CN106841148A - 快速检测次氯酸根的荧光探针和方法及其在自来水样检测中的应用 - Google Patents

快速检测次氯酸根的荧光探针和方法及其在自来水样检测中的应用 Download PDF

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Abstract

本发明的名称是一种快速检测次氯酸根的荧光探针和方法及其在自来水样检测中的应用，它是主要组成为香豆素衍生物与亚铜盐的混合溶液。本发明所述的荧光探针，用于水溶液中对次氯酸根检测时，表现出明显的荧光猝灭响应，响应速度快，可实现次氯酸根的实时检测；检测灵敏度高，检出限低达1.4×10‑6mol/L；利用标准曲线，能准确地测定自来水实际样品中次氯酸根的浓度；对次氯酸根具有超高的选择性，其他常见阴离子及H2O2几乎无干扰。

Description

快速检测次氯酸根的荧光探针和方法及其在自来水样检测中 的应用
技术领域
本发明涉及一种快速检测次氯酸根的荧光探针和方法及其在自来水样检测中的应用，属于环境保护领域。
背景技术
次氯酸(HClO)是一种活性氧簇，在我们的日常生活和防御外来病原体对宿主的入侵方面都起着重要的作用。它是一种强氧化剂，能杀死水里的细菌，被广泛用作游泳池的消毒剂。次氯酸能使有机色质和染料褪色，因此可以用作漂白剂、氧化剂、除臭剂和消毒剂。然而，生物体内过量的次氯酸会损害宿主自身的组织，引发一系列的疾病，例如肾病、动脉硬化症和关节炎等。因此，如何高灵敏度、高选择性地检测次氯酸是一个迫切需要解决的问题。
目前，利用次氯酸独特的强氧化性，基于氧化反应的次氯酸传感器被陆续报道。例如，对甲氧基苯酚氧化为对苯二醌、二苯甲酰肼氧化为联苯酰二酰亚胺、硫醇氧化为磺酸盐衍生物等化学反应，均可作为构建次氯酸传感器的基础。然而，大多数传感器的合成都比较复杂，不利于实际应用。因此，需要发展一种简单易行的新方法来实现对次氯酸根的高效检测。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术存在的不足而提供一种快速检测次氯酸根的荧光探针和方法，通过荧光猝灭的方法实现对次氯酸根的识别与检测，灵敏度高，选择性好，定量分析准确，检出限低至1.4×10-6mol/L，可成功地应用于自来水样品中次氯酸根浓度的检测。
本发明为解决上述提出的问题所采用的技术方案为：
一种快速检测次氯酸根的荧光探针，是主要组成为香豆素衍生物与亚铜盐的混合溶液，其中，香豆素衍生物(缩写为C1)的结构式如下所示：
按上述方案，所述混合溶液中香豆素衍生物的浓度范围为5×10-7～1×10-4mol/L，亚铜盐的浓度范围为5×10-7～3×10-4mol/L。其中，所述亚铜盐优选碘化亚铜等可溶性亚铜盐。
按上述方案，所述混合溶液的溶剂为缓冲溶液与有机溶剂的混合物，其中缓冲溶液的pH范围为6～9。优选地，缓冲溶液和有机溶剂的体积比为(5～95)：5。进一步优选地，所述有机溶剂选自二甲基亚砜或乙腈等，缓冲溶液选自HEPES缓冲溶液等。
按上述方案，所述混合溶液中还包括抗氧化剂。优选地，抗氧化剂选自抗坏血酸钠或L-抗坏血酸、异抗坏血酸钠等。
按上述方案，所述抗氧化剂的浓度范围为2×10-8～5×10-5mol/L。
在上述基础上，本发明还提供一种快速检测次氯酸根的方法。该方法主要包括如下步骤：
1)配制上述主要组成为香豆素衍生物与亚铜盐的混合溶液，作为快速检测次氯酸根的荧光探针：
2)配制次氯酸盐的水溶液；
3)将步骤1)配制的混合溶液置于石英比色皿中，用荧光分光光度计测试其发射光谱；然后向该混合溶液中逐渐滴加次氯酸盐水溶液，利用荧光分光光度计分别测试发射光谱，并总结归纳该混合溶液中荧光强度变化与次氯酸盐浓度的关系，以荧光强度变化值为纵坐标，以次氯酸根浓度为横坐标，绘制标准曲线；
4)向步骤1)所配制的混合溶液中定量加入待测的次氯酸盐水溶液，然后测定其荧光强度的变化值，根据步骤3)所得标准曲线，计算出待测的次氯酸盐的浓度。
按上述方案，如果待测的次氯酸盐水溶液是采用自来水配制，那么扣除自来水中次氯酸的浓度，即可得到该待测次氯酸盐的浓度。自来水本身次氯酸根的浓度测定方法为：向步骤1)所配制的混合溶液中定量加入自来水，然后测定其荧光强度的变化，根据步骤3)所得标准曲线，计算出自来水中次氯酸的浓度。
按上述方案，为了排除空气中氧气的干扰，本发明可以在化合物C1与亚铜离子的混合溶液中加入抗坏血酸钠等作为亚铜离子的稳定剂。
按上述方案，所述次氯酸盐选自次氯酸钠和次氯酸钾等。
按上述方案，所述次氯酸盐溶液的浓度范围为1.4×10-6～2×10-1mol/L。
按上述方案，所述的荧光光谱测试的激发波长范围为410～450nm，发射波长范围为420～650nm。
本发明的主要原理：香豆素衍生物C1的溶液在490nm有很强的荧光发射峰，且化合物C1与亚铜离子的结合作用很弱，对Cu+离子几乎无光谱响应。而化合物C1结构中的2-吡啶甲胺基团可有效地螯合铜离子，逐步形成络合物C1-Cu2+。因此，以主要组成为化合物C1与亚铜离子的混合溶液作为荧光探针，向其水溶液中逐渐加入次氯酸根，Cu+离子被逐渐氧化成Cu2+离子，进一步与化合物C1逐步形成络合物C1-Cu2+，导致化合物C1在490nm的发射峰逐渐减弱甚至猝灭，由很强的绿色荧光变为几乎无荧光，而荧光强度变化与ClO-离子浓度呈现良好的线性关系，从而可实现对次氯酸根的定性检测以及定量分析。而且，得益于次氯酸根独特的氧化性，该荧光探针体系对次氯酸根具有较高的选择性，对于其他常见阴离子则无明显的光谱响应。重要的是，该荧光探针体系灵敏度高，可检测自来水样品中次氯酸的浓度。
本发明所述主要组成为化合物C1与亚铜离子的混合溶液作为荧光探针，对次氯酸根的传感过程如下所示：
本发明主要是解决次氯酸根化学传感器中存在的种种局限性，如合成复杂、操作繁琐、在水溶液中检测灵敏度低、选择性差、响应速度慢等问题。与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1.本发明的香豆素衍生物C1与Cu+的混合溶液可作为次氯酸根的荧光探针，通过荧光猝灭的方法实现对次氯酸根的识别与检测；
2.本发明中所述主要组成为化合物C1与亚铜离子的混合溶液作为荧光探针，可用于水溶液中次氯酸根的高灵敏度检测，荧光分析法的检出限为1.4×10-6mol/L；
3.本发明所述荧光探针其荧光强度的变化与次氯酸根浓度呈现良好的线性关系(R2＝0.9910)，可准确地定量待测样品中次氯酸根的浓度。
4.本发明所述荧光探针具有较高的选择性，对于除次氯酸根之外的其他阴离子及H2O2无明显的光谱响应；
5.本发明所述荧光探针可成功地应用于自来水样品中次氯酸根浓度的检测。
附图说明
图1是本发明实施例1中荧光探针(主要组成为香豆素衍生物C1与CuI的混合溶液)对次氯酸根的荧光滴定图。其中，化合物C1的浓度为20μM，CuI浓度为30μM，抗坏血酸钠浓度为2μM，次氯酸根浓度范围为0～70μM。
图2是本发明实施例1的荧光探针对次氯酸根滴定的标准曲线，化合物C1的浓度为20μM，CuI浓度为30μM，抗坏血酸钠浓度为2μM；其中，纵坐标为490nm处荧光强度的变化，横坐标为次氯酸根的浓度。
图3为本发明实施例2的荧光探针对常见阴离子的识别响应图，纵坐标为490nm处荧光强度的变化，横坐标为不同的阴离子。其中，化合物C1的浓度为20μM，CuI浓度为30μM，抗坏血酸钠浓度为2μM，次氯酸根浓度为70μM，H2O2浓度为100μM，其他阴离子浓度为500μM。
图4为本发明实施例3的荧光探针中加入200μL自来水以及加入次氯酸根的自来水样品之后的荧光光谱。其中，化合物C1的浓度为20μM，CuI浓度为30μM，抗坏血酸钠浓度为2μM。
具体实施方式
为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明不仅仅局限于下面的实施例。
本发明实施例中所用的原料均为已知化合物，可由市场购得，或按照现有技术的方法合成得到。化合物C1按照文献报道方法合成得到，经表征分析证实所得产物与其结构式相符，为 1H NMR(300MHz,CDCl3):9.53(1H,s),8.56(1H,s),8.51(1H,s),7.63-7.65(1H,t,J＝3.0Hz),7.32-7.34(1H,d,J＝6.0Hz),7.14-7.17(1H,m),6.94(1H,s),4.76(2H,s),3.25-3.27(4H,t,J＝3.0Hz),2.81-2.82(2H,d,J＝3.0Hz),2.69-2.72(2H,d,J＝4.5Hz),1.91(4H,m).13C NMR(75MHz,CDCl3):163.86,163.00,157.91,152.76,149.31,148.24,148.19,136.63,127.05,122.04,121.50,119.61,109.00,108.27,105.73,67.98,50.25,49.84,45.29,27.47,25.62,21.17,20.23,20.12ppm.MS(ESI),m/z[M+H]+:376.4,calcd,376.2.
实施例1
一种快速检测次氯酸根的荧光探针，其配制方法如下：
1)配制浓度为10mM、pH为7.4的HEPES(4-羟乙基哌嗪乙磺酸)缓冲溶液；配制化合物C1的CH3CN溶液，浓度为0.2mM；取1mL上述C1的CH3CN溶液置于10mL比色管中，用HEPES缓冲溶液定容，得到浓度为20μM、以HEPES-CH3CN体积比9：1为溶剂的C1溶液；
2)配制CuI的CH3CN溶液，浓度为0.1M；
3)用去离子水配制抗坏血酸钠溶液，浓度为20mM；
4)在步骤1)所得化合物C1的溶液中加入3μL浓度为0.1M的CuI溶液及1μL浓度为20mM的抗坏血酸钠水溶液(对总体积的影响可忽略不计)，得到快速检测次氯酸根的荧光探针。
上述荧光探针快速检测次氯酸根的方法，主要包括如下步骤：
1)配制本实施例所述主要组成为香豆素衍生物与CuI的混合溶液，作为快速检测次氯酸根的荧光探针；
2)用去离子水配制浓度为6mM的NaClO溶液；
3)取3mL步骤1)中配制的混合溶液(即荧光探针)置于石英比色皿中，在室温条件下，激发波长为420nm，用荧光分光光度计测试其发射光谱；然后，在该混合溶液中依次加入体积(单位：μL)为1.0、1.0、1.0、1.0、1.0、1.5、1.5、2.0、2.5、2.5、2.5、2.5、2.5、2.5、2.5、2.5、2.5、和2.5的步骤2)中配制的NaClO水溶液(对总体积的影响忽略不计)，在相同条件下连续测试荧光光谱；如图1所示，在490nm处从上到下的滴定曲线依次表示体系中次氯酸根浓度(单位：10-5mol/L)为0.0、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0、1.3、1.6、2.0、2.5、3.0、3.5、4.0、4.5、5.0、5.5、6.0、6.5和7.0时体系的荧光光谱。
从图1中可以看到，随着次氯酸根浓度的增加，位于490nm处的荧光发射光谱极大地减弱。通过荧光滴定测试发现，当体系中次氯酸根浓度仅为2μM时，荧光发射强度便降低了7％；当次氯酸根浓度为70μM时，荧光发射强度达到最小值，与原来相比降低了125倍。
4)通过归纳总结490nm处荧光强度的变化与次氯酸根浓度的关系，绘制成次氯酸根标准曲线。如图2所示，在0～40μM浓度范围内，荧光强度的变化与次氯酸根浓度呈现出良好的线性关系，可实现对次氯酸根的定量检测。所拟合的线性回归方程为y＝-4.0466+26.9362x(R2＝0.9910)，其中y表示加入NaClO前后490nm处荧光强度的差值，x表示NaClO的浓度(即次氯酸根浓度)，单位为10-5mol/L。
实施例2
本发明所述荧光探针对常见阴离子的光谱响应，测试方法包括如下步骤：
1)荧光探针的组成及浓度、配制方法与实施例1相同；
2)分别将1mmol的无机盐(NaClO,680μL；Na2SO4,142mg；NaHSO3,104mg；NaOAc·3H2O,136mg；NaClO4,122mg；Na2SO3,126mg；NaF,42mg；Na2CO3,106mg；NaHCO3,84mg；K3PO4·3H2O,266mg；NaCl,58mg；KBr,119mg；K2HPO4·3H2O,228mg；NaIO3,198mg；NaHSO4,120mg；KClO3,122mg；NaNO2,69mg)和H2O2(100μL)溶于10mL去离子水中，分别得到浓度为0.1M的常见阴离子水溶液；
3)取3mL步骤1)中配制的荧光探针置于石英比色皿中，在室温条件下，激发波长为420nm，用荧光分光光度计测试其发射光谱；然后，在该荧光探针溶液中分别加入体积为1.0μL的步骤2)中配制的H2O2溶液和体积为5.0μL的步骤2)中配制的SO4 2-、HSO3 -、AcO-、ClO4 -、SO3 2-、F-、CO3 2-、HCO3 -、PO4 3-、Cl-、Br-、HPO4 2-、IO3 -、HSO4 -、ClO3 -和NO2 -阴离子水溶液(对总体积的影响忽略不计)，在相同条件下分别测试其荧光光谱。
如图3所示，纵坐标中，I0和I分别表示加入次氯酸根之前和之后体系在490nm的发射强度，横坐标表示各种阴离子，其中次氯酸根浓度为70μM，H2O2浓度为100μM，其他阴离子浓度为500μM。比较图3柱状图的高度可以看出，本发明所述荧光探针对其他常见阴离子的荧光光谱响应远远小于对次氯酸根的响应，可实现对次氯酸根的高选择性检测。
实施例3
本发明所述荧光探针快速检测自来水样中次氯酸根的方法，主要包括如下步骤：
1)荧光探针的组成及浓度、配制方法与实施例1相同；
2)用自来水配制浓度为0.1mM的NaClO溶液；
3)取3mL步骤1)中配制的荧光探针溶液置于石英比色皿中，在室温条件下，激发波长为420nm，用荧光分光光度计测试其发射光谱；然后，在该荧光探针溶液中加入体积为200μL的自来水，如图4所示，荧光发射强度降低为原来的70％。根据图2中标准曲线的线性方程可计算得出，该自来水样中次氯酸浓度约为1.8×10-4M。
4)取3mL步骤1)中配制的荧光探针溶液置于石英比色皿中，在室温条件下，激发波长为420nm，用荧光分光光度计测试其发射光谱；然后，在该荧光探针溶液中加入体积为200μL的含次氯酸钠的自来水样，如图4所示，荧光发射强度降低为原来的58.6％。
如图4所示，从上到下依次为荧光探针溶液本身、荧光探针溶液中加入200μL自来水后、荧光探针溶液中加入200μL含次氯酸钠的自来水样后的荧光光谱。其中，加入200μL含次氯酸钠的自来水样后，荧光发射强度降低为原来的58.6％。根据图2中标准曲线的线性方程可计算得出，该样品中次氯酸总浓度约为2.76×10-4M，减去自来水中次氯酸的浓度，可计算得到该含次氯酸钠的自来水样中的次氯酸根浓度为0.96×10-4M。可见，通过本发明所述方法测试荧光强度后所得计算值与真实值的差较小，表明本发明的荧光探针可用作实际样品中次氯酸根的准确定量检测。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干改进和变换，均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种快速检测次氯酸根的荧光探针，其特征在于它是主要组成为香豆素衍生物与亚铜盐的混合溶液，其中，香豆素衍生物的结构式如式1所示：
2.根据权利要求1所述的一种快速检测次氯酸根的荧光探针，其特征在于混合溶液中香豆素衍生物的浓度范围为5×10-7～1×10-4mol/L，亚铜盐的浓度范围为5×10-7～3×10- 4mol/L。
3.根据权利要求1所述的一种快速检测次氯酸根的荧光探针，其特征在于溶剂为缓冲溶液与有机溶剂的混合物，其中缓冲溶液的pH范围为6～9，所选有机溶剂可与水混溶。
4.根据权利要求3所述的一种快速检测次氯酸根的荧光探针，其特征在于所述缓冲溶液和有机溶剂的体积比为(5～95)：5。
5.根据权利要求1所述的一种快速检测次氯酸根的荧光探针，其特征在于所述混合溶液中还包括抗氧化剂。
6.根据权利要求5所述的一种快速检测次氯酸根的荧光探针，其特征在于混合溶液中抗氧化剂的浓度范围为2×10-8～5×10-5mol/L。
7.权利要求1-6中任意一项所述荧光探针快速检测次氯酸根的方法，其特征在于主要包括如下步骤：
1)配制上述主要组成为香豆素衍生物与亚铜盐的混合溶液，作为快速检测次氯酸根的荧光探针：
2)配制次氯酸盐的水溶液；
3)用荧光分光光度计测试步骤1)中配制的混合溶液的发射光谱；然后向该混合溶液中逐渐滴加次氯酸盐水溶液，利用荧光分光光度计分别测试发射光谱，并总结归纳该混合溶液的荧光强度变化与次氯酸根浓度的关系，以荧光强度变化值为纵坐标，以次氯酸根浓度为横坐标，绘制标准曲线；
4)向步骤1)所配制的混合溶液中定量加入待测的次氯酸盐溶液，然后测定其荧光强度的变化值，根据步骤3)所得标准曲线，计算出待测的次氯酸盐溶液的浓度。
8.根据权利要求7所述快速检测次氯酸根的方法，其特征在于步骤2)中所述次氯酸盐的水溶液浓度范围为1.4×10-6～2×10-1mol/L。
9.根据权利要求7所述快速检测次氯酸根的方法，其特征在于所述的荧光光谱测试的激发波长范围为410～450nm，发射波长范围为420～650nm。
10.权利要求1-6中任意一项所述荧光探针检测自来水中次氯酸根的应用。
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