一种硫脲类紫外探针及其制备和应用

摘要

本发明涉及一种硫脲类紫外探针及其制备和应用，探针的结构式为：探针由异硫氰酸苯酯和水合肼反应所得。硫脲类紫外探针用于铅离子的检测：配制探针溶液，然后在待测的铅离子溶液中加入探针溶液，利用溶剂定容后，静置，通过紫外‑可见光谱法，检测382nm波长下的吸光度，根据相对紫外强度与铅离子浓度关系，确定铅离子待测液中铅离子的含量。本发明中硫脲类紫外探针为固体粉末，便于使用贮藏，并且其由异硫氰酸苯酯和水合肼直接反应所得，合成方法简单、收率高、成本低，应用前景良好。

权利要求

1.一种硫脲类紫外探针的应用，其特征在于：硫脲类紫外探针用于铅离子的检测，包括：配制探针溶液，然后在待测的铅离子溶液中加入探针溶液，定容后，静置，通过紫外-可见光谱法，检测382nm波长下的吸光度，根据相对紫外强度与铅离子浓度关系，确定铅离子待测液中铅离子的含量；

其中所述探针的结构式为：

2.根据权利要求1所述的一种硫脲类紫外探针的应用，其特征在于：所述探针溶液浓度为0.8×10-4～1.2×10-4M。

3.根据权利要求1所述的一种硫脲类紫外探针的应用，其特征在于：所述探针溶液的溶剂为N,N-二甲基甲酰胺DMF，所述定容后体系的溶剂为体积比为9:1的DMF/H2O。

4.根据权利要求1所述的一种硫脲类紫外探针的应用，其特征在于：所述静置时间为1～10min。

5.根据权利要求1所述的一种硫脲类紫外探针的应用，其特征在于：相对紫外强度与铅离子浓度关系为：y＝1.21+0.85x，其中y表示相对紫外强度；x为铅离子的浓度。

6.根据权利要求1所述的一种硫脲类紫外探针的应用，其特征在于：硫脲类紫外探针对铅离子待测液的检测限为1.5～2.5μM。

说明书

一种硫脲类紫外探针及其制备和应用

技术领域

[0001] 本发明属于探针及其制备和应用领域，特别涉及一种硫脲类紫外探针及其制备和应用。

背景技术

[0002] 在重金属中，铅的含量最高，因此它对人类健康的危害也最严重。铅通过汽油、涂料等进入环境，铅对环境和人类健康具有强烈的毒害作用，如铅能抑制血红素合成酶，使血红素合成受阻，血红蛋白水平降低；另外铅毒还可致红细胞膜脆性增加而易于溶血，使其寿命缩短而发生贫血，铅中毒还会对神经系统、消化系统、心血管系统、肾脏系统等各个系统产生损害，严重危害人类健康。铅对儿童的危害更为严重，可以导致儿童的智力障碍。根据近几年来调查的结果，血铅超过100μg/L的儿童比例在30％左右。血铅高于250μg/L的儿童的比例还在5％左右。因此，铅离子的检测是环境分析中的一个重要内容。

[0003] 金属离子的检测方法经历了从传统分析方法到仪器分析方法，从单一的检测手段2+
到多种技术相结合的发展过程。EPA(美国环保署)批准的Pb 检测方法有三种：电感耦合等
离子体质谱法(ICP-MS)，检测限为0.6ppb；电感耦合等离子体原子发射光谱法(ICP-AES)，检测限为42ppb；以及石墨炉原子吸收光谱法(GFAAS)，检测限为0.7ppb。这些方法可以测定地下水、地表水、饮用水、污水、污泥和土壤样品溶解的铅，检测限和线性区间依赖于样品基质、仪器设备，和选取的操作条件。铅有四种天然同位素，ICP-MS可见检测到其中的三种
(206Pb、207Pb和208Pb)，这种方法存在较多干扰如同量异位素干扰、同位素灵敏度干扰、等压多原子离子干扰和物理干扰。通常ICP-AES在220.353nm波长下测定Pb2+时，会受到Al、Cu、Ni、Ti、Ce以及Fe(δ＝100ppm)的干扰。与ICP-MS相似，GFAAS同样可以完成样品的直接分析。
GFAAS可靠、敏感度高，但它在检测上需要用到添加剂和改性剂，例如，如果样品需盐酸消解，它会影响Pb2+检测的灵敏度，这时可通过添加Pd/Mg/H2改性剂来改善。虽然FDA、CPSC对铅有更高的限制，但他们采用的检测方法与EPA类似。

[0004] 上述检测方法通常需要的样品量很小，但它们非常敏感，不能用于现场检测，且需要训练有素的技术人员。特定金属离子的检测需要长时间的消解过程，首先，复合样品必须与水和/或硝酸混合，悬浮样品需预消化处理。一般来说，GFAAS、ICP-AES和ICP-MS还需进行微波消解。总的来说，环境水样中铅的分析方法中EPA最认可的是ICP-MS。ICP-MS的分析样品制备相对简单、干扰最少，检测限最低，由于这些原因，ICP-MS成为了上述检测方法的最终标准。这些监管机构已批准的检测方法有一个很大的限制：难以应用于金属离子的实时在线监测。

[0005] 中国专利201310029248.6“一种铅离子的荧光检测探针”所述的谷胱苷肽功能化的金纳米簇，通过荧光检测方法，用于检测水体中的Pb2+，并取得了高的灵敏度和选择性。该方法不需要大型仪器，可实现原位快速检测，检测限低，可应用于更多条件和范围，并且操作简单造价低，所用试剂和操作过程无毒副作用。中国专利201410156989.5“一种1,8-萘酰亚胺衍生物作为多离子光谱探针的应用”所述的1,8-萘酰亚胺衍生物(6-[1-氨基-3-(苯
基)-硫脲]-2-正丁基苯并异喹啉-1,3-二酮)用于检测Pb2+、Fe3+、Hg2+。该探针扩展了1,8-萘酰亚胺衍生物的应用范围，检测溶剂体系从纯有机溶剂发展到了含水体系，获得的探针有
良好的选择性、灵敏度和很强的抗干扰能力。

发明内容

[0006] 本发明所要解决的技术问题是提供一种硫脲类紫外探针及其制备和应用，本发明中硫脲类紫外探针为固体粉末，便于使用贮藏，并且其由异硫氰酸苯酯和水合肼直接反应
所得，合成方法简单、收率高、成本低，应用前景良好。

[0007] 本发明的一种硫脲类紫外探针，所述探针的结构式为：

[0008]

[0009] 本发明的一种硫脲类紫外探针的制备方法，包括：

[0010] 将水合肼加入到溶剂中，室温下搅拌并滴加入异硫氰酸苯酯，氮气气氛下，80-85℃加热回流3-5h，反应结束后冷却到室温；提纯，真空烘干，即得；其中水合肼和异硫氰酸苯酯的摩尔比为1:1。

[0011] 所述溶剂为乙腈。

[0012] 提纯具体为：抽滤得到固体沉淀并用乙腈洗涤，然后用丙酮重结晶提纯。

[0013] 本发明的一种硫脲类紫外探针的应用，硫脲类紫外探针用于铅离子的检测，包括：

[0014] 配制探针溶液，然后在待测的铅离子溶液中加入探针溶液，利用溶剂定容后，静置，通过紫外-可见光谱法，检测382nm波长下的吸光度，根据相对紫外强度与铅离子浓度关系，确定铅离子待测液中铅离子的含量。

[0015] 所述探针溶液浓度为0.8×10-4～1.2×10-4M。

[0016] 探针溶液制备具体：将硫脲类紫外探针溶于溶剂(DMF)中，利用溶剂定容，得到探针储备液，移取探针储备液于容量瓶中，利用溶剂(DMF)定容，得到探针溶液；其中探针贮备液的浓度为0.9×10-3M～1.1×10-3M。

[0017] 所述探针PHT溶液的溶剂为N,N-二甲基甲酰胺(DMF)，所述定容后PHT-Pb2+体系的溶剂为DMF/H2O(9/1,v/v)。

[0018] 所述静置时间为1min～10min。

[0019] 所述相对紫外强度与铅离子浓度关系为：y＝1.21+0.85x，其中y表示相对紫外强度；x为铅离子的浓度。

[0020] 所述硫脲类紫外探针对铅离子待测液的检测限为1.5μM～2.5μM。

[0021] 相对紫外强度与铅离子浓度关系确定方法包括：

[0022] 步骤(1)将铅盐溶于溶剂中，利用溶剂定容，得到铅离子储备液；移取铅离子储备液于容量瓶中，利用溶剂定容，得到不同浓度的铅离子标准溶液；将探针溶于溶剂中，利用溶剂定容，得到探针储备液；

[0023] 步骤(2)在铅离子标准溶液中加入步骤(1)中得到的探针溶液，利用溶剂定容，静置，检测紫外-可见吸收光谱，确定吸光度与铅离子浓度的关系；

[0024] 优选地，所述的步骤(1)中的铅离子储备液的浓度为0.85×10-2M～1.15×10-2M。

[0025] 优选地，所述的步骤(1)中的“将铅盐分别溶于溶剂中，利用溶剂定容，得到铅离子储备液；移取铅离子储备液于容量瓶中，利用溶剂定容，得到不同浓度的铅离子标准溶液”中的溶剂为去离子水，“将探针溶于溶剂中，利用溶剂定容，得到探针储备液”中的溶剂为N，N-二甲基甲酰胺DMF。

[0026] 优选地，所述步骤(1)中不同浓度的铅离子标准溶液的范围为0-50μM。

[0027] 优选地，所述的步骤(2)中的“检测紫外-可见吸收光谱”时，采用的吸收波长为270-600nm。

[0028] 优选地，所述的步骤(2)中静置时间为1～10min。

[0029] 本发明中的探针由异硫氰酸苯酯和水合肼反应所得，其中的硫脲结构因含有N原子和S原子这二种配位原子，均可作为电子的给予体提供电子对和多种金属离子配位生成
金属鳌合物等特点来实现对重金属离子的配位识别。

[0030] 本发明利用硫脲作为探针，通过硫脲的紫外吸光度随着铅离子溶液浓度的增加而增加，当铅离子浓度达到一定值后吸光度保持不变的特性，对溶液中的铅离子进行高灵敏
检测。本发明的紫外探针含有硫代氨基脲基团，其对铅离子具有识别作用。其机理在于：在
2+ 2+ 4
Pb 识别过程中，Pb 与氨基脲部分通过1:1络合比实现配位，络合常数为5.8×10～6.2×
104M-1。通过紫外-可见光谱法，利用380～384nm波长下的吸光度来检测铅离子的含量。在浓度为2～10μM范围内呈现良好的线性范围，线性相关系数为0.989～0.991，其检测限1.5～
2.5μM。

[0031] 有益效果

[0032] (1)本发明中的硫脲类紫外探针对铅离子有很好的选择性，在污水处理应用中不仅方便而且具有较好的使用效果；

[0033] (2)本发明中硫脲类紫外探针为固体粉末，便于使用贮藏，并且其由异硫氰酸苯酯和水合肼直接反应所得，合成方法简单、收率高、成本低，应用前景良好。

附图说明

[0034] 图1为实施例3中紫外探针加入铅离子后的紫外光谱变化；在图1中，横坐标为紫外吸收波长(nm)，纵坐标为吸光度；

[0035] 图2为实施例4中紫外探针PHT紫外-可见吸收光谱与Pb2+的浓度关系图；在图2中，横坐标为紫外吸收波长(nm)，纵坐标为吸光度，图中曲线分别代表加入不同浓度的铅离子
吸光度变化曲线(浓度依次为0μM、1μM、2μM、3μM、4μM、5μM、6μM、7μM、8μM、9μM、10μM、20μM、30μM、40μM、50μM)；其中插图为382nm处吸光度随铅离子浓度变化的点状图。

[0036] 图3为实施例5中探针相对紫外吸收强度A/A0和Pb2+浓度线性关系曲线(λ＝382nm)，在图3中，横坐标为铅离子浓度，纵坐标为吸光度的比值(其中A0和A分别表示加入离子前后所测的探针体系的吸光度)；其中插图为拟合后线性关系式及其参数表；

[0037] 图4为实施例6中共存金属离子对含Pb2+的溶液的紫外-可见吸收光谱的影响。

具体实施方式

[0038] 下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

[0039] 实施例1

[0040] 紫外探针PHT的合成：取1.2mL(19.8mmol)80％水合肼加入到20mL乙腈中，室温下搅拌并缓慢向内滴加0.85mL(19.8mmol)异硫氰酸苯酯。氮气气氛下，82℃加热回流5h，反应结束后冷却到室温；抽滤得到固体沉淀并用乙腈洗涤。用丙酮重结晶提纯粗产物，真空烘箱
25℃烘干得产物，产率为47％。

[0041] FTIR(KBr):v＝3221cm-1,3116cm-1(NH2):1192cm-1(C＝S):1541cm-1(-NH-):2061cm-1(-N＝C＝S)；HNMR(400MHz,DMSO,298K,δ/ppm):3.33(S,2H),7.16-7.55(m,ArH)
9.64-9.87(d,-NH)

[0042] 实施例2

[0043] 硫脲类紫外探针检测铅离子的具体方法：

[0044] 配置1×10-5M的铅离子待测液，应用实施例1中合成的硫脲类紫外探针检测其中的铅离子的方法，具体步骤为：

[0045] 步骤1：将实施例1合成的硫脲类紫外探针溶于溶剂DMF中，利用溶剂DMF在100mL容量瓶内定容，得到浓度为1.0×10-3M的探针储备液；

[0046] 步骤2：将硝酸铅溶于溶剂去离子水中，利用溶剂去离子水在100mL容量瓶内定容，得到浓度为1.0×10-2M的铅离子储备液；移取浓度为1.0×10-2M的铅离子储备液于100mL容量瓶中，利用溶剂去离子水定容，得到浓度为1.0×10-3M的铅离子储备液；移取浓度为1.0×
10-3M的铅离子储备液于100mL容量瓶中，利用溶剂去离子水定容，得到浓度为1.0×10-4M的铅离子标准溶液；

[0047] 步骤3：分别移取0mL、0.1mL、0.2mL、0.3mL、0.4mL、0.5mL、0.6mL、0.7mL、0.8mL、0.9mL、1mL浓度为1.0×10-4M的铅离子标准溶液加入1mL步骤1中得到的探针储备液，利用溶剂DMF在10ml容量瓶中定容，静置5min后，通过紫外-可见光谱法，检测382nm波长下的吸光度，结果为1、1.153、1.37、1.468、1.463、1.59、1.733、1.802、1.95、1.978、2.025，确定相对紫外吸收强度与铅离子浓度呈现良好的线性关系。

[0048] 步骤4：取0.55mL铅离子待测液，浓度为1.0×10-4M的铅离子标准溶液加入1mL步骤1中得到的探针储备液，利用溶剂DMF在10mL容量瓶中定容，静置5min后，通过紫外-可见光谱法，检测382nm波长下的吸光度，结果为1.71，根据所测相对紫外强度与铅离子浓度关系，确定铅离子待测液中铅离子的含量，结果为5.3μM。

[0049] 实施例3

[0050] PHT紫外-可见吸收光谱对金属离子的选择性：

[0051] 在体积比9：1的DMF/H2O体系中，测定紫外探针(PHT)在加入金属离子Pb2+、Fe3+、Cd2+、Zn2+、Mg2+、Cr3+、Ca2+、Ba2+、Sn2+、Na+、Mn2+、Hg2+前后的紫外-可见吸收光谱。

[0052] 步骤1：将实施例1合成的活性染料荧光探针溶于溶剂DMF中，利用溶剂DMF在100mL-3
容量瓶内定容，得到浓度为1.0×10 M的探针储备液；

[0053] 步骤2：将铅盐、铁盐、镉盐、锌盐、镁盐、铬盐、钙盐、钡盐、钠盐、锰盐、汞盐溶于溶剂去离子水中，利用溶剂去离子水在100mL容量瓶内定容，得到浓度为1.0×10-2M的各金属离子储备液；

[0054] 步骤3：分别移取1mL浓度为1.0×10-2M的各金属离子储备液，加入1mL步骤1中得到的探针储备液，利用溶剂DMF在10mL容量瓶中定容，静置5min后，检测其紫外-可见光谱；

[0055] 通过实验发现PHT的紫外-可见吸收光谱对铅离子有很好的响应。其中，溶剂：DMF/H2O(9/1,v/v)，浓度：10μM(PHT)，100μM(金属离子)。

[0056] 实施例4

[0057] PHT紫外-可见吸收光谱与Pb2+的浓度关系：

[0058] 加入不同浓度的Pb2+后，测定紫外探针PHT在DMF/H2O(9/1,v/v)体系的紫外-可见吸收光谱图。其中，溶剂：DMF/H2O(9/1,v/v)，浓度：10μM(PHT)，Pb2+当量从下到上依次为
0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1.0、2.0、3.0、4.0、5.0。

[0059] 步骤1：将实施例1合成的活性染料荧光探针溶于溶剂DMF中，利用溶剂DMF在100mL-3
容量瓶内定容，得到浓度为1.0×10 M的探针储备液；

[0060] 步骤2：将硝酸铅溶于溶剂去离子水中，利用溶剂去离子水在100ml容量瓶内定容，得到浓度为1.0×10-2M的铅离子储备液；移取浓度为1.0×10-2M的铅离子储备液于100ml容量瓶中，利用溶剂去离子水定容，得到浓度为1.0×10-3M的铅离子储备液；移取浓度为1.0×-3 -4
10 M的铅离子储备液于100mL容量瓶中，利用溶剂去离子水定容，得到浓度为1.0×10 M的
铅离子标准溶液；

[0061] 步骤3.分别移取0mL、0.1mL、0.2mL、0.3mL、0.4mL、0.5mL、0.6mL、0.7mL、0.8mL、0.9mL、1mL浓度为1.0×10-4M的铅离子标准溶液加入1mL步骤1中得到的探针储备液，利用溶剂DMF在10mL容量瓶中定容，另移取0.2mL、0.3mL、0.4mL、0.5mL浓度为1.0×10-3M的铅离子储备液加入1mL步骤1中得到的探针储备液，利用溶剂DMF在10mL容量瓶中定容，静置5min
后，通过紫外-可见光谱法，检测382nm处的吸光度；

[0062] 当加入Pb2+的浓度达到2M时，在382nm出现新的吸收峰，随着Pb2+浓度的不断增加，其紫外吸收强度也不断增加，在2～10μM之间呈现较好的线性关系。

[0063] 实施例5

[0064] 标准曲线及检测限的测定：

[0065] 基于Stern-Volmer理轮，测定探针(10μM)溶液在DMF/H2O(9/1)的混合溶剂中对Pb2+进行检测时的线性范围和最低检测限。

[0066] 步骤1：将实施例1合成的活性染料荧光探针溶于溶剂DMF中，利用溶剂DMF在100mL容量瓶内定容，得到浓度为1.0×10-3M的探针储备液，移取探针储备液于100mL容量瓶中，利用溶剂DMF在100mL容量瓶内定容，得到浓度为1.0×10-4M探针溶液；

[0067] 步骤2：将硝酸铅溶于溶剂去离子水中，利用溶剂去离子水在100mL容量瓶内定容，-2 -2得到浓度为1.0×10 M的铅离子储备液；移取浓度为1.0×10 M的铅离子储备液于100mL容
量瓶中，利用溶剂去离子水定容，得到浓度为1.0×10-3M的铅离子储备液；移取浓度为1.0×
10-3M的铅离子储备液于100mL容量瓶中，利用溶剂去离子水定容，得到浓度为1.0×10-4M的铅离子标准溶液；

[0068] 步骤3.分别移取0mL、0.1mL、0.2mL、0.3mL、0.4mL、0.5mL、0.6mL、0.7mL、0.8mL、0.9mL、1mL浓度为1.0×10-4M的铅离子标准溶液加入1mL步骤1中得到的探针储备液，利用溶剂DMF在10mL容量瓶中定容，静置5min后，通过紫外-可见光谱法，检测382nm处的吸光度；

[0069] 铅离子的浓度从0增加到1.0×10-5M，静置30min后测试。探针在382nm处吸光度很低。随着Pb2+的加入，吸光度不断增强，根据Stern-Volmer方程：

[0070] A/A0＝1+KsvCq

[0071] 其中A0和A分别表示加入离子前后所测的探针体系的吸光度，Ksv是增强常数，Cq为离子的浓度。探针体系吸光度增强程度与离子浓度呈现良好的线性关系，如图4所示，通过计算线性回归方程，线性相关系数为0.990，线性范围为2～10μM.实际检出限为2μM。上述计算结果可以看出探针对Pb2+呈现出很好的检测灵敏性，Pb2+识别过程简单。

[0072] 实施例6

[0073] 紫外探针PHT检测Pb2+时的抗干扰性：

[0074] 探究环境和生物相关共存离子对PHT/Pb2+的DMF/H2O(9:1)溶液在382nm处吸光度的影响。其中，溶剂：DMF/H2O(9/1,v/v)，浓度：10μM(PHT)，100μM(Pb2+)，100μM(其他离子)，
2+
黑色柱子为在PHT中加入不同金属离子，灰色柱子为在PHT-Pb 体系加入不同金属离子。

[0075] 步骤1：将实施例1合成的活性染料荧光探针溶于溶剂DMF中，利用溶剂DMF在100mL容量瓶内定容，得到浓度为1.0×10-3M的探针储备液；

[0076] 步骤2：将铅盐、铁盐、镉盐、锌盐、镁盐、铬盐、钙盐、钡盐、钠盐、锰盐、汞盐溶于溶-2剂去离子水中，利用溶剂去离子水在100mL容量瓶内定容，得到浓度为1.0×10 M的各金属
离子储备液；

[0077] 步骤3：移取1ml浓度为1.0×10-2M的铅离子储备液，加入1mL步骤1中得到的探针储备液，利用溶剂DMF在10ml容量瓶中定容，静置5min后，检测其紫外-可见光谱；

[0078] 步骤4：移取1mL浓度为1.0×10-2M的铅离子储备液，加入1mL步骤1中得到的探针储备液，另分别加入1mL浓度为1.0×10-2M的各金属离子储备液，利用溶剂DMF在10ml容量瓶中定容，静置5min后，检测其紫外-可见光谱；

[0079] 从图中可见，Hg2+、Sn2+使吸光度略有降低外，其他离子均对其影响不大，因此，紫外探针PHT有良好的抗干扰性。