基于聚集诱导发光的汞离子荧光探针及其制备方法和应用与流程

本发明涉及一种基于聚集诱导发光的汞离子荧光探针及其制备方法和应用，特别涉及该探针的实际应用性能，作为试纸条实现对汞离子高选择性和高灵敏度的检测。

背景技术：

汞及其各种存在形式对生物体和环境都具有极大的毒害作用。由于人类活动以及自然界的排放，汞已经严重污染了水、空气和土地，对人类的发展造成了严重威胁。特别是，部分微生物可以将环境中的无机汞转变为对生物体更具毒性的甲基汞，因此，迫切需要发展快速、准确、方便的汞离子检测手段。在研究者的不懈努力下，一系列基于生物大分子、纳米颗粒、聚合物和小分子的汞离子传感器被开发应用。在这些方法中，基于化学反应的荧光汞离子传感器由于其优异的选择性、高灵敏度以及简单方便的操作，受到了越来越多的关注。到目前为止，一系列优异的反应型汞离子荧光传感器已经被研发出来。但是传统的荧光分子由于聚集诱导淬灭效应，在溶液中发光强，而在固态时发光淬灭。因此，只能在溶液中对汞离子进行检测，而在固态时，则没有响应或者灵敏度过低。而在实际样品的现场检验中，固态传感器，例如试纸条才能够更直接方便地使用，就像ph试纸一样。幸运的是，研究者开发了一类与传统荧光分子性能完全相反的新型发光分子：这类分子在溶液中发光很弱甚至没有光，而在聚集态和固态时则表现出强的发光，这一现象被称之为聚集诱导发光(aggregation-inducedemission,aie)。通过合理的分子设计，可以合成具有良好固态发光性能的探针分子，从而实现在固态下对汞离子的荧光检测。

技术实现要素：

为了开发一种高效、廉价汞离子探针，本发明首先以具有优异聚集诱导发光性能的四苯乙烯为原料，通过两步简单的反应高效地合成了目标化合物。该化合物作为汞离子传感器时，在溶液和固相中都表现出了优秀的选择性和灵敏性。

本发明提供的技术方案具体如下：

一种基于聚集诱导发光的汞离子荧光探针(以下简称化合物mdtpes)，具有式(i)所示的结构：

一种制备上述汞离子荧光探针的方法，包括以下步骤：

(1)室温下，将四苯乙烯和三氯化铝加入干燥的二氯甲烷中，然后加入间苯二甲酰氯，其中，间苯二甲酰氯、四苯乙烯和三氯化铝的摩尔比为1：2.5：2；室温反应12小时，纯化得到式(ii)所示的化合物(以下简称化合物mdtpeo)，

(2)氮气氛围下，将式(ii)所示的化合物加入干燥的二氯甲烷中混匀，搅拌条件下滴加1,2-乙二硫醇和三氟化硼-乙醚络合物，其中式(ii)所示的化合物、1,2-乙二硫醇和三氟化硼-乙醚络合物的摩尔比为1：3：6，30℃反应过夜，纯化得到式(i)所示的化合物。

步骤(1)所述的纯化方式为：反应结束后，用二氯甲烷萃取反应液，合并有机相，减压蒸除硝基苯，得到粗产品；然后以石油醚与三氯甲烷体积比为1:2的石油醚-三氯甲烷溶液为淋洗液，将粗产品进行硅胶柱层析分离。

步骤(2)所述的纯化方式为：反应结束后，加入nahco3水溶液调节反应液的ph值为8.5，用二氯甲烷进行萃取，合并有机相后旋干，得到粗产品；然后以石油醚与三氯甲烷体积比为1:1的石油醚-三氯甲烷溶液为淋洗液，将粗产品进行硅胶柱层析分离。

上述汞离子荧光探针在汞离子检测的应用。

一种利用上述汞离子荧光探针检测水溶液中汞离子的方法，包括以下步骤：将上述汞离子荧光探针配制成四氢呋喃溶液，然后加入含有汞离子的水溶液，混合均匀后用水稀释，室温下观察分散液；若分散液荧光颜色呈蓝色，则未检测出汞离子的存在；若分散液荧光颜色呈黄绿色，则检测出汞离子的存在。

一种汞离子检测试纸，通过包含如下步骤的方法制备得到：将上述汞离子荧光探针配制成浓度为1×10^-3mol/l的四氢呋喃溶液，将纸条在上述溶液中浸泡，取出后在空气中晾干，即得到汞离子检测试纸。

上述汞离子检测试纸在汞离子检测领域的应用。

一种利用上述汞离子检测试纸检测汞离子的方法，包括以下步骤：将上述汞离子检测试纸在含有汞离子的溶液中浸湿，取出，晾干，在紫外灯的照射下，试纸的颜色由蓝色转变为黄绿色，即检测出汞离子的存在。

由于汞离子与硫强的亲和能力，所以缩硫酮mdtpes的脱保护反应可以高度专一性的被汞离子所引发，其它金属离子相对于汞离子，都无法或者不能快速的进行该脱保护反应。因此，只有汞离子才能促进缩硫酮mdtpes的脱保护反应，得到相应的含羰基的产物mdtpeo。在这个过程中，缩硫酮中sp³杂化的碳原子转变为sp²杂化的羰基碳原子，从而使mdtpes中断开的共轭体系得到恢复。由于共轭程度的加大，以及相应推拉电子结构的改变，使反应前后分子的荧光颜色发生较大的变化。结合其优异的固态发光性能，获得了一个新颖的在溶液和固相中均能高效检测汞离子的比率荧光探针。

本发明通过合成一种含有缩硫酮结构单元的聚集诱导发光分子，将汞离子促进的缩硫酮脱保护反应与aie性能有机地结合起来，使所制备的探针同时具备两者的优势：优秀的选择性和灵敏度以及强的固体发光性能，从而实现在固态下对汞离子的准确检测。在试纸条实验中，在手持式紫外灯的照射下，蓝色到黄绿色这种明显的颜色变化可以通过肉眼直接观察而不需要借助其它复杂的仪器，并且其对汞离子水溶液的检出限达到了1×10^-5mol/l。实现了对汞离子快速，方便，准确的检测。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

(1)化合物mdtpes的合成只需两步简单的反应，易于纯化，可大量制备。

(2)本发明所用探针与汞离子反应极快，并且具有极好的选择性和抗干扰能力。

(3)本发明所用化合物mdtpes非常稳定，可以大量的制备成试纸条，可以稳定储存。

(4)本发明所用化合物mdtpes在与汞离子反应前后都具有非常强的固态发光性能，可以实现固态状态下的比率荧光传感过程。

(5)本发明制备的汞离子荧光探针试纸条，对汞离子具有较高的灵敏度，在紫外灯的照射下，仅凭肉眼观察，对汞离子水溶液的检出限1×10^-5mol/l。

附图说明

图1显示了化合物mdtpes的分子结构及传感过程。

图2为化合物mdtpes加入不同金属离子后的荧光光谱图。

图3为化合物mdtpes加入不同金属离子后对各金属离子的荧光响应图；

其中，图3(a)为化合物mdtpes的水分散液的荧光图；图3(b)为mdtpes加hg²⁺后的水分散液的荧光图；图3(c)-图3(t)是mdtpes分别加入了ag⁺，cu²⁺，pb²⁺，fe³⁺，co²⁺，cr³⁺，al³⁺，mn²⁺，fe²⁺，cd²⁺，mg²⁺，ba²⁺，ca²⁺，ni²⁺，zn²⁺，li⁺，k⁺，na⁺的水分散液的荧光图。

图4为化合物mdtpes在其它竞争金属离子存在下对汞离子的识别响应图。

图5为试纸条对不同浓度汞离子的荧光响应照片。

具体实施方式

为了更好地理解本发明的技术方案，下面结合具体实施例对本发明的技术方案作进一步地说明，但本发明的保护内容不局限于以下实施例。

本发明实施例中所用的原料可以由市场购得，或可用本领域已知的方法合成得到。

实施例1

化合物mdtpes的合成，合成路线如下：

(1)首先通过付克酰基化反应合成化合物mdtpeo。具体合成步骤如下：在室温下，在反应瓶中加入四苯乙烯(tpe)(1.66g,5mmol)和alcl3(0.53g,4mmol)，加入干燥的二氯甲烷20ml，搅拌下加入间苯二甲酰氯(0.41g,2mmol)。室温反应12小时；反应结束后，用二氯甲烷萃取反应液，合并有机相，减压蒸除硝基苯，得到粗产品；然后以石油醚与三氯甲烷体积比为1:2的石油醚-三氯甲烷溶液为淋洗液，将粗产品进行硅胶柱层析分离，得到浅黄色固体产物，产率为66％。

¹hnmr(300mhz,cdcl3)δ(ppm):8.09(s,1h,arh),7.91(d,j＝6.0,2h,arh),7.57(d,j＝6.0,5h,arh),7.16(m,22h,arh),7.11(m,12h,arh).¹³cnmr(75mhz,cdcl3)δ(ppm):195.48,148.95,143.18,143.10,143.02,142.84,139.80,137.99,134.58,133.19,131.45,131.37,131.32,131.28,129.71,127.94,127.75,127.03,126.84.ms(ei),m/z[m⁺]:794.5,计算值:794.3。c60h42o2元素分析计算值:c90.65,h5.33；实际测量值:c90.30,h5.42。

(2)化合物mdtpes的合成。具体合成步骤如下：将mdtpeo(200mg,0.25mmol)和1,2-乙二硫醇(0.065ml,0.75mmol)一同溶于干燥的二氯甲烷中，然后加入bf3·et2o(0.19ml,1.5mmol)，30℃反应过夜；反应结束后，加入nahco3水溶液调节反应液的ph值为8.5，用二氯甲烷进行萃取，合并有机相后旋干，得到粗产品；然后以石油醚与三氯甲烷体积比为1:1的石油醚-三氯甲烷溶液为淋洗液，将粗产品进行硅胶柱层析分离，得到白色固体产物，产率为65％。化合物mdtpes对汞离子的荧光传感过程如图1所示。白色固体产物的核磁数据如下：

¹hnmr(300mhz,cdcl3)δ(ppm):7.95(s,1h,arh),7.29(m,5h,arh),7.08(m,32h,arh),6.92(d,j＝6.0,4h,arh),3.37(m,8h).¹³cnmr(75mhz,cdcl3)δ(ppm):144.14,143.66,143.57,143.48,142.72,141.98,141.24,140.38,131.35,130.86,128.18,127.66,127.36,127.11,126.57,126.45,120.96,39.96.ms(ei),m/z[m⁺]:946.2,计算值:946.3。c64h50s4元素分析计算值:c81.14,h5.32；实际测量值:c80.86,h5.44。

实施例2：化合物mdtpes在溶液中对汞离子的荧光检测

分别配制浓度为1×10^-1mol/l的hg(clo4)2·3h2o、agno3、al(no3)3·9h2o、cr(no3)3·9h2o、fe(no3)3·9h2o、cocl2·6h2o、ba(no3)2、ca(no3)2·4h2o、pb(no3)2、ni(no3)2·6h2o、zn(no3)2·6h2o、mnso4·h2o、cu(no3)2·3h2o、cd(no3)2·4h2o、mg(clo4)2、fe(so4)2·7h2o、nano3、kno3和lino3水溶液，在进行测试时稀释到所需浓度。

配制实施例1制备的化合物mdtpes的thf溶液，浓度为1×10^-3mol/l，此时溶液没有荧光。将配制的各种金属阳离子溶液(1×10^-1mol/l,18μl)加入mdtpes的thf溶液中(60μl)，然后加入去离子水稀释到总体积为3ml(其中，水的体积分数为98％)，由于mdtpes及其与金属离子反应得到的产物在水中都是难溶的，加水会逐渐形成聚集态，从而产生荧光。用荧光仪记录不同金属离子的加入对反应液荧光强度造成的改变。

将不同的金属离子hg²⁺，ag⁺，fe³⁺，cu²⁺，pb²⁺，co²⁺，cr³⁺，al³⁺，cd²⁺，mg²⁺，mn²⁺，ba²⁺，fe²⁺，ca²⁺，ni²⁺，zn²⁺，li⁺，k⁺和na⁺加入到mdtpes的thf溶液中，再加入去离子水形成聚集态，金属离子的最终浓度为6×10^-4m，mdtpes的最终浓度为2×10^-5m。如图2和图3所示，只有汞离子才可以诱导mdtpes发生脱保护反应得到相应的羰基化合物mdtpeo，并且这一反应可以在数秒内完成，由于后者共轭的增加及较强的拉电子效应，可以引起体系光致发光波长发生明显的红移，相应的发光颜色由蓝光变成黄绿光，这种荧光上明显的差异性，可以在紫外灯的照射下通过肉眼直接区分，说明了本发明的化合物mdtpes对hg²⁺具有优异的选择性。而其它所有金属离子都不与mdtpes发生反应，都表现为mdtpes自身的蓝色荧光。其它金属离子的加入会改变溶液的离子强度，从而对荧光强度会有一些影响，但是不会改变发光波长。因此，基于波长改变的比率传感器具有更好的准确性。

实施例3：化合物mdtpes的溶液在其它金属离子存在下对汞离子的荧光响应

将实施例2中配制的各种金属阳离子溶液(18μl)加入到mdtpes的thf溶液，再加入汞离子溶液(18μl)，然后加入去离子水稀释到总体积为3ml(其中，水的体积分数为98％)，帮助形成产物的聚集态。用荧光仪记录各反应液荧光强度的改变，研究其它金属离子存在下对汞离子的荧光响应。图4中，加入其它各金属离子后再加入汞离子，溶液的荧光光谱都可以由蓝光移动到黄绿光，说明其它离子存在的条件下，汞离子依然可以顺利地将mdtpes转化为mdtpeo。从图4可以看出，在其它金属离子存在下，再加入汞离子可以使反应体系的荧光发生明显红移。实验结果进一步验证了化合物mdtpes对汞离子专一的选择性，也表明了探针优异的抗干扰性能。

实施例4：化合物mdtpes用作试纸条对汞离子的荧光响应

相对于溶液状态，在实际应用中，试纸条是一种更加方便有效的检测手段，并且其更能体现出真实的灵敏度(溶液中的检出限一般都被母液严重稀释过后的浓度)。我们将试纸条浸泡在mdtpes的四氢呋喃溶液中(1×10^-3mol/l)，然后将试纸条取出，在空气中干燥。就如同ph试纸一样，用制备的试纸条检测不同浓度的hg²⁺水溶液中。如图5所示，由于探针优异的聚集诱导发光特性，在紫外灯的照射下，试纸条对汞离子的荧光响应特别明显，检出限为1.0×10^-5m。为了进一步验证其实际应用价值，我们直接用自来水和河水配制不同浓度的汞离子水溶液，试纸条的检出限依然可以达到1.0×10^-5m。将制备好的试纸条在没有任何保护处理的自然条件下放置五个月之后，再进行汞离子检测试验同样可以取得相同的效果，表明该试纸条具有优异的存储稳定性。因此，可以利用该试纸条方便地检测样品中的汞离子是否超标。

本发明提供的探针由于具有超高专一性和优异的灵敏度，结合试纸条制备及使用的方便性和经济性，使其具备实际应用潜力。