本發(fā)明涉及一種銀離子傳感器分子，尤其涉及一種能夠比色熒光雙通道是被銀離子的傳感器分子——2-苯基-1H-咪唑[4,5-b]吩嗪；本發(fā)明同時(shí)還涉及該銀離子傳感器分子在水溶液中熒光比色識(shí)別銀離子的應(yīng)用，屬于化學(xué)合成領(lǐng)域和陰離子檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

伴隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，銀離子及其化合物被廣泛應(yīng)用與珠寶首飾、電鍍、感光材料等領(lǐng)域。而隨著銀離子及其化合物用途的擴(kuò)大，排放到環(huán)境里的銀離子量也逐漸增加，隨著時(shí)間的推移，廢水中的銀離子在環(huán)境中的遷移、擴(kuò)散，不僅污染了自然水體，對(duì)人體及水生生物的健康造成非常嚴(yán)重的危害。因此，銀離子的識(shí)別和檢測(cè)在環(huán)境科學(xué)、生命科學(xué)和醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域都有著重要的意義。

檢測(cè)銀離子的方法很多，而比色熒光法由于方便快捷等原因而倍受關(guān)注。目前，設(shè)計(jì)及合成的銀離子傳感器已經(jīng)有很多，但是由于其專業(yè)性強(qiáng)、成本高以及識(shí)別時(shí)間長(zhǎng)，這些因素都制約了很多傳感器分子的大規(guī)模推廣使用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種銀離子傳感器分子——2-苯基-1H-咪唑[4,5-b]吩嗪；

本發(fā)明的另一目的是提供上述銀離子傳感器分子的合成方法；

本發(fā)明還有一個(gè)目的，就是提供上述傳感器分子在水溶液中比色熒光識(shí)別銀離子的應(yīng)用。

一、銀離子傳感器的結(jié)構(gòu)及合成

本發(fā)明的銀離子傳感器分子的化學(xué)名稱為2-苯基-1H-咪唑[4,5-b]吩嗪，標(biāo)記為ZH，其結(jié)構(gòu)式如下：

銀離子傳感器分子的合成，是以DMF為溶劑，冰醋酸為催化劑，2,3-二氨基吩嗪與苯甲醛以1:1~1:1.5摩爾比，于80~85℃回流反應(yīng)7~8h；反應(yīng)結(jié)束后抽濾；所得固體用熱的乙醇洗滌，真空干燥，然后用DMF-H₂O重結(jié)晶，得到黃色固體，即為傳感器分子ZH。

催化劑冰醋酸的用量為苯甲醛摩爾量的0.4~0.6倍。

二、銀離子傳感器的陽(yáng)離子識(shí)別實(shí)驗(yàn)

1、銀離子傳感器對(duì)陽(yáng)離子的熒光識(shí)別性能

分別移取0.5 mL傳感器分子ZH的DMSO溶液(2×10^-4 mol·L^-1)于一系列10mL比色管中，分別加入Fe³⁺，Hg²⁺，Ag⁺，Ca²⁺，Cu²⁺，Co²⁺，Ni²⁺，Cd²⁺，Pb²⁺，Zn²⁺，Cr³⁺，Mg²⁺的高氯酸鹽的DMSO溶液(4×10^-3mol·L^-1) 0.25 mL。再依次加入2.5ml pH=7.2 緩沖溶液（用4-羥乙基哌嗪乙磺酸和四丁基氫氧化銨調(diào)節(jié)配置成的pH=7.2的水），最后用DMSO定容到5mL，此時(shí)受體濃度為2×10^-5mol·L^-1，體系中水的體積百分?jǐn)?shù)50%，陽(yáng)離子濃度為受體濃度的10倍，觀察各個(gè)受體對(duì)陽(yáng)離子的響應(yīng)。

結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)在ZH的DMSO(含水50%)溶液中分別加入上述陽(yáng)離子溶液時(shí)，只有Ag⁺的加入使溶液的顏色立即退去，且其強(qiáng)黃色熒光完全猝滅。在其相應(yīng)的紫外光譜中，Ag⁺的加入使ZH溶液在403nm處的吸收峰發(fā)生下降（圖1）。在其相應(yīng)的熒光發(fā)射譜中，Ag⁺的加入使ZH溶液在548nm處的發(fā)射峰消失（圖2）。而其余陽(yáng)離子的加入對(duì)LT溶液的熒光光譜無(wú)明顯影響。說(shuō)明傳感器分子在水溶液中能專一選擇性熒光識(shí)別Ag⁺。

2、ZH對(duì)Ag⁺的滴定實(shí)驗(yàn)

將ZH用DMSO配成2×10^-4mol∕L的主體溶液，取0.5mL的ZH的DMSO溶液（2.0×10^-4mol/L）于10mL比色管中，加入2.5mL的緩沖溶液（用4-羥乙基哌嗪乙磺酸和四丁基氫氧化銨調(diào)節(jié)配置成的pH=7.2的水），用DMSO定容到5mL，此時(shí)受體濃度為2×10^-5mol·L^-1，搖勻靜置。移取2.5mL的ZH的溶液（2.0×10^-5mol/L）于石英池中，用累積加樣法逐漸加入Ag⁺的高氯酸鹽的DMSO溶液，于室溫測(cè)其紫外熒光光譜（圖3-6）。在紫外吸收光譜中隨著銀離子的逐漸滴入，403 nm處的吸收峰逐漸減弱。在熒光光譜中隨著銀離子的逐漸滴入，548nm處的發(fā)射峰逐漸消失，說(shuō)明傳感器ZH可以在DMSO（含水50%）溶液中靈敏快速專一的檢測(cè)Ag⁺。ZH對(duì)Ag⁺的熒光光譜檢測(cè)限為2.92×10^-7 M，紫外光譜檢測(cè)限為7.73×10^-8 M，并且過(guò)程具有很高的靈敏度。

3、抗干擾性能檢測(cè)

為了測(cè)定受體ZH對(duì)Ag⁺的檢測(cè)效果，我們又進(jìn)行了如下測(cè)試：取兩組10ml比色管分別加入0.5mL上述ZH的DMSO溶液(2×10^-4 mol·L^-1)，再分別加入0.25mLFe³⁺，Hg²⁺，Ag⁺，Ca²⁺，Cu²⁺，Co²⁺，Ni²⁺，Cd²⁺，Pb²⁺，Zn²⁺，Cr³⁺，Mg²⁺的高氯酸鹽的DMSO溶液(4×10^-3mol·L^-1)，再依次加入2.5mLpH=7.2 緩沖溶液（用4-羥乙基哌嗪乙磺酸和四丁基氫氧化銨調(diào)節(jié)配置成的pH=7.2的水），最后用DMSO定容到5mL。另外一組中再分別加0.25mLAg⁺的高氯酸鹽的DMSO溶液，在每一個(gè)比色管中分別加入0.25mL其它十一種陽(yáng)離子（Fe³⁺，Hg²⁺, Ca²⁺，Cu²⁺，Co²⁺，Ni²⁺，Cd²⁺，Pb²⁺，Zn²⁺，Cr³⁺，Mg²⁺）的高氯酸鹽的DMSO溶液，再依次加入2.5mLpH=7.2 緩沖溶液（用4-羥乙基哌嗪乙磺酸和四丁基氫氧化銨調(diào)節(jié)配置成的pH=7.2的水），最后用DMSO定容到5mL?；旌暇鶆蚝筮M(jìn)行觀察。

圖7、8分別為ZH對(duì)銀離子識(shí)別的紫外抗干擾性能和熒光抗干擾性能。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，加入十二種陽(yáng)離子后，ZH溶液在403nm處的紫外吸收峰下降，熒光發(fā)射峰猝滅。這與Ag⁺對(duì)ZH的影響是一致的（圖1、2）。從而說(shuō)明該類受體檢測(cè)Ag⁺基本不受其它陽(yáng)離子的干擾。

4、傳感器ZH識(shí)別Ag⁺的響應(yīng)時(shí)間

常見(jiàn)的傳感器分子比色或熒光識(shí)別Ag⁺的識(shí)別過(guò)程需要較長(zhǎng)的反應(yīng)時(shí)間，這種因素往往制了很多傳感器分子的推廣使用。因此，我們探究了傳感器LT對(duì)Ag⁺響應(yīng)的時(shí)間。當(dāng)加入銀離子后，溶液顏色立即褪去，并且熒光完全猝滅，可以看出，傳感器分子ZH對(duì)銀離子的響應(yīng)在片刻間即可發(fā)生（< 3s）。因此該傳感器分子ZH具有較快的檢測(cè)速度。

5、傳感器ZH識(shí)別Ag⁺的循環(huán)可逆性

近幾年，受體分子的可循環(huán)性成為陽(yáng)離子識(shí)別研究中的一大熱點(diǎn)，因此，我們探討了該受體分子對(duì)Ag⁺ 識(shí)別的可循環(huán)性。眾所周知，碘離子與銀離子有很強(qiáng)的締合能力，是一種很好的Ag⁺離子沉淀劑，因此我們選擇碘離子作為Ag⁺的絡(luò)合劑。實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象表明：當(dāng)在ZH- Ag⁺絡(luò)合體系中加入適量的I^-離子，I^-離子能夠迅速將Ag⁺從主體分子上解絡(luò)合下來(lái)，形成AgI沉淀，溶液在紫外燈下的顏色恢復(fù)，與主體相當(dāng)。相應(yīng)的熒光光譜也恢復(fù)到原來(lái)主體分子的水平。當(dāng)我們?cè)儆迷撊芤喝プR(shí)別Ag⁺離子時(shí)，該體系的熒光猝滅，并且基本與受體分子的峰高一致，如此反復(fù)循環(huán)使用可以達(dá)到四次以上（圖9）。因此，該傳感器分子ZH是一種可循環(huán)使用的Ag⁺熒光傳感器。

6、傳感器ZH對(duì)Ag⁺識(shí)別機(jī)理

針對(duì)傳感器分子ZH對(duì)Ag⁺識(shí)別機(jī)理的探究，我們通過(guò)核磁滴定、高分辨質(zhì)譜等表征手段進(jìn)行了驗(yàn)證。核磁滴定譜圖表明：13.45ppm 處-NH的信號(hào)峰隨銀離子的加入隨即消失，并且吩嗪環(huán)上的氫質(zhì)子信號(hào)峰也逐漸減弱。高分辨質(zhì)譜對(duì)主體與離子的配合物數(shù)據(jù)表明：699.02處的出峰與兩分子受體的氨基脫去兩個(gè)氫原子然后和銀離子配位后的分子量一致。因此，我們對(duì)傳感器LT對(duì)Ag⁺識(shí)別機(jī)理探討如下：在pH=7.2的溶液中，兩個(gè)受體分子的咪唑環(huán)中-NH-鍵發(fā)生脫質(zhì)子作用，銀離子的加入破壞了分子間氫鍵后，銀離子與兩分子受體分子的咪唑環(huán)中的-N-以及吩嗪環(huán)的氮原子配位，破壞了傳感器分子的π-π堆積，與Ag⁺結(jié)合形成[2ZH + Ag⁺ – 2H⁺]的金屬配合物（圖10）。

三、基于ZH的Ag⁺離子檢測(cè)試紙

Ag⁺離子試紙的制作：將ZH配制成2×10^-4 mol·L^?1的水溶液；將處理過(guò)的濾紙剪成圓形模板。將濾紙分別浸潤(rùn)在上述溶液中10分鐘，使ZH充分吸附于濾紙上然后取出晾干。該濾紙?jiān)跓晒鉄粽丈湎鲁庶S色熒光。

當(dāng)在濾紙上滴加Ag⁺時(shí)，濾紙?jiān)瓉?lái)的黃色熒光消失了，而其它陽(yáng)離子的滴加對(duì)濾紙的熒光沒(méi)有影響。這種鮮明的熒光顏色對(duì)比說(shuō)明了ZH對(duì)Ag⁺有著高度的熒光識(shí)別能力。

綜上所述，本文設(shè)計(jì)合成了2-苯基-1H-咪唑[4,5-b]吩嗪(ZH)，該傳感器分子首先以分子間氫鍵形成二聚體，然后吩嗪環(huán)之間通過(guò)π-π堆積作用形成超分子自組裝體系，從而致使主體分子的溶液發(fā)出了強(qiáng)的熒光；而咪唑與吩嗪環(huán)是作為一個(gè)識(shí)別功能位點(diǎn)，在該分子在含水介質(zhì)中達(dá)到高選擇性識(shí)別銀離子，而且識(shí)別過(guò)程不受其它陽(yáng)離子的干擾。此外，當(dāng)在室溫下加入銀離子后，該溶液的熒光強(qiáng)度會(huì)快速減弱（＜3秒），能夠達(dá)到很好的裸眼識(shí)別效果，利用該傳感器分子制作的Ag⁺響應(yīng)試紙也能夠方便快捷的檢測(cè)環(huán)境體系中的銀離子。

附圖說(shuō)明

圖1為ZH (c=2.0 × 10^?5mol/L) 的水溶液中，加入銀離子的紫外吸收光譜圖。

圖2為ZH以及其加入10倍的陽(yáng)離子時(shí)的熒光光譜（激發(fā)波長(zhǎng)：415nm，發(fā)射波長(zhǎng)548nm）。

圖3為不同濃度的Ag⁺ (0-16倍) 存在下受體ZH的紫外光譜。

圖4為不同濃度的Ag⁺(0-16倍) 存在下受體ZH的散點(diǎn)圖。

圖5為不同濃度的Ag⁺ (0-14.2倍) 存在下受體ZH的熒光光譜。

圖6為不同濃度的Ag⁺(0-14.2倍) 存在下受體ZH的散點(diǎn)圖。

圖7為ZH對(duì)銀離子識(shí)別的紫外抗干擾性能。

圖8為ZH對(duì)銀離子識(shí)別的熒光抗干擾性能。

圖9為ZH對(duì)銀離子識(shí)別的熒光可逆性。

圖10為ZH對(duì)銀離子識(shí)別機(jī)理圖。

具體實(shí)施方式

下面通過(guò)具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明銀離子傳感器的合成、表征及在檢測(cè)水溶液中陰離子的應(yīng)用作進(jìn)一步說(shuō)明。

儀器與試劑

¹H NMR使用Mercury-400BB型核磁共振儀測(cè)定，TMS為內(nèi)標(biāo)。IR使用Digilab FTS-3000 FT-IR型紅外光譜儀(KBr壓片)測(cè)定；熔點(diǎn)使用X-4數(shù)字顯示顯微熔點(diǎn)測(cè)定儀(溫度計(jì)未校正)測(cè)定；熒光光譜使用日本島津公司RF - 5301熒光光譜儀記錄。

所用陽(yáng)離子均為高氯酸鹽，溶劑為（DMSO/H₂O(1:1, v/v)HEPES緩沖溶液(pH=7.2) (分析純)。其它試劑均為市售分析純。

一、銀離子熒光傳感器的合成

將2 mmol 2,3-二氨基吩嗪和0.75ml 苯甲醛加入100 mL圓底燒瓶中，加入20 mL DMF，加入0.3~0.5ml冰醋酸，在油浴上80℃~85℃加熱回流反應(yīng)7~8h，待反應(yīng)停止后，抽慮；將所得固體用熱的乙醇洗滌3~5次，在真空干燥箱中烘干后，用DMF-H₂O重結(jié)晶，得到棕色固體。其合成式如下：

ZH: 產(chǎn)率：80%; m.p. >300℃;¹H NMR (DMSO-d_6, 600MHz) δ 13.45 (s 1H), 8.52 (s 1H), 8.38-8.37 (d 2H),8.26-8.23 (d 3H),7.89-7.88 (d 2H),7.67-7.66 (d 3H).¹³C NMR (DMSO-d_6, 150MHz) δ 159.90, 149.25, 142.25, 142.08, 140.88, 140.86, 140.62, 140.23, 132.22, 130.16, 129.87, 129.86, 129.60, 129.43, 129.23, 128.18, 115.23, 109.87, 106.29; IR (KBr cm^-1) v: 3115 (NH), 1693 (C=N); ESI-MS m/z (M+H)⁺Calcd for C₁₉H₁₂N₄ 297.1135; Found 297.114。

二、銀離子的檢測(cè)

1、熒光檢測(cè)

在傳感器分子ZH的DMSO-H₂O （H₂O的體積百分?jǐn)?shù)為45~50%）溶液中，分別加入Fe³⁺，Hg²⁺，Ag⁺，Ca²⁺，Cu²⁺，Co²⁺，Ni²⁺，Cd²⁺，Pb²⁺，Zn²⁺，Cr³⁺，Mg²⁺的高氯酸鹽的DMSO溶液，若傳感器分子溶液的強(qiáng)黃色熒光完全淬滅，則說(shuō)明加入的是Ag⁺，若傳感器分子的溶液的熒光沒(méi)有發(fā)生變化，則說(shuō)明加入的不是Ag⁺。

2、裸眼檢測(cè)

在傳感器分子ZH的DMSO-H₂O（H₂O的體積百分?jǐn)?shù)為45~50%）溶液中，分別加入Fe³⁺，Hg²⁺，Ag⁺，Ca²⁺，Cu²⁺，Co²⁺，Ni²⁺，Cd²⁺，Pb²⁺，Zn²⁺，Cr³⁺，Mg²⁺的高氯酸鹽的DMSO溶液；若傳感器分子溶液由原來(lái)的黃色變?yōu)榈凵?，則說(shuō)明加入的是Ag⁺，若傳感器分子溶液的顏色沒(méi)有發(fā)生變化，則說(shuō)明加入的不是Ag⁺。

3、試紙檢測(cè)

銀離子檢測(cè)試紙的制作：將ZH配制成2×10^-4 mol·L^?1的水溶液；將處理過(guò)的濾紙剪成圓形模板。將濾紙分別浸潤(rùn)在上述溶液中10分鐘，使ZH充分吸附于濾紙上然后取出晾干。該濾紙?jiān)跓晒鉄粽丈湎鲁庶S色熒光。

銀離子檢測(cè)：在試紙上滴加Fe³⁺，Hg²⁺，Ag⁺，Ca²⁺，Cu²⁺，Co²⁺，Ni²⁺，Cd²⁺，Pb²⁺，Zn²⁺，Cr³⁺，Mg²⁺的高氯酸鹽的DMSO溶液，若試紙?jiān)瓉?lái)的黃色熒光消失且顏色褪去，說(shuō)明滴加的是銀離子；若檢測(cè)試紙的熒光和顏色無(wú)發(fā)生變化，說(shuō)明滴加的不是銀離子。