（环境科学专业论文）汞、铜和次氯酸根离子探针的研制及应用.pdf

汞、铜和次氯酸根离子探针的研制及应用 同时溶液的荧光强度也显著增强。荧光光谱显示r b s 对1 1 0 t m o l l 的汞离子有较好线性关系，检出限为o 3 3l x m o l l 。最后，该探针被用 于h e l a 细胞内o c l 。的荧光成像检测，得到令人满意的结果。 为同时实现对重金属离子检测和去除，第二部分以f e 3 0 以姐为骨 架研制了一种磁性纳米探针，并将其用于水体中铜离子的检测和去除。 3 在第四章中，设计合成了一种磁性纳米复合材料f e 3 0 d a u l - c y s 并将其用于水溶液中铜离子检测。该材料对铜离子选择性高、灵敏度 好。同时，利用该材料优良的光磁性质，同时实现了对溶液中c u 2 + 离 子的检测和分离去除。 关键词：重金属离子，罗丹明衍生物，荧光探针，荧光成像，磁性纳 米探针 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t e n v i r o n m e n t a lp r o b l e mh a sb e c o m eo n eo ft h ef o c u so fc o m m o nc o n c e r na l lo v e r t h ew o r l di nr e c e n ty e a r s ，a n di ti sa l s ob e c o m e st h er e s t r i c t i v ef a c t o ro fo u rc o u n t r y s s u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n ti ne c o n o m ya n ds o c i e t y s ot h er e s e a r c ho nt h ed e t e c t i o n m e t h o do ft h ee n v i r o n m e n t a lp o l l u t a n t sh a sb e c o m eah o tr e s e a r c ht o p i ci nt h ef i e l do f s c i e n c et o d a y a m o n gt h ev a r i o u se n v i r o n m e n t a lt o x i cs u b s t a n c e s ，m e r c u r y , a so n eo f h e a v ym e t a li o n s ，h a sg o ta a e n f i o nb e c a u s eo fi t si r r e v e r s i b l ed a m a g et ol i v i n gs y s t e m a n dt h ee c o l o g i c a lb a l a n c eo ft h ee n t i r ew a t e rs y s t e m ( e v e na tt r a c ec o n c e n t r a t i o n ) t h e h y p o c h l o r i t eh a ss t r o n ga n t i b a c t e r i a lp r o p e r t i e s ；h o w e v e r t h ee x c e s s i v eh y p o c h l o r i t e w i l ln o to n l yc a u s ep o l l u t i o nt ot h ee n v i r o n m e n tb u ta l s oc a u s es e r i o u sd a m a g et ot h e o r g a n i s m t h ec o p p e ri so n e o ft h ee s s e n t i a lt r a c ee l e m e n t s ；h o w e v e r t h ee x c e s so r d e f i c i e n c yo fc o p p e rm a y b ee q u a l l yc a u s es e r i o u sh e a l t hp r o b l e m st oh u m a n t a k i n gt h ea f o r e m e n t i o n e dr e a s o n i n g sa sr e s e a r c ho b j e c t i v e s ，t h i st h e s i sm a i n l y f o c u so nt w or e s e a r c ht a s k sa sf o l l o w s ：i np a r ti ，t oi m p r o v et h es e n s i t i v i t y , s e l e c t i v i t y a n da p p l i c a t i o ni nb i o l o g i c a lc o m m u n i t yo ff l u o r e s c e n tp r o b e ，t w on o v e lf l u o r e s c e n t p r o b e sb a s e do nr h o d a m i n ew e r ed e v e l o p e da saf l u o r e s c e n tr e c o g n i t i o ns y s t e m t h e s e t w op r o b e sw e r ee m p l o y e df o rt h ed e t e c t i o no fm e r c u r yc a t i o na n dh y p o c h l o r i t ea n i o n ， r e s p e c t i v e l y 1 i nc h a p t e r2 ，t h ea p p l i c a t i o no fr h o d a m i n e6 gt h i o h y d r a z i n e0 r 6 g s ) i nt h e d e t e r m i n a t i o no fh g z + i na q u e o u sa n dl i v i n gc e l l sw a sd e s c r i b e d i nt h et e s ts y s t e m ， r 6 g ss h o w sn oc o l o ra n dw e a kf l u o r e s c e n c e h o w e v e r , u p o na d d i t i o no fh 矿+ t ot h e s o l u t i o n ，t h es o l u t i o nc o l o rq u i c k l yc h a n g e st op i n kf r o mc o l o r l e s sa n ds h o w sl a r g e f l u o r e s c e n c ee n h a n c e m e n t , w h i l eo t h e rc o m m o nm e t a li o n ss h o w sn or e s p o n s e ， i n d i c a t i n gt h a tt h ed e v e l o p e dp r o b ei sh i g h l ys e n s i t i v ea n ds e l e c t i v et oh 酽+ i nt h e c o n c e n t r a t i o nr a n g ef r o m0t o1 0p m o l lo fh g 抖，r 6 g ss h o w sg o o dl i n e a rr e s p o n s e t h ef l u o r e s c e n c ed e t e c t i o nl i m i ti s0 6 2 5 t m o l l f i n a l l y , t h ed e v e l o p e df l u o r e s c e n t p r o b ew a ss u c c e s s f u l l ya p p l i e df o ri m a g i n gi n t r a c e l l u l a rh 旷+ i o n si nh e l ac e l l s 2 i nc h a p t e r3 ，ah i g h l yf l u o r e s c e n tp r o b eb a s e do nr h o d a m i n eb t h i o h y d r a z i d e o r b s ) f o rs e l e c t i v ed e t e c t i o no fh y p o c h l o r i t ea n i o ni na q u e o u ss o l u t i o na n dl i v i n gc e l l s w a sd e v e l o p e d t h es i g n a lc h a n g eo ft h ep r o b ei sb a s e do nh y p o c h l o r i t ea n i o ni n d u c e d r i n g - o p e n i n gm e c h a n i s mo ft h er h o d a m i n ed e r i v a t i v e i ti sac o l o r l e s s ，n o n - f l u o r e s c e n t c o m p o u n d ，a n du p o nt h ea d d i t i o no fo c i nt h et e s ts y s t e m ，t h es p i r o l a c t a m r i n go fr b s 汞、铜和次氯酸根离子探针的研制及应用 w a so p e n e d ，w h i c hr e s u l t e di nad r a m a t i ci n c r e a s ei nb o t hf l u o r e s c e n c ei n t e n s i t ya n d a b s o r b a n c eo ft h es o l u t i o n i nt h ec o n c e n t r a t i o nr a n g ef r o m0t o1 01 t m o l lo fo c l 。， r b ss h o w sg o o dl i n e a rr e s p o n s e t h ef l u o r e s c e n c ed e t e c t i o nl i m i ti s0 3 3l 上m o l l i t w a sa l s oe m p l o y e df o rf l u o r e s c e n ti m a g i n go fo c i i nl i v i n gc e l l s 、航ms a t i s f i e dr e s u l t s i np a r t i i ，t of u l f i l lt h ed e m a n do fs i m u l t a n e o u sd e t e c t i o na n dr e m o v a lo fh e a v y m e t a li o n s ，o n en a n op r o b eb a s e do nc o m p o s i t ew a sf e 3 0 a nd e v e l o p e da n du s e dt o d e t e c ta n dr e m o v ec o p e ri o ni na q u e o u ss o l u t i o n 3 i nc h a p t e r4 ，am a g n t i cl l a n oc o m p o s i t e m a t e r i a l f e 3 0 d a u - l - c y sw a s d e s i g n e da n ds y n t h e s i z e d t h em a t e r i a lc a ns i m u l t a n e o u s l yd e t e c ta n dr e m o v ec u ? i n t h ea q u e o u ss o l u t i o n 丽mh i g h l ys e l e c t i v i t ya n ds e n s i t i v i t yd u et oi t se x c e l l e n to p t i c a l p r o p e r t i e sa n dg o o dm a g n e t i cp r o p e r t i e s k e yw o r d s ：h e a v ym e t a li o n s ，r h o d a m i n ed e r i v a t i v e s ，f l u o r e s c e n tp r o b e ，f l u o r e s c e n t i m a g i n g ，m a g n e t i cn a n o p r o b e i v 江苏大学硕士学位论文 1 1 前言 第一章绪论 越来越严重的环境问题己成为全球共同关注的一个焦点，也是制约我国经济和 社会可持续发展面临的重大难题，对环境污染物的监测方法的研究已成为当今整 个化学领域的一大热门。在各种环境有毒物质中，重金属离子( 尤是汞、铅、铬 等离子) 和一些氧核元素( 如o c i ) 由于其对生命体系及整个水系的生态平衡的 不可逆破坏( 即使痕量存在) 而尤为引人关注。如何有效地检测这些对环境和生 命体系具有严重危害的离子对于生物化学、环境科学以及医学等都有着重大的意 义，同时也对现代分析化学提出了新的挑战。 为迎接这种挑战，荧光探针与纳米探针技术应运而生。它们克服了传统的检测 方法( 如原子吸收光谱法【蚴、电感耦合等离子体质谱法p 4 】、电感耦合等离子体原 子发射光谱法【5 l 、高效液相色谱电感耦合等离子体质谱法【6 j 等) 的操作成本较高， 需要复杂的仪器和熟练的操作人员，不能或不方便在户外使用( 即现场采样后须 进行离线分析) ，分析步骤复杂，采样频率低以及样品不易保存等缺点，提供了一 种能够快速、准确、低成本并能选择性地分析检测重金属离子的方法。 其中荧光分子探针由于其灵敏度高，无需参比，不受电场、磁场的影响、易于 通过光纤实现远程实时、在线自动监测而极为引人注目【7 - 1 5 】。纳米探针具有易于合 成，便于分析，对目标分子分离简便快捷等特点，因此一直得到分析化学研究人 员的重视，现已被广泛应用于环境监测、水质和土壤分析、临床化验、海洋考察、 工业流程控制以及地质、冶金、农业、食品和药物分析等领域。 1 2 基于罗丹明及其衍生物的探针的设计合成 罗丹明及其衍生物是一类重要的荧光材料，属于咕吨类碱性染料。由于其具有 高消光系数，高量子产率，强光化学稳定性和较长激发和发射波长而被广泛用于 设计荧光探针。n o e l t i n g 和d z i e w o n s k y l l 6 】在1 9 0 5 年首次合成罗丹明类化合物并 广泛应用到染料激光器中的激光媒介和生物研究领域的荧光标记【1 7 1 8 1 等研究领 域中。然而，直到1 9 9 7 年，罗丹明b 衍生物内酰胺螺环结构开关环前后具有显著 不同的光学性质才被广大的有机化学家们发现1 1 9 1 。罗丹明内酰无色、无荧光，但 汞、铜和次氯酸根离子探针的研制及应用 当它的内酰胺螺环被破坏之后，就会发出强烈的荧光，并且颜色也由无色转变为 粉红色( 如图1 ) 。荧光团的一些有利的特性包括良好的水溶性，激发和发射波长 都在可见光区( 在水中的最大吸收波长在4 9 4n l n ，最大发射波长在5 2 1n m ) ，以及 在生理p h 值的条件下拥有最大的亮n t 2 0 j 。 罗丹明b 关环结构 无荧光 罗丹明b 开环结构 强荧光 、南钟m 咖l i o n r 南八 0 罗丹明b 关环结构 罗丹明b 开环结构 无荧光 强荧光 图1 罗丹明及其衍生物的螺内酰胺的开环反应 自从a n t h o n y w c z a r n i k 在1 9 9 7 年报道了第一个基于罗丹明的c u ( i i ) 离子荧 光化学传感器之后，基于内酰胺环开环过程的荧光化学传感器被广泛应用于检测 各种金属离子( c u 2 + 、h 酽+ 、f e “、z n 2 + 、c 一、a 矿、a u + 、p b 2 + 、p d 2 + 和p n 、阴 离子( 氰化物和焦磷酸盐) 、活性氧、硫醇等。 1 2 1c i u 2 + 探针 各种不同的过渡金属离子对于有机体的生命起着决定性的作用【2 1 1 。其中的铜离 子作为多种金属酶的催化辅因子起着关键的作用，这样的金属酶包括超氧化歧化 酶、细胞色素c 氧化酶和酪氨酸酶。但摄入过量铜会引起神经退行性疾病( 例如 a l z h e i m e r 氏和w i l s o n 氏疾病、l 。这极有可能是因为其牵涉活性氧的生成【2 2 ，2 3 1 。鉴 于其生物重要性，近年来，利用光学技术监控活体细胞中c u 2 + 的位置和迁移引起 了广泛的关注，也取得了卓有成效的成果刚。1 9 9 7 年，c z a m i k 等先行报道了一 种基于罗丹明b 衍生物的开环反应的c u 2 + 传感器。在他们的研究中，罗丹明b 酰 肼( 化合物1 ，如图2 ) 被用作c u 2 + 荧光化学传感器。如图2 所示，c z a m i k 报道 的罗丹明b 酰肼可以选择性的检测c u 2 + ，经过c u 2 + 修饰的罗丹明b 酰肼产物具有 荧光。他们的实验证明这个体系可以在p h 值为7 0 的溶液中，在2m i n 中的时间 2 江苏大学硕士学位论文 内检测到1 0n m o l l 的c u 2 + 。这项工作引起了对罗丹明b 衍生物由于开环反应而 产生荧光，然后应用于荧光化学传感器的研制的大量关注。 c h e n 等【矧报道的荧光素酰肼( 化合物2 ；如图2 ) 作为c u 2 + 高度选择性和灵敏 性探针。在0 0 lm o l l 的t r i s c l 缓冲溶液中( p h = 7 2 ) ，探针仅仅对c u 2 + 表现出高 度的选择性，伴随着荧光增强( k = 5 1 6r u n ) 。c z a r n i k 报道的罗丹明酰肼探针的 反应机理为，化合物2 的酰肼基团识别并结合c u “，之后结合了c u 2 + 的酰肼打破 了酰胺结构，形成了荧光基团，使得荧光恢复。c u 2 + 的标准曲线的浓度范围为0 1 1 p m o l l ，检出限为6 4n m o l l 。 x i e 等【硐报道了一种基于罗丹明1 0 1 酰肼的螺环内酰胺形式合成的新的化学传 感器一化合物3 ( 如图2 ) 。在c h 3 c n t r i s h c i 溶液( 0 0 2t o o l l ；p h = 7 2 ；体积比为 3 ：刀中，这个化学传感器对c u 2 + 具有不可逆的光学和荧光响应，其反应机理与 c z a m i k 合成的罗丹明酰肼类似。然而，这个探针的最大荧光峰已经红移到了6 0 0 n l n 的位置。另外，作者通过密度函数理论( o f t ) 的计算，并指出在c u 2 + 参与的 开环反应中，在酰肼部分中的羰基的o 原子和胺基的n 原子是给电子中心，对c u 2 + 表现出强烈的吸引作用。 n 、n 罗丹明b 有荧光 n h 双勰 图2 c za r ：m k 的罗丹明b 酰肼的c u “促进水解以及化合物2 和3 的结构式 x i a n g 等【2 7 1 首先报道一种基于罗丹明的腙类衍生物的例子，水杨醛罗丹明b 腙 3 汞、铜和次氯酸根离子探针的研制及应用 ( 化合物4 ，如图3 ) ，在中性缓冲溶液中对c u 2 + 表现出吸收波长放大和在5 0 0r i l l l 处 有荧光发射。当加入c u 2 + 之后，化合物4 的罗内酰胺环被破坏，并且金属和配合 物按1 ：1 的比例生成新的物质。此外，当采用吸收光谱检测的时候，在5 0 ( 体 积比) 的h 2 0 c h a c n 缓冲溶液中，化合物4 对c u 2 + 的检测的灵敏性可以低至2 5 n m o l l 。即使在中性缓冲溶液中，对c a 2 + 的荧光检测灵敏性在微摩尔水平也是非 常成功的。 h u o 等圆报道了一种基于罗丹明衍生物的探针5 ，这种探针可以采用两种不同 的模式来检测c u 2 + 和v 0 2 + ( 如图3 ) 。在紫外可见光谱仪下对微摩尔水平的c u 2 + 和 在荧光光谱仪下对纳摩尔水平的v 0 2 + ，化合物5 分别呈现出不同的选择性。据我 们所知，这是第一个经过报道的可以对c u 2 + 和v 0 2 + 进行双目标检测的罗丹明衍生 物探针。探针5 对c u 2 + 的显色反应由无色转变为粉红色，在5 0 的c h 3 0 h 溶液( 体 积比为甲醇：h e p e s = i ：1 ；p h = 7 中可以允许进行裸眼检测。螺内酰胺部分的 转变引起的荧光的“关开”现象可以用来轻易的检测v 0 2 + 。此外，5 m “( m = c t t n o ) 化合物还可以用来作为p p i 阴离子的化学传感器。 n 一 n 5 oc u 2 + ：i i l 1 _ 广一 n 7 图3 化合物4 和c i l z + 的络合形式以及化合物5 7 的结构 x i a n g 等【2 9 l 报道了一种罗丹明衍生物6 ( 如图3 ) 用来检测水溶液( 水乙醇的 体积比为l ：1 和1 0m m o l l 中性醋酸盐缓冲溶液p h = 7 中的c u 2 + 。在优化条 件下，采用吸光测定法，探针6 对c u 2 + 的定量范围在0 0 5 5 0 0 t m o l l 之间呈现良 好的线性关系，对c u 2 + 的检出限在1 0n m o l l ，并且对其他金属离子有良好的抗干 扰性。 c h i n 等 3 0 l 报道了一种荧光团腙水杨醛，即化合物7 ( 如图3 ) ，作为c u 2 + 的选 择性检测探针，溶剂为5 0 水乙醇( 1 0m m o l l 的t r i s h c l l 溶液。化合物7 与 4 江苏大学硕士学位论文 c u 2 + 的结合常数可以通过计算得到。当p h = 5 0 和8 0 时其k a 分别为8 6 x 1 0 3 和 7 8 x 1 0 4 m 1o 此外，在p h 为8 0 时其在5 0 2n m 处的吸收比当p h 为5 0 时在4 2 0l l i l l 处的吸收要强近六倍之多，造成这种巨大差异的主要原因是由于7 - c u 2 + 化合物在 不同p h 条件下的质子化作用造成了分子吸收的差异。 z h o u 等1 3 1 l 合成了罗丹明芘衍生物8 作为比率荧光“关开”传感器来测定 c h s c n h e p e s 缓冲溶液( 0 0 2m o l l ：p h = 7 4 1 体积比为4 ：6 ) 中的c u 2 + 离子。 当把c u 2 + 加入溶液中之后，4 2 4n n l 处的荧光峰强度明显降低，而在以5 7 5n i l l 为中 心产生了一个新的荧光发射峰，在5 5 8h i l l 处也有一个荧光等发射点，这是由于加 入c u 2 + 引起螺内酰胺部分发生开环反应而造成的( 如图4 ) 。当加入超过7 0 电子 当量的c u 2 + 之后，在4 2 4n l l l 处的荧光强度显著下降，而在3 5 6 胁和5 5 7n m 处显 著增强，从而引起颜色有淡黄色到粉色的转变。滴定曲线的非线性拟合以及吸收 光谱的j o b s 数据都表明8 - c u 2 + 化合物之间的结合的化学计量数为1 ：1 ，其结合常 数为2 5 x 1 0 4 m 1 。 l oc u 2 + _ 卜 图4 化合物8 和9 与c u z + 结合的机理 z h a n g 等【3 2 1 设计合成了一种新型罗丹明衍生物9 ( 如图4 ) ，以n 丁基1 ，8 萘 二甲酰亚胺基团为基本骨架。在c h s c n h e p e s 缓冲溶液中0 2m o l l ；p h = 7 4 ； 体积比为5 ：5 ) ，通过罗丹明开环反应，在其他金属离子的干扰下，探针9 选择性 的对c u 2 + 产生颜色变化并且在5 5 0n i n 处有荧光“关开”现象。报道显示9 和c u 2 + 之间以计量数为2 ：2 的关系进行络合，如图4 所示。另一方面，探针9 对z n 2 + 5 汞、铜和次氯酸根离子探针的研制及应用 同样表现出显著的荧光比色增强，通过典型的分子内电荷转移过程( i c r ) 产生1 0 0 n l l l 的红移现象，其与z n 2 + 络合的计量数为2 ：1 ( 化合物9 ：z n。正如所料，萘 二甲酰亚胺的存在是探针成功的产生颜色变化的主要原因。而且，当9 z n 2 + 化合物 中的z n 2 + 被c u 2 + 取代之后，我们还可以发现一个新的比率荧光输出信号。这些结 果表明探针9 可以作为c u 2 + 的双模式选择性检测探针，其两个机理分别为：罗丹 明开环反应机理和9 z n 2 + 化合物中的z n ：+ 被c u 2 + 取代机理。 m e i 等【3 3 】报道了罗丹明b 草酰胺酰肼化合物1 0 ( 如图5 ) 。探针对c u 2 + 具有高 度的选择性和灵敏性，在c h 3 c n 溶液中以计量数为1 ：1 的关系与c u 2 + 络合，而 且此反应是可逆的。在c h 3 c n 溶液中对c u 2 + 的检出限是3 7n m o l l 。研究人员还 发现在5 0 的水c h 3 c n 缓冲溶液中( 1 0m m o l l 的t h s h c i ，p h = 7 0 ) ，c u 2 + 能加 速探针的水解，从而产生具有强荧光的产物，在这种荧光检测方法下，研究者发 现在这种中性的缓冲溶液中c u 2 + 的检出限为6 4l m o l l 。 1 1 n 1 2 图6 化合物1 5 和1 6 与c u 2 + 结合的机理 s w a m y 等【3 7 】报道了第一个基于硼酸而合成的铜离子荧光比色化学传感器。偶 联单硼酸的罗丹明探针1 5 在2 0m m o l l ，p h 为7 4 的f i e p e s ( o 5 的c h 3 c n ) 溶 液中，在大量其他金属离子的干扰下，对c u 2 + 具有高选择性的荧光增强现象。当 加入c u 2 + 之后，溶液颜色逐渐变为粉红色，生产的产物具有强烈的橙色荧光。结 7 汞、铜和次氯酸根离子探针的研制及应用 合了c u 2 + 之后，由于螺内酰胺环打开而形成c u 2 + 1 5 化合物，造成吸收( k = 5 5 6 r i m ) 和发射( 入m 缸= 5 7 2r i m ) 波长发生改变( 如图6 ) 。通过荧光滴定实验，我们得 知探针1 5 和c u 2 + 的结合常数为2 8 x 1 0 3 m 1 。而且，在动物细胞和微生物中对c u 2 + 的检测证实了单硼酸共轭罗丹明探针的实用价值。 y u 等p 8 】报道了一种罗丹明衍生物1 6 ( 如图6 ) ，可以在2 0 ( 体积比) 水甲醇 溶液( o 0 2m o l l 的h e p e s ，p h = 6 0 ) 中可以通过荧光比色来选择性的检测溶液中 的c u 2 + 离子。p h 滴定实验表明当p h 范围在4 0 到8 0 的时候化合物1 6 - c u 2 + 保持 稳定，c u 2 + 的最大吸收峰在p h 值小于6 0 的时候得到。如图6 所示，在含有探针 1 6 和c u 2 + 的溶液中加入e d t a 溶液，可以看到溶液的吸收峰发生明显的降低。探 针和c u 2 + 的络合常数通过斜率计算得出为1 7 x 1 0 5m - 1 ，c u 2 + 的检出限为3n m o l l 。 1 2 2 h 9 2 + c h 3 h g + 探针 汞是自然环境中的一种最普遍的一种有毒金属，它可以通过口腔摄入和身体皮 肤接触对人体造成伤害。美国环境保护署s e p a ) 对日常饮用水中无机汞的含 量的最高允许值定为2p p b 。由于汞具有高毒性，对汞和汞盐的足够灵敏的检测手 段的研究引起了学者们的极大关注，其中新型荧光化学传感器更是广大学者研究 的重点。 _ 踌飞= 广n 1 7 夕 图7 在醋酸盐缓冲溶液中( p t - i = s ) 加入h 9 2 + 之后化合物1 7 的水解过程 罗丹明b 酰肼已经被用来作为c u 2 + 的荧光化学传感器，然而k y o u n gn a mk i m 等人【3 9 】通过寻找新实验材料成功的合成了化合物1 7 ，并将其应用到了 砰+ 的检测 之中( 如图乃。在包含1 0 甲醇溶液的醋酸盐缓冲溶液，调节p h 值为5 0 ，当加 入h 9 2 + 离子的时候，由于酰肼的内酰胺环被打开，化合物1 7 的荧光强度显著增加。 同时在以5 5 6n m 为中心的地方出现一个强的吸收峰。通过检测在5 7 8n n l 处荧光 峰强度，我们发现探针1 7 ( 5i i m o l l ) 和1 0 电化学当量的h 9 2 + 在1 0m i n 中内完全 反应。我们可以观察到在h 矿+ 浓度在。到2 0l 上m o l l 的范围之内，荧光峰的强度 和h 孑+ 的浓度之间呈现线性相关，n g + 的最低检出限为o 2t m o l l 。只有加入a g e + 的时候探针的荧光才会增强，这表明在其他离子的干扰下，探针1 7 对汞离子具有 8 江苏大学硕士学位论文 良好的选择性。 s u r e s h 等1 4 0 1 报道了一种基于罗丹明的化学传感器1 8 ，用来检测p h 值为7 0 的 水甲醇( 体积比为1 ：1 ) 溶液中的h 9 2 + 和c u 2 + ( 如图8 ) ，分别加入两种离子之后， 探针溶液多会产生颜色变化，加入h 孑+ 之后在5 3 4n i n 处出现了新的吸收峰，加入 c u 2 + 之后在5 2 8n m 处产生了新的吸收峰。当加入8 o 电化学当量的h 孑+ 之后，探 针在5 5 4n m 处产生9 0 倍的荧光强度增加，而当加入c u 2 + 之后，探针的荧光强度 却没有变化，这主要是因为顺磁性的铜离子具有荧光猝灭现象。相比之下，在同 样的实验条件下，其他金属离子却没有任何明显的颜色变化和荧光强度变化。吸 收滴定实验表明探针1 8 可以和c u 2 + 以及h g “形成相应的配合物c u 2 + 1 8 以及 h 矿+ ( 1 8 ) 2 ，两者的络合常数分别为( 1 6 8 0 0 1 2 ) 1 0 5m - 1 和( 8 0 0 1 ) x 1 0 5m - 2 。 在含有h 矿+ 和探针1 8 的溶液中加入之后，溶液的荧光和颜色都会褪去，这说 明探针1 8 和 砰+ 的络合是可逆的。此外，借助于光学显微镜，我们可以利用探针 1 8 观察恶臭假单胞菌细胞表面的u 9 2 + 的吸收，当被h 9 2 + 处理过的细胞再用探针1 8 进行处理之后，我们可以看到被h 9 2 + 处理过的细胞都变成了粉红色。 图8 化合物1 8 与c u z + 和h 矿的结合机理 h a n ak i m 等【4 l 】报道了两种罗丹明腙衍生物，1 9 和2 0 ( 如图9 ) ，分别偶联巯基 和羧基功能团，作为h 酽+ 的选择性荧光比色化学传感器。当加入h 酽+ 之后，由于 螺内酰胺环的打开而产生强大的荧光增强现象和明显的颜色变化。在c h 3 c n n 2 0 ( 体积比为1 ：9 9 ) 溶液中，当加入1 0 0 0 电化学当量的蟛+ 之后，探针1 9 和2 0 在 最大发射波长的地方的荧光强度分别增强1 0 倍和5 0 倍。通过检测探针1 9 2 0 加入 1 9 2 + 之后微孔通道的荧光，发现其荧光强度和加入的h 矿+ 浓度的对数值呈现线性 相关，对h 9 2 + 的检测浓度范围为1n m o l l 到1 m o l l ，探针1 9 的检出限为1 9 汞、铜和次氯酸根离子探针的研制及应用 n m o l l ，探针2 0 的检出限为4 2n m o l l 。在含有探针和h 孑+ 的混合溶液中加入过 量的之后，我们可以发现两者的荧光强度都有所降低；这种现象表明，h 矿+ 和 两种探针之间的络合反应是可逆进行的。此外，j o b s 曲线也表明探针1 9 对h 矿+ 的化学计量数为2 ：1 ，而探针2 0 对汞离子的化学剂量数为1 ：1 。这两种h 9 2 + 荧光比 色化学传感器都能可视化的富集线虫表面纳摩尔水平的汞离子。 图9 化合物1 9 2 2 的结构 h u a n g 等【4 2 】通过将一种多糖和罗丹明结合设计了一种汞离子选择性探针2 1f 如 图。在中性的水溶液中，当激发波长在5 0 0n m 时，探针2 1 在5 5 0a m 出荧光发 射非常弱。当加入汞离子之后，由于罗丹明的内酰胺环被打开，溶液产生典型的 荧光发射光谱和紫外吸收光谱。通过j o b s 曲线方法，可以计算得出探针2 1 和汞 离子的化学计量数为1 ：1 ，它们之间的络合常数为( 5 4 0 1 ) l o sm 1 。在汞离 子和探针2 1 的溶液中加入n a i 或者n a 2 s 之后，可以观察到溶液的荧光发生猝灭 现象，这说明探针2 1 和汞离子之间的络合反应是可逆进行的。当在探针2 1 的溶 液中加入其他大量的金属离子之后，探针并没有明显的荧光增强和紫外吸收，这 说明探针2 1 对汞离子的选择性良好。探针2 1 对汞离子的最低检出限为1p p b ，一 次可以用来检测日常饮用水中的汞离子含量。把h c l a 细胞用1 0 t m o l l 的 h g ( n 0 3 ) 2 溶液处理，然后用含有探针2 l 的培养液进行培养之后，我们发现h e l a 细胞的细胞核区域的细胞液有明显的荧光增强现象。 为了发明一种可以用来进行多功能分析的“单一探针”，l i j u nt a n g 等 4 3 1 研制了 一种新型罗丹明b 衍生物( 如图9 ) 一2 2 ，这种探针可以分别通过比色和荧光方法检 测铜离子和汞离子。在p h 为7 4o - m p e s ，1 0m m o l l ) 的甲醇水缓冲溶液中( 3 ：1 ， 体积比) ，当激发波长为5 3 0a m ，探针2 2 表现无色和弱荧光。当在此探针溶液中 l o 江苏大学硕士学位论文 加入2 0 电化学当量的铜离子之后，可以观察到一个以5 5 6n m 为中心的新的紫外 吸收峰，但是溶液仍然呈现弱荧光特性。这说明由于罗丹明螺内酰胺环开环反应 而产生的荧光被铜离子具有的荧光猝灭效应抵消了。与此相反，当加入汞离子之 后，溶液的荧光显著增前，但是却观察不到有紫外吸收变化。利用b e n e s i h i l d e b r a n d 仍h 方程) 方程可以证明两者结合的方式都是按照l ：1 的化学计量数进行的，其 结合常数分别为铜离子的为2 4 4 1 0 5 f 1 ，汞离子的为3 4 x 1 0 2 m 1 。 w h 等f 删报道了一中非常简单而且易于合成的基于罗丹明的探针一2 3 ，探针2 3 含有一个可以用来检测汞离子的羰腙基团( 如图1 0 ) 。探针2 3 和结合了汞离子之 后的探针均采用x 射线衍射的方法进行结构表征。这是首次利用x - 射线衍射的方 法表征含有金属离子的晶体结构，结果表明当加入汞离子之后罗丹明衍生物的螺 内酰胺环被打开，经过计算发现，在d m f 溶液( 体积比为5 0 ：5 0 ) 中探针对汞离 子的最低检出限可以低至2p p b 。 2 3 图1 0 化合物2 3 与妒结合的机理 通过在罗丹明6g 的发光基团中引入二茂铁基团，d a y uw u 等 4 5 1 合成了一种汞 离子选择性传感器2 4f 如图1 1 ) ，通过荧光检测方法，这种探针对汞离子的最低检 出限为1p p b 。在水中，汞离子能使得探针2 4 产生明显的颜色变化和荧光增强， 溶液由无色变为粉红色的现象可以让探针2 4 实现在水溶液中对汞离子的“裸眼”检 测。由于二茂铁基团的存在，探针2 4 和汞离子的结合使得二茂铁发生还原反应， 在二茂铁二茂铁合物之间相互转变。通过电化学检测方法，可以定量的检测到百 万分之一的汞离子的存在。通过j o b s 曲线和电喷雾质谱( e s i m s ) ，可以证实产生 了肄汞离子络合物，经过计算，得出络合常数为( 1 1 6 0 0 4 ) 1 0 6 m 1 。与探针 2 4 相比，探针2 5 ( 如图1 1 ) 虽然拥有两个具有荧光活性的罗丹明基团，但是对汞 离子的选择性却比较差一些，与汞离子以化学计量数为2 ：2 的比例络合，络合常 数为( 2 8 0 2 ) 1 0 5m 一。此外，汞离子和探针2 5 的络合不能引发由二茂铁二茂 汞、铜和次氯酸根离子探针的研制及应用 铁化合物之间发生还原反应而导致色谱发生显著的移动。 通过引入两种罗丹明荧光团和二茂铁基团，w e ih u a n g 等i 蛔报道了一种合成简 便易行的化学传感器2 6 ( 如图1 1 ) ，用来作为汞离子的检测手段。在水溶液中，通 过加入汞离子，探针与汞离子发生络合反应，溶液颜色有无色转变为粉红色，同 时荧光强度显著增强。探针2 6 和汞离子的稳定常数经过计算为3 2 x 1 0 4 m 1 ，通过 滴定实验和e s i - m s ，探针和汞离子按照1 ：1 的化学计量数进行络合反应。此外， 探针2 6 可以检测到溶液中十亿分之一浓度的汞离子，对汞离子具有高度灵敏性。 、 、一 n 图1 1 化合物肄2 7 的结构 y a n g 等1 4 7 最近报道了一种具有光电化学性质的探针2 7 ( 如图1 1 ) ，通过在罗丹 明染料上引入8 羟基喹啉和二茂铁基团来实现对汞离子的检测。在含有探针2 7 的 乙醇h e p e s 缓冲溶液中( 体积比为1 - 1 ；p h = 7 2 ) ，加入汞离子之后，可以观察 到灵敏的荧光增强现象，同时伴随着颜色变化( 由无色变为粉红色) ，以及一个与 十甲基二茂铁相( 从0 4 0 到0 1 5v ) 对应的异变了的氧化峰( e 1 2 ) 。利用激光扫描 共聚焦显微镜，在被探针2 7 溶液处理过的c a o v 3 卵巢细胞接触到汞离子之后， 可以清楚的看到其细胞内的区域被染色，伴随着荧光增强。 d u 等【镐】利用汞离子催化水解的原理发明了一种基于罗丹明的化学传感器2 8 ( 如图1 2 ) 。在乙醇水溶液中( 体积比为1 ：1 ；p h = 7 0 ) ，探针2 8 并不显示明显的荧 光和紫外吸收，主要是因为探针主要以螺环化合物的形式存在。当加入汞离子之 后，在5 7 9n m 处的荧光发射强度显著增强超过3 7 0 倍，同时出现一个以5 5 4n m 为中心的紫外吸收峰。当加入十亿分之一的汞离子就可以明显改变探针2 8 的荧光 江苏大学硕士学位论文 强度，5 t m o l l 的探针对汞离子的最低检出限为0 9 1p p b 。通过e s i m s 实验，证 明其机理如下：当加入汞离子之后，探针与汞离子结合，形成2 8 汞离子络合物， 使得罗丹明的螺环打开，然后在水溶液中络合物又发生水解，形成具有荧光罗丹 明b 。探针对汞离子的荧光响应不受溶液中的硫化物如半胱氨酸和谷胱甘肽等的干 扰，因此可以用作来在活体细胞内汞离子的成像。 o h 9 2 + 图1 2 化合物2 8 与h 9 2 + 结合的机理以及化合物2 9 s h i r a i s h i 等1 4 9 】通过在罗丹明上引入环多胺基团成功设计了一种新型的探针2 9 ( 如图1 2 ) 。在c h 3 c n 溶液中，探针2 9 呈现无色和不发荧光，因为其主要以螺环 形式存在。当加入1 0 0 电化学当量的汞离子之后，探针2 9 在5 8 0n i n 处产生一个 1 7 0 0 倍的荧光增强效应，同时还伴随着在4 5 0 6 0 0n i i l 间产生一个紫外吸收峰。加 入汞离子1m i n 之后，荧光强度达到最大值。当在探针2 9 的溶液中加入其他金属 离子时，没有荧光增强现象产生，因此探针2 9 对汞离子具有高选择性。在含有探 针2 9 和汞离子的溶液中加入三亚乙基四胺之后，发现溶液的荧光和颜色都会消失， 此现象表明探针2 9 和汞离子的络合反应是可逆进行的。通过e s i m s 分析、紫外 吸收光谱法、红外滴定实验表明探针和汞离子1 ：2 进行络合产生一种新的化合物， 其中一个汞离子被环多胺基团络合，另一个汞离子被羰基氧结合，从而导致罗丹 明的螺环打开。 1 2 3z n 2 + 探针 锌作为一种重要的金属离子大多存在于人体以及海洋生物体中的酶中。而酶是 多种生物行为如细胞新陈代谢的催化剂。此外，细胞内锌含量的异常将会导致多 汞、铜和次氯酸根离子探针的研制及应用 种疾病的发生，如脑供血血不足、a l z h e i m e r s 疾病、婴幼儿腹泻等 5 0 - 5 4 1 。由于活 体细胞中存在着大量其他的金属阳离子，因此寻找一种具有高灵敏性，高选择性 的检测细胞内锌离子的浓度并得到其细胞照片的