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用于水性环境中金属离子的实时感测的 传感器染料

阅读：839发布：2024-02-22

专利汇可以提供用于水性环境中金属离子的实时感测的传感器染料专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本文提供了用于检测和区分样品中的金属的染料，以及包含该染料的组合物和方法。，下面是用于水性环境中金属离子的实时感测的传感器染料专利的具体信息内容。

权利要求

1.传感器，其包含共价结合至光学透明基材的至少一种染料；其中所述染料可逆地结合至少一种金属离子。
2.用于检测水性溶液中的多种金属的面板，其包含共价结合至光学透明基材的多于一种染料；其中所述染料可逆地结合至少一种金属离子。
3.根据权利要求1所述的传感器或权利要求2所述的面板，其中所述染料为下式的化合物：
其中每个R独立地选自OH、H、OR1、C1-4烷基、硝基、卤素、NRN1RN2、SO3H、SO2NHR3、NHSO2R4、羧基、酰胺基、腈、-C(=N-OH)R3、-C(=O)NRN1OH、-SR5、硫代酰胺基、膦酸酯，或者两个R可以结合在一起形成5、6或7元环，所述环可以是芳族或杂芳族的，所述环可以是取代的；
每个A独立地为N、NO、CH或CR5；
RN1和RN2独立地为C(O)R2、杂芳基、芳基、C1-4烷基、或H；
Ra为氨基酸侧链；
每个R1独立地为C1-4烷基、C2-4烯基、杂芳基或芳基；
每个R2独立地为C1-4烷基、C2-4烯基、杂芳基或芳基；
每个R3独立地为H、C1-4烷基、杂芳基、芳基、环烷基或杂环基；
每个R4独立地为H、C1-4烷基、杂芳基、芳基、环烷基或杂环基；
每个R5独立地为H、C1-4烷基、杂芳基、芳基、环烷基或杂环基；
且每个n独立地为1至5的整数。
4.根据权利要求1或2所述的传感器或面板，其中所述染料是下式的化合物：
其中每个R独立地选自OH、H、OR1、C1-4烷基、硝基、卤素、NRN1RN2、SO3H、SO2NHR3、NHSO2R4、羧基、酰胺基、腈、-C(=N-OH)R3、-C(=O)NRN1OH、-SR5、硫代酰胺基、膦酸酯，或者两个R可以结合在一起形成5、6或7元环，所述环可以是芳族或杂芳族的，所述环可以是取代的；
每个A独立地为N、NO、CH或CR5；
RN1和RN2独立地为C(O)R2、杂芳基、芳基、C1-4烷基、或H；
a
R为氨基酸侧链；
每个R1独立地为C1-4烷基、C2-4烯基、杂芳基或芳基；
每个R2独立地为C1-4烷基、C2-4烯基、杂芳基或芳基；
每个R3独立地为H、C1-4烷基、杂芳基、芳基、环烷基或杂环基；
每个R4独立地为H、C1-4烷基、杂芳基、芳基、环烷基或杂环基；
每个R5独立地为H、C1-4烷基、杂芳基、芳基、环烷基或杂环基；
每个n独立地为1至5的整数；且
每个m独立地为1至4的整数。
5.根据前述权利要求中任一项所述的传感器或面板，其中所述染料是下式的化合物：
A-B (IV)
其中A选自：
其中R1、R2、R3和R4独立选自：
B选自：
。
6.根据前述权利要求中任一项所述的传感器或面板，其中所述染料选自：
。
7.根据前述权利要求中任一项所述的传感器或面板，其中所述光学透明基材是聚合物。
8.根据权利要求7所述的传感器或面板，其中所述聚合物包含纤维素、交联聚甲基丙烯酸酯、聚丙烯酰胺或交联聚乙二醇。
9.根据前述权利要求中任一项所述的传感器或面板，其中所述光学透明基材进一步包含微扰部分。
10.根据权利要求9所述的传感器或面板，其中所述微扰部分是阳离子、阴离子或两性离子或中性物质。
11.根据权利要求10所述的传感器或面板，其中所述阳离子包含三烷基铵基团。
12.根据权利要求2-11中任一项所述的面板，其中所述染料不同。
13.根据权利要求2-12中任一项所述的面板，其中所述阵列包括多于一个光学透明基材；
其中每个光学透明基材具有能够感测共价结合至基材的多于一种金属的染料。
14.根据前述权利要求中任一项所述的传感器或面板，其中所述共价键是醚键、酰胺键、磺酰胺键、氨基甲酸酯或烯烃。
15.根据前述权利要求中任一项所述的传感器或面板，其中与光学透明基材共价结合的染料是下式的化合物：
；
其中每个R独立地选自OH、H、OR1、C1-4烷基、硝基、卤素、NRN1RN2、SO3H、SO2NHR3、NHSO2R4、羧基、酰胺基、腈、-C(=N-OH)R3、-C(=O)NRN1OH、-SR5、硫代酰胺基、膦酸酯，或者两个R可以结合在一起形成5、6或7元环，所述环可以是芳族或杂芳族的，所述环可以是取代的；
每个A独立地为N、NO、CH或CR5；
RN1和RN2独立地为C(O)R2、杂芳基、芳基、C1-4烷基、或H；
a
R为氨基酸侧链；
每个R1独立地为C1-4烷基、C2-4烯基、杂芳基或芳基；
每个R2独立地为C1-4烷基、C2-4烯基、杂芳基或芳基；
每个R3独立地为H、C1-4烷基、杂芳基、芳基、环烷基或杂环基；
每个R4独立地为H、C1-4烷基、杂芳基、芳基、环烷基或杂环基；
每个R5独立地为H、C1-4烷基、杂芳基、芳基、环烷基或杂环基；
每个n独立地为1至5的整数；
每个me独立地为1至4的整数；
L为连接基；且
X为光学透明的基材。
16.根据前述权利要求中任一项所述的传感器或面板，其中与光学透明基材共价结合的染料是下式的化合物：
其中每个R独立地选自OH、H、OR1、C1-4烷基、硝基、卤素、NRN1RN2、SO3H、SO2NHR3、NHSO2R4、羧基、酰胺基、腈、-C(=N-OH)R3、-C(=O)NRN1OH、-SR5、硫代酰胺基、膦酸酯，或者两个R可以结合在一起形成5、6或7元环，所述环可以是芳族或杂芳族的，所述环可以是取代的；
每个A独立地为N、NO、CH或CR5；
RN1和RN2独立地为C(O)R2、杂芳基、芳基、C1-4烷基、或H；
Ra为氨基酸侧链；
每个R1独立地为C1-4烷基、C2-4烯基、杂芳基或芳基；
每个R2独立地为C1-4烷基、C2-4烯基、杂芳基或芳基；
每个R3独立地为H、C1-4烷基、杂芳基、芳基、环烷基或杂环基；
每个R4独立地为H、C1-4烷基、杂芳基、芳基、环烷基或杂环基；
每个R5独立地为H、C1-4烷基、杂芳基、芳基、环烷基或杂环基；
每个n独立地为1至5的整数；
每个m独立地为1至4的整数；
L为连接基；且
X为光学透明的基材。
17.根据权利要求15或16所述的传感器或面板，其中所述连接基选自-O-(CH2)p-C6H4-，其中p为1至4的整数；-OCH2C(O)NH-(CH2O)tCH2CH2-NHC(O)-，其中t为1至10的整数；-O-(CH2O)r-C(O)NH-，其中r为1至10的整数；-C(O)NH-(CH2O)q-CH2CH2NHC(O)-(OCH2)vOC(O)-，其中q和v独立地为1至10的整数；和-O-(CH2O)uC(O)-，其中u为1至10的整数。
18.检测水性溶液中的至少一种金属离子的方法，包括使水性溶液与根据前述权利要求中任一项所述的传感器或面板接触；获得传感器的信号；分析信号；并鉴定至少一种金属离子。
19.根据权利要求18所述的方法，还包括量化至少一种金属离子的浓度。
20.根据权利要求18或19所述的方法，其中所述金属离子是铬、钙、镁、铜、汞、镍、锌、钴、锰、镉、铅、锡、铝、钾、钠或砷。
21.根据权利要求20所述的方法，其中铬是铬(III)。
22.根据权利要求20所述的方法，其中铁是铁(II)或铁(III)。
23.根据权利要求20所述的方法，其中铜是铜(I)或铜(II)。
24.根据权利要求20所述的方法，其中钴是钴(II)。
25.根据权利要求20所述的方法，其中镍是镍(II)。
26.根据权利要求20所述的方法，其中锌是锌(II)。
27.根据权利要求20所述的方法，其中汞是汞(II)。
28.根据权利要求20所述的方法，其中钙是钙(II)。
29.根据权利要求20所述的方法，其中镁是镁(II)。
30.根据权利要求20所述的方法，其中铝是铝(III)。
31.根据权利要求20所述的方法，其中镉是镉(II)。
32.根据权利要求20所述的方法，其中钾是钾(I)。
33.根据权利要求20所述的方法，其中钠是钠(I)。
34.根据权利要求20所述的方法，其中铅是铅(II)。
35.根据权利要求20所述的方法，其中锰是锰(II)。
36.根据权利要求20所述的方法，其中锡是锡(II)。
37.根据权利要求20所述的方法，其中砷是砷(III)或砷(V)。
38.根据权利要求18-37中任一项所述的方法，其中所述水性溶液含有多于一种金属离子。
39.根据权利要求18-38中任一项所述的方法，其中所述水性溶液含有污染物。
40.根据权利要求18-39中任一项所述的方法，其中所述信号是实时获得和分析的。
41.根据权利要求18-40中任一项所述的方法，还包括清洗所述传感器或面板以去除结合的金属离子。
42.根据权利要求18-41中任一项所述的方法，还包括使第二水性溶液与根据权利要求
1-17中任一项所述的传感器或阵列接触；获得传感器的第二信号；分析第二信号；并鉴定至少一种元离子。
43.试剂盒，包括根据权利要求1-17中任一项所述的传感器或面板以及使用说明。
44.式(II)的化合物：
其中每个R独立地选自OH、H、OR1、C1-4烷基、硝基、卤素、NRN1RN2、SO3H、SO2NHR3、NHSO2R4、羧基、酰胺基、腈、-C(=N-OH)R3、-C(=O)NRN1OH、-SR5、硫代酰胺基、膦酸酯，或者两个R可以结合在一起形成5、6或7元环，所述环可以是芳族或杂芳族的，所述环可以是取代的；
每个A独立地为N、NO、CH或CR5；
RN1和RN2独立地为C(O)R2、杂芳基、芳基、C1-4烷基、或H；
Ra为氨基酸侧链；
每个R1独立地为C1-4烷基、C2-4烯基、杂芳基或芳基；
每个R2独立地为C1-4烷基、C2-4烯基、杂芳基或芳基；
每个R3独立地为H、C1-4烷基、杂芳基、芳基、环烷基或杂环基；
每个R4独立地为H、C1-4烷基、杂芳基、芳基、环烷基或杂环基；
每个R5独立地为H、C1-4烷基、杂芳基、芳基、环烷基或杂环基；且
每个n独立地为1至5的整数；
其中式(I)的化合物不是4-(2-吡啶基偶氮)间苯二酚(PAR)或4-(喹啉-8-基二氮烯基)苯-1,3-二醇(QAR)。
45.根据式(IV)的化合物：
A-B (IV)
其中A选自：
其中R1、R2、R3和R4独立选自：
B选自：
其中式(IV)化合物不是4-(2-吡啶基偶氮)间苯二酚(PAR)或4-(喹啉-8-基二氮烯基)苯-1,3-二醇(QAR)。
46.选自以下的化合物：
。

说明书全文

用于水性环境中金属离子的实时感测的 传感器染料

[0001] 相关申请的交叉引用本申请要求2015年10月14日提交的美国临时专利申请No. 62/241,479的优先权，其全部内容通过引用并入本文。

[0002] 关于联邦资助研究的声明本发明是在国家科学基金会(National Science Foundation)授予的小企业创新研究(Small Business Innovation Research)(SBIR)补助金1621759的政府支持下完成的。政府对本发明享有一定的权利。

[0003] 背景目前的技术无法通过标准的取样方法和随后的实验室分析实时监测环境和工业用水中的金属污染物，这些金属污染物是公众和环境健康关注的问题。有毒金属离子通过工业废水、垃圾填埋、矿物流失和无效的工业和城市废水处理进入环境水域。尽管已经尝试了许多监测方法，但没有经过验证的技术能够实时在现场可靠地测量低水平的污染物浓度。迫切需要实时监测系统来确保和加强合规性，并警告对公众和环境健康的威胁。

[0004] 概要在一些实施方案中，本公开提供了传感器，其包含共价结合至光学透明基材的至少一种染料；其中染料可逆地结合至少一种金属离子。

[0005] 在其它实施方案中，本公开提供了用于检测水性溶液中的多种金属的面板，其包含共价结合至光学透明基材的多于一种染料；其中染料可逆地结合至少一种金属离子。

[0006] 染料可以是下式的化合物：其中每个R独立地选自OH、H、OR1、C1-4烷基、硝基、卤素、NRN1RN2、SO3H、SO2NHR3、NHSO2R4、羧基、酰胺基、腈、-C(=N-OH)R3、-C(=O)NRN1OH、-SR5、硫代酰胺基、膦酸酯，或者两个R可以结合在一起形成5、6或7元环，所述环可以是芳族或杂芳族的，所述环可以是取代的；每个A独立地为N、NO、CH或CR5；RN1和RN2独立地为C(O)R2、杂芳基、芳基、C1-4烷基、
或H；Ra为氨基酸侧链；每个R1独立地为C1-4烷基、C2-4烯基、杂芳基或芳基；每个R2独立地为C1-4烷基、C2-4烯基、杂芳基或芳基；每个R3独立地为H、C1-4烷基、杂芳基、芳基、环烷基或杂环基；每个R4独立地为H、C1-4烷基、杂芳基、芳基、环烷基或杂环基；每个R5独立地为H、C1-4烷基、杂芳基、芳基、环烷基或杂环基；且每个n独立地为1至5的整数。

[0007] 染料可以是下式的化合物：其中每个R独立地选自OH、H、OR1、C1-4烷基、硝基、卤素、NRN1RN2、SO3H、SO2NHR3、NHSO2R4、羧基、酰胺基、腈、-C(=N-OH)R3、-C(=O)NRN1OH、-SR5、硫代酰胺基、膦酸酯，或者两个R可以结合在一起形成5、6或7元环，所述环可以是芳族或杂芳族的，所述环可以是取代的；每个A独立地为N、NO、CH或CR5；RN1和RN2独立地为C(O)R2、杂芳基、芳基、C1-4烷基、
或H；Ra为氨基酸侧链；每个R1独立地为C1-4烷基、C2-4烯基、杂芳基或芳基；每个R2独立地为C1-4烷基、C2-4烯基、杂芳基或芳基；每个R3独立地为H、C1-4烷基、杂芳基、芳基、环烷基或杂环基；每个R4独立地为H、C1-4烷基、杂芳基、芳基、环烷基或杂环基；每个R5独立地为H、C1-4烷基、杂芳基、芳基、环烷基或杂环基；每个n独立地为1至5的整数；且每个m独立地为1至4的整数。

[0008] 染料可以是下式的化合物：A-B(IV)其中A选自：其中R1、R2、R3和R4独立选自：
B可以选自：
。

[0009] 所述染料可以选自：在一些实施方案中，光学透明基材是聚合物。在一些实施方案中，聚合物包含纤维素、交联聚甲基丙烯酸酯、聚丙烯酰胺或交联聚乙二醇。在一些实施方案中，光学透明基材还包含微扰(perturbation)部分。在一些实施方案中，微扰部分是阳离子、阴离子或两性离子或中性物质。在一些实施方案中，阳离子包含三烷基铵基团。在一些实施方案中，染料是不同的。在一些实施方案中，阵列包括多于一个光学透明基材，其中每个光学透明基材具有能够感测共价结合至基材的多于一种金属的染料。在一些实施方案中，共价键是醚键、酰胺键、磺酰胺键、氨基甲酸酯或烯烃。

[0010] 在一些实施方案中，与光学透明基材共价结合的染料是下式的化合物：；
其中每个R独立地选自OH、H、OR1、C1-4烷基、硝基、卤素、NRN1RN2、SO3H、SO2NHR3、NHSO2R4、羧基、酰胺基、腈、-C(=N-OH)R3、-C(=O)NRN1OH、-SR5、硫代酰胺基、膦酸酯，或者两个R可以结合在一起形成5、6或7元环，所述环可以是芳族或杂芳族的，所述环可以是取代的；每个A独立地为N、NO、CH或CR5；RN1和RN2独立地为C(O)R2、杂芳基、芳基、C1-4烷基、
a
或H；R为氨基酸侧链；每个R1独立地为C1-4烷基、C2-4烯基、杂芳基或芳基；每个R2独立地为C1-4烷基、C2-4烯基、杂芳基或芳基；每个R3独立地为H、C1-4烷基、杂芳基、芳基、环烷基或杂环基；每个R4独立地为H、C1-4烷基、杂芳基、芳基、环烷基或杂环基；每个R5独立地为H、C1-4烷基、杂芳基、芳基、环烷基或杂环基；每个n独立地为1至5的整数；每个me独立地为1至4的整数；L为连接基；且X为光学透明的基材。

[0011] 在一些实施方案中，与光学透明基材共价结合的染料是下式的化合物：其中每个R独立地选自OH、H、OR1、C1-4烷基、硝基、卤素、NRN1RN2、SO3H、SO2NHR3、NHSO2R4、羧基、酰胺基、腈、-C(=N-OH)R3、-C(=O)NRN1OH、-SR5、硫代酰胺基、膦酸酯，或者两个R可以结合在一起形成5、6或7元环，所述环可以是芳族或杂芳族的，所述环可以是取代的；每个A独立地为N、NO、CH或CR5；RN1和RN2独立地为C(O)R2、杂芳基、芳基、C1-4烷基、
或H；Ra为氨基酸侧链；每个R1独立地为C1-4烷基、C2-4烯基、杂芳基或芳基；每个R2独立地为C1-4烷基、C2-4烯基、杂芳基或芳基；每个R3独立地为H、C1-4烷基、杂芳基、芳基、环烷基或杂环基；每个R4独立地为H、C1-4烷基、杂芳基、芳基、环烷基或杂环基；每个R5独立地为H、C1-4烷基、杂芳基、芳基、环烷基或杂环基；每个n独立地为1至5的整数；每个m独立地为1至4的整数；L为连接基；且X为光学透明的基材。

[0012] 在一些实施方案中，所述连接基选自-O-(CH2)p-C6H4-，其中p为1至4的整数；-OCH2C(O)NH-(CH2O)tCH2CH2-NHC(O)-，其中t为1至10的整数；-O-(CH2O)r-C(O)NH-，其中r为1至10的整数；-C(O)NH-(CH2O)q-CH2CH2NHC(O)-(OCH2)vOC(O)-，其中q和v独立地为1至10的整数；和-O-(CH2O)uC(O)-，其中u为1至10的整数。

[0013] 在其它实施方案中，本公开提供了检测水性溶液中的至少一种金属离子的方法，包括使水性溶液与根据前述权利要求中任一项所述的传感器或面板接触；获得传感器的信号；分析信号；并鉴定至少一种金属离子。在一些实施方案中，该方法还包括量化至少一种金属离子的浓度。

[0014] 在一些实施方案中，金属离子是铬、钙、镁、铜、汞、镍、锌、钴、锰、镉、铅、锡、铝、钾、钠或砷。在一些实施方案中，铬是铬(III)。在一些实施方案中，铁是铁(II)或铁(III)。在一些实施方案中，铜是铜(I)或铜(II)。在一些实施方案中，钴是钴(II)。在一些实施方案中，镍是镍(II)。在一些实施方案中，锌是锌(II)。在一些实施方案中，汞是汞(II)。在一些实施方案中，钙是钙(II)。在一些实施方案中，镁是镁(II)。在一些实施方案中，铝是铝(III)。在一些实施方案中，镉是镉(II)。在一些实施方案中，钾是钾(I)。在一些实施方案中，钠是钠(I)。在一些实施方案中，铅是铅(II)。在一些实施方案中，锰是锰(II)。在一些实施方案中，锡是锡(II)。在一些实施方案中，砷是砷(III)或砷(V)。在一些实施方案中，水性溶液含有多于一种金属离子。在一些实施方案中，水性溶液含有污染物。在一些实施方案中，信号被实时获得和分析。在一些实施方案中，该方法还包括清洗传感器或面板以去除结合的金属离子。在一些实施方案中，该方法还包括使第二水性溶液与本文详述的传感器或阵列接触；获得传感器的第二信号；分析第二信号；并鉴定至少一种金属离子。

[0015] 在其它实施方案中，本公开提供了包括如本文详述的传感器或面板和使用说明的试剂盒。

[0016] 在其它实施方案中，本公开提供了式(II)的化合物：其中每个R独立地选自OH、H、OR1、C1-4烷基、硝基、卤素、NRN1RN2、SO3H、SO2NHR3、NHSO2R4、羧基、酰胺基、腈、-C(=N-OH)R3、-C(=O)NRN1OH、-SR5、硫代酰胺基、膦酸酯，或者两个R可以结合在一起形成5、6或7元环，所述环可以是芳族或杂芳族的，所述环可以是取代的；每个A独立地为N、NO、CH或CR5；RN1和RN2独立地为C(O)R2、杂芳基、芳基、C1-4烷基、
或H；Ra为氨基酸侧链；每个R1独立地为C1-4烷基、C2-4烯基、杂芳基或芳基；每个R2独立地为C1-4烷基、C2-4烯基、杂芳基或芳基；每个R3独立地为H、C1-4烷基、杂芳基、芳基、环烷基或杂环基；每个R4独立地为H、C1-4烷基、杂芳基、芳基、环烷基或杂环基；每个R5独立地为H、C1-4烷基、杂芳基、芳基、环烷基或杂环基；且每个n独立地为1至5的整数；其中式(I)的化合物不是4-(2-吡啶基偶氮)间苯二酚(PAR)或4-(喹啉-8-基二氮烯基)苯-1,3-二醇(QAR)。

[0017] 在其它实施方案中，本公开提供了根据式(IV)的化合物：A-B(IV)，其中A选自：其中R1、R2、R3和R4独立选自：
B选自：
其中式(IV)化合物不是4-(2-吡啶基偶氮)间苯二酚(PAR)或4-(喹啉-8-基二氮烯基)苯-1,3-二醇(QAR)。

[0018] 在其它实施方案中，本公开提供了选自以下的化合物：。

[0019] 通过考虑详细描述和附图，本公开的其它方面将变得显而易见。

[0020] 附图的简要说明图1是各种染料的结构。

[0021] 图2是合成QAR的方案。

[0022] 图3是合成4-(喹啉-8-基二氮烯基)苯-3-酚-1-苯乙烯-锌络合物的方案。

[0023] 图4是染料(QAR)与纤维素共价连接的方案。

[0024] 图5是显示(A)作为pH函数的QAR(在图中表示为配体“L”)的质子化状态和(B)相应纯组分光谱的曲线图。

[0025] 图6是在不同金属离子存在下PAR相对QAR的吸收光谱，对应于图7所示的溶液。

[0026] 图7显示了PAR、QAR和DAR在pH7下对各种金属离子的比色响应。

[0027] 图8的曲线图显示(A)具有共价连接的QAR衍生物的纤维素膜在暴露于锌和EDTA之后的吸收光谱和(B)锌与EDTA膜光谱的差异，显示对于锌的吸光度响应。

[0028] 图9是在紫外光下固化的传感器涂层的图像，其中纤维芯具有紫色色调并且传感器涂层具有蓝绿色调。

[0029] 图10是要如实施例36中详述使用的吸收调制发光装置的示意图。

[0030] 图11是显示含有QAR衍生物的纤维吸光度传感器的结果的曲线图，显示了在暴露于锌然后暴露于EDTA后直接测量的标准衰减(左)和归一化衰减(右)。误差线代表5次重复测量的95%置信区间。

[0031] 图12是聚集阵列响应数据的分解过程的示意图。

[0032] 图13是显示游离QAR的质子化状态的分解光谱和物质分布的曲线图。

[0033] 图14是金属-QAR络合物的质子化状态的曲线图。

[0034] 图15是PAR、QAR和PAR+QAR与Cu、Ni、Pb和Zn结合的误差分布曲线图。

[0035] 图16是如本文详述的各种染料的结构。

[0036] 图17显示了图16所示的各种染料与金属离子(A=游离染料，B=Zn，C=Co，D=Hg，E=Ni，F=Cd，G=Pb，H=Mg)的结合。

[0037] 图18是显示在pH8.8下QAR与不同金属的结合亲和力的曲线图。

[0038] 图19是用于构造图18的各个曲线图。

[0039] 图20是显示PAN-7OH的金属响应的曲线图。

[0040] 图21是显示游离PAN-7OH的质子化状态的曲线图。

[0041] 图22是Zn-(PAN-7OH)2络合物的形成和解离常数的曲线图。

[0042] 图23是显示Zn-(PAN-7OH)络合物的质子化状态的曲线图。

[0043] 图24是实施例37中描述的锌模板膜的吸光度对波长的曲线图。

[0044] 图25是显示在交替暴露于锌离子和EDTA之后在实施例37中描述的锌模板膜感测的可逆性的曲线图。

[0045] 图26是响应于镍的实施例37中所述的传感器的吸光度对波长的曲线图。

[0046] 图27是响应于钴的实施例37中所述的传感器的吸光度对波长的曲线图。

[0047] 图28是在pH1或pH10下共价连接至纤维素的QAR的吸光度对波长的曲线图。

[0048] 图29是QAN-3A酰化聚合物的吸光度对波长的曲线图。

[0049] 图30是响应于锌的QAN-4OH阳离子聚合物膜的吸光度对波长的曲线图。

[0050] 图31是将用QAN-4OH衍生化的水凝胶浸泡于含有锌离子(未知浓度)的溶液中以及转换为EDTA溶液(未知浓度)并重复多次时的吸光度的曲线图。

[0051] 图32是膜上PAR的吸光度对波长的曲线图。

[0052] 详细描述在详细解释本公开的任何实施方案之前，应该理解的是，本公开的应用不限于以下描述中阐述的或下面的附图中示出的构造的细节和组分的布置。本公开能够具有其它实施方案并且能够以各种方式实践或实施。

[0053] 在一个实施方案中，本公开描述了在水性或非水性环境中在特定金属离子存在下光学改变的化学传感器家族的组成。在一个实施方案中，本公开描述了用于水性或非水性环境中的金属离子的化学传感器，该化学传感器对金属离子浓度的变化敏感，可再使用，可重复且可以共价连接至其它材料。在一个实施方案中，本公开描述了合成用于水性环境中的金属离子的化学传感器家族的方法。在一个实施方案中，本公开描述了包括实时检测水性或非水性溶液中的金属离子的方法。在一个实施方案中，本公开描述了将用于金属离子的化学传感器连接至基材的方法，该基材将传感器在空间中固定，使得其不被溶解或洗去并可用于连续测量。在另一个实施方案中，本公开描述了模板化方法，其中可聚合化学传感器分子在聚合之前和期间与其分析物缔合，接着去除分析物以提供用于结合样品中待检测分析物的适当几何构型。在一个实施方案中，本公开描述了测量平台，其能够通过任何数量的发射已知波长的光的电子设备实时地同时检测分析物溶液中的多种金属离子，并且测量来自结合至半透性基材的染料的光吸收和/或发射变化。这样做时，所述平台能够以高精确度和准确度连续地一次测量多种金属离子的浓度达数月。在一个实施方案中，如本文所述合成和使用的化学传感器可以具有相比游离染料类似物的几种行为改善，包括减少的光散射和在更宽的pH范围内更稳定的响应。在一个实施方案中，本公开描述了与溶液中的相同染料相比具有增强的金属离子结合性质的共价连接的染料，表明共价连接的染料和基材的新型结构提供了改进的功能性。

[0054] 本文详述的染料和传感器能够实时监测金属离子，产生了供实验室和现场部署的耐用且便携的测量系统，该系统为多种分析物提供了高精确度和准确度，且检测限适合预期应用的要求，同时与现有的基于实验室的系统相比具有显著的成本优势。

[0055] I.定义以下更详细地描述特定官能团和化学术语的定义。为了本公开的目的，化学元素根据元素周期表(CAS版本，化学和物理手册(Handbook of Chemistry and Physics)，第75版，内封面)识别，特定官能团通常如其中所述定义。此外，有机化学的一般原理以及特定的官能部分和反应性描述于Organic Chemistry, Thomas Sorrell, University Science Books, Sausalito, 1999; Smith and March March's Advanced Organic Chemistry,
5th Edition, John Wiley & Sons, Inc., New York, 2001; Larock, Comprehensive Organic Transformations, VCH Publishers, Inc., New York, 1989; Carruthers, Some Modern Methods of Organic Synthesis, 3rd Edition, Cambridge University Press, Cambridge, 1987；其中每一个的全部内容通过引用并入本文。

[0056] 术语“酰基”或“羰基”是指基团-C(O)R，其中R选自氢、烷基、烯基、炔基、芳基、环烷基、杂环基、杂芳基、芳基烷基、环烷基烷基、杂芳基烷基和杂环基烷基，它们中的任何一个可以任选地被例如一个或多个取代基取代。例如，当R是烷基时，这样的基团可以被称为烷基羰基。

[0057] 术语“烷氧基”是指基团-O-R，其中R是烷基、烯基、炔基、环烷基或杂环基，它们中的任何一个可以任选地被例如一个或多个取代基取代。

[0058] 术语“烷基”是指含有指定数目的碳原子的直链或支链烃链。例如，C1-C12烷基表示该烷基可以具有1至12(含端点)个碳原子，并且C1-C4烷基表示该烷基可以具有1至4(含端点)个碳原子。烷基可以任选被取代。C1-C4烷基的实例包括甲基、乙基、正丙基、异丙基、正丁基、仲丁基和叔丁基。

[0059] 术语“烯基”是指具有一个或多个双键的直链或支链烃链。烯基的实例包括但不限于烯丙基、丙烯基、2-丁烯基、3-己烯基和3-辛烯基。双键碳的一个可以任选地是烯基取代基的连接点。烯基可以任选被取代。

[0060] 术语“炔基”是指具有一个或多个三键的直链或支链烃链。炔基的实例包括但不限于乙炔基、炔丙基和3-己炔基。三键碳中的一个可以任选地为炔基取代基的连接点。炔基可以任选被取代。

[0061] 术语“氨基酸”是指含有胺基团、羧酸基团和在不同氨基酸之间变化的侧链的分子。氨基酸为本领域技术人员所熟知。氨基酸包括通式H2NCHRCOOH的α-氨基酸，其中R是包含有机取代基的氨基酸侧链；以及独特结构的氨基酸，例如脯氨酸。氨基酸包括例如异亮氨酸、亮氨酸、丙氨酸、天冬酰胺、谷氨酰胺、赖氨酸、天冬氨酸、谷氨酸、甲硫氨酸、半胱氨酸、苯丙氨酸、苏氨酸、色氨酸、甘氨酸、缬氨酸、脯氨酸、丝氨酸、酪氨酸、精氨酸、组氨酸、正亮氨酸、鸟氨酸、牛磺酸、硒代半胱氨酸、硒代甲硫氨酸、羊毛硫氨酸、2-氨基异丁酸、脱氢丙氨酸、羟丁赖氨酸、瓜氨酸、3-氨基丙酸、γ-氨基丁酸等。因此，术语“氨基酸侧链”是指将一个氨基酸与另一个氨基酸区分开的各种有机取代基(例如H2NCHRCOOH中的“R”)。氨基酸侧链的“衍生物”是指已被结构修饰的氨基酸侧链(例如，通过化学反应形成新种类，与另一分子共价连接等)。术语“氨基酸”和“氨基酸侧链”是指天然和非天然氨基酸两者。

[0062] 术语“芳基”是指芳族单环、双环或三环烃环系统，其中任何能够取代的环原子可被取代(例如，被一个或多个取代基取代)。芳基部分的实例包括但不限于苯基、萘基和蒽基。芳族胺是被一个或多个氨基取代的芳基。芳族醇是被一个或多个羟基取代的芳基。芳族胺和芳族醇都可以进一步被其它取代基取代。

[0063] 术语“芳基烷基”是指其中烷基氢原子被芳基取代的烷基部分。芳基烷基包括其中多于一个氢原子已被芳基取代的基团。芳基烷基的实例包括苄基、2-苯基乙基、3-苯基丙基、9-芴基、二苯甲基和三苯甲基。

[0064] 术语“羧基”是指基团-C(=O)OR，其中R选自氢、烷基、烯基、炔基、芳基、环烷基、杂环基、杂芳基、芳基烷基、环烷基烷基、杂芳基烷基和杂环基烷基，其中任何一个可以任选被取代，例如被一个或多个取代基取代。

[0065] 术语“羰基氨基”或“酰胺基”是指基团-C(O)NR’R”，其中R’和R”独立地选自氢、烷基、烯基、炔基、芳基、环烷基、杂环基、杂芳基、芳基烷基、环烷基烷基、杂芳基烷基和杂环基烷基，或者R’和R”与它们所连接的氮一起可以形成环。基团R’和R”可以任选被取代，例如被一个或多个取代基取代，或者当R’和R”与它们所连接的氮一起形成环时，该环可以任选被取代，例如被一个或多个取代基取代。

[0066] 如本文所用的术语“环烷基”是指具有3至12个碳(例如3、4、5、6或7个碳原子)的非芳族、饱和或部分不饱和的环状、双环、三环或多环烃基。任何环原子都可以被取代(例如，被一个或多个取代基取代)。环烷基可以含有稠合环。稠合环是共享一个或多个共同碳原子的环。环烷基的实例包括但不限于环丙基、环丁基、环戊基、环己基、环己烯基、环己二烯基、甲基环己基、金刚烷基、降冰片基和降冰片烯基。

[0067] 如本文所用，术语“卤代”或“卤素”是指氟、氯、溴或碘的任何基团。

[0068] 如本文所用的术语“卤代烷基”是指其中一个或多个氢原子被卤素取代的烷基，并且包括其中所有氢已经被卤素取代的烷基部分(例如全氟烷基如CF3)。

[0069] 如本文所用的术语“杂芳基”是指芳族5-8元单环、8-12元双环或11-14元三环系统，如果是单环则具有1-3个杂原子，如果是双环则具有1-6个杂原子，或者如果是三环则具有1-9个杂原子，所述杂原子独立地选自O、N、S、P和Si(例如，分别对于单环、双环或三环，碳原子和1-3、1-6或1-9个独立地选自O、N、S、P和Si的杂原子)。任何环原子都可以被取代(例如，被一个或多个取代基取代)。杂芳基可以含有稠合环，其是共享一个或多个共同原子的环。杂芳基的实例包括但不限于吡啶、嘧啶、吡嗪、哒嗪、吡咯、咪唑、吡唑、噁唑、异噁唑、呋喃、噻唑、异噻唑、噻吩、喹啉、异喹啉、喹喔啉、喹唑啉、噌啉、吲哚、异吲哚、吲嗪、吲唑、苯并咪唑、酞嗪、蝶啶、咔唑、咔啉、菲啶、吖啶、菲咯啉、吩嗪、萘啶和嘌呤的基团。

[0070] 如本文所用的术语“杂环基”是指非芳族、饱和或部分不饱和的3-10元单环、8-12元双环或11-14元三环系统，如果是单环则具有1-3个杂原子，如果是双环则具有1-6个杂原子，或者如果是三环则具有1-9个杂原子，所述杂原子选自O、N、S、Si和P(例如，分别对于单环、双环或三环，碳原子和1-3、1-6或1-9个独立地选自O、N、S、Si和P的杂原子)。任何环原子都可以被取代(例如，被一个或多个取代基取代)。杂环基可以含有稠合环，其是共享一个或多个共同原子的环。杂环基的实例包括但不限于四氢呋喃、四氢噻吩、四氢吡喃、哌啶、哌嗪、吗啉、吡咯啉、嘧啶、吡咯烷、二氢吲哚、四氢吡啶、二氢吡喃、噻蒽、吡喃、苯并吡喃、氧杂蒽、氧硫杂蒽(phenoxathiin)、吩噻嗪、呋咱、内酯、内酰胺如氮杂环丁酮和吡咯烷酮、磺内酰胺(sultams)、磺内酯等。

[0071] 术语“羟基”是指-OH基团。术语“烷氧基”是指-O-烷基。术语“芳氧基”是指-O-芳基。术语“卤代烷氧基”是指-O-卤代烷基。

[0072] 术语“膦酸酯”是指基团-C(P=O)(OR’)(OR”)，其中R’和R”独立地选自氢、烷基、烯基、炔基、芳基、环烷基、杂环基、杂芳基、芳基烷基、环烷基烷基、杂芳基烷基和杂环基烷基，或者R’和R”与它们所连接的氧一起可以形成环。基团R’和R”可以任选被取代，例如被一个或多个取代基取代，或者当R’和R”与它们所连接的氮一起形成环时，该环可以任选被取代，例如被一个或多个取代基取代。

[0073] 术语“硫代酰胺基”是指基团-C(S)NR’R”，其中R’和R”独立地选自氢、烷基、烯基、炔基、芳基、环烷基、杂环基、杂芳基、芳基烷基、环烷基烷基、杂芳基烷基和杂环基烷基或R’和R”与它们所连接的氮一起可以形成环。基团R’和R”可以任选被取代，例如被一个或多个取代基取代，或者当R’和R”与它们所连接的氮一起形成环时，该环可以任选被取代，例如被一个或多个取代基取代。

[0074] 术语“连接基”是指将两个化学基团共价连接在一起并任选地可以自裂解的碳链，该链任选地被一个或多个氮原子、氧原子、羰基、(取代的)芳族环或肽键中断。在一些实施方案中，连接基可以是选自碳、氧、硫、氮和磷的1至20个成员原子的链。在一些实施方案中，连接基包含聚乙二醇部分。在一些实施方案中，连接基是L是包含10至10个独立地选自碳、氮和氧的成员原子的二价连接基，其中至少一个成员原子是氮或氧。在一些实施方案中，连接基具有式-OC(O)NH-(CH2CH2O)n-CH2CH2-NH-C(O)-，其中n是2至4。连接基可以是直链或支链的。在一些实施方案中，连接基是可自由基聚合的部分。

[0075] 连接基还可以被一个或多个取代基取代，所述取代基包括但不限于卤素基团、全氟烷基、全氟烷氧基；烷基，例如C1-4烷基；烯基，例如C1-4烯基；炔基，例如C1-4炔基；羟基、氧代基、巯基、烷硫基、烷氧基、硝基、叠氮烷基、芳基或杂芳基、芳氧基或杂芳氧基、芳烷基或杂芳烷基、芳烷氧基或杂芳烷氧基、HO—(C═O)—基团、杂环基、环烷基、氨基、烷基-和二烷基氨基、氨基甲酰基、烷基羰基、烷基羰基氧基、烷氧基羰基、烷基氨基羰基、二烷基氨基羰基、芳基羰基、芳氧基羰基、烷基磺酰基、芳基磺酰基、-NH-NH2；=N-H；=N-烷基；-SH；-S-烷基；-NH-C(O)-；-NH-C(=N)-等。

[0076] 术语“取代基”是指在烷基、烯基、炔基、环烷基、杂环基、芳基、芳基烷基或杂芳基上在该基团的任何原子“取代”的基团。适当的取代基包括但不限于酰基、酰基酰胺基、酰氧基、烷氧基、烷基、烯基、炔基、酰胺基、氨基、羧基、羧基氨基、氰基、环烷基、酯、卤素、杂环基、羟基、亚氨基、硝基、氧代(例如C=O)、膦酸酯基、亚磺酰基、磺酰基、磺酸酯基、磺胺基、磺酰胺基、硫代酰胺基、巯基、硫代(例如C=S)、芳基、杂芳基和脲基。在实施方案中，基团上的取代基独立地是前述取代基任何一个或任何组合。在实施方案中，取代基本身可以被任何一个上述取代基取代。

[0077] 上述取代基可以在本文中缩写，例如，缩略语Me、Et和Ph分别代表甲基、乙基和苯基。有机化学家使用的缩略语的更全面的列表出现在有机化学杂志(Journal of Organic Chemistry)每卷的第一期中；此列表通常在标题为“缩略语标准列表(Standard List of Abbreviations)”的表格中提供。包含在所述列表中的缩略语以及具备本领域普通技术的有机化学家使用的所有缩略语在此通过引用并入本文。

[0078] 对于化合物，其基团和取代基可以根据原子和取代基的允许化合价来选择，使得选择和取代产生稳定的化合物，例如，其不会自发进行转化，例如通过重排、环化、消除等的转化。

[0079] 当取代基通过其从左至右书写的常规化学式来指定时，它们任选地包含由从右至左书写结构而产生的取代基，例如-CH2O-任选地还表述-OCH2-。

[0080] 根据本领域中使用的惯例，基团：在本文的结构式中用于描绘作为该部分或取代基与核心或骨架结构的连接点的键。

[0081] 要具体理解的是，在此列举的任何数值(例如范围)包括从较低值到较高值的所有值，即，所列举的最低值和最高值之间的数值的所有可能组合将被认为是在本申请中明确陈述的。例如，如果浓度范围被表示为1%至50%，则意图在本说明书中明确列举诸如2%至40%，10%至30%或1%至3%等的数值。这些仅仅是具体意图的例子。

[0082] 术语“对照”、“参考水平”和“参考”在这里互换使用。参考水平可以是预定值或范围，其被用作评估测量结果的基准。预定水平可来自已知金属离子浓度的实验对象或组或组合物。这里使用的“对照组”是指对照样品组。预定水平可以是来自对照组的截止值。预定水平可以是来自对照组的平均值。截止值(或预定截止值)可以通过适应指数模型(Adaptive Index Model)(AIM)方法来确定。截止值(或预定的截止值)可以通过来自患者组的生物样品的接受者操作曲线(ROC)分析来确定。在生物领域中一般已知的ROC分析是确定测试将一种情况与另一种情况相区分的能力，例如确定每种标志物在鉴定具有CRC的患者中的性能。P.J. Heagerty等人提供了关于ROC分析的描述(Time-dependent ROC curves for censored survival data and a diagnostic marker(经检查的存活数据和诊断标志物的时间依赖性ROC曲线)，Biometrics 2000, 56, 337-44)，其公开内容通过引用整体并入本文。或者，截止值可以通过患者组的生物样品的四分位分析来确定。例如，可以通过选择对应于第25-第75百分位范围内的任何值的值，优选地，对应于第25百分位、第50百分位或第75百分位的值，并且更优选地对应于第75百分位的值，来确定截止值。这种统计分析可以使用本领域已知的任何方法进行并且可以通过任何数量的商业上可获得的软件包(例如，来自Analyse-it Software Ltd., Leeds, UK; StataCorp LP, College Station, TX; SAS Institute Inc., Cary, NC.)来实施。可以根据标准实践定义金属离子的健康或正常水平或范围。

[0083] “聚合物”是指合成或天然聚合物。合成聚合物包括塑料。合成聚合物的实例包括例如聚(丙交酯)、不同比例的丙交酯-乙交酯共聚物(PLGA)、聚苯乙烯、聚(乙交酯)、聚(丙烯酸酯)、聚(甲基丙烯酸甲酯)、聚(甲基丙烯酸羟乙酯)、聚(乙烯醇)、聚(碳酸酯)、乙烯-乙酸乙烯酯共聚物、聚(酐)、聚(乙烯)、聚(丙烯)、聚(羟基丁酸酯)、聚(羟基戊酸酯)、聚(氨基甲酸酯)、聚(醚氨基甲酸酯)、聚(酯氨基甲酸酯)、聚(丙烯酸酯)、聚(酰亚胺)、酐-酰亚胺共聚物、聚(氨基酸)和聚(磷腈)。天然聚合物的实例包括例如纤维素、多糖、多肽、多核苷酸。

[0084] 如本文所用的“样品”或“测试样品”可以指其中将检测或确定金属离子或多种金属离子的存在和/或水平的任何样品。样品可以包括在完全容纳的容器中或流动的流中的液体、溶液、乳液或悬浮液。溶液可以包括水性溶液或非水性溶液。样品也可包括反应。样品的例子包括环境水、未经处理的工业废水、经处理的工业废水、饮用水、城市废水或任何含有金属离子的液体。根据1972年的洁净水法案(Clean Water Act)，工业废水必须以使得金属浓度低于规定限值的方式进行处理。处理过的废水从电镀厂、印刷油墨制造商、油漆和涂料制造商、纺织品和织物加工商、铁和钢铸造厂、非铁铸造厂、皮革鞣制和精加工、石油精炼、工业洗衣店、电池制造商、纸浆和造纸厂、金属加工厂和该法案中提出的许多其它商业机构排出。

[0085] II.化合物在一个实施方案中，本公开提供了偶氮染料，特别是在用于配合金属的官能团，形成的金属环状物的环尺寸，限制这种配合的空间特征，额外的配合原子，以及改变pKa(供电子和吸电子基团，以及溶剂化物基团)和光谱效应(共轭)的取代基方面有很大差异的那些偶氮染料。

[0086] 在一个实施方案中，本公开提供了根据式I的化合物：其中每个R独立地选自OH、H、OR1、C1-4烷基、硝基、卤素和NRN1RN2，或两个R可以结合在一起形成5、6或7-元环，所述环可以是芳族的或杂芳族的；
每个A独立地为N或CH；
RN1和RN2独立地为C(O)R2、C1-4烷基、或H；
Ra为氨基酸侧链；
R1为C1-4烷基或C2-4烯基；
R2为C1-4烷基或C2-4烯基；且
每个n独立地为1至5的整数。

[0087] 在一个实施方案中，本公开提供了根据式II的化合物：其中每个R独立地选自OH、H、OR1、C1-4烷基、硝基、卤素、NRN1RN2、SO3H、SO2NHR3、NHSO2R4、羧基、酰胺基、腈、-C(=N-OH)R3、-C(=O)NRN1OH、-SR5、硫代酰胺基、膦酸酯，或两个R可以结合在一起形成5、6或7-元环，所述环可以是芳族的或杂芳族的，所述环可以是取代的；
每个A独立地为N、NO、CH或CR5；
RN1和RN2独立地为C(O)R2、杂芳基、芳基、C1-4烷基、或H；
Ra为氨基酸侧链；
每个R1独立地为C1-4烷基、C2-4烯基、杂芳基或芳基；
每个R2独立地为C1-4烷基、C2-4烯基、杂芳基或芳基；
每个R3独立地为H、C1-4烷基、杂芳基、芳基、环烷基或杂环基；
每个R4独立地为H、C1-4烷基、杂芳基、芳基、环烷基或杂环基；
每个R5独立地为H、C1-4烷基、杂芳基、芳基、环烷基或杂环基；且
每个n独立地为1至5的整数。

[0088] 在一个实施方案中，本公开提供了根据式III的化合物：其中每个R独立地选自OH、H、OR1、C1-4烷基、硝基、卤素、NRN1RN2、SO3H、SO2NHR3、NHSO2R4、羧基、酰胺基、腈、-C(=N-OH)R3、-C(=O)NRN1OH、-SR5、硫代酰胺基、膦酸酯，或两个R可以结合在一起形成5、6或7-元环，所述环可以是芳族的或杂芳族的，所述环可以是取代的；
每个A独立地为N、NO、CH或CR5；
RN1和RN2独立地为C(O)R2、杂芳基、芳基、C1-4烷基、或H；
Ra为氨基酸侧链；
每个R1独立地为C1-4烷基、C2-4烯基、杂芳基或芳基；
每个R2独立地为C1-4烷基、C2-4烯基、杂芳基或芳基；
每个R3独立地为H、C1-4烷基、杂芳基、芳基、环烷基或杂环基；
每个R4独立地为H、C1-4烷基、杂芳基、芳基、环烷基或杂环基；
每个R5独立地为H、C1-4烷基、杂芳基、芳基、环烷基或杂环基；
每个n独立地为1至5的整数；和
每个m独立地为1至4的整数。

[0089] 在一个实施方案中，式(I)、(II)、(III)或(IV)的化合物不是4-(2-吡啶基偶氮)间苯二酚(PAR)。在一个实施方案中，式(I)、(II)、(III)或(IV)的化合物不是4-(喹啉-8-基二氮烯基)苯-1,3-二醇(QAR)。

[0090] 在一个实施方案中，本公开提供了式(IV)的化合物，A-B (IV)
其中，A选自：
其中R1、R2、R3和R4独立选自：
且B选自：
合适的染料包括图1A-图1J中所示的那些。

[0091] 在一个实施方案中，本公开提供了包含式(I)、(II)、(III)或(IV)的化合物和金属离子的金属离子络合物。在一些实施方案中，金属离子是重金属、锌、铬、镉、镍、铜、砷或汞。在一些实施方案中，多于一种式(I)、(II)、(III)或(IV)的化合物与金属离子络合。

[0092] 在一个实施方案中，本公开提供了式(I)、(II)、(III)或(IV)的化合物或包含式(I)、(II)、(III)或(IV)的化合物和金属离子的金属离子络合物，其中所述化合物或金属离子络合物进一步缀合至固体载体，例如纤维素、膜、光纤、聚甲基丙烯酸甲酯或微球体。该化合物可以通过连接基缀合。

[0093] 在一个实施方案中，两个R形成杂芳族环，例如含氮杂芳族环。在某些实施方案中，杂芳族环可以含有6个成员原子和1-3个选自氮、硫和氧的杂原子。

[0094] 在一个实施方案中，至少一个R为NRN1RN2。在某些实施方案中，RN1和RN2中的至少一个为-(CH2)-杂芳基。在某些实施方案中，RN1和RN2都是-(CH2)-杂芳基。在某些实施方案中，杂芳基是含氮杂芳基，例如6元杂芳基，例如吡啶基，例如2-吡啶基。

[0095] 在一些实施方案中，所述化合物对金属离子具有结合亲和力，该亲和力适于定量约50纳摩尔至约200微摩尔范围内的金属离子浓度。在实施方案中，亲和力可以是至少约50纳摩尔，至少约75纳摩尔，至少约100纳摩尔，至少约250纳摩尔，至少约500纳摩尔，至少约750纳摩尔，至少约1微摩尔，至少约25微摩尔，至少约50微摩尔或至少约100微摩尔。在实施方案中，亲和力可以小于约200微摩尔，小于约150微摩尔，小于约100微摩尔，小于约50微摩尔，小于约25微摩尔，小于约1微摩尔，小于约750纳摩尔，小于约500纳摩尔或小于约250纳摩尔。化合物对金属离子的亲和力可以通过本领域技术人员已知的任何方式来确定。在一些实施方案中，该化合物对多于一种金属离子具有结合亲和力。

[0096] 在本文所述的化合物中，金属离子结合可变性可以源自取代基与金属离子的相互作用。

[0097] A.化合物的合成正如本领域普通技术人员容易理解的那样，以几种方式制备结合金属离子并改变其吸光度的偶氮苯衍生物。

[0098] 根据本公开的偶氮染料可以通过重氮鎓离子和富电子芳族化合物之间的偶氮偶联反应来制备。重氮鎓可以衍生自取代的2-氨基吡啶、8-氨基喹啉、腺嘌呤、三聚氰胺、其它杂环(特别是具有稠合环并具有5、6和7环尺寸的那些)、N,N-二取代的邻氨基苯胺(其中在N上的取代基优选选自配合金属的那些)和其它2-氨基芳基取代的配体，包括具有胺、羧酸酯、磺酸酯、酰胺、醚、硫醚、亚砜、砜、N-氧化物、氨基酸衍生基团、膦酸酯、冠醚和穴状配体的那些。这些基团也可用于其它呈现，例如在1-萘胺的8位。性质微扰的取代包括碳的烷基、芳基、卤素、硝基、酰基、磺酰基、醚、氰基、氮杂取代和其它常见官能团。

[0099] 适合于与这些重氮鎓离子偶联的富电子芳族基团包括取代的间苯二酚、萘酚、3-取代苯酚、苯胺、巴比妥酸、二茂铁和被上述基团取代的这些化合物。

[0100] 标准的酸介导的重氮化适用于许多苯胺，但来自贫电子的苯胺如2-氨基吡啶的重氮鎓盐通过用亚硝酸酯碱处理更好地制备。当偶氮染料的芳基均不是足够地富电子以允许偶氮偶联至重氮鎓离子时，所需物质可通过其它方法制备，包括衍生自亲核芳族取代的二芳基肼的氧化或两种不同的N-取代的芳基物质的N-N偶联。

[0101] 例如，通过苯胺衍生物如2-氨基吡啶的重氮化以及偶联至富电子芳族化合物如间苯二酚或2-萘酚，分别得到PAR和PAN，制备了一些基于偶氮苯的传感器。其它基于偶氮苯的传感器可以通过合适的苯胺衍生物的重氮化作用，然后偶联至富电子芳族化合物合成，如以下方案1和2所示。

[0102] 方案1方案2
在方案1中，得到新一类苯胺衍生物的通用序列开始于如所示通过烷基化或还原胺化制备仲胺。烷基化或还原胺化提供仲胺。或者，腈或醛在伯胺存在下的氢化也可以得到仲胺产物，在不同位置引入多种和不同的配体，并且对它们的接近具有不同的空间干扰。该仲胺与具有良好离去基团的贫电子芳族物质的反应将胺与芳族物质连接。将硝基还原成氨基形成苯胺。

[0103] 或者，氰尿酰氯例如依次与无亲核性仲胺，然后氨反应，也提供苯胺衍生物。

[0104] 这些苯胺的标准重氮化和偶氮偶联得到感测金属离子的基于偶氮苯的染料。

[0105] 制备偶氮苯衍生物的其它方法去除偶氮染料形成的偶氮偶联的富电子限制。例如，亚硝基苯衍生物与苯胺的缩合产生偶氮苯。得到偶氮苯衍生物的另一途径是通过带有良好离去基团的贫电子芳族化合物上的芳基肼的直接亲核进攻，然后将所得的氢化偶氮苯衍生物氧化成偶氮苯。

[0106] 由于使用对硝基氟苯代替邻硝基，可能会导致结构变化，因为偶氮苯会在标记为A2的位置被连接，而不是如所示的。2,4-二硝基氟苯也发生反应，并允许在所示位置和A2处偶氮偶联。

[0107] 基于偶氮苯的传感器也可以由氰尿酰氯制成：方案3
偶氮苯衍生物也可以在不使用苯酚或其它富电子芳族物质的情况下制备。氧化步骤可以通过许多不同的试剂完成；次氯酸叔丁酯可能是好的选择(J. Org. Chem. 1999, 64,
4976-4979)。

[0108] 方案4合成本文化合物的其它方法对于本领域普通技术人员来说是显而易见的。用于合成化合物的合成化学转化和保护基方法(保护和脱保护)是本领域已知的，并且包括例如在R. Larock, Comprehensive Organic Transformations, VCH Publishers (1989); T.W. Greene and P.G.M. Wuts, Protective Groups in Organic Synthesis, 2d. Ed., John Wiley and Sons (1991); L. Fieser and M. Fieser, Fieser and Fieser's Reagents for Organic Synthesis, John Wiley and Sons (1994); 和L. Paquette, ed., Encyclopedia of Reagents for Organic Synthesis, John Wiley and Sons (1995)及其后续版本中描述的那些。

[0109] B.信号金属离子与染料的结合可以介导染料产生信号的变化。也就是说，没有金属离子结合，则染料产生信号，当金属离子结合时，染料产生的信号发生变化。金属离子结合染料产生与未结合染料的信号不同的信号。在一些实施方案中，该信号是光信号。

[0110] 在一些实施方案中，信号的变化可以是在单一波长或波长范围吸光度的增加或减少。在一些实施方案中，吸光度的增加或减少是至少约1%，至少约2%，至少约3%，至少约4%，至少约5%，至少约6%，至少约7%，至少约8%，至少约9%，至少约10%，至少约11%，至少约12%，至少约13%，至少约14%，至少约15%，至少约16%，至少约17%，至少约18%，至少约19%，至少约20%，至少约25%，至少约30%，至少约35%，至少约40%，至少约45%或至少约50%。

[0111] 在一些实施方案中，信号包括在单一波长或波长范围记录的染料的发射强度。信号的变化可能是单一波长或波长范围的转移。在一些实施方案中，波长的转移是至少约1 nm，至少约2 nm，至少约3 nm，至少约4 nm，至少约5 nm，至少约6 nm，至少约7 nm，至少约8 nm，至少约9 nm，至少约10 nm，至少约11 nm，至少约12 nm，至少约13 nm，至少约14 nm，至少约15 nm，至少约16 nm，至少约17 nm，至少约18 nm，至少约19 nm，至少约20 nm，至少约25 nm，至少约30 nm，至少约35 nm，至少约40 nm，至少约45 nm，至少约50 nm，至少约55 nm，至少约60 nm，至少约65 nm，至少约70 nm，至少约75 nm，至少约80 nm，至少约85 nm，至少约90 nm，至少约95 nm或至少约100 nm。在一些实施方案中，波长的转移是约1 nm至约20 nm，约2 nm至约20 nm，约3 nm至约20 nm，约4 nm至约20 nm，约5 nm至约20 nm，约1 nm至约
19 nm，约1 nm至约18 nm，约1 nm至约17 nm，1 nm至约16 nm，约1 nm至约15 nm，约1 nm至约14 nm，约1 nm至约13 nm，约1 nm至约12 nm，约1 nm至约11 nm，或约1 nm至约10 nm。在一些实施方案中，波长的转移是约1 nm至约20 nm。在一些实施方案中，波长的转移是约1 nm至约100 nm。

[0112] 在一些实施方案中，信号是荧光。信号的变化可能是染料荧光强度的增加或减少。在一些实施方案中，荧光强度的增加或减少为至少约1%，至少约2%，至少约3%，至少约4%，至少约5%，至少约6%，至少约7%，至少约8%，至少约9%，至少约10%，至少约11%，至少约12%，至少约13%，至少约14%，至少约15%，至少约16%，至少约17%，至少约18%，至少约19%，至少约20%，至少约25%，至少约30%，至少约35%，至少约40%，至少约45%，至少约50%，至少约75%或至少约100%。

[0113] 在一些实施方案中，信号是荧光。信号的变化可能是染料荧光的增加或减少。在一些实施方案中，荧光的增加或减少是至少约1%，至少约2%，至少约3%，至少约4%，至少约5%，至少约6%，至少约7%，至少约8%，至少约9%，至少约10%，至少约11%，至少约12%，至少约13%，至少约14%，至少约15%，至少约16%，至少约17%，至少约18%，至少约19%，至少约20%，至少约25%，至少约30%，至少约35%，至少约40%，至少约45%，至少约50%，至少约75%或至少约100%。

[0114] 染料一次可以结合一种金属离子。在一些实施方案中，染料能够在不同的时间结合多种金属离子。在一些实施方案中，当染料结合不同的金属离子时，染料产生不同的信号。

[0115] 在一些实施方案中，染料在以下线性动态范围检测金属离子：约100 ppb至约2000 ppb，约150 ppb至约1800 ppb，或约200 ppb至约1500 ppb。在实施方案中，染料在以下线性动态范围检测金属离子：至少约100 ppb，至少约150 ppb，至少约200 ppb，至少约500 ppb，或至少约1000 ppb。在实施方案中，染料在以下线性动态范围检测金属离子：小于约2000 ppb，小于约1800 ppb，小于约1500 ppb，或小于约1000 ppb。在一些实施方案中，染料在以下线性动态范围检测金属离子：约100 ng/mL至约2000 ng/mL，约150 ng/mL至约1800 ng/mL，或约200 ng/mL至约1500 ng/mL。在实施方案中，染料在以下线性动态范围检测金属离子：至少约100 ng/mL，至少约150 ng/mL，至少约200 ng/mL，至少约500 ng/mL，或至少约1000 ng/mL。在实施方案中，染料在以下线性动态范围检测金属离子：小于约2000 ng/mL，小于约1800 ng/mL，小于约1500 ng/mL，或小于约1000 ng/mL。

[0116] 在一些实施方案中，染料可重复用于金属离子检测，也就是说，染料可被多次使用以检测相同或不同的金属离子。在用于检测金属离子之后，染料可以用弱电解质溶液、稀酸溶液或含有螯合剂的溶液处理。稀酸溶液的例子包括0.1M盐酸和柠檬酸。弱电解质溶液的例子包括使传感器材料的水流动以从传感器释放金属。螯合剂的实例包括反式-1,2-二氨基环己烷-N,N,N',N'-四乙酸(CyDTA)，二乙三胺五乙酸(DTPA)，乙二胺四乙酸(EDTA)，乙二醇双(2-氨基乙基醚)-N,N,N',N'四乙酸(EGTA)，乙二胺(en)，N-(2-羟乙基)亚氨基二乙酸(HIDA)，亚氨基二乙酸(IDA)，次氮基三乙酸(NTA)，次氮基三甲基膦酸(NTP)，N,N,N',N'-四(2-吡啶基甲基)乙烷-1,2-二胺(TPEN)，和三乙四胺- N,N,N',N'',N''',N'''-六乙酸(TTHA)。

[0117] III.传感器本文进一步提供了用于检测样品中的至少一种金属离子的传感器。传感器包含共价连接至基材的至少一种染料。传感器可以包括多于一种具有至少一种与其连接的染料的基材。传感器可以包含单一染料或染料面板。该染料可以包含如上详述的化合物。

[0118] 基材是光学透明的并且提供足够低的光散射。在实施方案中，基材的光密度小于约0.1至约1.0吸光度单位，小于约0.05至约0.5吸光度单位，小于约0.02至约0.2吸光度单位，小于约0.01至约0.1吸光度单位，取决于相对于传感器信号的散射信号。在实施方案中，光密度为至少约0.01吸光度单位，至少约0.02吸光度单位，至少约0.05吸光度单位或至少约0.1吸光度单位。在实施方案中，光密度小于约1.0吸光度单位，小于约0.5吸光度单位，小于约0.2吸光度单位或小于约0.1吸光度单位。基材可以包括亲水聚合物、疏水聚合物、纤维素和凝胶。合适的聚合物包括但不限于纤维素、交联的聚甲基丙烯酸酯、聚丙烯酰胺和交联的聚乙二醇。在实施方案中，通过亲水性取代基，如通过聚苯乙烯的阴离子(例如磺酸盐基)、阳离子(例如铵)或极性中性(例如聚乙二醇)取代，和/或通过在微球体存在下交联聚合并随后溶解微球体形成聚合物微孔隙，使得疏水性聚合物可以接受。

[0119] 在实施方案中，聚合物可以交联。适合地，交联剂可以是(聚(乙二醇)二丙烯酸酯或聚(乙二醇)二甲基丙烯酸酯)。在实施方案中，交联剂具有合适的长度(Avg MW>500)，以使聚合物当浸泡在水中时保持光学透明。

[0120] 在实施方案中，共价连接可以是醚键、酰胺键、磺酰胺键或不饱和键。

[0121] 在实施方案中，传感器还包括微扰部分。微扰部分允许调节染料的亲和力。微扰部分可以是阳离子、阴离子或两性离子。在实施方案中，使用阳离子微扰部分降低染料对阳离子的亲和力。在实施方案中，使用阳离子微扰部分增加染料对阴离子的亲和力。在实施方案中，阴离子微扰部分的使用降低了染料对阴离子的亲和力。在实施方案中，阴离子微扰部分的使用增加了染料对阳离子的亲和力。在实施方案中，使用两性离子微扰部分降低染料对极性化合物的亲和力。在实施方案中，使用两性离子微扰部分增加了染料对非极性化合物的亲和力。在实施方案中，微扰部分共价结合至基材。在实施方案中，微扰部分可以通过连接基结合，如下所述。在实施方案中，微扰部分改变结合速率和生物相容性。

[0122] 在实施方案中，传感器具有下式：；
其中每个R独立地选自OH、H、OR1、C1-4烷基、硝基、卤素、NRN1RN2、SO3H、SO2NHR3、NHSO2R4、羧基、酰胺基、腈、-C(=N-OH)R3、-C(=O)NRN1OH、-SR5、硫代酰胺基、膦酸酯，或者两个R可以结合在一起形成5、6或7-元环，所述环可以是芳族或杂芳族的，所述环可以被取代；
每个A独立地为N、NO、CH或CR5；
RN1和RN2独立地为C(O)R2、杂芳基、芳基、C1-4烷基、或H；
Ra为氨基酸侧链；
每个R1独立地为C1-4烷基、C2-4烯基、杂芳基或芳基；
每个R2独立地为C1-4烷基、C2-4烯基、杂芳基或芳基；
每个R3独立地为H、C1-4烷基、杂芳基、芳基、环烷基或杂环基；
每个R4独立地为H、C1-4烷基、杂芳基、芳基、环烷基或杂环基；
每个R5独立地为H、C1-4烷基、杂芳基、芳基、环烷基或杂环基；
每个n独立地为1至5的整数；
每个me独立地为1至4的整数
L为连接基；和
X为光学透明的基材。

[0123] 在实施方案中，传感器具有式：其中每个R独立地选自OH、H、OR1、C1-4烷基、硝基、卤素、NRN1RN2、SO3H、SO2NHR3、NHSO2R4、羧基、酰胺基、腈、-C(=N-OH)R3、-C(=O)NRN1OH、-SR5、硫代酰胺基、膦酸酯，或者两个R可以结合在一起形成5、6或7-元环，所述环可以是芳族或杂芳族的，所述环可以被取代；
每个A独立地为N、NO、CH或CR5；
RN1和RN2独立地为C(O)R2、杂芳基、芳基、C1-4烷基、或H；
Ra为氨基酸侧链；
每个R1独立地为C1-4烷基、C2-4烯基、杂芳基或芳基；
每个R2独立地为C1-4烷基、C2-4烯基、杂芳基或芳基；
每个R3独立地为H、C1-4烷基、杂芳基、芳基、环烷基或杂环基；
每个R4独立地为H、C1-4烷基、杂芳基、芳基、环烷基或杂环基；
每个R5独立地为H、C1-4烷基、杂芳基、芳基、环烷基或杂环基；
每个n独立地为1至5的整数；
每个m独立地为1至4的整数；
L为连接基；和
X为光学透明的基材。

[0124] 在实施方案中，连接基可以是-O-(CH2)p-C6H4-，其中p是1至4的整数。在实施方案中，连接基可以是-OCH2C(O)NH-(CH2O)tCH2CH2-NHC(O)-，其中t是1至10的整数。在实施方案中，连接基可以是-O-(CH2O)r-C(O)NH-，其中r是1至10的整数。在实施方案中，连接基可以是-C(O)NH-(CH2O)q-CH2CH2NHC(O)-(OCH2)vOC(O)-，其中q和v独立地为1至10的整数。在实施方案中，连接基可以是-O-(CH2O)uC(O)-，其中u为1至10的整数。

[0125] A.单一染料在一些实施方案中，传感器包括单一染料。在一些实施方案中，传感器包括多种单一染料。

[0126] B.面板在一些实施方案中，传感器包括多种不同类型的染料。这些不同类型的染料中的多种可以布置或并入面板中。如本文所用，“面板”是指两种或更多种不同的染料。该面板可以包括至少2种，至少3种，至少4种，至少5种，至少6种，至少7种，至少8种，至少9种，至少10种，至少11种，至少12种，至少13种，至少14种，至少15种，至少16种，至少17种，至少18种，至少19种，至少20种，至少21种，至少22种，至少23种，至少24种，至少25种，至少30种，至少35种，至少40种，至少45种，至少50种，至少55种，至少60种，至少65种，至少70种，至少75种，至少80种，至少85种，至少90种，至少95种，或至少100种不同的染料。

[0127] 染料面板包括至少一个传感器元件。“传感器元件”是指用于所述至少一种染料的单个点、位点、位置或井，样品或其等分试样可以施用或给予至所述单个点、位点、位置或井。面板可以作为复合物或阵列布置。

[0128] i.复合物在一些实施方案中，面板是复合物。在复合物中，每个传感器元件包括两种或更多种不同染料的混合物。在一些实施方案中，复合物包括一个传感器元件。在一些实施方案中，复合物包括两个或更多个传感器元件。在一些实施方案中，信号是从复合物测量的，其中信号产生于传感器元件中的一种或多种染料。例如，信号可以从复合物测量，其中信号产生于传感器元件中染料总数的子集。例如，信号可以从复合物测量，其中信号产生于传感器元件中的五种染料中的两种。

[0129] ii.阵列在一些实施方案中，面板是阵列。在阵列中，每个传感器元件包括单一类型的染料。阵列包括多个单独和空间定位的传感器元件。每个传感器元件包括与不同传感器元件的染料不同或相同的染料。在一些实施方案中，信号从阵列测量，其中信号分开产生于分开的传感器元件中的两种或更多种选择的染料。阵列可以包括多种尺寸和配置的多个传感器元件。
阵列可以包括线性布置的多个传感器元件。例如，阵列可以包括布置成单排的多个微米尺寸的传感器元件。阵列可以包括水平布置的多个传感器元件。阵列可以包括垂直布置的多个传感器元件。阵列可以包括布置在网格中的多个传感器元件。网格可以是二维或三维的。
在一些实施方案中，网格是空间可寻址的网格。在一些实施方案中，将染料并入阵列中，例如多通道或多路复用阵列。

[0130] C.传感器的合成在一个实施方案中，传感器可以通过亲核取代反应合成。染料可以在基材聚合之前、期间或之后结合至传感器。合适的是，染料在亲核取代期间可以是可溶性金属络合物的形式。

[0131] 在一个实施方案中，传感器可以通过酰化反应合成。

[0132] 虽然许多材料和共价连接方法是可能的，传感器可以通过特别通用的途径制造，该途径允许使用大部分染料，而不需要设计用于共价连接的额外特征。例如，可以将染料制成可溶性金属络合物，例如通过用不溶性锌盐处理来制成。这用于保护参与金属结合的苯酚，同时使第二个羟基可用于烷基化。将该物质在溶剂如NMP或DMF中暴露于Cs2CO3、对氯甲基苯乙烯、甲基丙烯酸酯单体、合适类型的交联剂、自由基引发剂如AIBN，在一个步骤中得到具有共价连接的传感器的光学透明的聚合物，具有快速透水性。用EDTA萃取模板化锌离子留下共价传感器材料。

[0133] 在此合成传感器的其它方法对于本领域的普通技术人员将是显而易见的。用于合成传感器的合成化学转化和保护基方法(保护和脱保护)是本领域中已知的，并且包括例如在R. Larock, Comprehensive Organic Transformations, VCH Publishers (1989); T.W. Greene and P.G.M. Wuts, Protective Groups in Organic Synthesis, 2d. Ed., John Wiley and Sons (1991); L. Fieser and M. Fieser, Fieser and Fieser's Reagents for Organic Synthesis, John Wiley and Sons (1994); 和L. Paquette, ed., Encyclopedia of Reagents for Organic Synthesis, John Wiley and Sons (1995), 及其后续版本中描述的那些。

[0134] IV.使用方法本文提供了检测金属离子存在的方法，测定金属离子浓度的方法以及监测金属离子存在的方法。在实施方案中，金属离子可以是铬、钙、镁、铜、汞、镍、锌、钴、锰、镉、铅、锡、铝、钾、钠或砷。铬可以是铬(III)。铁可以是铁(II)或铁(III)。铜可以是铜(I)或铜(II)。钴可以是钴(II)。镍可以是镍(II)。锌可以是锌(II)。汞可以是汞(II)。钙可以是钙(II)。镁可以是镁(II)。铝可以是铝(III)。镉可以是镉(II)。钾可以是钾(I)。钠可以是钠(I)。铅可以是铅(II)。锰可以是锰(II)。锡可以是锡(II)。砷可以是砷(III)或砷(V)。

[0135] 本文提供了检测样品中金属离子存在的方法。该方法可以包括使样品与本文详述的传感器接触；测量来自传感器的信号；并分析信号。在一些实施方案中，分析信号可以包括将信号与无金属离子的对照进行比较，其中信号差异指示样品中金属离子的存在。

[0136] 本文还提供了测定样品中金属离子浓度的方法。该方法可以包括使样品与本文详述的传感器接触；测量来自传感器的信号；并分析信号。在一些实施方案中，分析信号可以包括将信号与标准校准曲线进行比较以确定样品中金属离子的浓度。标准双曲线金属离子结合曲线可以通过测量在与含有已知浓度和已知类型的金属离子的对照样品接触时由传感器转导的信号来制备。

[0137] 本文还提供了确定在50纳摩尔至200微摩尔范围内的金属离子浓度的方法。该浓度范围与检测水中的金属离子进行实时管理监测有关。

[0138] 本公开还涉及间歇或连续监测样品中金属离子的存在的方法。在某些实施方案中，传感器可用于样品等分试样的间歇监测。例如，生理、工艺或工业流体的等分试样可在现场、护理点或在实验室环境中进行分析。

[0139] 间歇或连续监测样品中金属离子的存在的方法可包括使样品与本文详述的传感器接触；将样品保持在使得传感器能够结合样品中存在的金属离子的条件下；并间歇或连续地监测样品中来自传感器的信号。

[0140] 间歇或连续监测样品中金属离子的存在的方法还可以包括将信号与标准校准曲线进行比较以确定测试样品中金属离子的浓度。可以通过测量当与含有已知浓度和已知类型的金属离子的对照样品接触时由传感器转导的信号来制备标准校准曲线。

[0141] 间歇或连续监测样品中金属离子的存在的方法可进一步包括将信号与无金属离子的对照进行比较，其中信号差异表明反应中金属离子的存在。

[0142] 间歇或连续监测样品中金属离子的存在的方法还可以包括清洗传感器以去除结合的金属离子。在实施方案中，传感器可以用螯合剂、弱酸或电解质溶液，分别如CyDTA、DTPA、EDTA、EGTA、en、HIDA、IDA、NTA、NTP、TPEN、TTHA、0.1 M HCl、柠檬酸或流水清洗。

[0143] 在实施方案中，本公开提供了从作为阵列的组分的单一传感器分子不可获得的数据。这种改进的信息包括但不限于金属鉴定的更高选择性，更大的测量动态范围以及多种物质和参数的同时测量。

[0144] 不希望受理论束缚，认为每种染料独特地响应多种金属，但通过一起分析多种染料，可以获得更高的特异性，从而降低一种金属与另一种金属的干扰。例如，使用对铅有良好响应的一种染料，可以实现约20ppb的准确度误差。当使用对铅有不同响应的两种不同染料时，可以实现从约200 ppb至约2,000 ppb测量范围内约10ppb的准确度误差。在另一个实例中，使用对铜、镍和锌响应的一种染料，在约60 ppb至约650 ppb的测量范围内，同时可以实现对于铜约10ppb的准确度误差，可以实现对于镍约6ppb的准确度误差，并且可以实现对于锌约10ppb的准确度误差。一方面，多种染料的使用提供了以用两种染料时的选择性的约两倍的明显更高的选择性报告多种金属离子浓度的能力。

[0145] V.实施例实施例1：4-(喹啉-8-基二氮烯基)苯-1,3-二醇(QAR)的制备
向冰浴上的5℃的8-氨基喹啉(2.0284 g, 14.07 mmol)在HCl (40 mL, 6 M)中的搅拌溶液中滴加NaNO2 (1.0733 g于2 mL冷H2O中)，直到反应混合物在KI-淀粉纸上产生阳性测试结果。将所得混合物滴加至0.492g间苯二酚在78.5 mL的1 M NaOH中的在冰浴上搅拌的溶液中。静置过夜后，过滤分离固体，用冷水彻底漂洗，真空干燥。在沸腾的甲醇中研磨得到
0.984g(77%收率)的QAR，为其单钠盐，MP>320℃(图2)。

[0146] 1H NMR (CD3OD): δ 8.866 (dd, j=1.8, 4.2; 1H) δ 8.250 (dd, j=1.8, 8.4, 1 H) δ 7.989 (dd, 2.1, 6.6, 1H) δ 7.613 (m, 1H) δ 7.562 (m, 1H) δ 7.506 (dd, j=8.4, 4.2, 1 H) δ 6.982 (d, j=9.6, 1 H) δ 6.215 (d, j=9.6, 1 H) δ 5.682(d, j=2.1, 1H) 13C NMR (CD3OD): δ 148.72, 135.56, 134.83, 128.8, 126.91, 123.90,
121.62, 121.32, 116.72, 110.60, 106。TLC上的Rf：0.43，在10% MeOH/ CH2Cl2中，MS: DUIS m/z 266.15[M+H]+; 264.05[M-H]-。

[0147] 实施例2：4-(喹啉-8-基二氮烯基)苯-3-酚-1-苯乙烯-锌络合物的制备将QAR(239.3mg)和ZnO(36.7mg)在25mL乙腈中的悬浮液加热回流24小时；然后通过旋转蒸发除去溶剂。向该固体中加入0.2968g的Cs2CO3，随后加入11mL二甲基甲酰胺(DMF)和
0.14mL氯甲基苯乙烯。将其在室温下在氮气下搅拌。3小时后，观察到细的苍白色沉淀。过滤混合物并通过旋转蒸发除去大部分溶剂，然后抽真空。将反应混合物溶于50 mL CH3CN中并用25mL己烷洗涤。将亮橙色CH3CN溶液旋转蒸发至干，得到可聚合的传感器4-(喹啉-8-基二氮烯基)苯-3-酚-1-苯乙烯-锌络合物(图3)。

[0148] 实施例3：2,2'-二吡啶甲基胺(DPA)的制备2,2'-二吡啶甲基胺的合成：向配备有磁力搅拌棒的圆底烧瓶中加入；10.1015g的2-氰基吡啶[96.05 mmol]、0.4966g的5%(wt/wt)钯/碳和经4 Ǻ分子筛存储的16.5 mL无水乙醇。然后用3 L的H2(g)缓慢冲洗反应混合物，并且一旦冲洗，在反应混合物上抽真空，然后将氢气球～1L置于顶部以过夜加入。反应容器每天用新鲜氢气球冲洗。通过TLC[洗脱液-
20% CH3OH : 80% CH2Cl2]监测反应进程并用酸性茚三酮染色剂显现。反应发生72小时，之后TLC显示起始原料的消耗。

[0149] 分离2,2'-二吡啶甲基胺：将反应混合物通过真空过滤通过1厘米厚的填充硅藻土层过滤。然后用50 mL热乙醇洗涤硅藻土，合并收集的滤液，并通过旋转蒸发浓缩。通过ESI-LCMS [M/Z+1 : 200.1正离子化- M/Z-1 : 198.95负离子化]和1H NMR验证得到的9.540g[99.7%分离的]透明琥珀色油。

[0150] 1H NMR 300 MHz [CD3Cl]: δ 3.97, s, H 4; 7.21, t (J c. 6.9 Hz), H 2; 7.38, d (J c. 8.7 Hz), H 2; 7.64, td (J c. 6.9 Hz) H 2; 8.55, d (J c. 7.2 Hz) H 2。

[0151] 实施例4：N,N'-二-[2-吡啶基甲基]-4-硝基苯胺(PNI：对硝基中间体)的制备PNI的合成：向配备有磁力搅拌棒的氮气下的清洁且干燥的圆底烧瓶中加入1.0506g的2,2'-二吡啶甲基胺[5.28mmol]和0.8429g的1-氟-4-硝基苯[5.97 mmol]。将圆底烧瓶连接到回流冷凝器并置于油浴中，然后用氮气冲洗系统。然后在剧烈搅拌下通过注射器递送
10.00mL 甲苯和2mL二异丙基乙胺[11.78mmol]。使反应混合物达到回流并通过硅胶薄层色谱法[10% MeOH: 90% DCM]测定反应进程并通过酸性茚三酮染色剂显现。18小时后，TLC显示二吡啶甲基胺全部消耗，停止回流。

[0152] PNI的分离：一旦反应混合物冷却至室温，将其浓缩并通过将粗产物稀释至大体积的甲苯和甲醇中然后通过旋转蒸发进行浓缩来除去过量的DIPEA。然后将粗产物溶于100mL EtOAc中，并三次加入25mL的0.5M HCl萃取。将水性酸层合并并用饱和K2CO3在25mL DCM存在下碱化，通过三次加入25mL DCM进一步萃取产物。将有机萃取物合并，浓缩并置于真空干燥器中以达到恒定的质量。产量：1.037 g [61.4%]稠的琥珀色-红色油，将其在室温下储存在干燥器中。

[0153] 1H NMR 300 MHz [CD3OD]: δ 4.84, s, H 4; 6.64, d (J c. 9.3 Hz), H 2; 7.11, m (J c. 4.8, 9.3 Hz), H 4; 7.58, td (J c. 1.5 7.8 Hz) H 2; 7.97, d (J c. 9.6 Hz) H 2; 8.53, d (J c. 4.5 Hz) H 2。

[0154] 实施例5：N,N'-二-[2-吡啶基甲基]-2,4-二硝基苯胺(DNI：二硝基中间体)的制备DNI的合成：向配备有磁力搅拌棒的氮气下的清洁且干燥的圆底烧瓶中加入；1.4622g的2,2'-二吡啶甲基胺[7.34 mmol]和1.5056 g的2,4-二硝基氟苯[8.09 mmol]。将含有10.0mL乙腈和1.00mL三乙胺[7.17mmol]的注射器递送到剧烈搅拌的反应混合物。通过硅胶薄层色谱法[20% MeOH : 80% DCM]监测反应进程并通过酸性茚三酮染色剂显现。4小时后，观察到二吡啶甲基胺全部消耗，停止反应。

[0155] DNI的分离：通过旋转蒸发浓缩反应混合物。一旦达到恒定质量，将粗产物溶解于20mL EtOAc中，并用20mL 5%[wt/wt]氢氧化钠溶液洗涤两次。将有机层分离，浓缩并置于真空干燥器中充分干燥。将粗产物溶于50mL EtOAc中并三次添加20mL 1M HCl萃取。将酸性水层合并并通过加入饱和K2CO3碱化，并通过三次加入20mL的DCM萃取产物。然后将有机萃取物合并，浓缩并置于真空干燥器中过夜。浓缩的萃取物产生2.3788g[89%]稠的深红色油。

[0156] 纯化：将萃取的产物置于完全溶解所需的最小量的DCM中。一旦均匀，在搅拌下通过注射器将己烷缓慢加入到混合物中直至可以观察到沉淀物。将反应容器用隔片加盖并用氮气冲洗，然后放入冰箱中结晶。允许在冷却的环境中发生结晶多天，产生透明的黄色晶体，其长成长针或厚的透明橙色棒。熔点：98-99℃(Sharp)。

[0157] 1H NMR 300 MHz [CD3OD]: δ 4.67, s, H 4; 7.21, m (J c. 4.2, 7.8 Hz), H 2; 7.26, d (J c. 6.6 Hz), H 1; 7.33, d (J c. 7.8 Hz) H 2; 7.65, t (J c. 7.5 Hz) H 2; 8.14, dd (J c. 2.1, 7.2 Hz) H 1; 8.53, d, (J c. 4.8 Hz) H 2; 8.66, d (J c. 2.1 Hz) H 1。

[0158] 实施例6：邻硝基中间体(ONI)的制备ONI的合成：将0.5123g[2.5 mmol 1H NMR Det.]2,2'-二吡啶甲基胺置于具有磁力搅拌棒的清洁圆底烧瓶中。向其中加入在10mL DMSO中的0.3217g[2.5mmol]二异丙基乙胺。将其在N2(g)气氛下搅拌几分钟，然后通过注射器将0.3567g[2.5mmol]邻氟硝基苯在5mL DMSO中的溶液递送到快速搅拌的反应混合物中。作为预防措施，将反应混合物用纸巾包裹以避免阳光直射，并在室温下搅拌多天。4天后，TLC显示2,2'-二吡啶甲基胺全部消耗[洗脱剂- 20% CH3OH : 80% CH2Cl2 -用酸性茚三酮显现]，并停止反应。

[0159] ONI的分离：将反应混合物转移到含有50mL 1M NaOH和25mL CH2Cl2的分液漏斗中。产物进一步用另外的50mL CH2Cl2萃取。将有机萃取物合并，用MgSO4干燥并通过旋转蒸发浓缩。将其留在真空线上过夜以达到恒定质量。这得到0.5032 g [63%分离的]深红色-黄色油，通过ESI-LCMS [M/Z+1 : 321.2 -正离子化; M/Z-1 : 未观察到]和1H NMR验证。

[0160] 1H NMR 300 MHz [CD3Cl]: δ 4.48, s, H 4; 7.01, t (J c. 7.2 Hz), H 1; 7.15, td (J c. 8.1, 6.9 Hz), H 2; 7.22, d (J c. 8.1 Hz) H 1; 7.36, td (J c.
6.9, 1.5 Hz) H 1; 7.45, d (J c. 7.8 Hz), H 2; 7.62, td (J c. 7.8, 1.8 Hz), H
2; 7.72, dd (J c. 8.1, 1.2 Hz), H 1; 8.52, d (J c. 4.2 Hz), H 2。

[0161] 实施例7：N,N-双(吡啶-2-基甲基)苯-1,2,4-三胺(DAI：二氨基中间体)的制备还原：向小烧瓶中加入0.3666g[1.0mmol]DNI和0.1783g 5%(wt/wt)钯/碳。然后将25mL无水乙醇递送到烧瓶中，立即用隔膜加盖。通过将系统置于真空下将氢气缓慢冲洗通过反应烧瓶，同时将气球中～1L的H2抽过烧瓶。将H2(g)的气球置于反应混合物的顶部以过夜加入。第二天早晨，TLC已经表明起始DNI的消耗，停止氢化。将反应混合物通过填充的1cm厚的硅藻土层真空过滤，随后用〜50mL热乙醇洗涤。收集滤液，浓缩并置于真空干燥器中过夜以达到恒定质量。这得到0.2850 g [90%分离的]深绿色-黑色固体，通过ESI LCMS [M/Z+1 : 306.20正离子化- M/Z-1 : 未观察到]和1H NMR验证，为所需的二氨基中间体[DAI]。

[0162] 1H NMR 300 MHz [CD3Cl]: δ 2.63, s宽, H 4; 4.24, s, H 4; 5.98, dd (J c. 2.4, 8.1 Hz), H 1; 6.09, d (J c. 2.4 Hz) H 1; 6.87, d (J c. 8.4 Hz) H 1; 7.09, t (J c. 7.5 Hz) H 2; 7.26, d (J c. 9.9 Hz) H 2; 7.53, td (J c. 1.5, 7.8 Hz) H 2; 8.52, d (J c. 4.8 Hz) H 2。

[0163] 实施例8：N,N-双(吡啶-2-基甲基)苯-1,2-二胺(OAI：邻氨基中间体)的制备还原：向小烧瓶中加入0.3232g[1.0mmol]DNI和0.1430g 5%(wt/wt)钯/碳。然后将25mL无水乙醇递送到烧瓶中，立即用隔膜加盖。通过将系统置于真空下将氢气缓慢冲洗通过反应烧瓶，同时将气球中～1L的H2抽过烧瓶。将H2(g)的气球置于反应混合物的顶部以过夜加入。第二天早晨，TLC已经表明起始DNI的消耗，停止氢化。将反应混合物通过填充的1cm厚的硅藻土层真空过滤，随后用〜50mL热乙醇洗涤。收集滤液，浓缩并置于真空干燥器中过夜以达到恒定质量。这得到0.2850 g [97%分离的]深红色-黑色固体，通过ESI LCMS [M/Z+1 : 291.10正离子化- M/Z-1 : 未观察到]和1H NMR验证，为所需的邻氨基中间体[OAI]。

[0164] 1H NMR 300 MHz [CD3Cl]: δ 2.69, s宽, H 4; 4.72, s宽, H 1; 7.16, t (J c. 6.6 Hz), H 2; 7.20, d (J c. 8.1 Hz) H 2; 7.35, m (J c. 8.7 Hz) H 2; 7.48, d (J c. 7.5 Hz) H 2; 7.63, t (J c. 8.1 Hz) H 2; 7.73, d (J c. 8.1 Hz) H 1; 8.52, t (J c. 7.5 Hz) H 2; 8.55, d宽 H 1。

[0165] 实施例9：邻二吡啶甲基胺偶氮间苯二酚(DAR°)的制备重氮化：向清洁的圆底烧瓶中加入0.4288g[1.5mmol]OAI和10mL冷却的1M HCl。然后将烧瓶置于冰浴中并冷却至2℃，搅拌反应混合物直至所有OAI已溶解。然后，将1M NaNO2(aq)的冷却溶液逐滴并缓慢地递送到搅拌的HCl溶液中，直到获得即时的阳性KI-淀粉纸测试结果。将溶液在2℃在冰上搅拌30分钟以确保完全重氮化和可重现的即时阳性KI-淀粉纸测试结果。

[0166] 偶氮偶联至间苯二酚：在重氮化溶液在冰上搅拌的同时，制备0.2201g[2.0mmol]间苯二酚在22mL 1M NaOH中的溶液并置于冰浴中。一旦溶液的温度达到2℃并且是均匀的，将重氮化溶液逐滴并且非常缓慢地递送至间苯二酚溶液。在20分钟内加入该溶液以缓解任何种类的会使溶液升温超过5℃并破坏产物的放热。一旦完全递送，将反应混合物在冰上搅拌并缓慢达到室温过夜。然后用大体积甲苯和一些甲醇通过旋转蒸发将反应混合物浓缩以除去残留的H2O。然后将该产物悬浮在50mL甲醇中[经3Ǻ分子筛存储]并煮沸30分钟，酸化，然后在丙酮/干冰浴中冷却以沉淀产物。通过真空过滤将沉淀过滤并用冷却的H2O洗涤，然后将其置于干燥器中以达到恒定的质量。这得到0.4718g(78.0%粗品质量)亮红色-橙色粉末。

[0167] DARo的分离：将0.4718g的粗DARo与25mL的CH2Cl2在Erlenmeyer烧瓶中混合并在搅拌下加热。将混合物煮沸但不浓缩〜30分钟，然后将烧瓶从加热中取出并使其冷却至室温。然后过滤混合物并用CH2Cl2洗涤直至滤液变澄清，然后将沉淀物真空干燥2小时。这得到0.2996g DARo，为深橙色-红色粉末。

[0168] 实施例10：亚硝酰化邻二吡啶甲基胺偶氮间苯二酚(nDARº)的制备还原：向小圆底烧瓶中加入0.8969g[2.8mmol]ONI和0.5302g 5%(wt/wt)5%钯/碳。将经
4 Ǻ分子筛存储的15mL乙醇递送至烧瓶。随后将烧瓶用隔膜加盖并用氢气冲洗，同时剧烈搅拌。将氢气球置于反应烧瓶顶部以过夜加入。第二天早晨，TLC显示起始原料的消耗，停止氢化。将反应混合物通过1cm厚的填充硅藻土层真空过滤，将其用热乙醇洗涤直至滤液变澄清。收集滤液，浓缩并置于真空干燥器中以达到恒定的质量。这得到0.7451g(92%)的深红色-黑色固体OAI。

[0169] 重氮鎓：将全部还原产物溶于15mL 1M HCl中，同时在冰浴上搅拌。一旦酸溶液的温度降至低于5℃，将0.5304g[7.7mmol]亚硝酸钠在10mL DI H2O中的溶液逐滴递送至酸溶液中。将重氮鎓溶液在冰上搅拌30分钟，并一直保持在低于5℃。

[0170] 偶氮偶联：在大的Erlenmeyer烧瓶中，在10mL冷H2O中制备0.3306g[3.0mmol]间苯二酚和7.5mL 1M NaOH的溶液。然后将烧瓶置于冰浴中并搅拌。一旦氢氧化物溶液变得均匀并达到2℃，将冷却的重氮鎓溶液缓慢地滴加，以保持低于5℃的温度，同时剧烈搅拌。经2小时将反应混合物缓慢升温至室温，观察到亮橙色-红色沉淀，随后真空过滤。将收集的沉淀置于真空干燥器中过夜以达到恒定质量。这得到0.3134 g (28%)橙色粉末，通过ESI LCMS [M/Z+1 : 441.20正离子化- M/Z-1 : 未观察到]验证，为nDARº传感器。M.P. 136ºC。

[0171] 实施例11：环化的邻二吡啶甲基胺偶氮间苯二酚(cDARº)的制备还原：向小圆底烧瓶中加入0.2093g[0.6mmol]环化二硝基中间体和0.2854g 5%(wt/wt)5%钯/碳。将经4 Ǻ分子筛存储的10mL乙醇递送到烧瓶中。随后将烧瓶用隔膜加盖并用氢气冲洗，同时剧烈搅拌。将氢气球置于反应烧瓶顶部以过夜加入。第二天早晨，TLC显示起始原料的消耗，停止氢化。反应混合物通过1cm厚的填充硅藻土层真空过滤，用热乙醇洗涤，直至滤液变澄清。收集滤液，浓缩并置于真空干燥器中以达到恒定的质量。这得到0.1788g(94%)的深红色粘性固体，cDAIº。

[0172] 重氮鎓：将全部还原产物溶于10mL 1M HCl中，同时在冰浴上搅拌。一旦酸溶液的温度降至低于5℃，将1 M NaNO2溶液逐滴缓慢地递送直至KI-淀粉纸产生立即的阳性响应。将重氮鎓溶液在冰上搅拌30分钟，并一直保持低于5℃。

[0173] 偶氮偶联：在大Erlenmeyer烧瓶中，将0.1100g[1mmol]间苯二酚和20mL 1M NaOH的溶液合并并冷却至低于5℃的温度。一旦氢氧化物溶液变得均匀并达到2℃，将冷却的重氮鎓溶液缓慢滴加以保持低于5℃的温度，同时剧烈搅拌。将反应混合物搅拌过夜，在此期间将反应缓慢温热至室温。

[0174] cDAR°的分离：首先通过旋转蒸发浓缩反应混合物并用大体积甲苯共沸残留的水。然后将产物置于真空线上以达到恒定质量。该产物与50mL无水甲醇混合并加热至沸腾30分钟并冷却至室温。通过真空过滤分离沉淀，将滤液浓缩并置于真空干燥器中干燥。得到的
0.2158 g [86%]亮红色粉末通过ESI LCMS [M/Z+1 : 423.25正离子化- M/Z-1 : 421.15负离子化]验证，为所需的cDARº传感器。

[0175] 实施例12：吡啶基偶氮2,7-二羟基萘酚(PAN-7OH)的制备重氮酸盐：向配备有磁力搅拌棒的清洁且干燥的圆底烧瓶中在氮气流下加入；4.738 g [50.3 mmol]2-氨基吡啶和4.176 g [52.2 mmol] 叔丁醇锂。向圆底烧瓶中，通过注射器递送20mL的THF，然后在剧烈搅拌下用氮气冲洗反应混合物。一旦所有物质溶解后，通过注射器递送6.65mL[50mmol](90%)亚硝酸叔丁酯。将反应烧瓶置于温热的加热套上并剧烈搅拌
24小时。

[0176] 重氮酸盐的分离：一旦TLC指示消耗了2-氨基吡啶，将反应烧瓶从加热套中取出并使其冷却至室温，通过向反应烧瓶中加入2mL乙醚来沉淀重氮酸锂盐。通过真空过滤收集沉淀并用20mL乙醚洗涤直至几乎干燥。将潮湿的产物转移到真空干燥器中干燥4小时，得到5.584g[84.2%质量回收]的非常吸湿的浅黄色粉末。

[0177] 偶氮偶联：制备两种溶液。

[0178] 溶液A：在氮气下，向置于冷H2O浴中的含有1.2948g[10.0mmol]吡啶-2-重氮酸锂的20mL小瓶通过注射器递送10mL冷却的无水乙醇。该混合物在12℃下搅拌直至溶液变得均匀。

[0179] 溶液B：将大pyrex试管浸没在冷H2O浴中，向试管中加入1.6028 g [10.0 mmol] 2,7-二羟基萘和10 mL冷却的无水乙醇。使其完全溶解，然后通过Teflon管将CO2鼓泡入溶液中。

[0180] 然后通过注射器将溶液A递送至溶液B，同时反应物具有CO2鼓泡通过，这在15℃下保持22小时。所得黑色溶液的体积浓缩1/2，然后TLC指示萘酚的消耗，停止反应。使反应混合物达到室温并通过旋转蒸发浓缩，利用大体积的甲苯使残余的叔丁醇和H2O共沸。然后将产物在真空干燥器中干燥以达到恒定的质量。

[0181] PAN-7OH传感器的分离：然后将全部粗物质悬浮于50mL DI H2O中并煮沸。然后将1M HCl逐滴递送至沸腾的溶液直至达到2的pH。然后将水浓缩1/2至25mL，此时将溶液从加热中移出并使反应缓慢冷却至室温。将反应混合物冷却至5℃达数小时以沉淀游离酸。通过真空过滤过滤沉淀物，用冷H2O洗涤沉淀物，然后置于干燥器中过夜以达到恒定质量。这得到2.2150 g [84%粗质量]深红色细粉末，通过ESI-LCMS [M/Z+1 : 226.15正离子化- M/Z-
1 : 264.10负离子化]和1H NMR验证，为所需的PAN-7OH传感器。

[0182] PAN-7OH传感器可以用大体积从甲醇或乙醇重结晶。任何基于重氮酸盐的传感器的最佳制备方法是在即将偶联至苯酚或萘酚之前新鲜制备重氮酸盐。

[0183] 1H NMR 300 MHz [CD3OD]: δ 6.41, d (J c. 9.6 Hz), H 1; 6.88, dd (J c. 8.4, 2.4 Hz), H 1; 7.22, td (J c. 6.3, 2.1 Hz), H 1; 7.42, d (J c. 8.4 Hz) H
1; 7.69, d (J c. 9.6 Hz) H 1; 7.77, d (J c. 2.1 Hz) H 1; 7.92, s, H 1; 7.94, td (J c. 6.3, 1.8 Hz) H 1; 8.35, d (J c. 7.8 Hz) H 1。

[0184] 实施例13：吡啶基偶氮1-萘甲酸(PAN-1A)的制备重氮酸盐：向已经在150℃烘箱中彻底烘干的清洁的圆底烧瓶中加入2.8261g[30mmol]
2-氨基吡啶和2.5150g[30mmol]叔丁醇锂。然后将50mL的THF递送至烧瓶，然后连接至冷凝器并用氮气冲洗。将该混合物在室温下搅拌20分钟。然后通过注射器将10mL THF中的
3.5984g[30mmol]90%亚硝酸叔丁酯递送到系统，并将反应混合物加热至～40℃经1小时，然后TLC[洗脱液 - 5% AcOH : 10% CH3OH : 85% CH2Cl2]表明2-氨基吡啶全部消耗。使反应混合物冷却至室温，随后通过真空过滤过滤沉淀，并用25mL THF再用50mL乙醚洗涤。当沉淀物仍然被乙醚湿润时，进行反应的下一步。

[0185] 偶氮偶联：将仍然湿的重氮酸锂立即溶解于30mL无水乙醇中，并在干冰浴中搅拌。当重氮酸盐溶解时，制备第二种溶液。将1.9122g [10 mmol] 2-羟基-1-萘甲酸溶解在经4 Ǻ分子筛存储并置于干冰浴上的50mL无水乙醇中。将萘甲酸溶解，同时使CO2(g)鼓泡通过，并搅拌，直到两种溶液达到〜0℃的温度并变得均匀。然后，将10mL重氮酸盐溶液递送至萘甲酸溶液中，同时使CO2(g)鼓泡通过。一旦完全递送，将CO2(g)不断地通过反应混合物鼓泡直至消耗；使用1L粉碎的干冰。此外，在反应的前12小时内保持低于5℃的温度，24小时后反应混合物达到室温并通过TLC显示反应完成。

[0186] 该反应仅使用1/3重氮酸盐溶液。如果不将重氮酸盐溶液分配在其它萘酚溶液中，则重氮酸盐合成可以调低1/3。

[0187] PAN-1A的分离：一旦反应完成，将反应混合物置于丙酮/干冰浴中以沉淀产物。然后通过真空过滤过滤沉淀，并用冷却的甲醇洗涤。将沉淀置于真空干燥器中以达到恒定的质量。使滤液沸腾并向其中加入1M HCl直至观察到pH〜3，然后将滤液浓缩至干燥，重悬于100mL中并在冷冻器中冷却。通过真空过滤过滤沉淀，并与第一次沉淀物合并，得到2.076g(71%粗质量回收)浅棕色粉末。用ESI-LCM [M/Z+1 : 294.3正离子化- M/Z-1 : 292.3负离子化]和1H NMR对该产物的表征表明其分离。

[0188] PAN-1A的纯化：将全部沉淀物溶解于经3 Ǻ分子筛存储的100mL甲醇中并煮沸，将1M HCl递送至沸腾的溶液直至观察到pH为3，在此时让反应混合物浓缩一半。一旦浓缩，将混合物置于丙酮/干冰浴中以沉淀游离酸产物。通过真空过滤将沉淀物过滤并用冷却的甲醇洗涤，然后将其置于干燥器中以达到恒定的质量。这得到作为游离酸的1.8030g(61.5%分离的)PAN-1A，熔点范围为230-232℃。

[0189] 当暴露于约沸腾的H2O的温度[100℃]时，衍生物经历脱羧。因此，在处理本产品时，适当的是使用甲醇优于使用乙醇优于使用H2O。

[0190] 1H NMR 300 MHz [CD3OD]: δ 6.79, t (J c. 6.3 Hz), H 1; 6.87, d (J c. 8.7 Hz), H 1; 7.09, d (J c. 9.0 Hz), H 1; 7.29, t (J c. 7.5 Hz) H 1; 7.47, t (J c. 7.2 Hz) H 1; 7.74, t (J c. 7.2 Hz) H 1; 7.80, s, H 1; 7.85, d (J c. 8.7 Hz) H 1; 9.23, d (J c. 8.7 Hz) H 1。

[0191] 实施例14：喹啉1(3)-偶氮萘酚(QAN 1＆3)的制备制备了三种溶液。

[0192] 溶液A-将1.4418 g [10 mmol]的8-氨基喹啉溶于2 mL的6M HCl和4 mL的H2O。

[0193] 溶液B-将0.7500g[11 mmol]的亚硝酸钠溶于4 mL的H2O。

[0194] 溶液C-将1.9015g[10 mmol]的2-羟基-1-萘甲酸溶于15 mL的1 M NaOH。

[0195] 将每种溶液置于冰浴中并搅拌，同时冷却至～3℃。一旦冷却并在搅拌下，将溶液B逐滴并缓慢地递送至溶液A，同时一直保持～3℃的温度。在完全递送后，KI-淀粉纸产生即时的阳性结果，将该溶液在冰上搅拌30分钟。一旦重氮化显示完成，将合并的A/B溶液逐滴递送至溶液C以避免放热并保持低于5℃的条件。一旦达到完全递送，将现在非常稠的反应混合物在冰上搅拌2小时，并加入20mL H2O以降低粘度。然后将反应混合物通过真空过滤过滤并用冷H2O漂洗。将沉淀物在真空干燥器中干燥，同时滤液用100mL EtOAc萃取，用Na2SO4干燥，浓缩并在真空干燥器中干燥过夜。这得到总质量为1.7440 g (58.3%)的具有深红色调的非常轻的粉末，通过ESI-LCMS [M/Z+1 300.3 -正离子化: M/Z-1 298.3 -负离子化]验证，为QAN 1产物。

[0196] 目前的理解：该产物的1H NMR在芳族区域以1:2的比例显示多达两倍的峰，表明所得产物可能是QAN异构体的混合物。取代可能通过替代和竞争机制发生。由于羧基的定位，QAN3异构体被认为是该反应的主要产物，然而看起来好像重氮鎓自身偶联至羧基也产生QAN1异构体。

[0197] 实施例15：喹啉偶氮3-萘甲酸(QAN-3A)的制备合成：制备三种溶液。

[0198] 溶液A-将1.4418 g [10 mmol]的8-氨基喹啉溶于2 mL的6M HCl和4 mL的H2O。

[0199] 溶液B-将0.7420g[11 mmol]的亚硝酸钠溶于4 mL的H2O。

[0200] 溶液C-将1.9044g[10 mmol]的2-羟基-3-萘甲酸溶于15 mL的1 M NaOH。

[0201] 将每种溶液置于冰浴中并搅拌，同时冷却至～3℃。一旦冷却并在搅拌下，将溶液B逐滴并缓慢地递送至溶液A，同时一直保持～3℃的温度。在完全递送后，KI-淀粉纸产生即时的阳性结果，将该溶液在冰上搅拌30分钟。一旦重氮化显示完成，将合并的A/B溶液逐滴递送至溶液C以避免放热并保持低于5℃的条件。一旦达到完全递送，将现在非常稠的反应混合物在冰上搅拌2小时，并加入20mL H2O以降低粘度。然后将反应混合物通过真空过滤过滤并用冷H2O漂洗。将沉淀物在真空干燥器中干燥，同时滤液用100mL EtOAc萃取，用Na2SO4干燥，浓缩并在真空干燥器中干燥得到总质量为1.5540 g的具有深红色调的非常轻的粉末。

[0202] QAN-3A的分离和纯化：从粗产物中，将0.2860g悬浮于50mL CH2Cl2中并搅拌，然后将水层用多次添加25mL 0.1M HCl洗涤并分离。将有机物用Na2SO4干燥，过滤并通过旋转蒸发浓缩，得到稠的深红色糊状物。向圆底烧瓶中加入经3 Ǻ分子筛存储的150mL甲醇，并煮沸。将倒置的小瓶置于烧瓶顶部以避免浓缩，继续一小时。将烧瓶从加热中移出并缓慢冷却至室温，一旦冷却，将烧瓶置于丙酮/干冰浴中以沉淀更多产物。通过真空过滤分离沉淀物并在干燥器中干燥过夜以获得恒定质量。通过ESI-LCMS [M/Z+1 344.3 -正离子化: M/Z-1 342.3 -负离子化]和1H NMR证实0.2443g细红色粉末是所需产物。熔点124-125℃(分解-CO2损失)。

[0203] 1H NMR 300 MHz [CD3OD]: δ 6.38, dd (J c. 3.6, 9.6), H 1; 7.17, dd (J c. 1.5, 9.6 Hz), H 1; 7.28, td (J c. 2.7, 6.9 Hz), H 1; 7.39, m (J c. 4.5 Hz) H 5; 7.80, dd (J c. 2.7, 6.3 Hz) H 1; 8.17, td (J c. 1.5, 8.4 Hz) H 1; 8.71, dt (J c. 1.2, 4.2 Hz) H 1。

[0204] 实施例16：喹啉偶氮1,3-二羟基萘酚(QAN-1,3OH)的制备重氮鎓盐：在清洁的小瓶中，在冰浴中搅拌的同时用0.0466g[0.3mmol]8-氨基喹啉和
1/4 mL 6M HCl在5mL DI H2O中制备溶液。一旦酸性溶液的温度降至低于5℃，将在1½ mL的DI H2O中的0.0271g[0.3mmol]亚硝酸钠的冷却溶液逐滴并缓慢地递送至喹啉溶液。一旦完全递送，将溶液在冰上搅拌20分钟，然后KI-淀粉纸试验在点样后立即显示过量的亚硝酸盐。

[0205] 偶氮偶联：将重氮鎓盐在冰上搅拌，同时在冰浴中制备0.0495g[0.3mmol]1,3-二羟基萘和1/2 mL 6M氢氧化钠在5mL DI H2O中的溶液。一旦萘酚溶液变得均匀并且其温度降至低于5℃，则将重氮鎓溶液逐滴非常缓慢地递送至萘酚溶液。在完全递送重氮鎓溶液期间以及随后2小时维持低于5℃的温度。2小时后，观察到沉淀，真空过滤溶液，沉淀用冷H2O洗涤。通过旋转蒸发浓缩滤液并在真空干燥器中随沉淀干燥过夜，得到总质量为0.0750 g (79.4%分离的)的QAN-1,3OH。红色-黑色固体通过ESI LCMS [M/Z+1 : 316.2正离子化- M/Z-1 : 314.1负离子化]和1H NMR证实为所需的QAN-1,3OH传感器。熔点：275-277℃。

[0206] 1H NMR 300 MHz [CD3OD]: δ 5.83, s, H 1; 7.36, t (J c. 7.2 Hz), H 1; 7.51, m (J c. 3.9, 7.2 Hz), H 3; 7.60, t (J c. 7.8 Hz) H 1; 8.07, m (J c. 7.8 Hz) H 2; 8.24, dd (J c. 1.5, 8.1 Hz) H 1; 8.45, d (J c. 8.1 Hz) H 1; 8.86, dd (J c. 1.5, 4.2 Hz) H 1。

[0207] 实施例17：喹啉偶氮2,7-二羟基萘酚(QAN-7OH)的制备重氮鎓盐：在清洁的Erlenmeyer烧瓶中，在冰浴中搅拌的同时用0.7269g[5mmol]8-氨基喹啉和2 mL 6M HCl在20mL DI H2O中制备溶液。一旦酸性溶液的温度降至低于5℃，将在
5 mL的DI H2O中的0.3633 g [5 mmol]亚硝酸钠的冷却溶液逐滴并缓慢地递送至喹啉溶液。一旦完全递送，将溶液在冰上搅拌20分钟，然后KI-淀粉纸试验在点样后立即显示过量的亚硝酸盐。

[0208] 偶氮偶联：将重氮鎓盐在冰上搅拌，同时在冰浴中制备0.8027 g [5 mmol]的2,7-二羟基萘和3 mL 6M氢氧化钠在20mL DI H2O中的溶液。一旦萘酚溶液变得均匀并且其温度降至低于5℃，则将重氮鎓溶液逐滴非常缓慢地递送至萘酚溶液。在完全递送重氮鎓溶液期间以及随后2小时维持低于5℃的温度。2小时后，观察到沉淀，真空过滤溶液，沉淀用冷H2O洗涤。通过旋转蒸发浓缩滤液并在真空干燥器中随沉淀干燥过夜，得到总质量为1.3268g(84.2%分离的)的QAN-7OH。紫色-黑色固体通过ESI LCMS [M/Z+1 : 316.15正离子化- M/Z-1 : 314.10负离子化]和1H NMR证实为所需的QAN-7OH传感器。熔点：224℃分解。

[0209] 1H NMR 300 MHz [CD3OD]: δ 6.27, d, (J c. 9.3 Hz) H 1; 6.74, dd (J c. 2.4, 8.7 Hz), H 1; 7.28, d (J c. 8.4 Hz), H 1; 7.57, t (J c. 4.5 Hz) H 1;
7.60, s, H 1; 7.71, m (J c. 3.3, 6.0 Hz) H 2; 8.34, t (J c. 8.1 Hz) H 1;
8.37, dd (J c. 2.7, 8.1 Hz) H 1; 8.95, d (J c. 3.9 Hz) H 1。

[0210] 实施例18：共价连接不干扰金属结合性质的共价连接依赖于单独留下金属相互作用酚。这种连接的一般方法包括预先形成锌络合物，然后烷基化剩余的羟基。该方案已经使用具有耐用的柔性非相互作用系链的透明纤维素膜证明，如图4所示。

[0211] 通过用N-甲基-吡咯烷酮(NMP)漂洗将纤维素透析膜脱水。将干燥的膜浸入1g羰基二咪唑(CDI)14mL CH3CN溶液4小时，用CH3CN彻底漂洗，并使其在10%(v/v)三甘醇二胺CH3CN中静置24小时。彻底漂洗后，使膜暴露于1.5mL羟基苯并三唑/N,N-二环己基碳二亚胺/溴乙酸(每种1M，在N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)中)溶液。将这些膜用二甲基甲酰胺(DMF)洗涤5次并储存在DMF中以供进一步使用。将85mg QAR和13mg ZnO(0.5mol eq)的混合物在50mL DMF中回流加热，然后蒸馏除去约一半溶剂体积。向剩余的溶液中加入CS2CO3(100mg)，然后将制备的膜浸没在含有QAR溶液的小瓶中。用漩涡混合器(vortex-genie)搅动它们并使其静置过夜。将强烈着色的条从QAR溶液中取出并用几份纳米级纯化(nanopure)水漂洗。(未处理的管的对照条被放置在QAR溶液中并且没有呈现染料的颜色)。处理的条进一步用乙二胺四乙酸钠(EDTA)处理以从最终模板中除去Zn2+。

[0212] 这些共价连接膜在暴露于水、空气和光下几个月内不会失去吸光度，并保持其金属响应性吸光度。该程序将允许携带不参与金属结合的亲核基团的任何偶氮染料的共价连接。在不存在锌络合物预形成的情况下，由相同程序会得到伴有较低pH响应的稍低金属亲和性：在这种情况下，酚基的烷基化不具有选择性。

[0213] 实施例19为了加入其它材料和表面，另一种共价连接方法涉及用碳酸铯和氯甲基苯乙烯处理传感器的锌络合物。该反应的产物可以通过自由基聚合加入宽范围的材料中，在此例举聚乙二醇二丙烯酸酯。在用EDTA处理除去锌离子后，所得到的亲水性凝胶类似于纤维素膜对金属稳定并有响应。注意，这些方法与标准硅烷化程序相结合，允许共价连接至石英、玻璃、二氧化硅或其它矿物表面，既可以作为单层，也可以作为具有控制厚度、密度和孔隙率的共价连接的凝胶。轻微的修改允许连接到其它表面，包括许多塑料，包括PET和PMMA。

[0214] 实施例20：传感器pH依赖性测量QAR的pH依赖性吸收光谱以确定用于测量金属离子浓度的传感器的酸离解常数(pKA)。将传感器在1至14的pH范围内缓冲，并记录每种溶液的吸收光谱。在ReactLab Equilibria中分析光谱以确定给定pH下pKA值和每种存在的质子物质的分数。结果显示在图5A和图5B，其中L代表QAR分子。

[0215] QAR在3.8、6.1和12.7有三个pKA值。这些值与具有相似结构的其它传感器染料类似。后来确定在本实验中使用的一些缓冲试剂中存在痕量金属杂质，其与QAR产生了光学响应，并为三种pKA值产生了误差来源。随后用离子交换树脂从pH缓冲试剂中除去这些杂质。

[0216] 实施例21：在pH7下QAR和PAR对金属离子的响应。

[0217] 光学传感器通常包含识别位点和发色部分，其中当目标分析物结合识别位点时，传感器经历光学变化，例如光谱转移或颜色变化。理想情况下，传感器应只响应于单一目标分析物。但是，许多传感器没有这种对单一目标分析物高度的选择性，这些化学干扰会产生不准确的结果。水性样品中金属的检测和定量提出了挑战，因为许多金属，特别是d区金属具有相似的离子半径和离子电荷。因此，多种金属可以与特定识别位点结合形成络合物。在某些情况下，传感器无法区分两种金属离子，而在其它情况下，每种金属络合物都具有独特的光谱变化。

[0218] 测量QAR对不同金属离子的响应以确定其选择性并与具有相似结构的另一传感器(PAR)进行比较。样品在pH7下用不同金属标准物制备，记录每种样品的吸收光谱(图6)。此外，下面提供样品的照片以允许视觉比较(图7)。

[0219] 将QAR的光谱与游离染料的光谱进行比较，并且在pH7下QAR的一般响应可以描述如下：不敏感：Ca(II)、Cr(III)、K(I)、Mg(II)、Na(I)、Pb(II)、Sn(II)。

[0220] 弱敏感性：Al(III)、Cd(II)、Mn(II)。

[0221] 强敏感性：Cu(II)、Co(II)、Ni(II)、Zn(II)。

[0222] 严重聚集：Fe(III)。

[0223] QAR比PAR具有更高的结合选择性并且具有更高的光谱敏感性。其它一般观察结果可以描述如下：QAR和PAR在软金属(Na(I)，Ca(II)，K(I)，Mg(II))存在下没有发生光谱变化。这在这些离子以相对高浓度存在的生物应用中是重要的。

[0224] QAR与Co(II)形成品红色络合物，而PAR与多种金属包括Co(II)、Cu(II)、Fe(III)和Pb(II)形成品红色络合物。QAR与Cu(II)、Ni(II)和Zn(II)形成橙色络合物。PAR与Cu(II)形成品红色络合物，与Cd(II)、Ni(II)和Zn(II)形成橙色络合物。因此，QAR可以区分Cd(II)和Zn(II)，它们是比色传感器常见的干扰物。

[0225] QAR与Fe(III)、Pb(II)、Mn(II)和Sn(II)不明显络合。

[0226] PAR和QAR都与Fe(III)发生聚集，但对于QAR清楚可见棕色球状悬浮物。

[0227] QAR与Hg(II)形成透明络合物，该络合物在光谱的可见光和近紫外部分不会强烈吸收。对汞(II)和PAR观察到棕色的球状悬浮物，这归因于聚集。

[0228] 实施例22：评价共价连接的QAR：纤维素基材接下来，将QAR衍生物共价连接到(1)纤维素膜和(2)施加到光纤的多孔聚合物涂层。首先，QAR衍生物共价连接到改性纤维素膜。将膜脱水，然后活化和用溴封端的聚(乙二醇)官能化。这容易与QAR分子上的羟基反应以将染料共价连接到膜上。将该膜的一部分分开并浸入EDTA溶液中以从连接的染料中除去络合的锌。将这些膜放置在两个显微镜载玻片之间以产生平坦的表面以使样品的不希望的光学散射最小化，并且用分光光度计记录膜的吸收光谱。结果显示在图8A和图8B。

[0229] 游离的QAR衍生物具有400-500nm的宽吸收，并且共价连接的衍生物的吸光度曲线与未修饰的QAR形式不同。共价连接的QAR衍生物的锌络合物的吸光度大于具有相似光谱曲线的未结合染料。

[0230] 与锌络合时的吸光度变化不如未修饰的QAR分子的吸光度变化那么显著。传感器响应的减少甚至停止是传感器染料被修饰用于共价连接时遇到的常见问题。而且，由于纤维素膜仅含有QAR衍生物的单层，因此吸光度变化的值相对较小。然而，染料的高表面覆盖率提供了足够的光密度以在分光光度计的仪器限度内获得光谱。

[0231] 计算的差异光谱(其中从EDTA洗涤的膜的光谱中减去锌络合物的光谱)揭示了锌与共价连接的QAR衍生物络合时的吸光度变化。测量的差异光谱是通过使用EDTA洗涤的膜作为空白样品记录锌络合的膜的吸光度而获得的，其类似于“仪器”扣除。两条曲线之间有很好的一致性。此外，差异光谱类似于QAR的MLH形式的光谱。这是一致的，因为QAR分子的质子化位点之一被共价连接基部分修饰。

[0232] 实施例23：评估共价连接的QAR：安装至光纤用于测量的聚乙二醇基材QAR衍生物共价连接到聚合物，该聚合物代替与流动池中的分析物接触的光纤部分的覆层。

[0233] 光纤的缓冲层和覆层从光纤的一部分热移除。随后，将纤维浸入硝酸中以清洁和质子化表面。然后用甲基丙烯酸(三甲氧基甲硅烷基)丙酯将表面官能化，其将在光聚合期间将聚合物涂层结合到二氧化硅纤维。将包含QAR衍生物、聚(乙二醇)二丙烯酸酯、光引发剂和PMMA微球体的溶液施加到暴露的纤维芯并且在惰性气氛下用紫外光进行光聚合(图9)。然后将纤维传感器密封到玻璃流动池中。池装有丙酮以溶解微球体，在纤维芯上产生高度多孔的结构。

[0234] 进行通过纤维的吸光度测量，比较通过相同纤维进入流动池和离开流动池的光强度。通过将来自携带QAR传感器聚合物的光纤的光偶联到流动池之前和之后的正交交叉的第二光纤中来确定透射光强度(图10)。形成正交纤维测量接点，在交叉纤维的纤维芯之间插入聚合物，其折射率使光散射并折射到交叉纤维中以产生与纤维芯中的光强度成比例的光信号。

[0235] 通过以交替方式暴露于锌和EDTA并记录两个参考区域的强度来测试多孔传感器层。用505nm的光照射纤维，其中吸光度变化表示锌络合。锌络合物的吸光度变化在396nm处最大。然而，纤维在这些较短的波长处具有高的固有损失，所以在锌络合物临近最大吸光度变化处(505nm)照射纤维。对每个样品记录五次重复测量结果并进行平均，并进行两次试验(图11)。使用来自两个参考区域的积分强度值来计算衰减。当络合锌从传感器层去除时的衰减变化与用纤维素膜观察到的吸光度变化一致。

[0236] 实施例24：使用多变量分析从QAR光谱测量pH值。

[0237] 几种多变量方法可用于从光谱确定分析物浓度。这些包括多重线性回归(MLR)、反向最小二乘法(ILS)、主成分分析(PCA)、主成分回归(PCR)和偏最小二乘法，也称为潜在结构投影(PLS)。图12是这些多变量分析技术的总体图，尽管上述列表中的一些方法不需要纯组分谱。

[0238] 通过测定含有已知量QAR的溶液的pH来说明MLR。QAR具有三个pKA值和四种有色物质(图13)。通过Henderson-Hasselbalch方程，每种质子化物质的浓度与pH相关。每种物质在给定pH下对吸收光谱有独特贡献。

[0239] 制备一系列验证样品，pH范围从2到12。用常规pH探头和仪表测量每种溶液的pH，并用分光光度计记录每种溶液的吸收光谱。

[0240] 使用结合了组分谱(谱图)和QAR的酸解离平衡的模型以计算溶液中每种物质的浓度，进行MLR回归。更具体地说，回归模型使用与已知pKA值相关的单一浓度参数。

[0241] 使用常规pH探头的测量和通过MLR确定的值计算pH误差。大多数样品的相对误差小于1.5%，并且随着MLR模型中单一浓度参数降低到低于总QAR浓度的百万分之一，误差成比例增加。

[0242] 本实施例中的验证样品没有任何可检测的金属离子。QAR与几种金属离子形成络合物，并且这些络合物具有不同于游离传感器的光谱曲线。因此，这些金属离子被归类为用QAR测量pH的干扰。尽管不实用，但如果已知金属离子浓度和金属络合物的组分谱，则可以实施更复杂的方法。

[0243] 实施例25：使用多变量分析从PAR光谱测定三种金属离子浓度。

[0244] PLS是用于构建预测模型的软模型方法，无需严格了解变量之间的关系。虽然浓度(剂量)和吸光度(响应)之间的关系已被很好地理解，但PLS相对于MLR有几个优点。PLS不需要用于分析的组分谱，其较不容易过度拟合响应数据和产生错误结果，与高度共线(冗余)数据兼容，并且可以有效地处理大数据集。在这个实施例中，通过使用PAR作为传感器测定pH7下的铜、镍和锌的浓度来说明PLS。

[0245] 使用20.0微摩尔PAR制备一组样品，使得吸光度值将在0.05至1.0吸光度单位的范围内。另外，初始染料浓度超过金属络合物的KD，所以传感器在饱和模式下运行，其中金属被“平衡驱动”以与传感器形成络合物。因此，溶液中存在可忽略量的游离金属。

[0246] 类似地，制备样品使得总金属离子浓度不超过10.0微摩尔。PAR与铜、镍和锌形成1:2 M:L络合物。因此，总金属浓度被限制到最大10.0微摩尔以确保PLS模型的吸光度响应是线性的。

[0247] 用0.1M MOPS缓冲液(pH7.0)和0.500mM Triton X-100(防止聚集的表面活性剂)制备20.0微摩尔储备PAR溶液。通过用超纯水稀释原子吸收标准物制备含有100ppm铜、镍或锌的金属离子标准物。制备了一组64种校准溶液和7种伪未知(pseudo-unknown)样品。

[0248] 每个样品的吸收光谱用带有热电冷却CCD检测器和包含色彩平衡滤光片的Stellarnet SL1钨卤素灯的Stellarnet Black Comet紧凑型分光光度计记录。吸收光谱范围为350至843nm，增量为0.5nm。记录总计100次采集并取平均值以改善SNR。不进行光谱的数字平滑、基线处理或预处理。

[0249] PLS模型是使用OriginPro 2016中的校准数据建立的。然后，使用该模型从光谱计算伪未知样品中的预测金属离子浓度。计算伪未知样品的浓度误差以估计模型的准确度。下表给出了结果，其中“制备浓度”是用于制备伪未知样品的金属浓度。“模型预测浓度”是由PLS模型计算的金属离子浓度。计算每个样品的绝对误差。RMSE是单独误差的均方根。所有浓度值均以微摩尔单位给出。负浓度值是无意义的，并且是PLS模型的伪像，不能将其限制为正值(表1)。

[0250] 表1水中的金属离子浓度通常以百万分率(ppm)或十亿分率(ppb)表示。摩尔单位允许并排比较两种不同金属的浓度，尽管1ppm锌不等于相同量的铜。转换表如下(表2)。

[0251] 表2.转换表在这个实施例中，预测PLS模型在使用单一吸收光谱同时量化三种金属离子的浓度方面表现良好。大多数样品的RMSE值在0.20μM内，大约为13ppb。伪未知5具有0.31μM的RMSE，其略小于20ppb。对于伪未知1的两个预测浓度值为负值，但是这些误差很小(小于5ppb)。

[0252] 值得注意的是，PAR结合本实施例中未包括的许多其它金属离子，其可能具有彼此重叠的光谱。如果使用来自其它金属离子的响应用单个传感器来构建更复杂的PLS模型，那么预计预测误差也会增加。但是，包含两个或更多个传感器的阵列的响应也可用于构建更复杂的PLS模型，以提高定量增加量的金属离子物质时的准确度。

[0253] 实施例26：使用多变量分析从QAR和PAR的光谱测定四种金属离子浓度。

[0254] 在这个实施例中，通过使用以下两个传感器测定pH7下的铜、铅、镍和锌的浓度来说明PLS：对铅有响应的PAR和对铅没有响应的QAR。将来自PAR和QAR的单独响应组合成单个PLS模型以改进混合物中铅的定量。

[0255] 制备校准溶液和伪未知样品，记录吸收光谱并以与前面的实施例类似的方式分析。在这里，使用了200种校准溶液来构建预测PLS模型，并制备了8种伪未知样品来估计模型的准确度。

[0256] 使用单个传感器PAR为四种金属建立PLS模型，该传感器对铜、铅、镍和锌具有光谱响应。使用来自每个传感器对这四种金属离子物质的组合响应建立第二PLS模型。计算两种模型金属离子浓度的误差。这允许比较单个传感器和二元件传感器阵列的性能。结果显示在表3中。

[0257] 表3检查铅的误差显示PLS模型具有二传感器阵列相比于单个传感器提高的准确度，伪未知11例外。这是合理的，因为PAR对于铅具有光谱响应，而QAR没有。此外，与二传感器阵列误差的比较在大多数情况下降低了对于铜、镍和锌的准确度。这可以部分地由QAR在pH7下的低于最佳的响应来解释，此时金属-QAR2络合物存在质子化物质的混合物。例如，如图14所示，Cu-QAR2-H2、Ni-QAR2-H2和Zn-QAR2-H2络合物的光谱曲线相似。该分析表明，可以使用来自包含两个或更多个传感器的阵列的响应来构建PLS模型。此外，其还说明PLS可以用于非最佳条件下的传感器，当对于两种金属存在光谱重叠时，PLS的表现令人满意。

[0258] 在另一个未在此处显示的分析中，对光谱进行了预处理以消除任何基线偏移。从在传感器不吸收光的750-840nm的平均吸光度计算出基线值。该值从原始谱图中减去。然后用基线数据进行PLS分析。对于任何金属的准确度没有显著改善，这表明PLS分析技术对吸收光谱中的基线效应不过度敏感。

[0259] 实施例27：使用多变量分析使用QAR和PAR的光谱由重复测量确定四种金属离子浓度。

[0260] 在这个实施例中，PLS模型被用于重复测量。这种二级验证方法被用来获得每种金属的误差分布。

[0261] 用每个传感器制备一组18个重复样品。伪未知8被选中，因为它在混合物中的每种金属的量大致相同，因此应该有混杂的响应。以与前述实施例相同的方式记录每次重复的吸收光谱。此处使用的PLS模型是在前一天构建的，以进一步测试分析过程的限制。误差的计算方式与之前的实施例相同。此外，为了进行视觉比较，绘制了每种金属的误差分布。结果显示在图15和表4。

[0262] 表4QAR PLS模型的误差分布大于PAR模型的误差分布，与上述数据一致。此外，仅用QAR时对于铅有显著的误差和宽的分布，这是可以预料的，因为QAR对于铅没有响应。对于使用PAR和QAR的组合响应的模型，铅具有显著的改善，而铜具有轻微的改善。此外，镍和锌没有显著变化(与PAR模型相比)。这表明，当一个传感器显示对特定金属的响应而另一个传感器不显示时，两个传感器的组合可以产生增加的选择性。

[0263] 此外，旧数据和新数据之间的吸光度值的大小是不同的，看起来PLS模型不受这些差异的明显影响。PLS是统计工具，可以设计算法来应对和容忍这些影响。

[0264] PLS可能容忍随机误差，包括样品制备和光谱基线的变化。

[0265] 实施例28：分析传感器化合物库具有图16所示结构的化合物通过以下方法平行合成：将0.1mmol每种苯胺(8-氨基喹诺酮、邻氨基苯甲酸、8-氨基-1-萘磺酸)溶于1mL 0.5M HCl中并在冰浴中冷却，向其中加入
1mL 0.12M NaNO2，形成相应的重氮鎓盐。将每种酚(0.1mmol间苯二酚、4-氯间苯二酚、1,5-二羟基萘、2-羟基-1-萘甲酸)分别溶解于5mL 80mM NaOH中，并加入重氮鎓盐。

[0266] 筛选化合物与金属的活性，结果示于图17(A=游离染料，B=Zn，C=Co，D=Hg，E=Ni，F=Cd，G=Pb，H=Mg)。从粗反应混合物制备染料溶液，使得在pH7.7 MOPS缓冲液中任何染料的最大浓度为0.0286mM，每种染料置于96孔板的12排之一中。向96孔板各列的每个孔中加入10µL的1000ppm原子吸收标准溶液，使得向每种染料分别加入最少0.0396M浓度的锌、钴、汞、镍、镉、铅和镁。

[0267] 实施例29：游离QAR的质子化状态QAR具有三个质子化位点：喹啉部分中的杂环氮和间苯二酚环中的对羟基和邻羟基。邻羟基参与与金属的结合。

[0268] 测定QAR的酸解离常数(pKA)和光谱曲线。使用1cm比色皿用Perkin-Elmer Lambda 650分光光度计进行吸收测量。使用ReactLab Equilibria (JPlus Consulting Pty Ltd, Australia)分析数据以确定所得的pKA值。QAR有三个质子化位点，因此有四种物质用于分析模型。使用来自具有相似结构的众所周知的分子的值来分配pKA值。

[0269] 使用测量不确定度(pH计和探头、温度等)和常规的误差传播规则进行误差分析。标准误差是在分析过程中由回归确定的不确定度。总的不确定度从误差分析估计(表5)。

[0270] 表5位点 pKA 标准误差总的不确定度
喹啉 N 2.420 ± 0.007 ± 0.170
p-OH 6.539 ± 0.003 ± 0.134
o-OH 12.959 ± 0.009 ± 0.123
结果如图13所示。分析得到特定pH下存在的每种物质的摩尔分数和每种物质的光谱曲线(摩尔衰减系数)。H3QAR+在酸性条件下存在并且在400-500nm区域具有宽吸收。吸收光谱H2QAR相对于H3QAR+红移。HQAR-在大约中性条件下存在并且是以450nm处为中心的强吸收带存在。QAR2-在强碱性条件下存在并且在459nm具有宽的吸收带。

[0271] 实施例30：QAR的形成和解离常数确定QAR和不同金属的形成常数(KF)。相对结合亲和力表征了传感器的选择性，即传感器结合一种金属相对于结合另一种金属的优先性。此外，从形成常数计算相应的解离常数(KD)。这个度量标准产生了传感器热力学上可能的性能下限(对于给定的一组条件)，并且它可以提供传感器的实际工作范围。

[0272] 使用Perkin-Elmer Lambda 650分光光度计记录吸收光谱，而QAR溶液用金属离子标准物滴定。进行侦察滴定(Scout titrations)以获得KD的估计范围。然后，用对于适当的测定而言足够低的初始染料浓度(大约等于KD)进行滴定。此外，使用10cm长路径比色皿进行测量。增加的路径长度补偿了降低的染料浓度，从而在仪器限度内(即吸光度值大于0.05吸光度单位)进行测量。

[0273] 将染料溶液进行pH缓冲，使得仅存在一种质子化形式的游离染料和络合物。另外，选择金属氢氧化物不形成时的pH值，金属氢氧化物可能会从溶液中沉淀出来，并在测量值-中产生误差。在pH8.8时，下面的表达式描述了金属-染料络合物的形成，其中HQAR 作为游离染料占优势，M(QAR)22-作为金属络合物占优势，并且预期金属氢氧化物的形成最少。

[0274] 在ReactLab Equilibria中分析数据以使用上述模型确定形成常数，并确定HQAR和相应金属的初始浓度。该软件对整个光谱进行回归，以计算模型中指定的形成常数。使用对参数值的不同的初始“猜测”进行多次分析以确保算法产生可重复的结果。

[0275] 计算相应的K值并显示在下表中，其中来自回归的标准误差作为不确定度值给出。钴和铜的值的准确性是有限的，因为吸光度的变化太陡，以致于无法正确捕捉曲线的双曲线特性。而且，实验条件不能被调整以产生与其它金属相同水平的仪器灵敏度和准确度。然而，结合亲和力的相对比较是有效的。因此，下表中显示了QAR在pH8.8时的结合亲和力等级(表6)。

[0276] 表6Cu(II) > Co(II) > Hg(II) > Ni(II) > Zn(II)
将结合曲线组合成单个半对数图，以提供QAR与不同金属在pH8.8下的结合亲和力的相对比较(图18)。铜具有最高的亲和力(图的左侧)。类似地，锌具有最低的亲和力(图的右侧)。用于构建图18中的图的单独曲线显示于图19。

[0277] 实施例31：金属-QAR络合物的质子化状态对于游离染料，QAR上的对羟基的pKA被确定为6.5。尽管该基团不参与与金属的络合物形成，但金属-QAR络合物的吸收光谱在大约中性条件下表现出pH依赖性。(请注意，共价连接的一种方案改变了该基团，应该消除这种pH依赖性)。

[0278] 类似地，喹诺酮环中的氮原子也表现出pH依赖性。吸收光谱类似于游离H3QAR+，因此在酸性条件下该氮的质子化阻止了金属络合物的形成。

[0279] 测定酸性条件下的解离常数和金属-QAR络合物上对羟基的pKA。在含有2mM Triton X-100表面活性剂的pH缓冲液中制备一组含有QAR和单一金属标准物的样品。用常规pH探头和仪表测量缓冲液的pH，并用Chelex-100预处理缓冲试剂以除去任何痕量金属杂质。用Perkin-Elmer Lambda 650分光光度计记录每个样品的吸收光谱。

[0280] 在ReactLab Equilibria中进行分析。使用第一反应模拟对羟基的质子化。在这里，pH微观常数(络合物中各染料分子的逐步质子化)不能被解析，因此络合物中的两个对羟基在模型中被处理为都被质子化或都被去质子化。使用第二反应模拟在酸性条件下络合物的分解。

[0281] 分析结果在下表中给出。标准误差是由回归分析确定的不确定度。使用常规误差传播的规则，由实验中涉及的测量估计总的不确定度(表7)。

[0282] 表7金属酸性解离标准误差总的不确定度 pKA 标准误差总的不确定度
Co(II) 1.593 ± 0.009 ± 0.077 6.518 ± 0.009 ± 0.078
Cu(II) 0.635 ± 0.015 ± 0.062 6.479 ± 0.009 ± 0.062
Ni(II) 2.455 ± 0.008 ± 0.070 8.625 ± 0.008 ± 0.071
Zn(II) 2.558 ± 0.010 ± 0.070 7.354 ± 0.011 ± 0.071
金属-QAR络合物的分解发生在低于pH3。每种金属的解离常数不同。例如，对于在酸性条件下的去络合(decomplexation)，铜具有最高的抗性，而锌具有最低的抗性。此外，这种趋势[Cu(II) > Co(II) > Ni(II) > Zn(II)]与结合亲和力的趋势相匹配，并且这两种效应可能与每种金属结合中发生的特定相互作用有关。此外，这提出了潜在的方法，用于通过用酸洗(例如盐酸)剥离金属来逆转连接于基材的传感器。

[0283] 每种物质的光谱曲线和作为pH函数的物质分布在分析过程中产生。质子化的金属-QAR络合物(M-QAR2-H2)具有两个吸收带，并且去质子化的金属-QAR络合物(M-QAR2)具有单一但更强烈的吸收带。金属-QAR络合物对于每种金属都具有独特的光谱曲线，正如峰值吸收波长和每条曲线的形状所表明的那样。

[0284] 金属-QAR络合物在大约中性pH条件下质子化，如图14所示。同样，在酸性条件下金属-QAR络合物的分解对每种金属都是独特的，尽管对于大多数络合物来说，分解开始发生在pH3附近。(注意：表7中列出的K值对应于图14的物质分布图中的曲线的中点)。

[0285] 实施例32：PAN-7OH的金属响应在含有2 mM Triton X-100的pH7缓冲液中制备含有25 µM PAN-7OH和250μM金属离子(过量)的溶液。用1 cm长的比色皿使用Perkin-Elmer Lambda 650分光光度计进行吸收测量。结果显示在图20中。

[0286] 镉、钴、铜、铅、锰(少量)、镍和锌产生相对于游离染料的红移吸光度。这些络合物的吸光度曲线对于每种金属是独特的，尽管镉、镍和锌产生了类似的吸光度曲线。

[0287] 汞和锡产生相对于游离染料的蓝移吸光度，并且这些络合物的光谱曲线是独特的。

[0288] 铝、钙、镁、钾和钠没有显示相对于游离染料的明显的吸光度变化。因此，PAN-7OH不被认为对这些金属离子敏感。

[0289] 实施例33：游离PAN-7OH的质子化状态测定PAN-7OH的酸解离常数(pKA)和光谱曲线。PAN-7OH具有三个质子化位点：吡啶基部分中的杂环氮和萘环上的两个羟基。1位的羟基与金属结合，而7位的羟基不与金属结合。后一基团可以潜在地用于将传感器共价连接至基材。

[0290] 用Chelex-100处理缓冲试剂以去除痕量金属杂质。在含有2 mM Triton X-100表面活性剂的0.1 M pH缓冲液中制备含有25 µM PAN-7OH的样品。用常规pH探头和仪表测量缓冲液的pH值。用Perkin-Elmer Lambda 650分光光度计用1cm长的比色皿进行吸收测量。

[0291] 使用ReactLab Equilibria分析数据以确定得到的pKA值。PAN-7OH有三个质子化位点，因此有四种物质用于分析模型。使用来自具有相似结构的众所周知分子的值来分配pKA值。结果在下表中给出。标准误差是由回归分析确定的不确定度。这里没有执行误差传播计算。

[0292] PAN-7OH中非结合羟基(7-位)的酸解离常数在pH2.7附近出现。PAN-7OH中结合羟基(1-位)的酸解离常数在pH12.3附近出现。与PAN-7OH与金属的结合有关的吡啶基中的杂环氮原子的酸解离常数在pH9.1附近出现(表8)。

[0293] 表8位点 pKA 标准误差
吡啶基N 2.702 ± 0.022
1-OH (金属结合) 12.258 ± 0.017
7-OH (非结合) 9.143 ± 0.011
在分析期间产生每种物质的光谱曲线和作为pH的函数的物质分布，并示于图21中。
PAN-7OH的不同质子化形式具有半独特的光谱曲线。H3(PAN-7OH)+在445nm处具有相对宽的吸收带并且在酸性条件下占优势。H2(PAN-7OH)具有中心在460nm处的吸收带并且在pH4和
8.5之间占优势。H(PAN-7OH)-具有中心在470nm处的吸收带并且在pH10.5占优势。最后，(PAN-7OH)2-具有两个重叠的吸收带，最大值在495nm，并且在强碱性条件下占优势。

[0294] 实施例34：Zn-(PAN-7OH)2络合物的形成和解离常数测定锌和PAN-7OH的形成常数(KF)。另外，由形成常数计算相应的解离常数(KD)。这个度量标准产生了传感器热力学上可能的性能下限(对于给定的一组条件)，并且它可以提供传感器的实际工作范围。

[0295] 使用Perkin-Elmer Lambda 650分光光度计记录吸收光谱，而0.5 µM PAN-7OH溶液用金属离子标准物滴定。进行侦察滴定(Scout titrations)以获得KD的估计范围。然后，用对于适当的测定而言足够低的初始染料浓度(大约等于KD)进行滴定。此外，使用10cm长路径比色皿进行测量。增加的路径长度补偿了降低的染料浓度，从而在仪器限度内(即吸光度值大于0.05吸光度单位)进行测量。结果显示在图22中。

[0296] 将染料溶液进行pH缓冲，使得仅存在一种质子化形式的游离染料和络合物。另外，选择金属氢氧化物不形成时的pH值，金属氢氧化物可能会从溶液中沉淀出来，并在测量值中产生误差。在pH7.2时，下面的表达式描述了金属-染料络合物的形成，其中H2PAN-7OH作为游离染料占优势，M(QAR)22-作为金属络合物占优势，并且预期金属氢氧化物的形成最少。

[0297] 在ReactLab Equilibria中分析数据以使用上述模型确定形成常数，并确定H2(PAN-7OH)和锌的初始浓度。该软件对整个光谱进行回归，以计算模型中指定的形成常数。使用对参数值的不同的初始“猜测”进行多次分析以确保算法产生可重复的结果。计算相应的K值并显示在下图中，其中来自回归的标准误差作为不确定度值给出。

[0298] 实施例35：Zn-(PAN-7OH)络合物的质子化状态PAN-7OH含有两个羟基，其中一个涉及与金属的结合。而且，非结合羟基导致溶液中Zn-(PAN-7OH)2络合物的pH依赖性吸收。

[0299] 缓冲试剂用Chelex-100预处理以除去任何痕量金属杂质。在含有2 mM Triton X-100表面活性剂的pH缓冲液中制备一组含有20 µM PAN-7OH和20μM锌的样品。用常规pH探头和仪表测量缓冲液的pH值。使用Perkin-Elmer Lambda 650分光光度计用1cm长的比色皿进行吸收测量。

[0300] 使用以下模型在ReactLab Equilibria中进行分析。第一反应用于模拟不参与结合的羟基的质子化。同样，微观常数不能在这里解析。此外，在酸性和强碱性条件下观察到Zn-(PAN-7OH)络合物的分解，其中光谱类似于各游离染料的光谱。第二反应用来模拟在酸性条件下质子化络合物的分解。第三反应用于模拟强碱性条件下去质子化络合物的分解和氢氧化锌的形成。

[0301] 结果在下表中给出(表9)。标准误差是由回归分析确定的不确定度。这里没有执行误差传播计算。Zn-(PAN-7OH)络合物中非结合羟基的酸解离常数在pH 10.5附近出现。Zn-(PAN-7OH)络合物的分解在弱酸性条件下发生，并且归因于吡啶基中的杂环氮原子的质子化，其涉及与锌的结合。Zn-(PAN-7OH)络合物的分解也在强碱性条件下发生。一种可能的解释是：氢氧化锌的形成有利于与PAN-7OH结合。

[0302] 表9络合物 pKA 标准误差酸解离标准误差碱解离标准误差
10.449 ± 0.018 5.272 ± 0.008 13.164 ± 0.011
在分析过程中产生每种物质的光谱曲线和作为pH函数的物质分布。Zn-(PAN-7OH)络合物的质子化和去质子化形式具有独特的光谱曲线。质子化的络合物Zn-(PAN-7OH)2H2在
514nm和552nm处具有两个重叠的吸收带。去质子化的络合物Zn-(PAN-7OH)22-具有两个重叠的吸收带，最大值在529nm。

[0303] Zn-(PAN-7OH)络合物在弱酸性(低于pH 6)和强碱性条件(高于pH 12)下分解。Zn-(PAN-7OH)2的质子化在碱性条件下(大约pH 10.5)发生。上表中列出的K值对应于图23中所示的物质分布图中的曲线的中点。

[0304] 实施例36：玻璃表面的硅烷化通过在MeOH:HCl浴中浸泡30分钟清洁和准备载玻片，用去离子水漂洗，然后在硫酸浴中浸泡30分钟，用去离子水漂洗，然后用甲苯漂洗。然后将载玻片浸没在2%(v/v)的甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷的甲苯溶液中30分钟。用甲苯漂洗载玻片，然后在氮气流下干燥。或者，可以通过将酸处理的载玻片浸入2%(v/v)的十八烷基三氯硅烷的二氯甲烷溶液1小时，用十八烷基三氯硅烷将载玻片硅烷化。这产生疏水玻璃表面，聚合的水凝胶不会粘附其上。

[0305] 实施例37：QAR烷基化水凝胶聚合物的一步制备。

[0306] 一步制备传感器膜。向0.6 mL的45 mg QAR2Zn、50 mg Cs2CO3在7.0 mL DMF中的溶液中加入0.6033 g甲基丙烯酸2-(2-甲氧基乙氧基)乙酯、63.0 mg聚乙二醇二丙烯酸酯(Avg. MW = 575)、0.04 mL氯甲基苯乙烯和12 mg AIBN。在两个光学平滑的玻璃表面之间的薄间隙中，将该混合物在N2下在80℃加热1小时，所述两个光学平滑的玻璃表面一个用十八烷基三氯硅烷硅烷化，另一个用甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷硅烷化。除去十八烷基表面，将膜浸入纯三甲胺中24小时。在CH3OH中浸泡30分钟后，将传感器膜储存在纯H2O中。聚合和共价连接传感器染料(本例中为QAR)的方案如下所示。

[0307] 下面显示了去除用于模板化聚合物的金属离子的方案。

[0308]通过UV/Vis光谱法分析锌模板化膜对金属离子的响应。这些光谱是在取出传感器膜以进行水性暴露并替代分光光度计中的膜后获得的。光谱测量过程中膜位置的变化导致信号分散。

[0309] 所制备的锌模板膜的光谱与EDTA暴露以除去锌离子后获得的光谱不同(图24)。随后暴露于锌离子使膜恢复其锌结合状态。交替暴露于锌离子和EDTA证明了这些稳定膜感测的可逆性(图25)。

[0310] 钴和镍离子也引起特征性的光谱变化，该变化通过EDTA处理被逆转(图26和图27)。

[0311] 这种一步制备展示了几个特点：1.通过传感器的锌络合物的烷基化使传感器与聚合物共价连接的一般方法。这允许仅将感测不需要的酚烷基化。

[0312] 2.通过将阳离子结合到聚合物结构中来改变传感器行为以提高用于感测的浓度范围而不改变吸收光谱。这些是通过三甲胺与超过传感器结合所需的过量的氯甲基反应而形成的三乙基铵基团。

[0313] 3.与水接触的聚合物膜的高质量吸收光谱。

[0314] 4.对金属的可逆性和特征性光谱响应。交替暴露于锌离子和EDTA溶液(去除锌离子)的七个循环提供了这些膜的特异性感测和该感测的可逆性两者的证据。

[0315] 5.钴和镍的响应是不同的和可逆的。

[0316] 实施例38：使用Zn模板化对PAR进行选择性烷基化通过将0.2197 g PAR添加至4mL乙醇和10mL并回流直至溶解来制备并分离PAR2Zn。加入ZnO (0.0421 g, 1.008 mol eq)并回流2小时，并放置过夜，然后除去溶剂。将其由25 mL CH3CN重结晶，将0.0292 g用于使用Cs2CO3 (3.84 mg)/3 mL CH3CN用溴乙酸叔丁酯(17.4 µL)烷基化。这产生了所需的单烷基化产物作为主要产物。用游离染料进行类似的反应，得到PAR两个羟基烷基化的混合物。

[0317] 实施例39：QAR作为纤维素上的pH传感器QAR通过如上所述的共价烷基化与纤维素共价连接。将纤维素放置在pH 1的溶液中，然后放置在另外的pH 10的溶液中，然后获得UV-VIS光谱，如图28所示。

[0318] 实施例40：QAN-3A溶液研究在获得QAN-3A的金属响应的溶液光谱方面进行了几次尝试。使用DMSO在10mL容量瓶中制备储备溶液。将染料用差重法称至瓶中并制备11.5339 mM溶液(储备液A)。将该溶液在另一个10mL玻璃容量瓶中稀释至3.4602 mM(储备液B)。通过将52.5μL储备液B移入PMMA试管中，加入0.5摩尔当量的金属和足够的0.1 M MOPS缓冲液(具有2 mM Triton X-100)以获得
3 mL最终体积，制得60μM染料溶液样品。经检查，溶液出现混浊，可见聚集。

[0319] 另外，用stellarnet黑彗星(stellarnet black comet)获得光谱数据。采集的光谱中没有可用的，因为它们都散射太多光，导致未解析的峰。已经做了几次尝试来解决聚集问题。所有这些程序的变化都是先用锌尝试，看看是否有任何散射减少。Triton X-100浓度首先转换为0μM，然后转换为200μM。在另一个试管中，加入少量DMSO作为共溶剂。另外，添加至试管的顺序也改变了。所有这些程序的修改都是先用锌尝试，看看是否有任何散射减少。这些方法都没有产生QAN-3A的溶液金属响应的有用光谱。

[0320] 实施例41：聚合后用传感器染料衍生水凝胶聚合物通过将甲基丙烯酸2-羟乙酯(8.678g，8.0mL)、甲基丙烯酸甲氧基(乙氧基)乙酯
(12.323g，12.0mL)和聚(乙二醇)二甲基丙烯酸酯(Avg. MW = 750, 2.741 g, 2.50 mL)组合预先制备单体的储备溶液(具有抑制剂)。然后将1.0mL的该储备溶液与10mL甲苯组合并通过碱性氧化铝树脂以除去存在的任何抑制剂。然后将该溶液在减压下浓缩以除去任何甲苯。向其中加入34.0mg AIBN以及1.2mL DMF。在两个光学平滑的玻璃表面之间的薄间隙中，将该脱气的混合物在N2下在80℃加热1小时，所述两个光学平滑的玻璃表面一个用十八烷基三氯硅烷硅烷化，另一个用甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷硅烷化。除去十八烷基表面，使聚合膜附着于另一玻璃表面。

[0321] 水凝胶膜的酰化：用QAN-3A将具有共价连接的含羟基官能团的水凝胶聚合物的载玻片酰化，并测量其对锌的响应。如上所述聚合载玻片，随后通过使载玻片在0.10M的羰基二咪唑的N-甲基-吡咯烷酮溶液中静置24小时，用羰基二咪唑活化载玻片。然后将板置于10%(v/v)的三甘醇二胺的N-甲基-吡咯烷酮溶液中并使其静置24小时，随后酰化。类似地制备第二块板，但不是在溶液中静置24小时，而是将其浸入每种溶液中5分钟，并使其固化24小时，然后酰化。

[0322] 酰化程序：具有羧酸官能团的偶氮染料可按照一般程序被酰化至胺聚合物：在N-甲基-吡咯烷酮中制备1:1:1摩尔比的该羧酸与二异丙基碳二亚胺和羟基苯并三唑，使得最终溶液每种反应物均为0.5M，并将该溶液加入到胺聚合物中。通过制备溶解于0.48mL N-甲基-吡咯烷酮(NMP)中的QAN-3A (0.0082 g, 0.024 mmol)溶液，用QAN-3A酰化胺官能化的水凝胶，向其中加入二异丙基碳二亚胺(0.024mmol)和羟基苯并三唑(0.024mmol)。将该溶液施加到胺聚合物并使其反应5分钟，然后用NMP和几份纳米级纯化水洗涤。在存在和不存在锌的情况下采集QAN-3A酰化聚合物的UV-VIS光谱。结果显示在图29中，该方案如下所示。

[0323] 用QAR将水凝胶甲磺酰化和烷基化：将具有可用羟基官能团的水凝胶膜浸没在无水THF(60mL)中并冷却至0℃。向其中加入甲磺酰氯(1.0mL)。然后加入三乙胺(1.0mL)。使溶液静置一天，然后除去聚合物并用CH3CN漂洗。然后将该甲磺酰化膜浸没在DMF(60mL)中并加入0.1mL之前制备的烷基化溶液(45 mg QAR2Zn, 50 mg Cs2CO3, 7.0 mL DMF)。将其静置24小时，然后除去聚合物并用CH3CN漂洗。

[0324] 实施例42：对于已经用QAN-4OH衍生化的水凝胶的金属响应用UV/Vis光谱法分析对于已经用QAN-4OH衍生化的水凝胶的金属响应。

[0325] 通过将甲基丙烯酸甲氧基(乙氧基)乙酯(0.50mL，0.5468g)、对氯甲基苯乙烯(0.04mL，0.0452g)、聚(乙二醇)二甲基丙烯酸酯(0.0534mg)和AIBN(21.7mg)合并来制备溶液。向其中加入0.6mL烷基化溶液(6.0 mg (QAN-4OH)2Zn, 8.4 mg Cs2CO3, 在3.0 mL DMF中)。在两个光学平滑的玻璃表面之间的薄间隙中，将该脱气的混合物在N2下在80℃加热1小时，所述两个光学平滑的玻璃表面一个用十八烷基三氯硅烷硅烷化，另一个用甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷硅烷化。去除十八烷基表面并将膜浸入纯三甲胺中24小时。在CH3OH中浸泡30分钟后，将传感器膜储存在纯H2O中。

[0326] 当聚合物浸泡在含有锌离子(未知浓度)的溶液和EDTA溶液(未知浓度)中时，显示吸光度曲线发生显著转移。该响应重复多次以证明其可逆性。结果显示在图30和图31中。

[0327] 实施例43：QAN-3A酰化至胺封端纤维素酰化程序：通过用N-甲基-吡咯烷酮(NMP)漂洗将纤维素透析膜脱水。将干燥的膜浸入
1g羰基二咪唑(CDI) 14 mL CH3CN溶液中4小时，用CH3CN彻底漂洗，并使其在10%(v/v)三甘醇二胺CH3CN中放置24小时。具有羧酸官能团的偶氮染料可被酰化至胺封端的纤维素，在本实施例中使用QAN-3A。QAN-3A与二异丙基碳二亚胺和羟基苯并三唑溶液以1:1:1的摩尔比组合于N-甲基-吡咯烷酮中，使得最终溶液每种反应物均为0.5M，并将该溶液加入到胺封端的纤维素中。通过制备溶解于0.48mL N-甲基-吡咯烷酮(NMP)中的QAN-3A (0.0082 g,
0.024 mmol)的溶液，使用QAN-3A来酰化胺封端的纤维素，向其中加入二异丙基碳二亚胺(0.024mmol)和羟基苯并三唑(0.024mmol)。将该溶液施加到胺封端的纤维素并使其反应5分钟，然后用NMP和几份纳米级纯化水洗涤。

[0328] 实施例44：传感器染料的烷基化形成官能单体并将其加入到水凝胶聚合物中。

[0329] 该实施例展示了将传感器染料共价连接到水凝胶聚合物的供选方法。

[0330] QAR的烷基化：合并QAR2Zn (44.8mg, 1 eq.)和Cs2CO3 (63.6mg, 2.6 eq.)。向其中加入对氯甲基苯乙烯(0.0649 M, 在DMF中, 2.5 mL, 2.2 eq)的溶液。将其在RT下搅拌4天。将反应混合物浓缩至干燥并将粗制残余物通过逐步梯度硅胶色谱进行纯化。首先使用10%乙酸乙酯的己烷溶液从柱移出二烷基化产物，然后用纯乙醇从柱移出单烷基化产物。

[0331] 水凝胶与官能单体的聚合：然后将二烷基化的QAR2Zn(未知质量)溶于DMF(0.5mL)中并与甲基丙烯酸甲氧基乙氧基乙酯、聚(乙二醇)二丙烯酸酯(7 mg, Avg. MW =575)和AIBN(10mg)组合。在两个光学平滑的玻璃表面之间的薄间隙中，将该脱气的混合物在N2下在80℃加热1小时，所述两个光学平滑的玻璃表面一个用十八烷基三氯硅烷硅烷化，另一个用甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷硅烷化。除去十八烷基表面并将膜浸入CH3OH中30分钟。将传感器膜储存在纯H2O中。

[0332] 所得到的膜的吸收光谱示于图32。

[0333] 因此，本公开尤其提供了用于检测样品中的至少一种金属的传感器。在下面的权利要求中阐述了本公开的各种特征和优点。

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