四苯乙烯基荧光探针的合成及对硝基爆炸物的检测

尤斐莹，范逸錡，洪周怡，尹守春

(杭州师范大学材料与化学化工学院，浙江 杭州311121)

0 引言

荧光材料因其成本低、灵敏度高和合成简单等，受到国内外研究学者的诸多关注.然而传统的荧光染料分子在浓溶液或者固态状态下由于受到强分子间的π-π相互作用，极易发生荧光猝灭，限制了荧光检测技术的应用范围.直到2001年，唐本忠等发现一些具有聚集诱导发光(aggregation-induced emission, AIE)效应现象的荧光材料[1].这类具有AIE效应的荧光材料在聚集后由于旋转受限，减少以非辐射方式传递的能量，从而大大地提高了其发光效率.因此，具有AIE效应的荧光材料现已被广泛用于生物成像、荧光探针以及智能材料等领域[2-8].

硝基化合物作为重要的化工原料在染料、香料、农业和制药等行业有着广泛应用，但因其化学性质不稳定，存在爆炸风险，所以对于硝基化合物的检测尤为重要，逐渐引起研究人员的重视[9].目前，硝基化合物的检测手段有离子迁移色谱(IMS)[10]、表面增强拉曼光谱法(SERS)[11]、等离子体解析质谱法(PDMS)[12]以及荧光检测技术[13]等.其中，荧光检测技术因便捷高效、检测成本低、灵敏度较高和制备简单等优点而倍受关注.

为此，本文设计合成了一种四苯乙烯基荧光探针S1，并将该荧光探针分子应用于对水溶液中硝基爆炸物的检测.

1 实验部分

1.1 主要实验仪器

Bruker AVANCE/DMX-500核磁共振仪(CDCl3为溶剂，TMS为内标)，Agilent Technologies 6530 高效液质联用仪(采用ESI源)，HITACHI 5300紫外/可见分光光度计，HITACHI F7000荧光光谱仪.

1.2 主要实验试剂

二氯甲烷、石油醚、乙酸乙酯、四氢呋喃、甲苯、无水硫酸镁、碳酸钾均购自国药集团化学试剂有限公司，300～400目硅胶来自青岛海洋化工厂，二苯基甲烷、4-溴苯甲酰苯、正丁基锂、对甲苯磺酸、4-甲氧羰基苯硼酸、四(三苯基膦)钯、氯化铵、氘代氯仿均购自于安耐吉公司，所有试剂均为分析纯.

1.3 四苯乙烯基荧光探针分子S1的合成

1.3.1 合成路线

四苯乙烯基荧光探针分子S1的合成路线如图1所示.

图1 S1的合成路线Fig.1 Synthetic routes of S1

1.3.2 化合物1的合成

在氮气保护下，将二苯基甲烷(4.0 g,23.8 mmol)、无水四氢呋喃(40 mL)和正丁基锂(8 mL，1.6 mol/L，12.8 mmol)加入到置于冰水浴的250 mL两颈烧瓶中.然后，用注射器将含4-溴苯甲酰苯(4.8 g,18.5 mmol)的40 mL无水四氢呋喃溶液注入到两颈烧瓶中，室温搅拌反应6 h.反应结束后，加入饱和氯化铵溶液将反应液调至中性.旋转蒸发除去溶剂后，用二氯甲烷和水(100 mL ×3)萃取分离.收集有机层，用无水MgSO4干燥，过滤得到黄色油状液体.将其溶于80 mL甲苯后，倒至250 mL圆底烧瓶中，然后加入对甲苯磺酸(684.0 mg,3.6 mmol)，在氮气保护下120 ℃反应回流6 h.反应结束后，冷却至室温，旋转蒸发除去溶剂，用二氯甲烷和水(100 mL ×3)萃取分离.收集有机层，用无水MgSO4干燥，最后用柱色谱法以石油醚为展开剂分离，得到白色固体1(2.3 g,55%).熔点：214～215 ℃.1H NMR (500 MHz, CDCl3)δ(ppm): 7.22 (d,J=8.5 Hz,2H), 7.14 ～ 7.09 (m,9H), 7.04 ～7.00 (m,6H), 6.90 (d,J=8.5 Hz,2H).13C NMR (126 MHz, CDCl3)δ(ppm): 142.4,142.3,142.2,141.6,140.5,138.6,131.9,130.3,130.2,130.2,129.8,126.8,126.7,126.6,125.7,125.6,125.5,119.4.HRMS [M+Na]+: calcd. for C26H19BrNa 433.0562, found 433.0560.

1.3.3 荧光探针S1的合成

将化合物1(1.0 g,2.5 mmol)、4-甲氧羰基苯硼酸(1.4 g,7.6 mmol)、碳酸钾(1.8 g,12.7 mmol)和四(三苯基膦)钯(0.3 mg,0.3 mmol)依次加入到250 mL史莱克瓶中.然后，加入100 mL二氧六环的水溶液(体积比3∶1)，液氮油泵冻抽3次除去氧气，80 ℃反应回流48 h.反应结束后，冷却至室温，旋转蒸发除去溶剂后，用二氯甲烷和水(100 mL ×3)萃取分离，收集有机层，用无水MgSO4干燥，最后用柱色谱法以石油醚-乙酸乙酯(体积比20∶1)为展开剂分离，得到白色固体S1(0.9 g,49%).熔点：182～183 ℃.1H NMR (500 MHz, CDCl3)δ(ppm): 8.06 (d,J=8.3 Hz,2H), 7.62 (d,J=8.3 Hz,2H), 7.39 (d,J=8.2 Hz,2H), 7.16～7.00 (m,17H), 3.93 (s,3H).13C NMR (126 MHz, CDCl3)δ(ppm): 165.9,144.0,142.8,142.6,142.5,142.5,140.4,139.2,136.5,130.9,130.3,130.3,130.3,129.0,127.6,126.8,126.7,126.6,125.7,125.6,125.5,125.5,125.4,51.0.HRMS [M+H]+: calcd. for C26H27O2467.2006, found 467.1995.

2 结果与讨论

2.1 荧光探针分子S1的聚集诱导发光性能

将S1溶于一系列不同体积配比的四氢呋喃水溶液，配置成浓度为50.0 μmol/L的四氢呋喃水溶液.以350 nm为激发波长，对S1的不同体积配比四氢呋喃水溶液进行荧光测试，得到对应的荧光光谱图.从图2和图3可以发现，随着不良溶剂水的不断增加，S1的四氢呋喃水溶液在485 nm处的荧光发射峰强度逐渐增强.当不良溶剂水与良溶剂四氢呋喃的体积配比增至9∶1时，485 nm处的荧光强度为纯四氢呋喃溶液时的15倍.这是因为在良溶剂四氢呋喃中，S1四苯乙烯基上的苯环可以自由旋转，从而消耗了吸收的光能，导致其荧光发射非常微弱.但随着不良溶剂水的加入，S1分子间的间距逐渐变小，抑制了苯环的自由转动，因此S1只能以荧光发射的形式释放其所吸收的光能.

浓度: 50 μmol/L; 激发波长: 350 nm.图2 S1在四氢呋喃/水不同配比溶液中的荧光发射图Fig.2 Emission spectra of S1 in THF/H2O mixtures 图3 S1在不同水体积分数中的荧光对比图Fig.3 Plot of fluorescence intensity values of S1 in different water fraction

荧光量子产率的测定进一步说明了分子S1具有聚集诱导发光性能.如图4所示，当水的体积分数小于70%时，S1的荧光量子产率变化很小，荧光量子产率约从0.05增至0.10.但随着水的体积分数达到80%时，S1的荧光量子产率发生了显著增加；当水的体积分数增至90%时，荧光量子产率达到最大值，近乎0.60，约为纯四氢呋喃溶液的13倍.

图4 S1在不同水体积分数中的荧光量子产率图Fig.4 Plot of fluorescence quantum yield values of S1 in different water fraction

2.2 S1应用于硝基爆炸物检测

采用4-硝基苯酚为模型化合物，对S1的四氢呋喃/水(体积比1∶9)混合溶剂进行模拟爆炸物的检测.由图5可知：S1溶液在485 nm处有一个明显的荧光发射峰；然而，随着4-硝基苯酚的加入，485 nm处的荧光发射强度开始下降，并且随着4-硝基苯酚浓度的增大而不断降低.当4-硝基苯酚浓度达到0.6 mmol/L时，此时的溶液几乎没有荧光.产生这一现象的主要原因是具有路易斯酸性质的富电子四苯乙烯单元和具有路易斯碱性质的缺电子4-硝基苯酚分子发生了相互作用导致荧光猝灭.从图6可以看出：当4-硝基苯酚的浓度增至0.1 mmol/L前，(I0/I4-硝基苯酚)-1值变化不大；但随着4-硝基苯酚用量的进一步增加，(I0/I4-硝基苯酚)-1值变化趋势明显，尤其4-硝基苯酚的浓度达到0.5 mmol/L后，(I0/I4-硝基苯酚)-1值的增长趋势变化得非常明显；当4-硝基苯酚的浓度升至0.6 mmol/L时，(I0/I4-硝基苯酚)-1值近似未加4-硝基苯酚时的14倍.利用公式y=y0+Ae-x/t对S1的荧光滴定曲线进行非线性拟合[14]，可以得到该曲线的斜率k值为3.03 ×103；通过计算表1中空白样品的荧光强度值得到标准偏差σ值为4.64，最后，根据计算检测极限的公式LOD=3σ/k，可得到S1的检测极限为4.59 μmol/L.

浓度:50 μmol/L; 激发波长:350 nm.图5 S1在四氢呋喃/水(体积比1∶9)混合溶剂中随着4-硝基苯酚浓度变化的荧光发射图Fig.5 Emission spectra of S1 in THF/H2O mixture (v/v,1∶9) with different amounts of 4-nitrophenol浓度:50 μmol/L; 激发波长:350 nm.图6 4-硝基苯酚浓度变化与(I0/I4-硝基苯酚)-1的点线图Fig.6 Plots of (I0/I4-nitrophenol)-1 values versus 4-nitrophenol concentrations

表1 S1空白溶液在485 nm处的荧光强度值Tab.1 The S1’s fluorescence intensity of 20 blank solutions at 485 nm

3 结论

本文合成和表征了一种可用于硝基爆炸物检测的四苯乙烯基荧光探针分子S1.S1的四氢呋喃溶液随着不良溶剂水的体积配比增加，485 nm处的荧光发射峰强度不断增强，荧光量子产率也随之增高；当水的体积分数达到90%时，其荧光强度为纯四氢呋喃溶液的13倍，荧光量子产率约为0.60.在S1溶于混合溶剂(四氢呋喃/水体积比1∶9)加入模型爆炸物4-硝基苯酚时，随着4-硝基苯酚浓度的增加，S1的荧光强度不断减弱；当4-硝基苯酚浓度达到0.6 mmol/L时，荧光近乎不可见.S1的荧光滴定实验测得其检测极限可低至4.59 μmol/L.因此，S1可作为高效的爆炸物检测探针.