Een op fenantroline gebaseerde fluorescerende sonde voor zeer selectieve detectie van extreme alkaliteit (pH > 14) in waterige oplossing

Resultaten en discussie

Syntheses, oplosbaarheid en detectieconcentratie van BMIP

Na drie stappen werd BMIP verkregen uit triethyleenglycolmonomethylether en 1,10-fenanthroline-5,6-dion (schema 1). Het ruwe product werd verder gezuiverd door extractie en kolomchromatografie om een ​​lichtrood gelatineus monster te verkrijgen. BMIP vertoonde een uitstekende oplosbaarheid in organische oplosmiddelen en water. In water was de oplosbaarheid zo hoog als 25  mg/ml, wat betekende dat het goed kon werken in zuiver water.

Synthetische procedures en structuren van verbindingen

Om de meest geschikte concentratie voor detectie te bepalen, hebben we waterige oplossingen van BMIP met verschillende concentraties (2 × 10 ⁻⁵ , 2 × 10 ⁻⁴ , 2 × 10 ⁻³ , 4 × 10 ⁻³ mol/L) eerst. Vervolgens werd natriumhydroxide (NaOH) -oplossing (6 mol / L, 2 mL) respectievelijk aan deze oplossingen (2 mL) toegevoegd. Daarna werden de absorptie- en fluorescentiespectra van deze mengsels bestudeerd. De resultaten zijn weergegeven in Aanvullend bestand 1:Figuren S1, S2 en S3. Voor BMIP, bij de concentratie van 10 ⁻⁵ mol/L, de reactie op extreme alkaliteit was zwak (aanvullend bestand 1:figuur S1). Bij de concentratie van 10 ⁻⁴ en 2 × 10 ⁻³ mol/L, de reactie op extreme alkaliteit was goed, maar de reactiegevoeligheid voor verschillende alkaliteiten voldeed niet aan de detectievereiste (aanvullend bestand 1:figuur S1). Eindelijk, 10 ⁻³ mol/L (1 µmmol/L) bleek de beste concentratie BMIP te zijn voor detectie omdat de responsgevoeligheid goed was bij deze concentratie.

Maar bij deze concentratie (1 mmol/L) overschreed de absorptie-intensiteit van de onderstaande oplossingen het meetbereik van de apparatuur (we probeerden vier absorptiespectrofotometers en de resultaten waren hetzelfde). Vanwege de limiet van meetapparatuur was het jammer dat de veranderingen van de absorptiespectra tijdens de onderstaande experimenten niet duidelijk waren (Aanvullend bestand 1:Afbeelding S2, S5, S8 en S14).

Ionenselectiviteiten en anti-interferentievermogen

Voor een goede fluorescerende sonde moet deze een hoge selectiviteit hebben voor specifieke ionen ten opzichte van andere concurrerende ionen. Om de selectiviteit van BMIP te onderzoeken, hebben we verschillende zouten toegevoegd (CoCl₂ , CrCl₃ , CuCl₂ , MnCl₂ , NiCl₂ , KCl, LiCl, Na₂ SO₄ , Al (NEE₃ )₃ , Pb (NEE₃ )₂ , CH₃ COOH, NaH₂ PO₄ , NaHCO₃ , NaHSO₄ , NaNO₂ , NaNO₃ , NaClO₄ , NaBr, NH₄ F, KI, CH₃ COONH₄ , NaOH, respectievelijk) aan de waterige oplossingen van BMIP en bestudeerde vervolgens de veranderingen van de kleur en fluorescentie (Fig. 2 en Aanvullend bestand 1:Figuur S4).

een Fotovergelijking (onder UV-licht) (365 nm) en b de PL-spectra van waterige oplossingen (1 mmol/L) van BMIP voor en na de toevoeging van verschillende zouten (CoCl₂ , CrCl₃ , CuCl₂ , MnCl₂ , NiCl₂ , KCl, LiCl, Na₂ SO₄ , Al (NEE₃ )₃ , Pb (NEE₃ )₂ , CH₃ COOH, NaH₂ PO₄ , NaHCO₃ , NaHSO₄ , NaNO₂ , NaNO₃ , NaClO₄ , NaBr, NH₄ F, KI, CH₃ COONH₄ , NaOH, respectievelijk) (3 mol/L). c De I/I_OHˉ verhoudingen van fluorescentieresponsen van BMIP-oplossingen (1 mmol/L) voor en na de toevoeging van verschillende ionen (Co ²⁺ , Cr ³⁺ , Cu ²⁺ , Mn ²⁺ , Ni ²⁺ , K ⁺ , Li ⁺ , Na ⁺ , Al ³⁺ , Pb ²⁺ , H ⁺ , NH₄ ⁺ , Fˉ, Clˉ, Brˉ, Iˉ, NO₂ ^ˉ , NEE₃ , ClO₄ ˉ, CH₃ COOˉ, H₂ PO₄ ˉ, HCO₃ , HSO₄ ˉ, SO₄ ² respectievelijk ˉ en OHˉ) (3 mol/L) in water (I _OHˉ vertegenwoordigt de fluorescentie-intensiteit van BMIP-oplossing na toevoeging van OHˉ (3 mol/L), I vertegenwoordigt de fluorescentie-intensiteiten van BMIP-oplossing voor en na de toevoegingen van andere ionen). d De PL-spectra van waterige oplossingen (1 mmol/L) van BMIP onder verschillende omstandigheden (zwarte lijn, BMIP-oplossing zonder toevoegingen; rode lijn, BMIP-oplossing na toevoeging van NaOH (3 mol/L); blauwe lijn, BMIP-oplossing na toevoeging van NaOH , KCl, Na₂ SO₄ , NaNO₂ , NaNO₃ , NaClO₄ , NaBr en KI (3 mol/L))

Toen NaOH werd toegevoegd en de pH-waarde van de BMIP-oplossing hoger was dan 14 (pH > 14), veranderde de BMIP-oplossing onmiddellijk van bijna kleurloos in oranjegeel (Aanvullend bestand 1:Afbeelding S4) en veranderde de fluorescentie van niet-lichtgevend tot intensief geel (525 nm) (Fig. 2a). Daarentegen zijn andere competitieve ionen (Co ²⁺ , Cr ³⁺ , Cu ²⁺ , Mn ²⁺ , Ni ²⁺ , K ⁺ , Li ⁺ , Na ⁺ , Al ³⁺ , Pb ²⁺ , H ⁺ , NH₄ ⁺ , Fˉ, Clˉ, Brˉ, Iˉ, NO₂ ^ˉ , NEE₃ , ClO₄ ˉ, CH₃ COOˉ, H₂ PO₄ ˉ, HCO₃ , HSO₄ ˉ, en SO₄ ² ˉ) veroorzaakte bijna geen duidelijke fluorescentieveranderingen voor BMIP-oplossing (Fig. 2b, c). Vergeleken met extreme alkaliteit (pH > 14), kunnen de kleine veranderingen in fluorescentie-intensiteiten veroorzaakt door sommige competitieve ionen worden genegeerd (figuur 2c). Daarom vertoonde BMIP een hoge selectiviteit voor extreme alkaliteit (pH > 14) ten opzichte van andere ionen.

Om het anti-interferentievermogen van BMIP te onderzoeken, zijn verschillende zouten (KCl, Na₂ SO₄ , NaNO₂ , NaNO₃ , NaClO₄ , NaBr en KI) werden toegevoegd aan de gemengde oplossing van BMIP en NaOH. Vervolgens werden de veranderingen van de fluorescentie bestudeerd (figuur 2d). Na de toevoeging van deze zouten had de fluorescentie van de gemengde oplossing bijna geen veranderingen behalve een lichte afname van de fluorescentie-intensiteit (figuur 2d). Dit gaf aan dat BMIP een goed anti-interferentievermogen had tijdens het detectieproces van extreme alkaliteit.

Reactie op verschillende pH

De bovenstaande experimenten toonden aan dat BMIP een hoge selectiviteit had naar een speciaal pH-bereik (pH > 14). Om te onderzoeken of BMIP duidelijk reageerde op andere pH-waarden, maakten we waterige oplossingen van BMIP met verschillende pH-waarden (10 mol/L H ⁺ , 6 mol/L H ⁺ , 2 mol/L H ⁺ , respectievelijk 1,60, 2,39, 3,31, 4,29, 5,82, 6,36, 8,53, 9,23, 9,89, 11,06, 12,26, 13,11, 13,90, 3 mol/L OHˉ) en bestudeerden vervolgens de kleur en fluorescentie van deze oplossingen (Fig. 3 en Aanvullend bestand 1:Afbeelding S7).

een Fotovergelijking (onder UV-licht) (365 nm) en b de PL-spectra van waterige oplossingen (1 mmol/L) van BMIP met verschillende pH (neutraal water, 10  mol/L H ⁺ , 6 mol/L H ⁺ , 2 mol/L H ⁺ , 1,60, 2,39, 3,31, 4,29, 5,82, 6,36, 8,53, 9,23, 9,89, 11,06, 12,26, 13,11, 13,90, 3 mol/L OHˉ, respectievelijk)

Wanneer de pH-waarde van de BMIP-oplossing lager was dan 14 (van 10 mol/L H ⁺ tot 13,90), de fluorescentie had geen verandering en de oplossingen vertoonden niet-lichtgevend (Fig. 3). Toen de pH-waarde van de BMIP-oplossing toenam tot extreme alkaliteit (3 mol/L OHˉ), vertoonde de oplossing intensief gele fluorescentie en was de fluorescentie-intensiteit bijna 1000 keer hoger dan die van andere oplossingen (pH < 14) (Fig. 3). Daarom vertoonde BMIP voor verschillende pH-waarden alleen een sterke reactie op extreme alkaliteit (pH > 14) en had geen fluorescerende reactie op andere pH-waarden.

Extreme alkaliteitsdetectie en herhaalbaarheid

Goede fluorescerende sondes moeten de exacte concentratie van gedetecteerde objecten kunnen onthullen. Dit betekent dat er een wiskundige curve-relatie is tussen de fluorescentie-intensiteit en de concentratie van gedetecteerde objecten. Om zo'n wiskundige curve te verkrijgen, hebben we waterige oplossingen van BMIP bereid met verschillende concentraties OHˉ (0, 1.0, 1.5, 2.0, 2.5, 3.0, 3.5, 4.0, 4.5, 5.0, 5.5, 6.0, 6.5, 7.0, 7.5, 8.0 , 8.5, 9.0, 9.5, 10, 10.5, 11, 11.5, 12, 12.5, 13, 13.5, 14, 14.5, 15 mol/L, respectievelijk) en bestudeerden vervolgens de kleur en fluorescentie van deze oplossingen (Extra bestand 1:Figuren S10, S11, S12 en S13).

Van 1 tot 1,5 mol/L had de kleur van BMIP-oplossingen een kleine verandering, maar hun fluorescentie veranderde bijna niet (Fig. 4a, Aanvullend bestand 1:Figuren S10, S11 en S12). Bij een concentratie van 2 mol/L vertoonden de kleur en fluorescentie van de BMIP-oplossing een plotselinge grote verandering. Bij deze concentratie verscheen een geel neerslag en veranderde de kleur van de BMIP-oplossing van bijna kleurloos in oranjegeel (Aanvullend bestand 1:Afbeelding S10). Ondertussen veranderde de fluorescentie van niet-lichtgevend naar intensief geel (525 nm) en de fluorescentie-intensiteit was bijna 200 keer hoger dan die van BMIP-oplossing (pH = 7) (Fig. 4a en aanvullend bestand 1:Figuur S11). Van 2 tot 6 mol/L nam het gele neerslag geleidelijk toe en de fluorescentie werd geleidelijk verhoogd (Fig. 4a en Aanvullend bestand 1:Figuur S13). Van 6 tot 8,5  mol/L nam de neerslag niet toe en de fluorescentie-intensiteit behield een stabiel niveau (Aanvullend bestand 1:Figuren S12 en S13). Van 9 tot 15 mol/L veranderde de hoeveelheid neerslag niet, maar het neerslag werd gelijkmatig in de oplossing gedispergeerd. Dit verlaagde de fluorescentie-intensiteit (Aanvullend bestand 1:Figuren S12 en S13).

een De PL-spectra van waterige oplossingen (1 mmol/L) van BMIP met verschillende concentraties (respectievelijk 0, 1,0, 1,5, 2,0, 2,5, 3,0, 3,5, 4,0, 4,5, 5,0, 5,5, 6,0 mol/L) van OHˉ. b De veranderingen van fluorescentie-intensiteiten van BMIP-oplossingen (1 mmol/L) met verschillende concentraties (respectievelijk 3,0, 3,5, 4,0, 4,5, 5,0, 5,5, 6,0 mol/L) van OHˉ in water. c De PL-spectra van waterige oplossing (3 mol/L OHˉ) van BMIP (1 mmol/L) op verschillende tijdstippen (10 s, 46 s, 83 s, 116 s, 147 s, 179 s, 211 s, 240 s, 275 s, 307 s, 337s, 369s, respectievelijk). d De PL-spectra van waterige oplossingen (1 mmol/L) van BMIP (3 mL) onder verschillende omstandigheden (zwarte lijn, BMIP-oplossing zonder toevoegingen; rode lijn, BMIP-oplossing na toevoeging van NaOH (3 mol/L); paarse lijn, BMIP oplossing na toevoeging van NaOH (3 mol/L) en vervolgens werd de pH van de oplossing neutraal door zwavelzuur toe te voegen; blauwe lijn, BMIP-oplossing na toevoeging van NaOH (3 mol/L), daarna werd de pH van de oplossing neutraal door zwavelzuur toe te voegen en tenslotte toe te voegen NaOH (3 mol/L) weer)

De hele wiskundige curve over de relatie tussen de fluorescentie-intensiteit en de concentratie van OHˉ werd getoond in Aanvullend bestand 1:Afbeelding S13. In deze curve ontdekten we dat van 3 tot 6 mol/L, de grafiek van de fluorescentie-intensiteit vs de concentratie van OHˉ vertoonde een goede lineariteit (R = 0.99602) (Fig. 4b). Verschillende concentraties OHˉ kwamen overeen met verschillende fluorescentie-intensiteiten. Dit betekende dat BMIP de concentratie van OHˉ in dit bereik (3–6 mol/L) kon onthullen door de fluorescentie-intensiteit te meten (Fig. 4a, b).

Om de detectietijd van BMIP naar OHˉ te testen, hebben we de PL-spectra van waterige oplossing (3 mol/L OHˉ) van BMIP (1 mmol/L) op verschillende tijdstippen (10 s, 46 s, 83 s, 116 s, 147 s, 179 s, 211s, 240 s, 275 s, 307s, 337s, 369s, respectievelijk). Van 10 tot 369 s waren de PL-spectra bijna hetzelfde, behalve een kleine verandering in de fluorescentie-intensiteit (figuur 4c). Dit resultaat toonde aan dat BMIP OHˉ (3–6 mol/L) in korte tijd (≤ 10 s) kon detecteren.

Om de herhaalbaarheid van de detectie van BMIP in de richting van OHˉ te onderzoeken, werd de fluorescentie van vier verschillende BMIP-oplossingen (1 mmol / L) bestudeerd (figuur 4d). Deze vier oplossingen (eindvolume:3 mL) waren als volgt:(a) BMIP-oplossing (b) BMIP-oplossing na toevoeging van NaOH (3 mol/L), (c) BMIP-oplossing na toevoeging van NaOH (3 mol/L) en vervolgens de pH van de oplossing werd neutraal door zwavelzuur toe te voegen, en (d) BMIP-oplossing na toevoeging van NaOH (3 mol/L), daarna werd de pH van de oplossing neutraal door zwavelzuur toe te voegen en tenslotte opnieuw NaOH (3 mol/L) toe te voegen. Toen OHˉ werd toegevoegd, was de fluorescentie van de BMIP-oplossing dramatisch verbeterd (figuur 4d). Nadat OHˉ had gereageerd met zwavelzuur en de pH van de oplossing neutraal werd, vertoonde de oplossing weer niet-lichtgevend (figuur 4d). Ten slotte, toen OHˉ opnieuw werd toegevoegd, verscheen vervolgens dezelfde gele fluorescentie (figuur 4d). Deze resultaten gaven aan dat BMIP een goede herhaalbaarheid bezat voor het detecteren van extreme alkaliteit.

Tabel 1 vergelijkt eerdere publicaties en dit werk over de detectie van extreme alkaliteit (pH > 14). Het kan worden gezien dat BMIP, vergeleken met eerdere sondes, een reeks duidelijke verbeteringen bezit:goede oplosbaarheid in water waardoor het goed werkt in zuiver water zonder enige hulp van organische oplosmiddelen, hoge gevoeligheid vanwege de fluorescerende responsmethode, snelle responstijd (≤ 10 s), hoge selectiviteit, goed anti-interferentievermogen en herhaalbaarheid, en kwantitatief detectievermogen. Zoals we weten, zijn de prestaties van BMIP het beste tijdens die sondes voor detectie van extreme alkaliteit (pH > 14).

Detectiemechanisme

Fluorescentietransformatie tussen extreme alkalische en natuurlijke toestand in herhaalbaarheidsexperimenten gaf aan dat wanneer OHˉ werd toegevoegd, deprotonering zou kunnen plaatsvinden en wanneer OHˉ werd behandeld met H ⁺ , zou BMIP kunnen herstellen. Om te onderzoeken of deprotonatie heeft plaatsgevonden, hebben we de ¹ . gemeten H NMR-spectrum van BMIP voor en na de toevoeging van NaOH (overmatig) (Fig. 5). In D₂ O, na de toevoeging van NaOH verdwenen de signalen van BMIP, wat het genereren van een nieuw product onthulde (Fig. 5a, b). Dan, D₂ O werd vervangen door DMSO-d ₆ om het neerslag op te lossen dat bestond in D₂ O. Het is duidelijk dat het signaal van NH in BMIP verdween en andere signalen hadden bijna geen veranderingen behalve een kleine verschuiving van de piekpositie (figuur 5c, d). Resultaten van herhaalbaarheidsexperimenten en NMR-spectrum onthulden dat na de toevoeging van OHˉ deprotonering plaatsvond en het gedeprotoneerde product, BMIPˉ, werd gegenereerd (Fig. 1).

De ¹ H NMR-spectrum van BMIP in a D₂ O en c DMSO-d ₆; de ¹ H NMR-spectrum van BMIP na toevoeging van NaOH in b D₂ O en d DMSO-d ₆

Van absorptiespectra van BMIP-oplossing bij verschillende pH (vanaf 10 mol/L H ⁺ tot 15 mol/L OHˉ), kon worden gezien dat wanneer de pH van de oplossing hoger was dan 12,26 (pH  ≥  12,26), deprotonering had plaatsgevonden en een nieuwe absorptieband rond 385  nm verscheen (Aanvullend bestand 1:Figuren S3, S8 en S14). Dit betekende dat BMIPˉ was gegenereerd bij pH  ≥ 12,26. Van 12,26 tot 1,5 mol/L OHˉ loste BMIPˉ echter op in water en werd geen duidelijke fluorescentie waargenomen. Bij een concentratie van 2 mol/L sloeg BMIPˉ neer (geel precipitaat) en verscheen er intensief gele fluorescentie. Van 2 naar 6 mol/L, met de toename van de concentratie van NaOH, nam de oplosbaarheid van BMIPˉ in de oplossing af en BMIPˉ sloeg geleidelijk neer uit de waterige oplossing (Aanvullend bestand 1:Figuur S10). Met de toename van BMIPˉ-precipitaat werd de aggregatie van BMIPˉ geleidelijk verbeterd en nam de fluorescentie-intensiteit geleidelijk toe (Fig. 4a, b, Aanvullend bestand 1:Figuren S11, S12 en S13). Dit was een typisch fenomeen van aggregatie-geïnduceerde verbeterde emissie (AIE). Nadat alle BMIPˉ uit de waterige oplossing was geprecipiteerd, zou de fluorescentie-intensiteit een stabiel niveau behouden (van 6 tot 8,5 mol/L OHˉ) (Aanvullend bestand 1:Figuren S12 en S13). Wanneer de NaOH-concentratie echter te hoog was, zou de hoge viscositeit van de waterige oplossing de aggregatie van BMIPˉ voorkomen en vervolgens de fluorescentie-intensiteit verlagen (9-15 mol/L OHˉ) (Aanvullend bestand 1:Figuren S12 en S13). Deze resultaten toonden aan dat de variatie in fluorescentie-intensiteit voortkwam uit de variatie in aggregatiegraad van BMIPˉ en door aggregatie geïnduceerde verhoogde emissie was een van de detectiemechanismen van BMIP in de richting van extreme alkaliteit (pH > 14).

Om het AIE-mechanisme verder te verifiëren, werd eerst een BMIP-oplossing (1 mmol/L, 2 mL) met NaOH (3 mol/L) bereid en vervolgens werd NaOH-oplossing (3 mol/L) geleidelijk toegevoegd (elke keer 0,1  mL) . Tijdens dit proces werden de fluorescentieveranderingen van deze oplossing bestudeerd (Fig. 6). Met de toename van de NaOH-oplossing loste een deel van het gele precipitaat op en het andere precipitaat dispergeerde. Ondertussen nam de fluorescentie-intensiteit geleidelijk af (figuur 6). Dit resultaat toonde aan dat AIE weer een van de detectiemechanismen was.

De PL-spectra van waterige oplossing (3 mol/L OHˉ) (2 mL) van BMIP (1 mmol/L) na toevoeging van verschillende volumes (0, 0.1, 0.2, 0.3, 0.4, 0.5, 0.6, 0.7, 0.8, en respectievelijk 0,9 mL) NaOH-oplossing (3 mol/L)

Door de bovenstaande experimenten werd bewezen dat het detectiemechanisme deprotonering door hydroxylionen en vervolgens door aggregatie geïnduceerde verbeterde emissie was.