氟碳相中构建快速检测铀酰离子的荧光探针

Accurate detection of uranium in environmental and biological samples is important for safety warning and environment protection. Although many methods have been developed for uranium determination, they all need a complex and time consuming pretreatment, making it difficult for on-site, real-time and accurate analysis of uranium. To solve this problem, we try to construct the fluorescence sensors for rapid determination of uranium in fluorocarbon phase. Fluorocarbon phase is highly hydrophobic and lipophobic, and it has very poor solubility for general organic compounds and metal ions. We envision that if the detection of uranium in complex samples could be conducted in fluorocarbon phase, it would be possible to use the fluorous-phase based separation to minimize the interference of other species and improve the analysis speed. To serve this purpose, we propose to design and synthesis a series of fluorescent sensors functioning in fluorocarbon phase with different binding sites of uranyl ion and a variety of fluoroalkyl substituent, screen to obtain the available sensors for rapid analysis of uranyl ion in environmental and biological samples, and study the coordination mechanisms of uranyl ion with sensors in fluorocarbon phase. This research may provide a new method and idea for the on-site, real-time and accurate analysis of metals in complex samples.

环境和生物样品中铀的准确监测与分析，对安全预警和环境保护具有重要意义。目前已有的铀检测方法在测定前均需进行复杂耗时的预处理，难以实现铀含量现场、实时、准确的测定。为突破这一瓶颈，本项目拟构建能够在氟碳相中进行铀酰离子快速检测的多氟荧光探针。氟碳相与水和普通有机相均不互溶，同时对普通有机物和无机金属离子的溶解性极差。将复杂样品转化为溶液后，加入到含有多氟配体的氟碳相中，铀酰离子与多氟配体结合进入氟碳相；而其他组分因不溶于氟碳相，仍保留在普通有机相或水相中，从而实现铀与其他干扰组分的快速分离，只需测定氟碳相中荧光信号的变化即可准确得到铀酰离子的浓度。本申请拟设计合成一系列含有不同铀酰离子位点和氟取代度的多氟探针，筛选得到能用于复杂样品中铀快速分析的分子，同时深入研究铀酰离子在氟碳相中的配位机制。研究成果可为复杂体系中金属离子的现场、实时、准确检测提供新方法和新思路。

高选择性铀酰离子位点的发现对于铀酰离子的快速检测和分离提取均具有重要意义。本项目执行期内，我们根据相关文献资料，并结合铀酰离子的配位特性，设计并合成了15个以四苯乙烯和香豆素为荧光团，包含各种铀酰离子潜在有效作用位点的配体分子。通过考察这15个配体分子与39种金属离子相互作用后的荧光变化情况，筛选得到了分别对铀酰离子和钍离子展现出高选择性检测能力的四苯乙烯-磷酸胆碱（TPE-PC）分子和香豆素-异肟酸（HZ-2）分子。同时，鉴于磷酸胆碱基团（PC）相较于目前文献报道的其它铀酰离子位点所展示出的最佳的特异性的结合能力，我们成功的拓展了其在复杂环境中检测和分离提取铀酰离子方面的应用，很好地实现了基础研究向应用的延伸。同时，为进一步理解所筛选出的拥有高选择性结合能力的配体与目标金属离子的相互作用模式，我们通过荧光滴定、核磁滴定、质谱、DFT理论计算等手段研究并阐明了TPE-PC和HZ-2配体分子与铀酰离子和钍离子的作用机制。.通过本项目的实施，我们率先开发了基于四苯乙烯的荧光筛选策略用于特定底物高选择性作用位点的筛选，并通过筛选首次发现细胞膜的基本结构单元—磷酸胆碱能作为高选择性的铀酰离子作用位点，且是目前报道的特异性最好的铀酰离子位点。以此为基础，我们构建了高选择性的铀酰离子荧光探针，并用于了细胞内铀酰离子浓度监测；同时将发现的新型高选择性铀酰离子作用位点—磷酸胆碱拓展用于海水中铀吸附材料的构建，获得的纤维状吸附材料表现出较高的铀吸附容量，极高的抗干扰能力和良好的抗菌性能，对铀的选择性吸附能力远远优于目前最常用的谐胺肟接枝聚合物，展现出广泛的应用前景。本研究成果已被ACS高水平期刊ACS Applied Materials & Interfaces接收并发表。