一种用于检测Al

一种用于检测al
3+
离子的罗丹明b接枝羧甲基纤维素荧光探针rbcmc
技术领域
1.本发明属于分析化学领域，具体涉及用于检测al
3+
的荧光探针的制备及应用。


背景技术：

2.伴随着科技的快速发展，大量铝元素出现在药品、包装、食物添加剂等生活用品中。铝的过量使用导致严重的污染环境，并且通过生物富集作用引起严重的健康问题，例如：阿尔茨海默病、帕金森病、铝骨病等。这对微量al
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的检测就显得尤为重要，遗憾的是传统的检测方法(
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al nmr、质谱(ms)、高效液相色谱(hplc))存在响应时间长、设备昂贵及操作复杂的缺陷。伴随着荧光传感技术的发展，近些年来研究者报道了大量基于各类荧光团检测al
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的化学传感器。罗丹明类荧光团因其独特的螺内酰胺结构，更是广泛应用于金属离子的检测。遗憾的是大多数荧光传感器都需要在有机溶剂中工作，存在水溶性不足、二次污染的局限性。因此，开发一种能够检测纯水中al
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的环保型荧光传感器至关重要。
3.纤维素来源于天然植物，是一种丰富的可再生资源。纤维素因具有良好的生物相容性、生物降解性和亲水性，是制备多功能一体化材料的理想载体。近些年来基于纤维素基改性的荧光传感器得到了快速发展。与传统有机小分子荧光传感器相比，聚合物基荧光传感器结合了有机染料和纤维素载体的优点，具有优良的加工性能、信号放大和低检测限等先天优势。
4.本专利通过edc/nhs介导羧基和氨基反应，将罗丹明衍生物固定在纤维素基底上，开发出一种对al
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具有灵敏和选择性荧光响应的荧光探针rbcmc。该探针通过开闭环表达光谱信号从而检测目标物质，具有响应快速、选择性高等特点，可痕量检测水样中的al
3+
。同时将rbcmc制备为水凝胶，成功应用于自然水样的测试。


技术实现要素：

5.本发明目的是提供一种检测al
3+
离子的罗丹明b接枝羧甲基纤维素荧光探针rbcmc的制备及其应用。
6.实现本发明目的的技术解决方案是：
7.一种用于检测al
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离子的罗丹明b接枝羧甲基纤维素荧光探针rbcmc，该荧光探针的结构如下：
[0008][0009]
本发明中的罗丹明b接枝羧甲基纤维素荧光探针rbcmc的制备方法，包括以下步骤：
[0010]
将罗丹明b(960mg，2mmol)溶解在含有40ml无水乙醇中，并缓慢滴加无水乙二胺(1.3ml，20mmol)；通入氮气，在80℃下反应12小时；用100ml饱和食盐水和100ml1，2-二氯乙烷萃取三次。最后通过硅胶柱层析进一步纯化，洗脱剂为ch2cl2∶meoh＝97∶3(v/v)，得到产物罗丹明b乙二胺960mg，产率90％；将羧甲基纤维素钠cmc溶解在去离子水中，搅拌12小时至完全溶解，制备100ml cmc(2mg/ml)溶液；通过盐酸溶液调节ph值至5，并加入1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳酰二亚胺盐酸盐edc(958mg，5mmol)搅拌30分钟；然后，添加n-羟基琥珀酰亚胺nhs(115mg，1mmol)，并通过naoh溶液调节ph值到7.2。最后将罗丹明b乙二胺(484mg，1mmol)溶解在5ml n，n-二甲基甲酰胺中，并加入上述cmc溶液中，室温反应20小时；反应结束后，用乙醇反复离心洗涤，用去离子水透析2天，直到透析液中加入al
3+
溶液在紫外可见光谱下无吸收峰产生，干燥后既得最终产物罗丹明b接枝羧甲基纤维素荧光探针rbcmc。
[0011]
本发明中所述的用于检测al
3+
的荧光探针rbcmc用于检测水相中的al
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。
[0012]
本发明与现有技术相比，其显著优点是：(1)本发明以合成了一种al
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的荧光探针rbcmc，具有选择性强，检出限较低，灵敏度高，可逆，光谱性能优越，结构简单，易于修饰等优点。(2)本发明所选用原料成本低，合成方法简单，反应条件温和，且产率较高，后处理步骤少，易实现大规模生产。(3)本发明所涉及荧光探针可以制成水凝胶，在可见光和紫外条件下均可对hg
2+
进行检测。(4)本发明所涉及荧光探针能选择性检测水相中的al
3+
，且灵敏度较高，在自然环境以及生物体系等诸多领域具有很好的应用前景。
附图说明
[0013]
图1罗丹明b乙二胺(rb)的1h nmr图谱(cdcl3，400mhz)
[0014]
图2罗丹明b乙二胺(rb)的esi质谱图
[0015]
图3化合物羧甲基纤维素(cm)、罗丹明b乙二胺(rb)和荧光探针rbcmc的傅里叶变换红外光谱图
[0016]
图4化合物羧甲基纤维素(cm)、罗丹明b乙二胺(rb)和荧光探针rbcmc的1h nmr图谱(cdcl3，400mhz)
[0017]
图5(a)cmc和(b)rbcmc的xps全谱图；(c)cmc和(d)rbcmc的c1s峰的高分辨谱图
[0018]
图6(a)不同阳离子(100μm)与rbcmc溶液(2.0mg/ml)混合后的紫外吸收谱图，(b)rbcmc(3.0mg/ml)在不同阳离子溶液(100μm)中的荧光发射光谱。小插图：rbcmc溶液与rbcmc+al
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溶液的比较(a)白光条件下(b)365nm紫外光条件下
[0019]
图7探针rbcmc对al
3+
的响应时间图
[0020]
图8探针rbcmc在含有(a)不同阳离子、(b)阴离子的溶液中的荧光光谱
[0021]
图9(a)水溶液中al
3+
浓度增加时rbcmc(3.0mg/ml)的荧光光谱(b)根据上述荧光滴定的测试结果结合benesi-hildebrand方程进行线性拟合(c)最低检出限计算
[0022]
图10(a)不同浓度al
3+
在rbcmc水凝胶中的荧光强度(b)rbcmc水凝胶的最大荧光强度与al
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浓度的线性拟合曲线。插图：不同浓度al
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的rbcmc水凝胶图片(a)白光条件下(b)365nm紫外光条件下
[0023]
图11 rbcmc水凝胶对自然水体中al
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离子的检测结果
具体实施方式
[0024]
(一)荧光探针rbcmc的合成及结构表征
[0025]
(二)荧光探针rbcmc对al
3+
的选择性响应能力
[0026]
(三)探针rbcmc对al
3+
的响应时间
[0027]
(四)探针rbcmc对al
3+
检测的抗干扰能力
[0028]
(五)探针rbcmc检测al
3+
的灵敏度
[0029]
(六)rbcmc水凝胶探针的应用
[0030]
(七)rbcmc水凝胶对真实环境水样中al
3+
的检测能力
[0031]
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
[0032]
实施例1
[0033]
荧光探针rbcmc的合成及结构表征
[0034]
将罗丹明b(960mg，2mmol)溶解在含有40ml无水乙醇中，并缓慢滴加无水乙二胺(1.3ml，20mmol)；通入氮气，在80℃下反应12小时；用100ml饱和食盐水和100ml1，2-二氯乙烷萃取三次。最后通过硅胶柱层析进一步纯化，洗脱剂为ch2cl2∶meoh＝97∶3(v/v)，得到产物罗丹明b乙二胺960mg，产率90％；将羧甲基纤维素钠cmc溶解在去离子水中，搅拌12小时至完全溶解，制备100ml cmc(2mg/ml)溶液；通过盐酸溶液调节ph值至5，并加入1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳酰二亚胺盐酸盐edc(958mg，5mmol)搅拌30分钟；然后，添加n-羟基琥珀酰亚胺nhs(115mg，1mmol)，并通过naoh溶液调节ph值到7.2。最后将罗丹明b乙二胺(484mg，1mmol)溶解在5ml n，n-二甲基甲酰胺中，并加入上述cmc溶液中，室温反应20小时；反应结束后，用乙醇反复离心洗涤，用去离子水透析2天，直到透析液中加入al
3+
溶液在紫外可见光谱下无吸收峰产生，干燥后既得最终产物罗丹明b接枝羧甲基纤维素荧光探针rbcmc。
[0035]
具体合成路径如下：
[0036]
其中化合物rb的1h nmr图谱和esi质谱分别见说明书附图1，2。
[0037]
说明书附图3是rb，cmc和rbcmc的ft-ir光谱图。cmc和rbcmc的特征峰在3500cm-1
(o-h)，2900cm-1
(c-h)，1610cm-1
(c＝o)，1030cm-1
(c-o)。与cmc的红外光谱相比，rbcmc在2970cm-1
，1680cm-1
，1520cm-1
附近新的吸收峰清晰可见，分别为罗丹明衍生物上亚甲基峰(-ch2)、苯环上(c＝c)及合成新生成的酰胺峰(c＝o-n)。这些表明罗丹明衍生物成功接枝到cmc上。
[0038]
说明书附图4为化合物羧甲基纤维素(cm)、罗丹明b乙二胺(rb)和荧光探针rbcmc的1h nmr图谱。rbcmc的数据在1.08ppm、3.15ppm处出现罗丹明衍生物2-乙胺基峰，这些表明罗丹明衍生物成功接枝到cmc上。说明书附图5(a)为cmc的xps谱，在285.9ev和531.9ev附近出现的两个峰对应于c1s、o1s。说明书附图5(b)为rbcmc的xps谱，同样在285.3ev和533.2ev附近出现的两个峰对应于c1s、o1s，但399.3ev附近出现了一个新的峰，这表明酰胺反应成功。通过说明书附图5(c，d)c1s峰的高分辨率光谱，与cmc相比rbcmc高分辨率光谱中c-c和o-c＝o/n-c＝o信号原子浓度的增加可归因于cmc表面罗丹明酰胺基团的引入。ft-ir光谱、1h nmr及xps光谱的数据罗丹明衍生物成功接枝到cmc上。
[0039]
实施例2
[0040]
荧光探针rbcmc对al
3+
的选择性响应能力
[0041]
通过荧光光谱技术进一步考察rbcmc对al
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的特异性响应能力。
[0042]
选用常见的15种金属离子(ag(i)，al(iii)，cd(ii)，co(ii)，cu(ii)，fe(ii)，fe(iii)，hg(ii)，k(i)，li(i)，mg(ii)，na(i)，ni(ii)，pb(ii)，zn(ii))，用来探究rbcmc在水溶液中的特异性响应性能。
[0043]
紫外吸收实验结果如附图6(a)所示。检测含有不同种类金属离子的rbcmc体系液时，仅有al
3+
的体系液在560nm处产生紫外吸收峰，这表明rbcmc具有特异性响应能力。研究
表明探针特异性响应可能归因于传感器的配位几何和构象以及金属离子的大小，羧甲基纤维素(cmc)与罗丹明乙二胺(rb)的有机结合改变了探针上电子云及金属离子配位效应从而赋予rbcmc改性材料特异性响应的能力。
[0044]
通过荧光光谱技术进一步考察rbcmc对al
3+
的特异性响应能力，结果如附图6(b)所示。通过检测，含有其它常见的金属离子(ag(i)，cd(ii)，co(ii)，cu(ii)，fe(ii)，fe(iii)，hg(ii)，k(i)，li(i)，mg(ii)，na(i)，ni(ii)，pb(ii)，zn(ii)等)的rbcmc体系液，其荧光光谱不会发生明显变化。但检测含有al(iii)的rbcmc体系液时，荧光峰的位置发生显著位移(582至589.5)和荧光强度显著增强(42至1005)。此外，rbcmc也展现出裸眼检测的特性，无需借助分析仪器就可借助颜色变化实现特异性检测。如附图6(a)中小图所见，在含有al(iii)的体系液中加入rbcmc溶液，溶液颜色明显发生改变变为粉红色。借助紫外吸收光谱和荧光光谱数据不难发现，rbcmc在水中具有很好的特异性响应能力。
[0045]
实施例3
[0046]
探针rbcmc对al
3+
的响应时间。
[0047]
在3ml的探针rbcmc溶液中加入100μl的al
3+
(5nm)溶液，每分钟测量一次荧光强度，所得结果见附图7。可以看出当al
3+
加入以后探针rbcmc溶液荧光强度快速上升，在五分钟内增长21倍(31至666)，随后缓慢增长并在20分钟后达到最高值，然后保持不变。由此可知，探针rbcmc可以较为快速的检测al
3+
。
[0048]
实施例4
[0049]
探针rbcmc对al
3+
检测的抗干扰能力
[0050]
如附图8(a)所示，探究了探针rbcmc的抗干扰能力。通过荧光光谱测量了含有竞争离子的rbcmc体系液的荧光值，再加入al
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溶液测得荧光值。两者对比可以发现只含有探针和竞争离子的溶液只有微弱的荧光可以忽略不计，而加入al
3+
以后探针rbcmc则产生了强烈的荧光。这表明当al
3+
和其他竞争离子共存时，并不会影响探针对al
3+
的检测，探针rbcmc具有良好的抗干扰能力。如附图8(b)所示，同时还检测了阴离子对探针rbcmc检测al
3+
的影响。探针rbcmc在含有各类阴离子溶液中检测al
3+
，其荧光强度并不会受到太大干扰并能稳定存在。这些都表明探针rbcmc具有较高的抗干扰能力，可以在自然环境中使用。
[0051]
实施例5
[0052]
探针rbcmc检测al
3+
的灵敏度
[0053]
如附图9(a)所示，通过荧光滴定法对样品进行定量分析，探究了探针rbcmc的灵敏度。首先测量没有添加al
3+
的rbcmc体系液，其荧光强度可以忽略不计。随后逐渐增加al
3+
浓度，每次添加al
3+
将样品静置10分钟再测量荧光强度。随着rbcmc体系液中al
3+
浓度的逐渐增加，样品的荧光强度也随之逐步增强，荧光峰的位置从582nm红移至589.5nm，同时样品的颜色由无色转变为粉红色。这些现象的发生都可以归因于金属离子与rbcmc络合，诱导罗丹明b螺内酰胺结构开环发出强烈的荧光。
[0054]
如附图9(b)所示，根据上述荧光滴定的测试结果结合benesi-hildebrand方程进行线性拟合，计算得出探针rbcmc与al
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的结合常数为1.92*104m-1
，这表明探针rbcmc与金属离子配位具有较高的稳定性。如附图9(c)所示，根据荧光滴定实验结果结合下列公式进行线性拟合还可以得到最低检出限，计算得出探针rbcmc的最低检出限为0.239μm。
detection limit＝3sd/s式中sd为只含有空白溶液检测10次荧光值的标准差；s是al
3+
金属离子浓度和对于荧光强度的校准曲线斜率。
[0055]
实施例6
[0056]
rbcmc水凝胶探针的应用
[0057]
将改性rbcmc材料制备为水凝胶，并成功实现对al
3+
的检测。如附图10(a)所示，随着rbcmc水凝胶检测不同浓度al
3+
时，水凝胶传感器产生不同强度的荧光，同时在日光条件下裸眼可见颜色变化。如附图l0(b)所示，随着al
3+
浓度的变化，rbcmc水凝胶的荧光发射强度与al
3+
浓度呈线性关系。这些表明rbcmc水凝胶可以作为一种检测al
3+
的传感器。
[0058]
实施例7
[0059]
rbcmc水凝胶对真实环境水样中al
3+
的检测能力
[0060]
采集江苏省南京市玄武湖和紫溪湖中的水样，通过离心过滤简单处理固体杂质。将不同浓度的al
3+
加入真实水样中，通过荧光光谱法测定荧光强度得出各自回收al
3+
的浓度。真实水样的分析数据由附图11可知，两种不同环境水样中对不同浓度的al
3+
的回收率约为90％-95％。这表明rbcmc水凝胶即使在复杂的环境水样中对al
3+
的回收率仍保持较高水平，可用于检测真实环境水样中的痕量al
3+
。

技术特征：
1.一种用于检测al
3+
离子的罗丹明b接枝羧甲基纤维素荧光探针rbcmc，其结构如下2.一种用于检测al
3+
离子的罗丹明b接枝羧甲基纤维素荧光探针rbcmc的制备方法，包括以下步骤：将罗丹明b(960mg，2mmol)溶解在含有40ml无水乙醇中，并缓慢滴加无水乙二胺(1.3ml，20mmol)；通入氮气，在80℃下反应12小时；用100ml饱和食盐水和100ml1，2-二氯乙烷萃取三次，再通过硅胶柱层析进一步纯化，洗脱剂为ch2cl2∶meoh＝97∶3(体积比)，得到产物罗丹明b乙二胺(rb)960mg，产率90％；将羧甲基纤维素钠cmc溶解在去离子水中，搅拌12小时至完全溶解，制备100ml cmc(2mg/ml)溶液；通过盐酸溶液调节ph值至5，并加入1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳酰二亚胺盐酸盐edc(958mg，5mmol)搅拌30分钟；然后添加n-羟基琥珀酰亚胺nhs(115mg，1mmol)，并通过naoh溶液调节ph值到7.2；最后将罗丹明b乙二胺(484mg，1mmol)溶解在5mln，n-二甲基甲酰胺中，并加入上述cmc溶液中，室温反应20小时；反应结束后，用乙醇反复离心洗涤，用去离子水透析2天，直到透析液中加入al
3+
溶液在紫外可见光谱下无吸收峰产生，干燥后即得最终产物罗丹明b接枝羧甲基纤维素荧光探针rbcmc；具体合成路径如下：3.如权利要求1中所述的用于检测al
3+
离子的罗丹明b接枝羧甲基纤维素荧光探针rbcmc的应用，其特征在于：将权利要求1中所述的罗丹明b接枝羧甲基纤维素荧光探针
rbcmc用于检测水相中的al
3+
离子。

技术总结
本发明提出了一种高选择性、高灵敏度的环保型荧光探针RBCMC，它以罗丹明衍生物修饰羧甲基纤维素，成功实现在水中检测Al


技术研发人员：阚春 黄杰 王星
受保护的技术使用者：南京林业大学
技术研发日：2023.07.27
技术公布日：2023/9/22