一种基于聚集诱导发光的氟离子检测探针及其制备方法和应用与流程

本发明涉及的是化学分析检测技术领域，具体涉及基于聚集诱导发光的氟离子检测探针及其制备方法和应用。

背景技术：

阴离子是维持生物生命活动的重要元素，设计、合成新的阴离子荧光检测探针是化学分析学科的一个重要研究领域。氟离子被认为是牙齿和人体生长所必需的微量元素，它可以保护牙齿和预防骨质疏松。过量的摄取含氟化合物会引起严重的疾病，如氟中毒、尿结石、肿瘤、器官病变、氟骨症等。美国环保署对健康饮用水中的最大氟离子浓度的要求是4ppm(211μM)，因此，发展高灵敏、高选择性的氟离子识别与检测方法具有重要的意义。

传统的氟离子检测方法有分光光度法、氟离子选择性电极、离子色谱、高效液相色谱和荧光分析法。荧光化学传感器因其高灵敏度、高选择性、低成本、易检测等优点而成为现代检测氟化物的重要方法。氟离子对硅具有特别的亲和力，氟硅键也是最强的化学键之一，这些特性使得分析化学家们利用氟硅键的特征化学反应设计荧光探针检测识别氟离子。这类探针在检测氟离子的过程中，不易受到其它阴阳离子的干扰。传统的荧光传感器大多数是依靠荧光强度变化来识别检测氟离子，而大多数的荧光探针都会因聚集而产生荧光淬灭现象，在使用过程中往往会受到探针浓度及设备因素的影响从而导致误差，难以在水溶液体系中应用。

技术实现要素：

针对上述技术问题，本发明提供一种基于聚集诱导发光的氟离子检测探针及其制备方法和应用。

本发明的技术方案为：

一种基于聚集诱导发光的氟离子检测探针，具有式(I)所示的结构：

上述的基于聚集诱导发光的氟离子检测探针的制备方法，包括如下步骤：

(1)中间体化合物2的制备

取水杨醛1、质量分数为80％的水合肼溶于无水乙醇中，所述化合物1与水合肼物质的量之比为2：1，室温搅拌1～2小时，固体完全析出，过滤，粗产物用无水乙醇重结晶，得到黄色针状化合物2；

(2)荧光探针I的制备

将化合物2和叔丁基二甲基氯硅烷(TBSCl)溶于溶剂中，所述化合物2和叔丁基二甲基氯硅烷的物质的量之比为2～10:1，并加入有机碱，搅拌24～36小时，反应完毕后加入饱和食盐水，然后用乙酸乙酯进行萃取，无水硫酸钠干燥1～2小时，过滤除去硫酸钠固体，溶液减压旋蒸，粗产物柱层析得到黄色固体荧光探针化合物I，即式(I)所示的氟离子检测探针。

以上各化合物均以反应式中各化合物下面序号加以区分。

进一步地，化合物2和叔丁基二甲基氯硅烷的物质的量之比优选为8:1。

进一步地，步骤(2)中，所述的溶剂优选无水三乙胺。

进一步地，步骤(2)中，所述的有机碱优选三乙胺。

进一步地，步骤(2)中，搅拌温度优选室温。

上述的氟离子检测探针应用于氟离子检测的方法，包括如下步骤：

1)配制分散有荧光探针化合物I的乙腈-水混合溶液；

2)确定荧光探针分子的检测限；

3)绘制并计算溶液中氟离子的浓度；

4)确定荧光探针对阴阳离子的选择性。

检测原理如下所示：

本发明中荧光探针对氟离子的识别检测基于聚集诱导发光机理。荧光探针与氟离子作用前，分子没有荧光发射；当有氟离子存在时，探针分子的硅氧键被氟离子切断，同时酚羟基上的氢与亚胺氮形成六元环的分子内氢键，探针分子转换为化合物2。由于混合溶液中水的存在，化合物2发生聚集作用，限制了分子内的氮氮单键的自由旋转。这种聚集状态抑制了分子内因转动而导致的非辐射能量的衰减，使得化合物的激发态主要以辐射发光的方式进行衰减，从而使分子的发光大大增强。因此，可以根据探针分子荧光强度的变化识别和定量检测氟离子。

更具体的检测方法如下：

1)配制荧光探针化合物I浓度为0.1mmol/L的90％乙腈-水(即V_(乙腈)/V_(水)＝90/10)混合溶液，得到荧光探针分子的水分散溶液；

2)取一系列1-3mL的荧光探针分子的水分散溶液，分别加入10-30μL不同浓度的氟离子(0,1,2,5,10,20,50,100,200μmol/L)，放置20～50分钟后，分别测量并计算出543nm处的荧光强度，根据荧光强度与氟离子浓度的关系制作工作曲线；

3)取一系列1-3mL的荧光探针分子的水分散溶液，分别加入10-30μL浓度为10^-2的Cl^-,Br^-,IO₃^-,IO₄^-,NO₃^-,NO₂^-,Ac^-,CO₃^2-,SO₄^2-,SO₃^2-,Ag⁺,Ba²⁺,Ca²⁺,Li⁺,Mg²⁺,NH₄⁺,Ni²⁺,Zn²⁺的水溶液，放置20～50分钟后，分别测量并记录543nm处的荧光强度，由此验证探针分子对氟离子的选择性。

本发明的有益效果在于：

(1)本发明提供的荧光探针分子对氟离子的识别不仅灵敏，而且专一性强，荧光从无到有，溶液从无色转变为黄色；且检测过程不受探针分子光漂白，仪器及环境因素的影响。

(2)本发明提供的荧光探针分子适用于含氟水溶液。

(3)本发明提供的荧光探针分子对氟离子的检测限低，可以达到微摩尔级。

附图说明

图1为本发明实施例2制备的比率荧光探针分子的水分散溶液，加入不同浓度氟离子后的荧光光谱图，自上而下的曲线代表浓度逐渐降低的探针溶液。

图2为本发明实施例3，345nm激发光激发下，分别加入20μL的Cl^-,Br^-,IO₃^-,IO₄^-,NO₃^-,NO₂^-,Ac^-,CO₃^2-,SO₄^2-,SO₃^2-的水溶液，30min后的荧光强度。

图3为本发明实施例4，345nm激发光激发下，分别加入20μL的Ag⁺,Ba²⁺,Ca²⁺,Li⁺,Mg²⁺,NH₄⁺,Ni²⁺,Zn²⁺的水溶液，30min后的荧光强度。

其中，图1至图3中，横坐标表示波长(wavelength)，纵坐标表示强度(intensity)。

具体实施方式

以下通过具体实施例对本发明做进一步地详细说明，但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例。凡基于本发明上述内容所实现的技术均属于本发明的范围。

本发明所用仪器与试剂：

核磁共振仪：Bruker AV-II 500MHz NMR，TMS为内标，CDCl₃为溶剂；红外光谱仪：TFS-40型，KBr压片；熔点仪：XT-4型熔点测定仪。

所用试剂均为市售化学纯或分析纯。

实施例1

本发明荧光探针的合成

本发明荧光探针的制备途径如下：

(1)中间体化合物2的合成：

取水杨醛1、质量分数为80％的水合肼溶于无水乙醇中，所述化合物1与水合肼物质的量之比为2：1，室温搅拌1小时，固体完全析出，过滤，粗产物用无水乙醇重结晶，得到黄色针状化合物2；

(2)荧光探针I的制备

将化合物2和叔丁基二甲基氯硅烷溶于无水三乙胺中，所述化合物2和叔丁基二甲基氯硅烷的物质的量之比为8:1，室温下搅拌24小时,反应完毕后加入饱和食盐水，然后用乙酸乙酯进行萃取，无水硫酸钠干燥1小时，过滤除去硫酸钠固体，溶液减压旋蒸，粗产物柱层析得到黄色固体探针化合物I。

I,(1E,2E)-1,2-二((2-叔丁基二甲基硅氧基)苄叉)肼，黄色固体，产率90％，熔点150-151℃；IR(KBr)cm^-1 3422,2929,2855,1612,1482,1453,1299,1256,1153,918,842,779.¹H NMR(500MHz,CDCl₃)δ9.00(s,2H),8.12(dd,J＝8.0,1.5Hz,2H),7.34–7.29(m,2H),7.03(t,J＝7.5Hz,2H),6.87(d,J＝8.0Hz,2H),1.05(s,18H),0.27(s,12H).¹³C NMR(125MHz,CDCl₃)δ157.9,155.9,132.1,127.8,125.5,121.6,119.9,26.0,18.5,-4.0.

实施例2

比率荧光探针分子工作曲线

取2mL配制好的比率荧光探针分子的水分散溶液，加入20μL不同浓度(0,1,2,5,10,20,50,100,200μM)的氟化钠水溶液，放置30min后，荧光光谱仪分别记录543nm处荧光强度的变化。以荧光强度为纵坐标，氟离子浓度为横坐标作图，拟合得到比率荧光探针分子的工作曲线。本实施例中比率荧光探针对氟离子浓度的测定，其在345nm激发光激发下，荧光强度随氟离子浓度变化的关系图如图1所示。

实施例3

荧光探针分子阴离子选择性测定

取2mL实施例2中配制好的比率荧光探针分子的水分散溶液，加入20μL浓度为0.01M的Cl^-,Br^-,IO₃^-,IO₄^-,NO₃^-,NO₂^-,Ac^-,CO₃^2-,SO₄^2-,SO₃^2-,水溶液，放置30min后，荧光光谱仪分别记录543nm处荧光强度的变化。实验结果表明，除了氟离子以外，其它粒子没有引起荧光的明显变化，说明本发明的探针分子具有很好的选择性。本实施例中荧光探针分子选择性测定，其在345nm激发光激发下，荧光强度随氟离子浓度变化的关系图如图2所示。

实施例4

荧光探针分子阳离子选择性测定

取2mL实施例2中配制好的比率荧光探针分子的水分散溶液，加入20μL浓度为0.01M的Ag⁺,Ba²⁺,Ca²⁺,Li⁺,Mg²⁺,NH₄⁺,Ni²⁺,Zn²⁺水溶液，放置30min后，荧光光谱仪分别记录543nm处荧光强度的变化。实验结果表明，除了氟离子以外，其它粒子没有引起荧光的明显变化，说明本发明的探针分子具有很好的选择性。本实施例中荧光探针分子选择性测定，其在345nm激发光激发下，荧光强度随氟离子浓度变化的关系图如图3所示。