1.本发明涉及一种用于汞离子检测的水溶性荧光素聚合物探针及其制备与应用，属于有机合成和光谱检测技术领域。

背景技术：

2.由于汞元素对含s配体显示强的结合作用，会破坏蛋白和酶中的s‑s或s‑h键，因此汞元素被认为最毒的重金属之一，对生物体的大脑、肾脏、神经系统等有严重的损害作用。汞元素广泛存在于空气，土壤和水源中，通过食物链在人体中富集，即便痕量的汞也会对人体造成不可逆的损害，例如，脏器损伤，语言、视觉功能障碍，免疫功能下降等。汞离子污染不论对人体健康还是生态环境都造成了严重的威胁。因此，开发高效精准、可用于食物、环境或水源中的汞离子检测的方法具有重要的意义。3.有机分子类荧光探针用于汞离子的检测已有大量报道，尤其是基于荧光素类有机染料的荧光探针分子。但目前大多数该类汞离子荧光探针的水溶性较差，只适用于纯有机溶剂或有机溶剂与水的混合溶液中，并不能用于100％水溶液中汞离子的检测，因而探针的检测限也很难达到理想水平。例如，中国专利文献cn104829589a公开了一种汞离子探针tpe‑s及制备方法，该探针由四苯乙烯先与硝基苯乙酸反应得到tpe‑0，然后tpe‑0再与1，2‑乙二硫醇反应得到。该探针能用于汞离子的检测，但使用过程中需要使用ch3cn先将探针溶解，方可进行后续测试。文献“d.liu,y.wang,r.wang,b.wang,h.chang,j.chen,g.yang,h.he,inorg.chem.comm.2018,89,46–50”以荧光素作为荧光传感基团，以含n、s的功能基团作为离子载体，构筑的荧光素探针sensor‑hg可以用于汞离子的检测。但检测溶液必须含有甲醇(缓冲溶液/甲醇＝95/5，v/v)，测试在ph＝7.4的hepes缓冲溶液中完成；且检测限较高，无法有效实现更低浓度汞离子的检测。文献“s.r.bhatta,a.pal,u.k.sarangi,a.thakur,inorg.chim.acta 2019,498,119097”将二茂铁通过三唑与荧光素连接构筑荧光素探针化合物；该探针可以用于汞离子的荧光检测，但检测溶液需是乙腈与水的混合溶液(乙腈/水＝3/7，v/v)，检测限为39×10‑8mol/l；并且探针除了对汞离子响应外，对三价铁离子也有类似的荧光响应，因此探针对汞离子的检测选择性易受到铁离子的干扰，难以达到最佳检测效果。4.因此，迫切需要开发一种绿色环保、可以直接检测纯水中汞离子且检测选择性高、灵敏准确的荧光探针，从而避免在检测过程中对有机溶剂的使用依赖，简化实验程序，提高检测效率。

技术实现要素：

5.针对现有技术存在的不足，本发明提供一种用于汞离子检测的水溶性荧光素聚合物探针及其制备与应用。本发明探针的制备过程简单，所得探针水溶性良好，可以直接用于对纯水中汞离子的荧光检测，具有使用方便，检测选择性高、灵敏准确的特点。6.本发明的技术方案如下：7.一种用于汞离子检测的水溶性荧光素聚合物探针，具有如下式i所示结构：[0008][0009]其中，式i中，n为2‑112。[0010]根据本发明优选的，所述水溶性荧光素聚合物探针是由荧光素与水合肼反应得到荧光素酰肼中间体，然后和八臂聚乙二醇苯甲醛经席夫碱反应制备得到。[0011]上述用于汞离子检测的水溶性荧光素聚合物探针的制备方法，包括步骤：[0012](1)于溶剂a中，荧光素与水合肼反应得到荧光素酰肼中间体ii：[0013][0014](2)于溶剂b中，荧光素酰肼中间体ii与八臂聚乙二醇苯甲醛反应得到水溶性荧光素聚合物探针。[0015]根据本发明优选的，步骤(1)中，所述溶剂a为甲醇或乙醇；优选的，所述溶剂a为乙醇；所述荧光素的质量和溶剂a的体积比为0.001‑0.08g/ml。[0016]根据本发明优选的，步骤(1)中，所述荧光素和水合肼的摩尔比为1：5‑1：60；优选的，所述荧光素和水合肼的摩尔比为1：30‑1：50。[0017]根据本发明优选的，步骤(1)中，所述水合肼为质量浓度为40‑100％的水合肼水溶液。[0018]根据本发明优选的，步骤(1)中，所述反应温度为25‑90℃；优选的，所述反应温度为50‑80℃。反应时间为2‑72h，优选为4‑24h。[0019]根据本发明优选的，步骤(1)中，在搅拌条件下，水合肼以逐滴滴加的方式加入到含有溶剂a和荧光素的体系中。[0020]根据本发明优选的，步骤(2)中，所述溶剂b为乙醇、丙酮、四氢呋喃或二甲基亚砜；所述八臂聚乙二醇苯甲醛的质量和溶剂b的体积比为0.005‑0.02g/ml。[0021]根据本发明优选的，步骤(2)中，所述八臂聚乙二醇苯甲醛与荧光素酰肼中间体ii的摩尔比为1：8‑12。[0022]根据本发明优选的，步骤(2)中，所述八臂聚乙二醇苯甲醛中聚乙二醇链段的数均分子量为1000‑40,000；优选的，八臂聚乙二醇苯甲醛中聚乙二醇链段的数均分子量为2000‑20,000。[0023]根据本发明优选的，步骤(2)中，荧光素酰肼中间体ii与八臂聚乙二醇苯甲醛的反应还可以在催化剂作用下进行；所述催化剂是硼酸、苯磺酸或冰乙酸；所述催化剂的质量是荧光素酰肼中间体ii质量的0.1‑0.5倍。[0024]根据本发明优选的，步骤(2)中，所述反应温度为40‑60℃；优选的，所述反应温度为55‑58℃。反应时间为2‑72h，优选为12‑24h。[0025]根据本发明优选的，步骤(2)中，在搅拌条件下，八臂聚乙二醇苯甲醛以滴加的方式加入到含有溶剂b和荧光素酰肼中间体ii的体系中。[0026]优选的，步骤(2)中，水溶性荧光素聚合物探针的制备方法包括步骤：将八臂聚乙二醇苯甲醛溶解于溶剂b1中得到反应液1；将荧光素酰肼中间体ii溶解于溶剂b2中得到反应液2；搅拌下，将反应液1逐滴滴加到反应液2中进行反应；所述溶剂b1和溶剂b2的种类和溶剂b相同，溶剂b1和溶剂b2的总体积和溶剂b的体积相同，溶剂b1和溶剂b2的体积比为1‑5:1‑5。[0027]根据本发明，用于汞离子检测的水溶性荧光素聚合物探针的制备方法中，中间产物以及目标产物的后处理步骤可按现有技术，本发明优选后处理步骤如下：[0028]i、荧光素与水合肼经反应所得反应液的后处理步骤如下：反应液旋蒸得到荧光素酰肼粗产品，使用乙醇/水的混合溶液洗涤，真空干燥得到荧光素酰肼中间体ii；[0029]ii、荧光素酰肼中间体ii与八臂聚乙二醇苯甲醛反应所得反应液的后处理步骤如下：反应液经旋蒸、真空干燥得到粗产品；之后将粗产品溶于溶剂中进行透析，将透析后的溶液旋蒸、干燥得到荧光素聚合物探针；所述溶剂为无水乙醇、四氢呋喃或二甲基亚砜等能溶解荧光素酰肼中间体的有机溶剂。[0030]上述用于汞离子检测的水溶性荧光素聚合物探针的应用，应用于检测纯水或自来水中的汞离子。[0031]本发明探针的反应路线如下：[0032][0033]其中，式i中，n为2‑112。[0034]本发明的技术特点及有益效果：[0035](1)本发明所述荧光素聚合物探针具有良好的水溶性和生物相容性，可以直接应用于水环境中汞离子的测试，显示高的特异性识别能力和检测灵敏度，检测选择性高、灵敏准确。与已报道的荧光素汞离子探针相比，该聚合物探针能完全溶于水中，不依赖任何有机溶剂或缓冲溶液，测试过程中避免了对有机溶剂的使用，简化了操作流程，提高了检测效率，是一种绿色环保的汞离子荧光探针。[0036](2)本发明所述荧光素聚合物探针中的荧光素酰肼基团具有荧光传感功能，能特异性识别汞离子，当与汞离子结合后发生分子内电荷转移，引起荧光素内酰胺结构打开，导致荧光发射增强；探针中的八臂聚乙二醇基团起到提高探针生物相容性和水溶性的作用，因此该探针具有良好的水溶性，能完全溶解于水中。并且，本发明探针结构是作为一个整体，荧光素酰肼基团和八臂聚乙二醇基团存在复杂的相互作用，共同发挥协同作用实现本发明优异的检测效果。[0037](3)本发明所述荧光素聚合物探针利用荧光素酰肼中间体和八臂聚乙二醇苯甲醛之间的席夫碱反应制备。荧光素酰肼和八臂聚乙二醇苯甲醛按照至少8：1的摩尔投料比反应，得到的每一个荧光素探针分子中含有八个荧光素基团，对汞离子显示较好的检测选择性、灵敏度和准确性；若降低荧光素酰肼的加入比例，探针对汞离子的检测灵敏度降低。[0038](4)本发明所述荧光素聚合物探针的制备方法简单，实验过程可以通过使用催化剂加速反应进程。荧光素酰肼中间体和八臂聚乙二醇苯甲醛之间发生的席夫碱反应，可以选择弱酸作为催化剂。需要注意的是，由于荧光素内酰胺结构在大量氢离子存在下也会发生荧光开启，因此需要控制弱酸催化剂的加入量，避免探针失效。[0039](5)由于荧光素酰肼中间体不溶于水，荧光素探针产品中残留的荧光素酰肼会导致探针水溶性降低，影响探针的在水中的检测效果。本发明制备方法中，探针粗产品通过透析的方法进行提纯，可以达到满意的提纯效果。透析溶剂可以选择乙醇、四氢呋喃、二甲基亚砜等能溶解荧光素酰肼中间体的有机溶剂。附图说明[0040]图1为实施例1所得荧光素聚合物探针的核磁共振氢谱；[0041]图2为实施例1所得荧光素聚合物探针对汞离子的选择性荧光发射光谱；[0042]图3为对比例1所得探针对不同金属离子的荧光发射光谱；[0043]图4(a)为实施例1所得荧光素聚合物探针对1‑10μmol/l汞离子的荧光发射光谱，(b)为荧光发射强度对汞离子所做的标准曲线；[0044]图5为实施例1和对比例2所得荧光聚合物探针的荧光发射强度对比图；[0045]图6为实施例1所得荧光素聚合物探针对自来水中汞离子的荧光响应。具体实施方式[0046]下面结合具体实施例对本发明做进一步的说明，但不限于此。[0047]同时下述实施例中所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法；所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得。[0048]实施例1[0049]一种用于汞离子检测的水溶性荧光素聚合物探针的制备方法：将0.665g荧光素溶解于30ml乙醇中，室温搅拌下，逐滴滴入9ml水合肼(质量浓度50％)，20min内滴加完毕，加热升高体系温度至78℃，反应回流5h，冷却，旋蒸，粗产品使用乙醇/水洗涤，过滤，真空干燥，得到荧光素酰肼。[0050]将0.5g(0.025mmol)八臂聚乙二醇苯甲醛(八臂聚乙二醇苯甲醛中聚乙二醇链段的mw＝20,000，市购获得)溶解于30ml丙酮中得到反应液1；将0.083g(0.24mmol)荧光素酰肼溶解于10ml丙酮中得到反应液2；搅拌回流状态下，将反应液1逐滴滴加到反应液2中，55℃回流反应24h。冷却，旋蒸，干燥得到浅黄色固体粉末荧光素聚合物探针粗产品；首先将粗产品溶解在无水乙醇中装在透析袋(截留分子量3500)中密封，再置于无水乙醇中搅拌透析3天，然后透析袋内的溶液经旋蒸，干燥，得到荧光素聚合物探针(0.41g，摩尔收率72％)。[0051]所得荧光素聚合物探针的核磁共振氢谱如图1，核磁数据如下：[0052]1h nmr(400mhz,dmso‑d6)δ9.92(s,8h),9.00(s,8h),8.52(t,j＝5.6hz,8h),8.00(q,j＝8.1hz,8h),7.96–7.87(m,8h),7.79(d,j＝8.3hz,8h),7.69–7.54(m,8h),7.48(d,j＝8.2hz,8h),7.13(d,j＝7.4hz,8h),6.65(d,j＝2.3hz,8h),6.56–6.37(m,16h),4.57(t,j＝5.4hz,8h),4.36(t,j＝5.1hz,112h),3.82–3.08(m,1632h),1.20(t,j＝7.0hz,8h),1.04(t,j＝7.0hz,320h),0.89(t,j＝7.0hz,8h).[0053]实施例2[0054]一种用于汞离子检测的水溶性荧光素聚合物探针的制备方法：将0.665g荧光素溶解于30ml甲醇中，室温搅拌下，逐滴滴入7ml水合肼(质量浓度50％)，20min内滴加完毕，加热升高体系温度至65℃，反应回流5h，冷却，旋蒸，粗产品使用乙醇/水洗涤，过滤，真空干燥，得到荧光素酰肼。[0055]将0.5g(0.025mmol)八臂聚乙二醇苯甲醛(八臂聚乙二醇苯甲醛中聚乙二醇链段的mw＝20,000)溶解于30ml丙酮中得到反应液1；将0.083g(0.24mmol)荧光素酰肼溶解于10ml丙酮中得到反应液2；搅拌回流状态下，将反应液1逐滴滴加到反应液2中，然后滴入1滴(0.02g)冰乙酸作为催化剂，55℃回流反应12h。冷却，旋蒸，干燥得到荧光素聚合物探针粗产品；首先将粗产品溶解在无水乙醇中装在透析袋(截留分子量3500)中密封，再置于无水乙醇中搅拌透析3天，然后透析袋内的溶液经旋蒸，干燥，得到荧光素聚合物探针。[0056]实施例3[0057]一种用于汞离子检测的水溶性荧光素聚合物探针的制备方法：将0.33g荧光素溶解于20ml甲醇中，室温搅拌下，逐滴滴入2ml水合肼(质量浓度85％)，10min内滴加完毕，加热升高体系温度至65℃，反应回流10h，冷却，旋蒸，粗产品使用乙醇/水洗涤，过滤，真空干燥，得到荧光素酰肼。[0058]将0.5g(0.025mmol)八臂聚乙二醇苯甲醛(八臂聚乙二醇苯甲醛中聚乙二醇链段的mw＝20,000)溶解于30ml丙酮中得到反应液1；将0.104g(0.30mmol)荧光素酰肼溶解于20ml丙酮中得到反应液2；搅拌回流状态下，将反应液1逐滴滴加到反应液2中，然后滴入2滴(0.04g)冰乙酸作为催化剂，55℃回流反应24h。冷却，旋蒸，干燥得到荧光素聚合物探针粗产品；首先将粗产品溶解在无水乙醇中装在透析袋(截留分子量3500)中密封，再置于无水乙醇中搅拌透析3天，然后透析袋内的溶液经旋蒸，干燥，得到荧光素聚合物探针。[0059]对比例1[0060]一种探针的制备方法，步骤如下：[0061]将0.958g罗丹明6g溶解于30ml乙醇中，室温搅拌下，逐滴滴入7ml水合肼(质量浓度50％)，20min内滴加完毕，加热升高体系温度至78℃，反应回流5h，冷却，旋蒸，粗产品使用乙醇/水洗涤，过滤，真空干燥，得到罗丹明6g酰肼。[0062]将0.5g(0.025mmol)八臂聚乙二醇苯甲醛(八臂聚乙二醇苯甲醛中聚乙二醇链段的mw＝20,000)溶解于30ml丙酮中得到反应液1；将0.103g(0.30mmol)罗丹明6g酰肼溶解于10ml丙酮中得到反应液2；搅拌回流状态下，将反应液1逐滴滴加到反应液2中，55℃回流反应24h。冷却，旋蒸，干燥得到探针粗产品；首先将粗产品溶解在无水乙醇中装在透析袋(截留分子量3500)中密封，再置于无水乙醇中搅拌透析3天，然后透析袋内的溶液经旋蒸，干燥，得到罗丹明聚合物探针。[0063]本对比例中使用罗丹明6g酰肼代替荧光素酰肼，与八臂聚乙二醇苯甲醛反应，制备罗丹明聚合物探针。该探针对三价铁离子显示特异性荧光响应，可以用于水溶液中对三价铁离子的检测，但不能用作检测汞离子的荧光探针。由此说明，探针中的荧光素基团对汞离子的特异性识别起关键作用。[0064]对比例2[0065]一种探针的制备方法，步骤如下：[0066]将0.665g荧光素溶解于30ml乙醇中，室温搅拌下，逐滴滴入9ml水合肼(质量浓度50％)，20min内滴加完毕，加热升高体系温度至78℃，反应回流5h，冷却，旋蒸，粗产品使用乙醇/水洗涤，过滤，真空干燥，得到荧光素酰肼。[0067]将0.132g(0.026mmol)双臂聚乙二醇苯甲醛(双臂聚乙二醇苯甲醛中聚乙二醇链段的mw＝5,000)溶解于30ml丙酮中得到反应液1；将0.083g(0.24mmol)荧光素酰肼溶解于10ml丙酮中得到反应液2；搅拌回流状态下，将反应液1逐滴滴加到反应液2中，55℃回流反应24h。冷却，旋蒸，干燥得到荧光素聚合物探针粗产品；首先将粗产品溶解在无水乙醇中装在透析袋中密封，再置于无水乙醇中搅拌透析3天，然后透析袋内的溶液经旋蒸，干燥，得到荧光素聚合物探针。[0068]本对比例中使用双臂聚乙二醇苯甲醛代替八臂聚乙二醇苯甲醛，与荧光素酰肼反应，制备荧光素聚合物探针。该对比例探针能溶于水，对汞离子显示特异性荧光响应，但该对比例探针对汞离子的检测灵敏度较实施例中探针的检测灵敏度下降。由此说明，探针分子中荧光素基团的占比以及结构之间的协同作用会影响汞离子检测的灵敏度。[0069]试验例[0070]探针的性能测试：[0071](1)探针对汞离子的特异性识别能力。[0072]a.将本发明实施例1的探针与金属离子(选自k+，na+,ag+,ca2+,cd2+,co2+,cu2+,mg2+,mn2+,ni2+,zn2+,fe3+,cr3+,al3+中的一种)水溶液混合，配制成样品溶液，使得探针溶液的浓度为0.1mg/ml，金属离子的浓度为100μmol/l。对上述样品溶液进行荧光发射光谱测试，所得数据如图2。[0073]由图2可见，实施例1制备的探针仅对汞离子显示显著的荧光增强，而对其它金属离子没有明显的荧光响应，形成明显的荧光发射强度对比，说明本发明探针能较好的选择性识别汞离子。另外，该测试中配制的探针溶液均是水溶液，没有加入任何有机溶剂，表明该探针具有好的水溶解度，因此可以用于100％水溶液中对汞离子的检测。[0074]b.将本发明对比例1的探针与金属离子(选自k+，na+,ag+,ca2+,cd2+,co2+,cu2+,mg2+,mn2+,ni2+,zn2+,fe3+,cr3+,al3+中的一种)水溶液混合，配制成样品溶液，使得探针溶液的浓度为0.1mg/ml，金属离子的浓度为100μmol/l。对上述样品溶液进行荧光发射光谱测试，所得数据如图3。[0075]由图3可见，对比例1制备的探针对三价铁离子显示最高的荧光响应，另外对铝离子和铬离子也显示较强的荧光发射增强，因此对比例1制备的探针不能用于检测汞离子。这说明，探针分子中的荧光素基团对汞离子的特异性识别起至关重要的作用。[0076](2)探针对汞离子的检测灵敏度。[0077]a.将本发明实施例1的探针溶于水中制备探针溶液，然后加入一系列不同浓度的汞离子水溶液，使得最终体系中探针浓度为0.1mg/ml，汞离子的浓度分别为1，2，3，4，5，6，7，8，9，10μmol/l。对上述样品溶液进行荧光发射光谱测试，所得数据如图4。[0078]由图4可见，在1‑10μmol/l汞离子浓度范围内，实施例1探针的荧光发射强度对汞离子浓度呈较好的线性关系，根据检测限lod＝3σ/直线斜率，求得探针在水溶液中对汞离子的检测限为35nmol/l。[0079]b.将本发明对比例2的探针溶于水中制备探针溶液，然后加入一系列不同浓度的汞离子水溶液，使得探针溶液浓度为0.1mg/ml，汞离子的浓度分别为1，2，3，4，5，6，7，8，9，10μmol/l。对上述样品溶液进行荧光发射光谱测试。实验发现，在1‑10μmol/l汞离子浓度范围内，对比例2探针的荧光发射强度与汞离子浓度之间没有明显规律；且对于同等浓度的汞离子，对比例2探针的荧光响应强度明显低于实施例探针，如图5所示。[0080](3)探针用于实际水样中汞离子的检测。[0081]取当地自来水，加入一系列不同浓度的汞离子水溶液，使自来水中汞离子浓度为1‑10μmol/l，加入本发明实施例1的探针，使其在体系中的浓度为0.1mg/ml，测试实施例1探针在实际水样品中的荧光响应，结果如图6。[0082]如图6所示，实施例1探针在自来水中对低浓度的汞离子显示强的荧光发射和较好的区分效果，荧光发射强度在1‑10μmol/l范围内与汞离子浓度呈线性关系，表明该探针可以用于生活用水中汞离子的精确检测。