检测汞离子的反应型罗丹明类荧光探针及其制备与应用
【技术领域】
[0001] 本发明属于荧光探针材料及其制备领域，特别涉及一种检测汞离子的反应型罗丹 明类荧光探针及其制备方法与应用。
【背景技术】
[0002] 汞是典型的有毒的过渡金属离子，可造成生物神经系统的永久性损伤。由于汞高 的毒性而被广泛的关注，汞的产生主要来源于自然的和人为的原因，如海洋和火山的喷发， 生活垃圾的焚烧和采矿，特别是节能荧光灯的使用造成汞污染的进一步加剧，尤其是环境 中的汞在空气中被氧化成水溶性的二价汞离子，随着水流进入江河湖海中，经过水底微生 物而变成甲基汞，存在于各种藻类中间，通过食物链在生物组织里高度富集，对自然界和人 类具有较大的危害。
[0003] 汞原子与生物体有很强的结合性（通常含有N，S，0元素）的能力，与生物分子形 成配合物，能够引起酶的巯基、蛋白质结块等，破坏生物体分子结构。同时汞也是一种不可 生物降解的重金属元素，汞元素及其化合物通过皮肤呼吸及食物链沉积在肝脏、大脑和其 他器官中，在人体中无法正常代谢排出，产生慢性中毒，损害肠道、肾及神经系统，引起各种 疾病。1953年在日本熊本县水俣镇发生的"水俣病"即是典型的汞公害病。重金属污染已 成为目前环境污染检测中的重大污染源之一，因此发展可在水溶液环境中检测汞离子的快 速、简单、灵敏的检测方法，对水体环境中重金属的检测具有重要意义。
[0004] 目检测汞元素主要的方法：原子吸收光谱法、中子活化分析法、原子发射光谱法、 X射线荧光光谱法、溶出伏安法、双硫腙比色法、涂层压电传感器发和等离子体感应光谱法 等。由于上述方法的劣势（专业性强，步骤复杂，耗时，仪器贵重），荧光化学传感器离子检 测拥有众多的优点，它有望取代传统的方法，如测试速度快，设备简单，"裸眼"可视检测，价 格低廉，分子结构易于修饰优化，灵敏度高等优点。近年来有许多关于小分子荧光探针法检 测萊离子的报道（Sensors and Actuators B:Chemical，2015,210,519_532)，但是由于重 金属离子固有的荧光猝灭性质，使得发展高灵敏度的荧光探针具有一定的挑战性。另外用 于水体环境的荧光探针，不仅要保证水溶性良好，尤其应用于生物环境的荧光探针，不仅水 溶性好，而且还要求在正常的生理环境条件下能够工作，有利于可见光激发而防止紫外光 对细胞造成的损失。罗丹明B类荧光染料是一种很好的生物荧光物质，具有良好的光物理 性质，其吸收和发射都在长波处（> 550nm)，荧光量子产率高，摩尔消光系数大，背景干扰 小等优点，因此在发展荧光探针方面具有重要应用前景。
[0005] 中国专利201410058568. 9"一种检测汞离子的反应型罗丹明荧光探针及其制备方 法"，以罗丹明B和水合肼为原料合成罗丹明酰胺，然后和乙醛酸反应得到水溶性良好的产 物，对汞离子具有高度的选择性，其它常用离子都无明显的干扰，可在PH = 5-10的环境中 应用于生物荧光成像和水样的检测；中国专利201310163699. 9 "汞离子荧光传感器及其合 成方法和应用"，以罗丹明B和水合肼为原料反应生成罗丹明?酰胺，然后加入异氰酸酯反 应合成汞离子的荧光荧光传感器；中国专利201410029789. 3 "一种用于检测水环境中金属 离子含量的有机化合物及其应用"，以N-[2-(N'N'_二（烷基巯乙基）氨基苯氧乙基]-N-烷 基巯乙基-2-烷氧基苯胺作为离子络合体，适用于各种环境中金属离子浓度的连续检测， 尤其对汞离子的检测。
【发明内容】
[0006] 本发明所要解决的技术问题是提供一种检测汞离子的荧光探针及其制备方法与 应用，该荧光探针对汞离子有很好的选择性，在环境检测方面具有较好的使用效果。
[0007] 为了解决上述技术问题，本发明提供了一种检测汞离子的反应型罗丹明类荧光探 针，其特征在于，其结构式为：
[0009] 上述的检测汞离子的反应型罗丹明类荧光探针的制备方法包括：
[0010] 步骤1 :将2-溴甲基吡啶氢溴酸盐和叠氮化钠溶于溶剂中，搅拌反应3_4h，萃取， 洗涤，干燥，旋蒸，即得产物4-(2-炔基丙氧基）苯甲醛；
[0011] 步骤2 :将对羟基苯甲醛和溴丙炔以及催化剂溶于溶剂中，加热回流3_4h，冷却， 萃取，干燥，旋蒸，真空干燥，即得2-叠氮甲基吡啶；
[0012] 步骤3 :将4-(2-炔基丙氧基）苯甲醛和2-叠氮甲基吡啶，在氮气的保护下，溶于 混合溶剂中，加入催化剂，搅拌反应20-24h，萃取，干燥，旋蒸，进行柱层析，即得产物R ;
[0013] 步骤4 :将罗丹明B溶于溶剂中，加入水合肼，加热回流l_3h，冷却到室温，旋蒸，加 入盐酸，调节PH，过滤，烘干，即得罗丹明酰胺；
[0014] 步骤5 :将产物R和罗丹明酰胺溶于溶剂中，加入乙酸，加热回流反应5_6h，反应结 束后，旋蒸，即得检测汞离子的反应型罗丹明类荧光探针（RHPT)。
[0015] 优选地，所述的步骤1-4中的溶剂分别为N，N-二甲基甲酰胺、丙酮、叔丁醇和水的 混合物、乙醇，步骤5中的溶剂为乙醇。
[0016] 优选地，所述的步骤1中的2-溴甲基吡啶氢溴酸盐和叠氮化钠的摩尔比为 1 : 2. 5 ~3〇
[0017] 优选地，所述的步骤1中的萃取为：在反应体系中加入水，用二氯甲烷萃取，步骤1 中的溶剂、水和二氯甲烷的体积比为1 : 0.2~0.5 : 5~10。
[0018] 优选地，所述的步骤2中催化剂为碳酸钾，对羟基苯甲醛、溴丙炔以及催化剂的摩 尔比为 1 : 0.4 ~0.45 : 0.4 ~0.45。
[0019] 优选地，所述的步骤2中的萃取为：在反应体系中加入水，用二氯甲烷萃取，步骤2 中的溶剂、水和二氯甲烷的体积比为1 : 0.2~0.3 : 0.5~1。
[0020] 优选地，所述的步骤3中的催化剂为CuSO4 · 5H20和抗坏血酸钠，所述的4- (2-炔 基丙氧基）苯甲醛、2-叠氮甲基吡啶、CuSO4 ·5Η20和抗坏血酸钠的摩尔比为1 : 0.5~ I : 0· 5 ~0· 8 : 0· 8 ~Io
[0021] 优选地，所述的罗丹明B、水合肼和盐酸的摩尔比为1 : 0.02~0.05 : 0.03~ 0. 05〇
[0022] 优选地，所述的步骤4中的调节pH为使用氢氧化钠调节pH = 9. 0-10. 0。
[0023] 优选地，所述的步骤5中产物R、罗丹明酰胺和乙酸的摩尔比为1 : 0.8~ 1 : 0. 02 ~0. 03。
[0024] 本发明还提供了上述的检测汞离子的反应型罗丹明类荧光探针的应用方法，其特 征在于，包括：将不同浓度的汞离子的水溶液分别加入含有上述的检测汞离子的反应型罗 丹明类荧光探针的pH = 4. 0-12. 0的H3PO4ZUPO4的缓冲体系中，测定荧光强度，激发波长为 560nm，发射波长为577-580nm，以汞离子的浓度为横坐标，荧光强度的变化为纵坐标作图， 得到线性工作曲线；将含有汞离子的污水加入含有上述的检测汞离子的反应型罗丹明类荧 光探针的pH = 4. 0-12. 0的H3P04/H2P04的缓冲体系中，通过测定污水中的汞离子的荧光强 度即可得到溶液中汞离子的含量。
[0025] 优选地，所述的H3P04/H2P0 4的缓冲体系的pH = 7. 0。
[0026] 本发明含有罗丹明B基的酰胺基团，中间含有碳氮双键和三唑吡啶的引入，其中 的一些基团对汞离子具有识别作用。其机理在于：由于C = N双键的异构化，加入离子后， 分子的刚性改变和共辄性改变对于汞在荧光增强的同时颜色红移，颜色改变有利于提高探 针的灵敏性。其制备路线如图7所示。本发明所述的新型荧光探针RHPT自身荧光很弱，在 汞离子的条件下，经过560nm可见光激发，580nm处的荧光信号显著增强，通过记录荧光强 度即可检测汞离子的浓度。荧光探针RHPT在pH = 7. 0的缓冲溶液中对汞离子可进行高选 择性检测。
[0027] 与现有技术相比，本发明的有益效果是：
[0028] (1)本发明的荧光探针对汞离子有很好的选择性和灵敏度，在环境检测方面具有 较好的使用效果。
[0029] (2)本发明虽然合成步骤比较多，但反应条件比较简单，设备要求简单易于操作， 合成的荧光探针对汞离子具有较好的选择性和灵敏度。在溶液中加入汞离子前后颜色区别 大，可进行现场实时定性及半定量的目视比色法检测。
【附图说明】
[0030] 图1为荧光探针加入汞离子前后的紫外变化图谱；在图1中，横坐标为紫外吸收波 长（nm)，纵坐标为吸光度。
[0031] 图2a和2b分别为荧光探针加入汞离子前后的荧光变化图谱；在图2中，横坐标为 焚光发射波长（nm)，纵坐标为焚光强度。
[0032] 图3为（浓度为10 μM)在乙腈溶液中对汞离子的荧光光