毕业设计（论文）-基于闭环反应的氟离子化学荧光传感器的识别性质研究.doc

+ 基于闭环反应的氟离子化学荧光传感器的识别性质研究目 录摘 要IAbstractII引 言1第1章 概述2 1.1氟离子识别的重要意义21.2化学传感器2 1.2.1化学传感器的概念2 1.2.2 传感器的应用及分类.21.3 荧光化学传感器简介3 1.4 氟离子荧光化学传感器.3 1.4.1 氢键型氟离子荧光化学传感器3 1.4.2 路易斯酸受体型氟离子荧光化学传感器4 1.4.3 氢键和路易斯酸混合型氟离子荧光化学传感器51.5研究内容与意义6第2章 目标产物的合成及荧光性能检测82.1 实验试剂与设备8 2.1.1 实验试剂8 2.1.2 仪器设备82.2合成步骤9 2.2.1 实验准备9 2.2.2合成方法10第3章 结果与讨论143.1 核磁-氢谱分析143.2 质谱分析153.3 紫外可见光光谱分析173.4 荧光分光光度计分析18结 论21致 谢22参考文献23基于闭环反应的氟离子化学荧光传感器的识别性质研究摘要：氟离子广泛存在于水、土壤、和动植物中，是电负性最强，离子半径最小的阴离子，在医学军事化学生物学医学等方面都发挥着重要的作用。适量的氟化物摄入人体可以预防龋齿和骨质疏松等症状，但过量摄入会导致氟斑牙，氟骨症，尿石症等疾病。且与神经毒气、生活饮用水、核武器中铀元素的提炼、龋齿防治的临床诊断密切相关。关于氟离子检测方法越来越受到人们的重视。因此，设计和合成对氟离子具有选择性的识别功能的受体分子已经成为目前化学领域的热点课题。本论文在查阅大量文献的基础上合成了一种基于硅氧键断裂闭环反应的氟离子荧光化学传感器。该荧光化学传感器以4-二乙氨基水杨醛为荧光母体，TBS作为羟基保护基团，进一步再与丙二腈反应的荧光化学传感器。当加入氟离子时会与氟离子形成稳定的硅氟键引起硅氧键断裂诱发反应形成闭环。并通过液相质谱、核磁共振、荧光光谱等对化合物进行结构和性能的检测。最后通过详细的光谱实验验证了其对于氟离子特异性检测的机理。关键词：氟离子 荧光化学传感器 闭环反应 硅氧键IIdentification property of Fluoride Ion Fluorescence chemsensor Based on Ring Formation ReactionAbstract: Fluoride ions are widely present in water, soil, and animals and plants, which is the strongest negative electroslaber, the smallest ion radius of the anion, in medical military chemistry and biology medicine and other aspects play an important role. Appropriate amount of fluoride intake of the human body can prevent dental caries and osteoporosis and other symptoms, but excessive intake can lead to dental fluorosis, fluorosis, urolithiasis and other diseases. And with the nerve gas, drinking water, nuclear weapons in the extraction of uranium, dental caries prevention and treatment of clinical diagnosis is closely related. On the fluoride ion detection method more and more peoples attention. Therefore, the design and synthesis of fluoride ion selective identification of receptor molecules has become a hot topic in the field of chemistry. Based on the literature review, this paper synthesizes a fluoride ion fluorescence sensor based on the ring closure reaction of silicon oxygen bond. The fluorescent chemical sensor uses 4-diethylamino salicylaldehyde as the fluorescent precursor, TBS as the hydroxyl protecting group, and further reacts with the malononitrile fluorescence chemical sensor. When the addition of fluoride ions and fluoride ions to form a stable silicon fluoride bond caused by siloxane bond breakage induced reaction to form a closed loop. And the structure and properties of the compounds were detected by liquid mass spectrometry, nuclear magnetic resonance, fluorescence spectroscopy and so on. Finally, the mechanism of fluoride ion specific detection was verified by detailed spectral experiments.Key words: fluoride ion; fluorescence chemsensor; ring formation reaction; siliconoxygen bond II引 言阴离子是化学和生物进程中必不可少的角色，近年来科学工作者对阴离子的研究越来越重视，其中关于氟离子的识别和检测尤为重要。氟元素是人体中必需的14种微量元素之一，人体适量摄入氟化物不仅可以预防龋齿症，而且可以治疗骨质疏松症。但是过量打吸收氟离子对人体的危害极大，其中饮用高浓度的含氟水是导致氟病流行的最根本，最主要的因素。氟中毒表现最明显的病症是氟斑牙，如果对氟摄入过多对神经系统，消化系统，吸收系统，内分泌和免疫功能等都会产生一系列不良影响。因此，研究一种具有特异性识别和灵敏度高的方法很有意义。目前关于氟离子的检测方法主要有以下五种：容量分析法、光学分析法、在线分析法、氟离子选择电极法和离子色谱法。其中光学分析法中的荧光分析法因检测下限最低、灵敏度较高、识别时间较短成为检测氟离子方法的热点。因此，设计和合成对氟离子具有选择性的识别功能的荧光化学传感器具有十分深远的意义。1第 1 章 概 述1.1氟离子识别的重要意义 氟元素是人体所必须的十大微量元素之一，对于人体的正常生命活动与身体健康成长扮演着举足轻重的角色。正常成年人体中的氟含量大约在2克3克左右，在人体其他部分分布较少，但在牙齿和骨骼中的含量最高1-2。人体每天对氟化物的摄入量适当不仅可以预防龋齿症，而且可以治疗骨质疏松症等症状3-4。但是高浓度的氟离子摄入，即摄入量过多就会对人体的危害极大，轻则会影响牙齿与骨骼的生长和发育，出现氟斑牙，氟骨症等慢性的氟中毒症状；重则会引起恶心，呕吐，心率不齐等急性氟中毒症状5-6。过量的氟离子可能会导致机体免疫能力下降，还会导致人体的血压下降甚至会出现贫血症，严重影响人的正常发育和生长。因此，设计和合成对氟离子具有选择性识别功能的荧光化学传感器做到可以监测氟离子含量越来越受到科学家的关注。1.2化学传感器1.2.1化学传感器的概念化学传感器是将各种物质的化学特性(如化学物质组成，纯度，化合物浓度等)的变化定性或者定量地转换成电信号的传感器。通过主体分子与客体分子选择性的强弱相互作用使体系中物质的物理性能或者化学性能的改变而进行选择性识别。是在小分子识别的基础上发展的一种分析方法。化学传感器能获得连续的数据信息7,因此可以获得更详细精确的信息。Catterall在他的著作8中这样定义化学传感器，这种装置可以感应某种带分析物质发生的某些特定的化学反应，通过选择性方式对被检测物质进行定性或是定量的分析。这类化学传感器可以检测多种不同的化学物质。1.2.2 传感器的应用及分类 在现实生活中，人们最感兴趣的化学参数通常是化学物质的浓度。不论是在工业流程设计、临床医学，又或者是生物技术工程、工业工程、环境工程、食品安全等领域，都包含了大量化学信息，而化学传感器处于中心环节9。可以说化学物质的化学信息是多种多样的，因此所使用的化学传感器也是千差万别的，化学传感器在很多领域都发挥着它的作用，它的应用也包罗万象。化学传感器根据应用领域的不同也有多种不同的分类。化学传感器根据所要检测物质的化学特性和物理特性可分为：光学式，电化学式，热学式，质量式等化学传感器，也可按照换能器的工作原理分类：光学式器件，电学式器件，质量敏感传感器，热学式器件，磁学式器件等传感器。1.3 荧光化学传感器简介荧光化学传感器(Fluorescence chemsensor)是一种利用光学波导信号和测量技术，将分析对象的化学信号特定地连续转变为荧光信号并显示在分析仪器中的分析测量装置。一般来说，荧光化学传感器由三部分组成，即：1.识别基团，2.连续臂，3.发色基团10-11。识别基团：识别基团对荧光基团有显著的选择性作用，决定着传感器的性能和特性。当识别基团与被检测物质特异性结合，发光基团通过发出光学信号充当信号源，识别基团与被检测物质发生化学反应形成新的共价键，或通过弱相作用和不同的离子，小分子结合，形成两分子或者多分子的超分子体系，所以识别基团是共价键结合的基团。发色基团：发色基团是一种报告器，可以将识别出来的信息转化成荧光信号，发出光学信号的信号源，比如有机荧光团，稀土发光配合物等等，而发光基团通过的选择性的不同直接影响着识别信号的表达。连接臂：连接臂是连接发色光团和识别基团的桥梁，当受体识别底物时，连接臂通过某种传递机制把识别信息传递给发色基团，从而推动了信号的传递。传递机制决定着传递信号的性能，从而影响着整个识别机制的表达12。1.4氟离子荧光化学传感器1.4.1 氢键型氟离子荧光化学传感器由于氟在元素周期表中是最小的阴离子且其电负性最强，氟离子与质子结合所形成的氢键更强，甚至可以去质子化13。氮氢基团和氧氢基团是最常见的氢键供体基团。硫脲，脲14-15，氨基，酰胺16-17，吡啶咪唑及含氮五元杂环化合物等等18都是比较经典的氢键供体结合位点。这类荧光化学传感器的识别机理是荧光化学传感器分子将质子去除(即去质子化)或者和氟离子的结合位点质子酸中心形成强烈的氢键，从而达到使探针分子的光物理性质发生变化，并通过颜色的改变或者荧光信号的强弱变化表达出来从而达到检测氟离子的效果。1.4.2 路易斯酸受体型氟离子荧光化学传感器路易斯酸(Lewis acid)作为电子对接受体(electron pair acceptor)，它可以是分子，离子，原子或者原子团，在化学反应中作亲电试剂。路易斯酸有低能量的LUMO空轨道(最低能量未占轨道)，与路易斯碱的HOMO(最高能量占有轨道)反应。金属原子(比如Zn，Cu，Zr，Al，Sb等)和非金属原子(如B，Si)等常作为路易斯酸的配体中心。 在路易斯碱中，氟离子非常典型，所以我们可以利用路易斯酸碱反应原理设计合成一系列的有关可以检测氟离子的荧光化学传感器。据了解，目前所报道的关于路易斯酸受体型氟离子荧光化学传感器主要有以下几种分类：有机硼化合物类，硅氧键类，硅碳键类，硅氧键断裂诱导分子内成环反应类和金属配合物类等等。其中硅氧键断裂诱导分子内成环反应因对氟离子具有很强的特异性选择和很高的灵敏度，并且响应时间相对较短，而受到极大的关注，且近年来也有不少的报道和研究。 Ahn等人报道了一例氟离子荧光化学传感器119 (如图1)，可以用于检测分子内荧光成像。在缓冲溶液中(其中乙腈溶液浓度为20%)，荧光化学传感器1其本身没有任何荧光效果，在加入氟离子后10 min会出现一个很强的荧光吸收峰，当1 h后荧光强度会基本达到饱和状态，对氟离子的最低检测限为410 -6(4ppm)。荧光化学传感器1具有很好的双光子性质，因此可以用来荧光共聚焦显微成像检测细胞内氟离子。目前研究者已将该荧光化学传感器应用于活的动物组织进行双光子荧光成像，第一次实现了对动物组织内的氟离子的识别和监测。图1 荧光化学传感器1识别氟离子的原理2014年，彭孝军课题组就报道了一例关于点亮细胞线粒体中氟离子的荧光化学传感器2 20(图2)。当处于乙腈溶液中，该荧光化学传感器对氟离子的识别灵敏度高和选择性强，响应时间较短(10 min 内达到饱和)，易于应用到识别和检测纯水相中氟离子的含量，且最低检测限为1910-9 (19 ppb)。荧光化学传感器2能识别细胞内约10molL-1的氟离子浓度，首次点亮了在活细胞线粒体关于氟离子含量的检测，不会受到其他离子的干扰。图 2荧光化学传感器2识别氟离子的原理1.4.3 氢键和路易斯酸混合型氟离子荧光化学传感器将既有氢键类型的氟离子结合位点又有路易斯酸受体型的氟离子配位中心，统称为氢键型和路易斯酸混合型氟离子荧光化学传感器。 James 等人以1,8-萘酰亚胺为荧光母体设计合成了一例氟离子荧光化学传感器3 21 如(图3) 。该荧光化学传感器包含了两个氟离子识别位点：其中一个是氨基的N-H键，而另一个则是硼酸酯基团。在该传感器分子的缓冲溶液中加入氟离子，首先溶液的颜色发生改变从黄绿色变成了蓝紫色。在448 nm处的最大吸收峰减弱红移至470 nm，同时在波长590 nm处又出现了一个很强的新吸收峰。将氟离子浓度扩大，传感器的荧光逐渐被淬灭。研究者通过该实验证明了此种传感器分子发生了去质子化效应。而由于醋酸根和磷酸氢根也可形成氢键，所以该荧光化学传感器对这两种阴离子也具有一定的响应。图 3 荧光化学传感器3识别氟离子的原理1.5研究内容与意义以上关于对氟离子的介绍，化学传感器以及有关氟离子荧光化学传感器的综述来看，氟是人体所必须的十大微量元素之一，在我们的日常生产活动中扮演着不可或缺的角色，因此与我们的生活息息相关。适量的氟化物摄入人体有利于预防龋齿症和治疗骨质疏松，但是过量的氟化物的吸收会损伤身体的一些重要器官，组织，影响人体代谢活动22。会导致诸如尿石症、氟骨症、氟斑牙、神经疾病甚至是癌症等严重危及到身体健康等疾病。与传统的氟离子检测方法比较，传统的检测方法有选择性好，灵敏度高的优点，但是检测所需仪器成本过高，操作也复杂，对样品本身的要求高，所以有一定的局限性。而荧光化学传感器不仅兼具传统方法的优点，且成本低廉、操作简单、可以实现实时可视化检测，生物相容性良好。因此，氟离子的荧光化学分析法越来越受到专家和学者的广泛关注，并且近年来关于该荧光化学传感器出现了大量报道和研究。其中因路易斯酸受体型探针对氟离子具有很高的选择性，并且其中大部分生物相容性良好，可应用于生物成像当中，所有被广泛的应用。近年来，科技得到长远的发展，人们的生活水平不断提高，氟离子检测在人们的生活中和工业领域都具有十分重要的意义。对于人体而言，每天摄取氟的含量十分重要。假如人体过多假如人体过多量的存储氟这种非金属元素或其化合物，极有可能导致氟中毒从而使患者自身腿部畸形，牙齿病变甚至出现氟斑牙症状，骨骼变形和骨质疏松等，甚至导致氟骨症从而失去了独立的生活能力23。更让人所担忧的是，一旦氟中毒后患者无法彻底治愈，将终生受到病痛的折磨。在我国西北部燃煤污染型氟中毒十分严重，但最严重的是湖北、贵州两省西南局部地区及贵州毕节人民贫穷的根本缘由也是由氟离子中毒带来的24。并且植物从大气、水、土壤中吸收氟化物并逐步积累到一定量，将会导致植物发生病变甚至死亡。受污染的农田的产量也会大大的下降25。基于路易斯酸受体型荧光化学传感器，我们设计合成了基于硅氧键断裂诱导分子内闭环反应的氟离子荧光化学传感器。该荧光化学传感器以4-二乙氨基水杨醛为荧光母体，TBS作为羟基保护基团，进一步再与丙二腈反应的荧光化学传感器。当加入氟离子时会与氟离子反应形成稳定的硅氟键引起硅氧键断裂诱发反应形成闭环。从而使荧光强度增加达到检测氟离子的目的。因此，本文设计合成一种基于硅氧键断裂诱导分子内闭环反应的氟离子荧光化学传感器来达到检测氟离子是十分具有研究及应用意义的。第2章 目标产物的合成及荧光性能检测2.1 实验试剂与设备2.1.1 实验试剂实验所用试剂见表2.1表2.1 实验所用试剂一览表实验试剂规格产地4-（二乙氨基）水杨醛99%上海阿拉丁生化科技股份有限公司叔丁基二甲基氯硅烷97%上海阿拉丁生化科技股份有限公司4-二甲氨基吡啶99%上海阿拉丁生化科技股份有限公司咪唑99%上海阿拉丁生化科技股份有限公司无水硫酸镁99%天津光复精细化工研究所石油醚分析纯天津市富宇精细化工有限公司乙酸乙酯分析纯天津市富宇精细化工有限公司二氯甲烷分析纯天津市富宇精细化工有限公司氯化钠分析纯天津市富宇精细化工有限公司石油醚分析纯天津市富宇精细化工有限公司无水乙醇分析纯天津市富宇精细化工有限公司叔丁基二甲基氯硅烷97%上海阿拉丁生化科技股份有限公司柱层层析硅胶200-300（目）烟台江友硅胶开发有限公司氢化钙98.5%，Mg乙酸乙酯二氯甲烷甲苯正己烷，由于产物在正己烷溶剂中溶解性很差，因此不具有检测意义。以DMSO为溶剂配置10-3mol/L的产物2为母液，又以上述四种溶剂配制产物2的浓度为210-6mol/L，不同溶剂的紫外可见光光谱图见图3.5。可以看出由甲苯作溶剂在426nm处达到最大吸光度为0.109，由二氯甲烷作溶剂在435nm处达到最大吸光度为0.154，由乙酸乙酯作溶剂在432.5nm处达到最大