新型荧光染料的合成及其在环境监测中的应用研究

摘要

环境污染问题越来越严重,环境中污染物的种类正在被不断的发现,污染物的数量也在不断增加,对环境中污染物分析手段的灵敏度,准确性,特异性及方便性等方面的要求也越来越高。环境中污染物的分析手段有很多种,其中荧光分析法由于其具有灵敏度高、选择性较好等的优点越来越受到了国内外研究者的关注。本论文主要是进行了一系列发光性能优良的可以发长寿命荧光的稀土配合物、普通荧光的萘酰亚胺、蒽衍生物及等荧光染料的设计与合成,并进行了在环境中病原微生物、金属离子、微量水等方面的监测应用。所发展的方法都具有高灵敏度,操作方便等优点。主要完成内容如下:
　　 (1)提出了一种基于两探针串联的环境中常见病原微生物DNA的监测方法。该模型包括了捕获探针DNA1,识别探针DNA2和目标探针DNA3。合成了几种具有长寿命荧光的稀土三元配合物,并选择发光性能最好的:以噻吩甲酰三氟丙酮(TTA),5-氨基邻菲哕啉(5-NH2-phen)为配体的稀土铕配合物,Eu(TTA)3(5-NH2-phen),(ETN),然后通过修饰连接上免疫球蛋白:ETN-IgG,利用反相微乳液法,制备表面修饰活性基团的核壳型纳米颗粒。这样的纳米颗粒能够十分便利地连接上寡聚核苷酸链以用于时间分辨荧光检测。同时,根据已报道的金黄色葡萄球菌和大肠杆菌特异性基因片段用软件Primer Premier5.0设计了实验所需的捕获探针,识别探针和目标探针序列。杂交过程中,先将带氨基的捕获探针DNAl共价固定在普通载玻片上,然后与识别探针DNA2,目标探针DNA3在玻片表面进行杂交。最后,通过检测玻片表面的荧光强度来达到监测病原微生物的目的。这种方法具有选择性好、杂交稳定性好、高灵敏度和杂交时间短等优点,是一种微生物病原体监测的有效方法(第2章)。
　　 (2)在基于发光纳米颗粒的两探针串联的监测模型上,建立了一种直接用长寿命发光单分子为标记物的病原微生物的监测方法。用既带有活性基团又能发长寿命荧光的稀土铕配合物,Eu(TTA)3(5-NH2-phen)直接作为标记物。这种检测方法操作起来更加方便。并且具有杂交时间短,稳定性令人满意,选择性好等优点。(第3章)。
　　 (3)合成了一种新型的硫脲类荧光探针,9-蒽醛缩氨基硫脲(AnthT),并研究了该探针在测定环境样品中痕量Hg(Ⅱ)和Cu(Ⅱ)的应用。通过研究不同金属离子,Na(Ⅰ),Al(Ⅲ),Ba(Ⅱ),Mn(Ⅱ),Co(Ⅱ),Cd(Ⅱ),Ca(Ⅱ),Zn(Ⅱ),Cr(Ⅲ),Fe(Ⅲ),Pb(Ⅱ),Hg(Ⅱ)及Cu(Ⅱ)(相同浓度:5.0×10-5mol L-1)对AnthT荧光强度的作用,发现只有Hg(Ⅱ)和Cu(Ⅱ)对AnthT的有显著的荧光猝灭作用。在pH为7.2,激发波长为411 nm的情况下,AnthT在水-乙醇溶液(20/5 v/v)中的荧光强度随着Cu(Ⅱ)或Hg(Ⅱ)浓度的增加慢慢降低。此外,在一定的金属离子浓度范围内该硫脲类染料的荧光强度和金属离子的浓度呈良好的线性关系,对Hg(Ⅱ)和Cu(Ⅱ)监测的线性范围分别为2×10-6.4×10-5 mol L-1和1×10-1×10-5 mol L-1。该传感系统表现出了令人满意的灵敏度,操作方法简便,并且对于Hg(Ⅱ)和Cu(Ⅱ)的检测限低至8.9×10-8 mol L-1和3.3×10-8 mol1-1。该探针可以用于实际样品中Hg(Ⅱ)和Cu(Ⅱ)浓度的测定(第4章)。
　　 (4)合成了一种新型的对极性敏感,具有可共聚端基双键、性能优良的荧光载体,N-烯丙基-4-吗啉基-1,8-萘酰亚胺(AMN)。将AMN通过末端双键在紫外光照下共价固定到硅烷化的玻片表面。然后对其进行实验研究,实验结果表明,在激发波长400 nm处,随着水含量的增加,AMN的荧光强度显著降低。在有机溶剂中水含量为0.00％至4.40％之间的时候,AMN的荧光强度和水含量呈现了很好的线性关系。该传感体系表现出了令人满意的重现性,具有灵敏度高,响应速度快等优点。同时,通过共价固定的方法也大大减少了荧光载体的流失,提高了传感器的稳定性。另外,所制备的传感体系对环境体系的pH不敏感,并且具有至少一个月的长使用寿命(第5章)。
　　 (5)合成了又一种对极性敏感的苯并噻吨二羧酸酐衍生物,N-(2-甲基丙烯酰胺)-苯并[k,1]噻吨-3,4-二甲酰亚胺(MBTD),该发光分子也通过末端双键共价固定到玻片表面,用于监测有机溶剂中的水含量。实验考察了不同有机溶剂对荧光载体的影响。结果表明溶剂极性对荧光载体的强度和斯托克斯位移都有着显著的作用。在一定的水含量浓度范围内,荧光强度与浓度呈现了良好的线性关系。该传感器具有响应速度快,重现性好等优点,足以应用于实际样品中微量水含量的测定(第6章)。
　　 (6)在制备各种荧光传感体系的过程中,也合成了一系列新型的荧光物质。在最后一章中,主要介绍了其他一些发光性能良好的荧光物质的合成(第7章)。

目录

文摘

英文文摘

第1章 绪论

1.1 荧光分析法概述

1.1.1 荧光探针法

1.1.2 荧光传感器法

1.2 荧光材料

1.2.1 长寿命荧光材料

1.2.2 纳米荧光材料

1.3 环境中污染物的分析方法

1.3.1 环境中污染物的存在

1.3.2 环境中污染物的主要监测方法

1.4 荧光分析法在环境分析中的主要应用

1.4.1 原子荧光光谱法

1.4.2 分子荧光光谱法

1.5 本文构想

第2章 新型稀土配合物纳米探针检测病原微生物

2.1 前言

2.2 实验部分

2.2.1 实验仪器

2.2.2 实验原料及试剂

2.2.3 稀土铕、铽三元配合物的合成

2.2.4 稀土配合物纳米颗粒的制备

2.2.5 探针的设计和合成

2.2.6 杂交中所需溶液的配制

2.2.7 玻片表面修饰探针DNA1

2.2.8 纳米颗粒表面修饰探针DNA2

2.2.9 两串联的DNA杂交及杂交后处理

2.3 实验结果的讨论与分析

2.3.1 检测信号强度随浓度的变化

2.3.2 检测信号的衰减

2.3.3 稀土配合物泄露检测

2.3.4 检测系统的选择性能及可行性

2.3.5 最佳杂交时间的选择

2.4 结论

第3章 双功能稀土铕配合物探针测定病原微生物

3.1 前言

3.2 实验部分

3.2.1 实验仪器

3.2.2 实验试剂

3.2.3 稀土配合物的合成

3.2.4 杂交模型的建立

3.2.5 纯培养金黄色葡萄球菌和大肠杆菌基因组的提取

3.3 实验结果分析与讨论

3.3.1 三种稀土铕配合物的发光性能

3.3.2 配合物Eu(TTA)3(5-NH2-phen)的荧光寿命和稳定性

3.3.3 目标DNA3的检测

3.3.4 检测体系的可行性和选择性

3.3.5 滴加捕获探针浓度的优化

3.3.6 杂交温度的优化

3.3.7 杂交时间的优化

3.3.8 检测体系的初步应用

3.4 结论

第4章 硫脲类荧光探针测定痕量Cu(Ⅱ)和Hg(Ⅱ)

4.1 前言

4.2 实验部分

4.2.1 实验试剂

4.2.2 实验仪器

4.2.3 溶液的配制

4.2.4 荧光载体的合成

4.2.5 荧光测量方法

4.3 实验结果分析与讨论

4.3.1 pH值的影响

4.3.2 不同乙醇含量的选择

4.3.3 不同金属离子对荧光强度的影响

4.3.4 不同浓度Cu(Ⅱ)和Hg(Ⅱ)对荧光强度的影响

4.3.5 猝灭机理

4.3.6 测量范围及线性范围

4.3.7 实际样品的分析应用

4.4 结论

第5章 基于吗啉基萘酰亚胺的微量水荧光传感器

5.1 前言

5.2 实验部分

5.2.1 实验试剂

5.2.2 实验仪器

5.2.3 荧光载体的合成

5.2.4 玻璃载体的修饰

5.2.5 光极膜的制各

5.2.6 荧光的测量

5.3 试验结果的分析与讨论

5.3.1 pH值的影响

5.3.2 不同溶剂对荧光强度的影响

5.3.3 氧六环中水含量的影响

5.3.4 测量范围及线性分析

5.3.5 重现性

5.3.6 稳定性和膜寿命

5.3.7 实际样品的分析应用

5.4 结论

第6章 荧光传感器测定有机溶剂中的水含量

6.1 前言

6.2 实验部分

6.2.1 实验仪器

6.2.2 实验试剂

6.2.3 玻片的修饰

6.2.4 光极膜的制备

6.3 实验结果分析与讨论

6.3.1 不同有机溶剂中的荧光特性

6.3.2 有机溶剂中不同水含量的光谱变化

6.3.3 pH的影响

6.3.4 自应时间,可逆性和重现性

6.3.5 传感器的稳定性和使用寿命

6.3.6 定量分析和检测限

6.4 结论

第7章 其他荧光物质的合成

7.1 长寿命发光化合物的合成及性质研究

7.1.1 稀土配合物Eu(ADBM)3phen的合成及发光性能

7.1.2 稀土配合物的溶解性

7.1.3 丙烯基四碘荧光素的合成

7.2 其它物质的合成

7.2.1 双蒽西佛碱的合成

7.2.2 葸醛缩氨基苯乙酮化合物的合成

7.2.3 4-氨基-4'-(N,N-二甲基氨基)查尔酮的合成

结论

参考文献

附录A 攻读学位期间所发表的学术论文

附录B 攻读学位期间申请的国家发明专利

致谢