CN115057875A - 一种近红外二区甲基汞离子检测探针及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种近红外二区甲基汞离子检测探针及其制备和应用，该检测探针在罗丹明结构中含有单硫螺内酯基团，与甲基汞结合后，探针经历了从无荧光的硫内酯形式到近红外二区荧光开环形式的独特转变。将近红外二区荧光染料溶于二氯甲烷中，滴加酰氯化试剂，回流反应，冷却，制得酰氯中间体；将酰氯中间体溶于四氢呋喃中，加入硫化钠水溶液，搅拌反应，调节反应后液呈中性，抽滤，将滤渣完全溶于二氯甲烷，干燥；所得固体用硅胶柱色谱，制得近红外二区甲基汞离子检测探针。该检测探针用于甲基汞离子检测。该检测探针属于激活型探针，发射波长处于近红外二区，可大大降低复杂水样检测的干扰，提高检测精度；对甲基汞离子的检测限可达到纳摩尔级。

Description

一种近红外二区甲基汞离子检测探针及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于化学分析检测技术领域，涉及一种可激活的近红外二区甲基汞离子检测探针及其制备方法和应用。
背景技术
汞作为环境中毒性最强的重金属之一，在自然界中会转化为毒性更强的有机汞。甲基汞（MeHg+）是有机汞的常见形式，比无机汞表现出更高的生物毒性。甲基汞存在生态环境中，通过水生食物链传递，并在人体内富集，进入人体后主要在肾脏和神经组织中积累。“水俣病”证明了甲基汞对人类健康的致命风险。水体中丰富的有机物会加速汞的甲基化进程。因此开发用于甲基汞检测的探针对环境治理和社会健康等方面具有重大意义。
目前，甲基汞的检测主要是通过色谱***（如气相色谱、高效液相色谱和毛细管电泳）与不同的元素特异性检测器（如电感耦合等离子体质谱、冷蒸气原子吸收光谱法和原子发射光谱法）联用进行的。这些方法因仪器昂贵、分析过程复杂和需要专业人员等因素而应用受限。相对于以上检测方法，荧光检测法不仅方法简便，而且在灵敏度、选择性、响应时间、现场测定等方面均有突出优点。地下水是一个复杂的环境，包含多种有机质和生物样品，近红外二区荧光能有效避免复杂水样中有机物荧光发射的干扰，从而大大提高检测的准确度。因此，开发新型高效的甲基汞离子检测探针，尤其是近红外二区荧光发射具有重要意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可激活的高效的近红外二区甲基汞离子检测探针。
本发明的第二个目的是提供一种上述检测探针的制备方法。
本发明的第三个目的是提供一种上述检测探针在甲基汞离子检测中的应用。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种近红外二区（NIR-Ⅱ）甲基汞离子检测探针，其结构式如下：
Figure 168279DEST_PATH_IMAGE001
本发明所采用的第二个技术方案是：一种上述检测探针的制备方法，按以下步骤进行：
1）按摩尔比1 : 3～6，分别取近红外二区荧光染料（化合物1）和酰氯化试剂，再按1mol近红外二区荧光染料需用10～20L二氯甲烷的比例，取二氯甲烷；将近红外二区荧光染料加入二氯甲烷，搅拌至近红外二区荧光染料完全溶解，得混合液；0～5℃温度下，搅拌混合液，并滴加酰氯化试剂，滴加完成后，升温至20～40℃回流反应2～8 h，溶液颜色由绿色变为蓝色，自然冷却至室温，减压除去溶剂，得到酰氯中间体（化合物2）；
酰氯化试剂采用二氯亚砜、草酰氯或三氯氧磷。
2）按1mol酰氯中间体需用10～20L四氢呋喃和2.5～5L摩尔浓度为2M的硫化钠水溶液的比例，分别取酰氯中间体、四氢呋喃和硫化钠水溶液；
将酰氯中间体完全溶解于四氢呋喃中，再加入硫化钠水溶液，在20～40 ℃温度下搅拌反应4～12 h，反应液颜色由蓝色变为棕色，用饱和碳酸氢钠溶液调节反应后液呈中性，得悬浊液，抽滤悬浊液，收集滤渣，将滤渣完全溶解于二氯甲烷中，用无水硫酸钠干燥，减压除去溶剂；所得固体用硅胶柱色谱（200～300目）分离纯化，洗脱剂为石油醚和乙酸乙酯（体积比V石油醚︰V乙酸乙酯=20︰1）的混合物，制得近红外二区甲基汞离子检测探针（化合物3）。
上述制备方法的合成路线如下：
Figure 392849DEST_PATH_IMAGE002
本发明制备方法基于近红外二区花菁染料骨架，利用甲基汞和硫原子之间的强结合，制备了可激活的NIR-Ⅱ甲基汞离子检测探针（化合物3）。该检测探针在罗丹明结构中含有单硫螺内酯基团，与甲基汞结合后，探针经历了从无荧光的硫内酯形式化合物3到近红外二区荧光开环形式化合物1的独特转变。因此，可以根据化合物3荧光强度的变化识别和定量检测甲基汞离子。
本发明检测探针的检测原理如下所示：
Figure 3959DEST_PATH_IMAGE003
本发明所采用的第三个技术方案是：一种上述检测探针在甲基汞离子检测中的应用，包括如下步骤：
1）首先配置下列溶液：
配制缓冲溶液：称取2.9789 g的4-羟乙基哌嗪乙磺酸（HEPES）溶解于200 mL二次水中，用摩尔浓度0.5 M的氢氧化钠溶液调节pH值为7.4，转移到250 mL容量瓶中，定容，得摩尔浓度50 mM的HEPES缓冲溶液（pH=7.4）；
将化合物3溶于二甲基亚砜，制成摩尔浓度2.0mM的第一母液；
将MeHgCl溶于二次水，配成摩尔浓度2.5 mM的第二母液；
将NaCl、KCl、CaCl2、CuCl2·H2O、SnCl2·2H2O、CrCl3·6H2O、PbCl2、MgCl2、ZnCl2、CdCl2·2.5H2O、NiCl2·6H2O、FeCl3·6H2O、MnCl2·4H2O分别溶于二次水，配成不同的金属离子母液，所有金属离子母液的摩尔浓度均为2.5 mM。
2）按体积比1︰1将摩尔浓度50 mM的HEPES缓冲溶液和无水乙醇配制成稀释液；然后，用稀释液将第一母液和所有的金属离子母液均稀释到所需的浓度；
3）进行下列几项检测：
ⅰ）对稀释后的第一母液进行检测，测定化合物3的紫外吸收和荧光光谱。
ⅱ）将第二母液加入稀释后的第一母液中，测定化合物3与甲基汞离子反应后的紫外吸收和荧光光谱。
ⅲ）将第二母液加入稀释后的第一母液中，分别测定在不同时刻化合物3与甲基汞离子反应后溶液的紫外吸收光谱。
ⅳ）在HEPES缓冲液和乙醇(体积比1︰1)体系（稀释液）中，分别取不同体积的第二母液加入稀释后浓度为2μM的第一母液（2mL）中，测定化合物3与不同浓度甲基汞离子反应后溶液的荧光光谱，并根据荧光发射峰的强度与甲基汞离子浓度的关系制作工作曲线。
ⅴ）取体积相同的不同的金属离子母液，然后在每份金属离子母液中均加入相同体积的稀释后的第一母液，测定化合物3与不同金属离子的荧光光谱。
ⅵ）取体积相同的不同的金属离子母液，然后在每份金属离子母液中均加入相同体积的稀释后的第一母液和相同体积的第二母液，分别测定化合物3与甲基汞离子以及共存的不同金属离子反应后的荧光光谱。
本发明检测探针的有益效果在于：
1）本发明检测探针的制备过程中，可以根据具体目标修饰响应基团，制备方法可拓展性强。
2）检测探针属于激活型探针，发射波长处于近红外二区，可大大降低复杂水样检测的干扰，提高检测精度。
3）对甲基汞离子的检测限低，可以达到纳摩尔级。
4）对甲基汞离子的识别灵敏度高，特异性强以及抗干扰性良好。
附图说明
图1为实施例1制得的检测探针及该检测探针在甲基汞离子存在时的紫外光谱图和荧光光谱图。
图2为实施例1制得的检测探针在甲基汞离子存在下，856 nm处的吸收强度随时间变化图。
图3为实施例1制得的检测探针响应不同浓度甲基汞离子（0～200 nM）后的荧光光谱图。
图4为实施例1制得的检测探针响应不同浓度甲基汞离子（0～200 nM）后，950 nm处的荧光强度与甲基汞离子浓度的拟合线性图。
图5为实施例1制得的检测探针对甲基汞离子的选择性和抗干扰性的荧光光谱图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
实施例1
合成一种NIR-Ⅱ甲基汞离子检测探针（化合物3），该NIR-Ⅱ甲基汞离子检测探针的合成路线如下：
Figure 623159DEST_PATH_IMAGE004
具体制备方法：
将0.5 mmol（435.9 mg）近红外二区荧光染料（化合物1）加入10 mL无水二氯甲烷中，搅拌至近红外二区荧光染料完全溶解，得混合液；0℃温度下，搅拌混合液，并滴加2.5mmol（0.23 mL）三氯氧磷，滴加完成后，升温至35℃回流4h，溶液颜色由绿色变为蓝色，自然冷却至室温，减压除去溶剂，得到酰氯中间体（化合物2）。不做进一步处理，直接将0.5mmol酰氯中间体溶解在10 mL四氢呋喃中，加入2.5 mL摩尔浓度2M的硫化钠水溶液；在20℃下搅拌12 h，反应液颜色由蓝色变为棕色，用饱和碳酸氢钠溶液调节反应后液呈中性，有沉淀析出，得悬浊液，对悬浊液进行抽滤，滤渣溶解在二氯甲烷中，用无水硫酸钠干燥，减压除去溶剂。所得固体用硅胶柱色谱（200~300目）分离纯化，洗脱剂为石油醚和乙酸乙酯（体积比V石油醚︰V乙酸乙酯=20︰1）的混合物，制得红棕色的近红外二区甲基汞离子检测探针（化合物3）165.3 mg，产率42%。
实施例1制得化合物3的核磁和质谱表征如下：1H NMR (400 MHz, CDCl3) δ 7.81-7.69 (m, 3H), 7.49-7.39 (m, 2H), 7.36-7.30 (m, 3H), 7.28 (d, J = 6.8 Hz, 1H),7.21 (d, J = 7.9 Hz, 1H), 6.95 (s, 1H), 6.69 (s, 1H), 6.50 (d, J = 8.9 Hz,1H), 6.34-6.25 (m, 2H), 6.25-6.16 (m, 2H), 3.50-3.33 (m, 2H), 3.32-3.08 (m,8H), 2.70-2.45 (m, 2H), 2.14-2.03 (m, 1H), 1.85-1.70 (m, 2H), 1.65-1.55 (m,2H),1.37-1.23 (m, 3H), 1.23-0.93 (m, 15H), 0.83-0.71 (m, 1H). 13C NMR (101MHz, CDCl3) δ 197.88, 156.31, 152.09, 150.05, 148.55, 146.87, 145.97, 137.98,136.59, 134.53, 134.10, 132.91, 129.72, 129.61, 128.83, 128.56, 128.33,126.75, 124.95, 123.66, 122.81, 120.04, 110.79, 108.60, 107.93, 106.83,104.62, 102.71, 102.65, 100.53, 98.49, 97.69, 66.85, 55.93, 54.65, 44.55,42.34, 42.19, 29.81, 27.88, 27.31, 27.23, 26.13, 24.81, 22.73, 22.54, 22.37,12.79, 11.88, 11.33. MS (ESI): calcd for [C51H53N3O3S]+787.38, found 787.27.
实施例1制得化合物3在甲基汞存在时的紫外和荧光光谱测定：
将实施例1制得的化合物3溶于二甲基亚砜，得摩尔浓度2.0 mM的探针母液，用稀释液稀释该探针母液，得探针溶液，该探针溶液中化合物3的摩尔浓度为5 μM，分别测定该探针溶液的紫外光谱和荧光光谱。取2 mL该探针溶液，加入4 μL第二母液，得稀释后液，该稀释后液中甲基汞离子的摩尔浓度为5 μM，分别测定该稀释后液的紫外光谱和荧光光谱，得到图1所示的检测探针及该检测探针在甲基汞离子存在时的紫外光谱图和荧光光谱图。由于化合物3为硫内酯类型，探针在近红外区并没有明显的吸收。加入甲基汞离子后，甲基汞和硫原子之间的强结合作用，探针从硫内酯形式的化合物3转变为开环形式的化合物1，因此稀释后液在波长700～900 nm区间的吸收大大增强。以808 nm为激发波长，化合物3在甲基汞存在时的最大发射波长为950 nm。而探针在808 nm波长激光的激发下几乎没有荧光发射，说明本发明检测探针属于激活型探针。
实施例1制得的化合物3对甲基汞离子的检测：
取2 mL探针溶液，加入4 μL第二母液并立即开始计时，在不同时刻分别测得溶液的吸收光谱，如图2所示。随着反应时间的延长，在856 nm处的吸收强度逐渐增加，在反应约200 s时吸收强度不再增强且达到平衡，表明本发明检测探针具有足够的响应灵敏度。
将实施例1制得的化合物3溶于二甲基亚砜，得摩尔浓度2.0 mM的探针母液，用稀释液稀释该探针母液，得探针液，该探针液中化合物3的摩尔浓度为2 μM。取八份MeHgCl，分别溶于二次水中，得摩尔浓度分别为0 nM、25nM、50nM、75nM、100nM、125nM、150nM和200nM的八份甲基汞离子溶液。取八份该探针液，每份探针液均为2mL，一份探针液中加入一份甲基汞离子溶液，摇匀，放置三分钟后，在荧光光谱仪上记录体系在900～1200 nm波长范围内的荧光光谱（使用808 nm激光器激发），得图3所示的荧光光谱图。可以观察到，随着甲基汞离子浓度增加，体系荧光逐渐增强。以950 nm 处的荧光强度为纵坐标，甲基汞离子浓度为横坐标作图，拟合得到图4所示的本发明检测探针的工作曲线，该检测探针对甲基汞离子的实际检出限为25 nM（5.4 ppb）。从图4中可以看出，体系在950 nm处的荧光强度与甲基汞离子的浓度（0～200 nM）呈良好的线性关系（R2＝0.9963）。由此拟合直线的斜率，通过公式3σ/k（σ：11次空白样本的检测值的标准偏差，k：拟合直线的斜率）可以计算出化合物3对甲基汞离子的检测限约为14 nM（3.0 ppb）。以上实验结果说明本发明检测探针具有足够的检测灵敏度，可以满足地下水中甲基汞离子检测的要求。
实施例1制得检测探针对不同金属离子的选择性和抗干扰实验：
取十三份体积均为2 mL的探针溶液。分别取摩尔浓度为2.5 mM的不同的金属离子母液（Na+、K+、Ca2+、Cu2+、Sn2+、Cr3+、Pb2+、Mg2+、Zn2+、Cd2+、Ni2+、Fe3+、Mn2+）各4 μL。一份探针溶液中加入一种金属离子母液，摇匀，放置三分钟后，在荧光光谱仪上记录950 nm处荧光强度的信号。随后向含有不同金属离子的体系中分别加入4 μL摩尔浓度为2.5 mM的MeHgCl母液，摇匀，放置三分钟后，在荧光光谱仪上记录950 nm处荧光强度的信号。化合物3、甲基汞离子与不同金属离子的摩尔当量比为1︰1︰1。各实验组在950 nm处的荧光强度如图5所示（图中M+表示不同金属离子），所得实验结果说明化合物3可以特异性地识别并检测出MeHg+，其它离子的干扰可忽略不计，表明本发明检测探针对甲基汞离子具有良好的选择性和抗干扰性。
实施例2
将0.5 mmol （435.9 mg）近红外二区荧光染料（化合物1）加入10 mL无水二氯甲烷中，搅拌至近红外二区荧光染料完全溶解，得混合液；0 ℃温度下，搅拌混合液，并滴加2.5mmol（0.23 mL）三氯氧磷，滴加完成后，升温至35 ℃回流4h，溶液颜色由绿色变为蓝色，自然冷却至室温，减压除去溶剂，得到酰氯中间体（化合物2）。不做进一步处理，直接将酰氯中间体溶解在10 mL四氢呋喃中，加入2.5 mL浓度为2M的硫化钠水溶液；在20℃下搅拌6h，反应液颜色由蓝色变为棕色。反应结束后，用饱和碳酸氢钠溶液调节反应后液呈中性，有沉淀析出，得悬浊液，对悬浊液进行抽滤，滤渣溶解在二氯甲烷中，用无水硫酸钠干燥，最后减压除去溶剂。所得固体用硅胶柱色谱（200~300目）分离纯化，制得红棕色的近红外二区甲基汞离子检测探针（化合物3）149.5 mg，产率38 %。洗脱剂为石油醚和乙酸乙酯（体积比V石油醚︰V乙酸乙酯=20︰1）的混合物。
实施例2制得化合物3的核磁和质谱表征如下：1H NMR (400 MHz, CDCl3) δ 7.81-7.69 (m, 3H), 7.49-7.39 (m, 2H), 7.36-7.30 (m, 3H), 7.28 (d, J = 6.8 Hz, 1H),7.21 (d, J = 7.9 Hz, 1H), 6.95 (s, 1H), 6.69 (s, 1H), 6.50 (d, J = 8.9 Hz,1H), 6.34-6.25 (m, 2H), 6.25-6.16 (m, 2H), 3.50-3.33 (m, 2H), 3.32-3.08 (m,8H), 2.70-2.45 (m, 2H), 2.14-2.03 (m, 1H), 1.85-1.70 (m, 2H), 1.65-1.55 (m,2H),1.37-1.23 (m, 3H), 1.23-0.93 (m, 15H), 0.83-0.71 (m, 1H). 13C NMR (101MHz, CDCl3) δ 197.88, 156.31, 152.09, 150.05, 148.55, 146.87, 145.97, 137.98,136.59, 134.53, 134.10, 132.91, 129.72, 129.61, 128.83, 128.56, 128.33,126.75, 124.95, 123.66, 122.81, 120.04, 110.79, 108.60, 107.93, 106.83,104.62, 102.71, 102.65, 100.53, 98.49, 97.69, 66.85, 55.93, 54.65, 44.55,42.34, 42.19, 29.81, 27.88, 27.31, 27.23, 26.13, 24.81, 22.73, 22.54, 22.37,12.79, 11.88, 11.33. MS (ESI): calcd for [C51H53N3O3S]+787.38, found 787.27.实施例3
按摩尔比1 : 3，分别取近红外二区荧光染料和二氯亚砜，再按1mol近红外二区荧光染料需用10L二氯甲烷的比例，取二氯甲烷；将近红外二区荧光染料加入二氯甲烷，搅拌至近红外二区荧光染料完全溶解，得混合液；0℃温度下，搅拌混合液，并滴加二氯亚砜，滴加完成后，升温至20℃回流反应8 h，溶液颜色由绿色变为蓝色，自然冷却至室温，减压除去溶剂，得到酰氯中间体；按1mol酰氯中间体需用10L四氢呋喃和3.5L摩尔浓度为2M的硫化钠水溶液的比例，分别取酰氯中间体、四氢呋喃和硫化钠水溶液；酰氯中间体完全溶解于四氢呋喃中，再加入硫化钠水溶液，在40℃温度下搅拌反应4h，反应液颜色由蓝色变为棕色，用饱和碳酸氢钠溶液调节反应后液呈中性，得悬浊液，抽滤悬浊液，收集滤渣，将滤渣完全溶解于二氯甲烷中，用无水硫酸钠干燥，减压除去溶剂；所得固体用硅胶柱色谱（200～300目）分离纯化，洗脱剂为石油醚和乙酸乙酯（体积比V石油醚︰V乙酸乙酯=20︰1）的混合物，制得近红外二区甲基汞离子检测探针。
实施例4
按摩尔比1 : 6，分别取近红外二区荧光染料和二氯亚砜，再按1mol近红外二区荧光染料需用15L二氯甲烷的比例，取二氯甲烷；将近红外二区荧光染料加入二氯甲烷，搅拌至近红外二区荧光染料完全溶解，得混合液；0℃温度下，搅拌混合液，并滴加二氯亚砜，滴加完成后，升温至40℃回流反应5 h，溶液颜色由绿色变为蓝色，自然冷却至室温，减压除去溶剂，得到酰氯中间体；按1mol酰氯中间体需用15L四氢呋喃和5L摩尔浓度为2M的硫化钠水溶液的比例，分别取酰氯中间体、四氢呋喃和硫化钠水溶液；酰氯中间体完全溶解于四氢呋喃中，再加入硫化钠水溶液，在30℃温度下搅拌反应8h，反应液颜色由蓝色变为棕色，用饱和碳酸氢钠溶液调节反应后液呈中性，得悬浊液，抽滤悬浊液，收集滤渣，将滤渣完全溶解于二氯甲烷中，用无水硫酸钠干燥，减压除去溶剂；所得固体用硅胶柱色谱（200～300目）分离纯化，洗脱剂为石油醚和乙酸乙酯（体积比V石油醚︰V乙酸乙酯=20︰1）的混合物，制得近红外二区甲基汞离子检测探针。

Claims (5)

1.一种近红外二区甲基汞离子检测探针，其特征在于，该检测探针的结构式为：
Figure 4417DEST_PATH_IMAGE001
。
2.一种权利要求1所述近红外二区甲基汞离子检测探针的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
1）按摩尔比1 : 3～6，分别取近红外二区荧光染料和酰氯化试剂，再按1mol近红外二区荧光染料需用10～20L二氯甲烷的比例，取二氯甲烷；
将近红外二区荧光染料加入二氯甲烷，搅拌至近红外二区荧光染料完全溶解，得混合液；0～5℃温度下，搅拌混合液，并滴加酰氯化试剂，滴加完成后，升温至20～40℃回流反应2～8h，自然冷却至室温，减压除去溶剂，得到酰氯中间体；
2）按1mol酰氯中间体需用10～20L四氢呋喃和2.5～5L摩尔浓度为2M的硫化钠水溶液的比例，分别取酰氯中间体、四氢呋喃和硫化钠水溶液；
将酰氯中间体完全溶解于四氢呋喃中，再加入硫化钠水溶液，在20～40 ℃温度下搅拌反应4～12 h，调节反应后液呈中性，得悬浊液，抽滤，将滤渣完全溶解于二氯甲烷中，用无水硫酸钠干燥，减压除去溶剂；所得固体用硅胶柱色谱分离纯化，制得近红外二区甲基汞离子检测探针。
3.根据权利要求2所述的近红外二区甲基汞离子检测探针的制备方法，其特征在于，所述步骤1）中，酰氯化试剂采用二氯亚砜、草酰氯或三氯氧磷。
4.根据权利要求2所述的近红外二区甲基汞离子检测探针的制备方法，其特征在于，所述步骤2）中，用碳酸氢钠调节反应后液呈中性。
5.一种权利要求1所述近红外二区甲基汞离子检测探针在甲基汞离子荧光检测中的应用。
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