轭程度。这说明水溶液中的汞离子在一定意义上对bnea分子起到了“保护”作用，阻止了水分子与探针分子的结合，从而没有发生溶液荧光的消失。这也使溶液的颜色得以保存，从而达到
汞离子检测的可视化。对图7c中的荧光强度进行对比，发现含汞离子溶液的荧光强度比其他溶液提高了十倍以上。
[0069]
为了研究加入汞离子时溶液的荧光是否受ph的影响，本实施例对溶液进行了荧光分析。从图8a和图8b可以看出，它们的荧光光谱在6.0《ph《11.0时发生了红移且荧光强度增强。但碱性的增强会使溶液的荧光强度降低甚至消失，因为bnea分子中的酰胺键被强碱分解，导致汞离子不再与分子结合。但在6.0《ph《11.0范围内，bnea分子与汞离子结合的趋势大于水分子。在酸性条件下(2.0《ph《6.0)，bnea分子更容易与水分子结合，因为大量的质子促进了bnea与水分子的结合。从其紫外光谱(图8c)也可以发现，紫外吸收峰在2.0《ph《6.0处变宽，这也是由于bnea和汞离子的结合造成的。一般情况下，在6.0《ph《11.0的条件下，溶液的酸碱度不会对探针的选择性和灵敏度产生太大的影响。
[0070]
bnea对水中阳离子的抗干扰能力：
[0071]
本实施例对探针进行了阳离子的抗干扰实验。在图9a中，将探针加入到含有不同金属阳离子的汞离子溶液中，发现加入汞离子的溶液其荧光峰红移，并且一些阳离子会增加溶液的荧光强度。从图9b可以看出，普通的金属阳离子并没有降低溶液的荧光强度。这表明bnea对水溶液中汞离子的检测具有良好的抗干扰性能。
[0072]
hg
2
与bnea的络合机制：
[0073]
从图10a可以看出，随着hg
2
浓度的增加，溶液的荧光强度也随之增加，当[bnea]:[hg
2
]＝1:1时，溶液的荧光强度达到最高。随后，溶液的荧光强度随着汞离子浓度的增加而降低，随后变化程度减小。因此，在混合溶液中，汞离子和bnea可能是1:1结合的。同时根据图10b我们也得到了其检测限为22.27nm。为了进一步证实，我们测试并得到了bnea和hg
2
的job’s图，显示bnea与hg
2
的化学计量比为1:1(图11a)。同时，我们对含有bnea和hg
2
的甲醇溶液进行了hrms光谱测试，结果如图11b所示，进一步证实了bnea和hg
2
的化学计量比为1:1。
[0074]
为了确认汞离子与bnea分子的结合位置，本实施例通过1h nmr对它们进行了检测。图12a显示bnea在dmso-d6中的1h nmr谱。图12b显示将bnea溶解于dmso-d6溶剂中，加入含汞离子的cd4o溶液并混合均匀后测得的光谱。可以发现图12b与图3b相似，两个n-h峰在11.0ppm附近消失，而其他峰的位置基本保持不变。这足以表明水和汞离子与bnea的结合位点相同。但是通过荧光图案的比较，在加入水后观察到荧光峰的蓝移，而加入汞离子后观察到荧光峰的红移，这很可能是由于它们的结合模式不同造成的。
[0075]
实际水样中bnea的检测：
[0076]
为了研究探针bnea在实际应用中的效果，本实施例将其应用于实际水样中。由图13a可以看出，在不含汞离子的四组水样中，在620nm处均无荧光峰。将图13b中的3个真实水样与纯水进行对比，该溶液在620nm处的荧光强度基本没有变化。这一方面说明3个实际水样中的汞离子浓度未达到探针的检测限。另一方面，也表明了三种真实水样中的离子对探针bnea的发光没有影响。同时，在4种水样中加入相同浓度的汞离子(10μm)，在其他条件不变的情况下进行荧光检测。从图13a可以看出，四种溶液在620nm处荧光强度明显增强，在图13b中可以观察到荧光强度的对比。这表明探针bnea对实际水样中汞离子的检测结果基本不受其他离子的影响，也说明了探针bnea对实际水样中汞离子具有良好的选择性。
[0077]
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技
术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。