有机波谱分析在有机分析及超分子化学分析中的应用*

张来新，朱海云（宝鸡文理学院化学化工学院，陕西宝鸡721013）



有机波谱分析在有机分析及超分子化学分析中的应用*

张来新*，朱海云
（宝鸡文理学院化学化工学院，陕西宝鸡721013）

摘要：有机波谱分析是现代有机分析和超分子化学分析的主流和核心，其优点是准确、快速、样品用量少。本文介绍了：（1）红外光谱分析法在超分子化学研究中的应用；（2）荧光波谱分析在超分子化学研究中的应用；（3）色谱分析法在超分子化学研究中的应用。并对有机波谱分析在有机化学和超分子化学中的应用进行了展望。

关键词：有机波谱分析；超分子化学；应用

有机波谱分析是现代有机分析和超分子化学分析的主流和核心，其优点是准确、快速、样品用量少，是现代有机分析和超分子化学分析必不可少的重要分析表征手段，其主要内容是紫外吸收光谱法（UV）、红外吸收光谱法（IR）、核磁共振波谱法（NMR）、质谱分析法（MS）、高效气相色谱法、高效液相色谱法、有机荧光探针法、比色荧光分析法等组成的用于鉴定和表征有机化合物和超分子化合物结构的定性定量分析方法。有机波谱分析不仅在有机化学领域，而且在二十一世纪的热点学科如超分子化学、生物化学、生物学、医药学、食品科学、环境科学、材料科学、生命科学、能源科学、信息科学、纳米科学、大环化学等众多领域有着广阔的应用前景，同时在工业、农业、国防及化工生产与研究中均有着极大的实用价值。

1　红外光谱分析法在超分子化学研究中的应用

1.1硫醇小分子响应的近红外荧光探针及其应用

硫醇生物小分子中的半胱氨酸（Cys）、同型半胱氨酸（Hcy）、谷胱甘肽（GSH）及内源性气体信号分子硫化氢（H2S），在维护生命活动中彼此关联，发挥着重要作用。体内异常水平的Cys，Hcy，GSH，H2S常与生理、病理及多种疾病等相关。因而，快速、准确、实时在线地区分检测Cys，Hcy，GSH及活体组织中H2S的痕量/超痕量高灵敏度的捕获，了解其分布和生理功能，对疾病诊断与靶向分子的相互作用的调控/机制等方面的研究具有重要的应用价值［1,2］。为此，沈阳化工大学的于海峰等人通过实验证明，位于近红外区域（650～900nm）的生物组织光学窗口对近红外区的光吸收较少，其提高了检测的灵敏度和选择性，从而有利于提高荧光成像效率。他们还通过对Bodipy母核进行修饰寻求突破，基于刚性近红外Bodipy，发现了硫醇响应的荧光探针，报道了基于aza-Bodipy的硫醇响应的近红外荧光探针（λem=755nm）。同时，还报道了meso位的醛基Bodipy类的近红外荧光探针（A）。并发现探针（A）是研究单一选择性Hcy的时间依赖型（Time-dependent）荧光探针的模型分子［3］。该研究将在医学、生命科学、生物化学及仿生学研究中得到应用。

1.2烟草6种常规成分的近红外光谱分析技术及应用

传统的检验烟叶化学成分的方法特别费时费力、且操作繁琐。近年来，随着检测技术与计算机技术的结合使其检验方法迅猛发展，其近红外检测技术得到了人们的亲睐。因为其有快捷、准确、样品用量少、无破坏性、多组分可同时测定等优点，因之已成为烟草行业中发展最快的分析检测技术。为此，延边大学的赵小龙等人对烟草样品中的六种常规组分（水溶性总糖、水溶性还原糖、总氮、烟碱、总钾、总氯）进行了近红外光谱扫描，结合化学计量学方法，建立了6种常规成分的定量分析模型，并对模型进行了优化、检验和评价。为了检验建立的6种成分的定量模型，用API-300型流动分析仪分析了100种未知烟样，据测定值和预测值可知，其连续流动分析仪与近红外的测量差异较小,故说明用红外扫描法测定建立的模型实用可靠，可预测未知烟样中的六种常规成分如总糖、还原糖、烟碱、氯、钾、氮的含量［4］。

1.3磁性金属有机骨架材料的合成表征及催化性能研究

研究表明，磁性金属有机骨架超分子材料是近年来兴起的新型纳米功能材料，它由MOFs材料和磁性材料组合而成，具有很高的选择性、良好的分散性和可多次重复利用等优点，在环境科学、医学、生命科学、催化科学、不对称合成、信息科学、生物医学、工业、农业及国防领域均有着广阔的应用前景［5,6］。为此，大连民族大学的张艳梅等人以Fe3O4为核心，分别以IRMOF-3（A）和Cu3（BTC）2（B）为壳层，采用层层包裹的方法制备了核-壳结构的磁性IRMOF-3@Fe3O4和Cu3（BTC）2@Fe3O4超分子材料，并将其超分子材料进一步氨基功能化。后用X-射线衍射（XRD）、傅里叶变换红外光谱（FT-IR）、透射电镜（TEM）、扫描电镜（SEM）及氮气吸附等手段对其超分子材料进行了表征，并考察了该超分子材料在缩合反应中的Knoevenagel催化反应性能。实验结果表明，氨基功能化的Cu3（BTC）2@Fe3O4和IRMOF-3@Fe3O4材料呈现Fe3O4和氨基化金属有机骨架超分子材料的双重功能，既可以磁性分离，又具有金属有机骨架超分子材料的晶体结构、孔结构和催化性能，在缩合反应中表现出良好的催化反应活性、选择性和稳定性［7］。该研究将在手性合成、催化、化学、材料、生物、医学等方面彰显出广阔的应用前景。

2　荧光波谱分析在超分子化学研究中的应用

2.1对分子转子型BODIPY粘度荧光探针的研究

正常活细胞内，细胞质的粘度范围为1～2cp，而膜系统的粘度最高可以达到140cp。当出现病变,细胞逐渐凋亡时,细胞内的生物大分子可能由于发生分子间的偶联等作用会导致细胞内的粘度显著提高,最高可以达到300cp。细胞内粘度是影响物质扩散、信号传递以及生物大分子间相互作用的一个重要标志。粘度的异常变化与糖尿病、动脉硬化、高血压、老年痴呆症等疾病密切相关，因而对细胞内粘度的检测具有重要意义［8，9］。为此，延边大学的石连生等人以BODIPY为荧光团设计合成了化合物meso-（4-py）-BODIPY（A），其meso-位引入4-吡啶基作为转子部分。由于A结构中1,7-位甲基的存在，甲基对meso-位吡啶基的扭转张力使吡啶基转子部分与荧光团部分不能完全共平面，成最稳定构象时，转子与荧光团的二面角约为34°。同时二面角大小还受溶剂粘度的影响，随着体系粘度的增加，溶剂作用克服扭转张力使二面角减小，结构趋于共平面，提高了转子与荧光团的共轭程度，使荧光发射效率增加。研究发现，pH值在4～9范围内，其荧光强度保持稳定，而在水-甲醇-甘油三元体系组成的粘度1～300cp范围内，A的荧光强度随体系粘度的增加而增加，并满足线性关系。线性拟合结果，表明化合物meso-（4-py）-BODIPY可用作粘度探针，并有望应用于细胞内微环境粘度分布及其变化的检测［10］。该研究将在临床医学、生命科学、生物科学、病理性及仿生学的研究中得到应用。

2.2有机荧光探针的构建及传感研究在超分子化学中的应用

有机荧光探针及传感器在有机化学及超分子化学的研究中应用广泛。为此，山西师范大学的郭炜等人近6年富有成效的研究工作包括以下5个方面：（1）针对生物硫醇，提出硝基烯烃作为d-PET接受体、氢键抑制C=N及C=C键异构化、静电作用抑制的重排-环化荧光调控机理，构建了系列荧光探针，实现了生物硫醇的选择性传感；开发了“氯代香豆素-半花菁”、“4-甲氧基苯硫酚取代的吡啰红”及“苯硫酚取代的顺丁烯酸酐”探针平台，从不同的荧光发射通道实现了生物硫醇彼此间的选择性传感。（2）针对生物信使分子H2S，利用其亲核性、双亲核性及还原性特点，开发了香豆素-花色素、2-碘甲基苯甲酸荧光素酯、2-（2-叠氮苯基）苯并噻唑三个荧光探针，分别解决了常规H2S荧光探针响应速度慢、探针负载大及检测限高的问题。（3）针对生物信使分子NO，为避免其它生物分子（如AA, DHA, MGO）的干扰，开发了“2-胺基-3’-二甲胺基二联苯”NO键合基团，提出直接将邻苯二胺的一个胺基与荧光团连接的方法，由此构建的荧光探针能选择性地传感NO。（4）针对生物气体SO2衍生物，利用其诱导的Michael加成反应，构建了新型荧光探针，实现了对的比率荧光传感。（5）针对剧毒CN-离子，开发了氢键活化的亚胺键合基团，提出氰-铜配位抑制铜离子对荧光团的猝灭原理，构建了系列荧光探针，实现了对CN-的选择性传感。（6）合成了系列苯甲酸功能化的近红外荧光染料，为荧光探针的构建提供了平台；提出S0-S2高能激发提高近红外Bodipy染料荧光强度的方法，增强了该类荧光探针的检测灵敏度［11］。

2.3面包酵母中GSH和总-SH含量的测定

GSH等含半胱氨酸残基的巯基化合物，具有抗氧化、提高机体免疫力、重金属解毒、维持生物细胞特定的氧化还原氛围等多种生物学功能。为此，延边大学的刘亚君等人利用OPA和DTNB作衍生化试剂，用面包酵母作为活细胞样本，采用细胞破壁、衍生化为一体的前处理方法，分别利用光谱法、色谱法测定了酵母中的GSH和总巯基（-SH）含量，并对不同前处理方法和分析方法的测定结果进行了比对，确立了准确测定生物细胞内的GSH等巯基化合物的分析新方法［12］。该研究将在分析分离科学、环境科学、食品科学、生命科学、生物化学、生物学、仿生学及医药学领域得到应用。

3　色谱分析法在超分子化学研究中的应用

3.1重金属胁迫酵母细胞中GSH与总-SH的含量测定

实验表明，生物体对重金属的抗逆性、解毒及积累作用与生物细胞内富含GSH和金属硫蛋白等巯基化合物有关，它们的作用主要是通过巯基与金属离子生成配合物的缘故，但其详细的化学机制还不十分清楚。酵母是一种单细胞微生物，它与高等植物细胞有一样的细胞结构和代谢途经。为了探讨生物细胞内GSH等巯基化合物与重金属之间的作用机制，延边大学的胡北等人，采用酵母作为生物细胞样本，利用已确立的光谱和色谱分析法，研究了不同重金属胁迫时巯基化合物的应答作用机制，从而探讨了GSH等巯基化合物与不同重金属相互作用机理，为生物细胞对重金属解毒和积累作用机制的探讨提供了基础实验依据［13］。该研究将在医药学、环境科学、生命科学、仿生学、生物化学、食品科学及分析分离科学中得到应用。

3.2HPLC法和光谱法测定蜂花粉中还原性谷胱甘肽（GSH）及总巯基（-SH）含量

蜂花粉是蜜蜂从植物花朵上采集花粉过程中加入花蜜和唾液，以使花粉黏集成花粉团。蜂花粉的种类很多，不同花粉之间营养成分存在一定差别，但目前报道的有效成分测定主要包括；碳水化合物、蛋白质、脂肪、氨基酸、维生素、类胡萝卜素、类黄酮和色素等。GSH等含巯基化合物的含量测定数据的缺失可能与前处理过程中巯基的氧化变性导致的漏检有关。故选择合适的前处理方法测定GSH等含巯基化合物的含量，对其生物学功能及活性成分的研究具有实际意义。为此，延边大学的翟方圆等人分别以DTNB和OPA为衍生化试剂，利用光谱法和色谱法探讨了胞外环境前处理对巯基的氧化变性对测定结果的影响。实验结果表明，先提取后衍生化和同步衍生化法相比，分析信号明显变弱。通过对实验中GSH标准溶液的UV-vis吸收光谱和荧光光谱的线性回归方程和相关系数进行分析，最后进行了线性范围、检测限量和回收率实验，结果表明，HPLC和UV-vis分光光度法测定GSH和总巯基含量是的回收率均值分别为101.84%和101.46%，满足测定准确度的要求。细胞破壁、衍生化为一体的同步衍生化提取方法，有效避免生物样品破壁后氧化变性导致的漏检。

测定结果表明，蜂花粉干粉中含丰富的GSH和含巯基蛋白质，是蜂花粉中重要的营养成分和功能成分［14］。该研究将在食品保健科学、营养学、生命科学、医药学、植物学、生物化学、仿生学及分析分离科学中得到应用。

4　结论

综上所述，由于有机波谱分析是一门新兴的热门边缘学科，其内容抽象繁杂、复杂多变、信息量大、涉及知识面广、应用广泛，因之是对有机化合物和超分子化合物进行分析的准确、可靠、快速、样品用量少的非常有效的工具。我们坚信，随着有机波谱分析技术的不断完善和发展，必将促进有机化学和超分子化学迅猛发展，同时还将为人类社会的文明进步、可持续发展结出更丰硕的成果。

参考文献

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Applications of organic spectral analysis on organic analysis and supramolecular chemistry analysis*

ZHANG Lai-xin，ZHU Hai-yun
（Chemistry & Chemical Engineering Department, Baoji University of Arts and Sciences, Baoji 721013, China）

Abstract：Organic spectral analysis is the mainstream and kernel of modern organic analysis and supramolecular chemistry analysis. The advantages of organic spectral analysis are accuracy, rapidity, and less sample dosage. This paper introduces：①applications of infrared spectral analysis on supramolecular chemistry；②applications of fluorescence spectral analysis on supramolecular chemistry；③applications of chromatography on supramolecular chemistry. Future applications of organic spectral analysis are prospected in the end.

Key words：organic spectral analysis；supramolecular chemistry；application

中图分类号：TQ61

文献标识码：A

DOI：10.16247/j.cnki.23-1171/tq. 20160440

收稿日期：2016-01-17

基金项目：陕西省重点实验室科研计划项目（2010JS067）；陕西省教育厅自然科学基金资助课题（04JK147）；宝鸡文理学院自然科学基金资助课题（zk12014）

作者简介：张来新（1955-），男，汉族，陕西周至人，宝鸡文理学院化学化工学院教授，硕士研究生导师，主要从事大环化学研究及天然产物分离提取。