胺醇修饰的β‑二酮铕配合物对有机小分子胺的高灵敏检测

李静雅 黄文儒 王 峰 周妍妍＊,

(1包头稀土研究院，白云鄂博稀土资源研究与综合利用国家重点实验室，包头 014030)

(2黑龙江大学化学化工与材料学院，功能无机材料化学教育部重点实验室，哈尔滨 150080)

有机小分子胺广泛存在于合成纤维、染料和药物制剂中[1‑3]。人类长期暴露在含有挥发性有毒有机小分子胺的相关环境中会产生头痛、恶心、血压异常、呼吸紊乱等过敏反应，严重时甚至会危及生命。因此，对有机小分子胺的实时检测引起了人们的广泛关注。仪器分析法是目前用于检测有机小分子胺的一种常用方法，其主要包括气相色谱法、高效液相色谱法、气相色谱-质谱法、荧光分析法和循环伏安法等。然而，使用上述方法进行有机小分子胺的检测不仅需要使用昂贵的精密仪器，而且在检测前需要对样品进行富集等复杂且耗时的预处理[4‑7]。所以，该方法不仅耗时耗力，还增加了检测成本。

与传统的仪器分析方法相比，荧光传感器具有灵敏度高、检测速度快、操作简单等优点[8]。常见的荧光传感器有有机染料分子[9]、无机纳米粒子(FINPs)[10]、共轭聚合物等[11]，这些荧光传感器已经被广泛应用于液态及气态下的有机小分子胺传感。但是，有机染料分子的化学稳定性较差，多次循环使用会导致出现快速光漂白的现象；而无机纳米粒子往往由重金属组成，因此具有较高的生物毒性；共轭聚合物在合成过程中，不同异构体所产生的结构缺陷或残留催化剂引起的杂质缺陷会降低传感器的性能与使用寿命[12‑15]。因此，这些荧光传感器在实际应用中仍存在较大的局限性。

稀土荧光传感器可以通过对配体结构的设计大大增加配合物的稳定性；同时，配体对稀土离子的紧密包裹可以降低配合物的生物毒性[16]。镧系发光稀土配合物具有较窄的特征发射峰、大斯托克位移(>150 nm)以及长激发态寿命等优点，使其表现出在排除背景荧光干扰的同时进一步提高传感器灵敏度的优势[17‑19]。同时，在多种有机配体中，β‑二酮配体与稀土离子的配位能力较强，且具有较高的摩尔吸光系数和能量传递效率，因此β‑二酮配体可以很好地敏化稀土离子发光[20]。然而，Ln中心的高配位数与球形配位场通常会导致配合物分子进行紧密的堆积从而形成致密固体[21]。同时，稀土配合物与高分子材料的相容性较差，使得稀土配合物难于器件化[22‑24]。

为解决上述问题，我们设计并合成了胺醇修饰的具有配体内电荷转移(ILCT)性质的单β‑二酮配体HL(HL=(2Z)‑1‑(4‑(双(2‑羟基乙基)氨基)苯基)‑4，4，4‑三氟‑3‑羟基丁‑2‑烯‑1‑酮)，使其与稀土Eu离子按3∶1的化学计量比通过配位导向自组装的方式获得了配合物[Eu(L)3(H2O)2](图1)。通过电喷雾飞行时间质谱(ESI‑TOF MS)与1H NMR谱表征，证实了该配合物的成功合成。原子力显微镜(AFM)表征证实了高质量[Eu(L)3(H2O)2]旋涂膜的成功制备。传感测试表明，[Eu(L)3(H2O)2]旋涂膜对有机小分子胺具有快速可逆的发光增强响应。通过[Eu(L)3(H2O)2]薄膜加入有机小分子胺前后的红外光谱、紫外可见光谱和磷光光谱证实：具有亲核性的有机小分子胺氮原子对[Eu(L)3(H2O)2]中羰基的相互作用有效地削弱了配体的ILCT效应，使配合物的发光出现了明显的增强。

图1 配体HL及其稀土配合物[Ln(L)3(H2O)2]的合成路线Fig.1 Synthesis of the ligand HL and the lanthanide complex[Ln(L)3(H2O)2]

1 实验部分

1.1 实验仪器及试剂

实验所用试剂均为分析纯。三乙胺、氢氧化钠、氯化钠、无水硫酸钠、金属钠购于科密欧化学试剂有限公司。乙二醇二甲醚(DME)、2‑氯乙醇、4‑氨基苯乙酮购于麦克林生化科技有限公司。二氯甲烷、乙酸乙酯、正己烷购于天津富宇精细化工有限公司。盐酸购于新科医药试剂有限公司。三氟乙酸乙酯购于上海达瑞精细化学品有限公司。六水合三氯化铕(EuCl3·6H2O)、六水合三氯化钆(GdCl3·6H2O)购于阿拉玛斯试剂有限公司。乙二胺(EDA)、二丙胺(DPA)、三丙胺(TPA)、三异丙基胺(TIPA)购于上海安耐吉化学有限公司。

主要仪器有Spectrum One型红外光谱仪、Lambda 25型紫外可见光谱仪、STA 6000型热重分析仪(TGA，美国Perkin‑Elmer公司)、Elementar Vario型元素分析仪(德国 Elementar公司)、XP‑100型台阶仪、SPM 5100型原子力显微镜(安捷伦科技有限公司)；Avance Ⅲ 400型核磁共振波谱仪、Bruker maXis型电喷雾飞行时间质谱仪(瑞士布鲁克公司)、稳态/瞬态荧光光谱仪(英国爱丁堡公司)。

1.2 化合物1a的合成

在室温下将 4‑氨基苯乙酮(15.00 g，0.11 mol)加入到装有300 mL 15% 的NaOH溶液的三颈瓶中，在搅拌下向反应体系中通入氮气。待反应体系升温到100℃，使用恒压滴液漏斗缓慢滴加2‑氯乙醇(17.88 g，0.22 mol)并持续搅拌4 h。4 h后不断检测反应体系的pH，使反应体系始终保持在碱性环境。12 h后，通过TLC监测反应进程。反应结束后，使用二氯甲烷(75 mL×5)萃取，合并有机层，水洗3次至pH呈中性，再用饱和食盐水洗涤1次。有机相用无水Na2SO4干燥，蒸馏得黄褐色粗产品。粗产品用二氯甲烷重溶，使用柱色谱纯化得到浅黄色固体。乙酸乙酯重结晶得到浅黄色针状结晶(10.42 g)，产率约为42.1%。1a的元素分析按C12H17NO3的计算值(% )：C 64.55，H 7.67，N 6.27；实测值(% )：C 64.47，H 7.65，N 6.25。

1.3 配体HL的合成

称取甲醇钠(0.73 g，13.44 mmol)于100 mL圆底烧瓶中，加入约40 mL DME，搅拌下加入三氟乙酸乙酯(1.19 g，13.44 mmol)至甲醇钠完全溶解。取1a(1.00 g，4.48 mmol)加至圆底烧瓶中，搅拌12 h。反应完毕后将反应液倒至40 mL蒸馏水中，逐滴加入3 mol·L-1盐酸至溶液pH=2～3。析出黄色油状物。油状物用少量二氯甲烷溶解后滴加至正己烷中，得到黄色粉末(1.22 g)，产率约为85.5%。HL的元素分析按 C14H16F3NO4的计算值(% )：C 52.67，H 5.05，N 4.39；实测值(% )：C 52.62，H 5.07，N 4.36。1H NMR(400 MHz，CD3OD)：δ7.83～7.87(d，J=8.6 Hz，2H)，6.60～6.58(d，J=8.4 Hz，2H)，6.52(s，2H)，3.89(q，J=4.8 Hz，2H)，3.38(t，J=5.2 Hz，2H)。

1.4 配合物[Ln(L)3(H2O)2]的合成

称取配体HL(0.10 g，0.31 mmol)加至50 mL圆底烧瓶中，加入8 mL甲醇搅拌溶解。10 min后加入用甲醇稀释的三乙胺(0.05 g，0.47 mmol)。然后缓慢加入LnCl3·6H2O(Ln=Eu、Gd)的甲醇溶液，搅拌12 h，浓缩反应液，加水析出黄色粉末。

[Eu(L)3(H2O)2]：产率约为 72.6%。化学式：C42H45F9N3O12Eu(1 107.20)。ESI‑MS[M+Na]+计算值(m/z)：1 130.198 5，实测值：1 130.203 3。元素分析计算值(% )：C 45.58，H 4.10，N 3.80；实测值(% )：C 45.55，H 4.13，N 3.84。

[Gd(L)3(H2O)2]：产率约为70.1%。化学式：C42H45F9N3O12Gd(1 112.22)。ESI‑MS[M+K]+计算值(m/z)：1 151.337 5，实测值：1 151.329 1。元素分析计算值(% )：C 45.36，H 4.08，N 3.78；实测值(% )：C 45.41，H 4.10，N 3.81。

1.5 铕配合物薄膜的制备

将0.5 mL 0.1 mol·L-1配合物的THF溶液滴在已吸附在匀胶机的圆形石英片上。以800 r·min-1旋转5 min得到了配合物薄膜。

1.6 不同浓度胺气体的制备

室温下，在Schlenk管中加入适量的有机小分子胺，将瓶口用翻口塞封好，待胺挥发24 h后，Schlenk管中气体即为胺的饱和蒸气。使用注射器抽取并稀释以获得不同浓度的胺蒸气。以EDA为例，25℃时EDA的饱和蒸气压为2.1×104Pa，用注射器抽取0.5 mL的饱和蒸气，再抽取空气稀释至5 mL，此时蒸汽的浓度为35.0 mmol·L-1，留取2.4 mL气体，再稀释至 5 mL，此时气体浓度为 16.7 mmol·L-1，以此类推，获得不同浓度的胺蒸气。

1.7 配合物薄膜对有机小分子胺的传感测试

将切割好的薄膜置于带盖且四面透光的3 mL石英比色皿中，然后将不同浓度的胺蒸气依次注入到测试皿中。以380 nm作为最大激发波长，待配合物薄膜与胺蒸气充分作用10 s后，测试配合物薄膜的发射光谱。

2 结果与讨论

2.1 配体和配合物的合成与表征

配体HL及其稀土配合物的合成路线如图1所示。化合物1a的合成参照文献报道的方法[25]。化合物1a通过克莱森酯缩合反应得到了单β‑二酮配体HL。将配体HL与稀土LnCl3·6H2O(Ln＝Eu、Gd)以3∶1的计量比在甲醇中反应，得到了相应的单核配合物。

首先通过对单核配合物的ESI‑TOF MS分析证实了单核配合物的成功构筑。如图2a所示，在阳离子模式下[Eu(L)3(H2O)2]的质谱仅显示出2组较为清晰的信号峰，质荷比分别为1 130.203 3和1 181.335 7，分别归属为配合物与不同阳离子的加合物[Eu(L)3+Na]+与[Eu(L)3+Et3NH]+。为了进一步验证实验数据的准确性，我们对m/z=1 130.203 3的离子峰进行了同位素分布分析(图2a插图)，通过与模拟得到的理论值对比，实测值与理论值能够完美地吻合，这表明了离子峰归属的准确性，并证实了铕配合物的成功合成。

图2 (a)[Eu(L)3(H2O)2]的ESI‑TOF MS谱图(插图：实测与模拟的同位素分布);(b)[Eu(L)3(H2O)2]与HL在CD3OD中的1H NMR谱图Fig.2 (a)ESI‑TOF MS spectra of[Eu(L)3(H2O)2](Inset：simulated(Sim.)and observed(Obs.)isotopic pattern);(b)1H NMR spectra of[Eu(L)3(H2O)2]and HL in CD3OD

与此同时，我们对铕配合物进行了1H NMR表征。从图2b中我们能够清楚地观测到一组清晰尖锐的信号峰，但由于Eu3+离子顺磁性的影响[26]，配合物的1H NMR与HL相比具有一定的峰展宽迹象。同时，大部分信号峰发生了位移。这表明配体与稀土离子在甲醇自组装过程中只形成了单一物种。

2.2 配合物的TGA

图3是[Eu(L)3(H2O)2]的TGA图。由于β‑二酮稀土配合物中稀土离子的配位数多为八配位或九配位，所以配合物存在配位的溶剂分子。从图中可以看出，配合物在30～170℃范围失去配位的溶剂分子，失重百分比为3.2% (计算值：3.4% )。由于配合物结构中有热稳定性低的胺醇取代基，因而温度超过200℃后，配合物开始分解。

图3 配合物[Eu(L)3(H2O)2]的TGA曲线Fig.3 TGA curve of[Eu(L)3(H2O)2]

2.3 配合物薄膜的制备与表征

如图4a所示，[Eu(L)3(H2O)2]薄膜在365 nm紫外光照射下仅发出微弱的红光。薄膜的形态会极大地影响固体荧光传感器的传感性能[27]，通过AFM表征了薄膜的表面形貌，结果如图4b所示。测试结果显示，薄膜表面具有较高的平整性和均一性，表面粗糙度系数在0.7～1.0 nm范围内。这样高质量的薄膜可以有效减少测试过程中由于漫反射带来的误差，增加测试结果的可重复性。

图4 [Eu(L)3(H2O)2]薄膜(a)在365 nm紫外光下的照片和(b)AFM图Fig.4 (a)Photos under 365 nm UV light and(b)AFM image of the[Eu(L)3(H2O)2]film

2.4 配合物薄膜的光物理性质

我们首先对[Eu(L)3(H2O)2]薄膜的光物理性质进行了研究。如图5所示，从UV‑Vis吸收光谱可以观察到一处较为明显的吸收谱带。320～440 nm的吸收谱带归属于配体到β‑二酮单元的π‑π*电荷转移引起的跃迁。配合物薄膜的UV‑Vis吸收光谱可以很好地与激发光谱吻合。通过380 nm的最大激发波长得到了配合物薄膜的发射光谱，测试结果显示出Eu离子的特征谱带，在612 nm处为Eu离子5D0→7F2电子跃迁的特征发射峰。

图5 [Eu(L)3(H2O)2]薄膜的 UV‑Vis(黑线)、激发 (蓝线)和发射(红线)光谱Fig.5 UV‑Vis absorption(black line),excitation(blue line),and emission(red line)spectra of the[Eu(L)3(H2O)2]film

2.5 配合物薄膜对小分子有机胺的荧光传感

为了定量描述荧光强度增加与小分子有机胺浓度之间的关系，将不同浓度的DPA、TPA、TIPA、EDA的蒸气通入装有[Eu(L)3(H2O)2]薄膜的测试皿中，待薄膜与有机小分子胺充分作用10 s后，设置激发波长为380 nm，记录612 nm处薄膜发射强度的变化，如图6所示。以TPA为例，随着TPA浓度由0.07 mmol·L-1增加至 3.36 mmol·L-1，薄膜的发光强度增加了11.2倍。薄膜在通入DPA或EDA后也产生了类似的荧光强度变化。而TIPA由于分子体积较大限制了待测物与配合物的相互作用，因此荧光强度变化幅度较小。

图6 加入不同浓度的有机小分子胺蒸气后[Eu(L)3(H2O)2]薄膜的发射光谱Fig.6 Emission spectra of the[Eu(L)3(H2O)2]film upon the addition of organic small‑molecule amines with different concentrations

图7为[Eu(L)3(H2O)2]薄膜发光强度增强率(I/I0-1)与有机小分子胺浓度的拟合直线关系。可以观察到，EDA在 0.17～8.00 mmol·L-1范围内，发光强度增强率与胺浓度呈现良好的线性关系。以能引起发光强度变化0.1% 所对应的浓度为检测限，通过拟合出的线性方程得到各种有机小分子胺的检测限远低于美国职业安全委员会所规定的允许暴露极限[28]。

图7 [Eu(L)3(H2O)2]薄膜的荧光增强率(I/I0-1)随胺蒸气浓度的变化Fig.7 Fluorescence enhancing ratio(I/I0-1)of the[Eu(L)3(H2O)2]film as a function of the vapor concentrations of amines

响应时间是衡量传感器性能好坏的重要依据。如图8所示，我们监测了[Eu(L)3(H2O)2]薄膜与4种有机小分子胺接触前后发光强度随时间的变化，通过对发光强度上升部分的曲线进行拟合，可以得到[Eu(L)3(H2O)2]薄膜对DPA、TPA、TIPA和EDA响应时间分别为1.2、1.6、3.1和0.6 s。

图8 [Eu(L)3(H2O)2]薄膜对各种胺的响应时间Fig.8 Response time of the[Eu(L)3(H2O)2]film to various amines

2.6 [Eu(L)3(H2O)2]与有机小分子胺的作用机制研究

由于配体结构中的三氟乙酰基具有较强的亲电性，有机小分子胺可以与羰基碳发生亲核反应从而形成稳定的缩醛胺[29]。据此，我们对[Eu(L)3(H2O)2]与有机小分子胺的作用机理提出了2种假设：(1)配合物与有机小分子胺发生亲核反应，形成了稳定的共价键；(2)配合物与有机小分子胺没有发生亲核反应，而是产生了强的分子间相互作用。为了验证[Eu(L)3(H2O)2]与有机小分子胺的作用机制，如图9所示，我们对[Eu(L)3(H2O)2]在加入EDA前后的UV‑Vis、1H NMR和红外光谱进行了测试。

图9 (a)HL中碳骨架的质子;(b)[Eu(L)3(H2O)2]加入EDA前后的UV‑Vis谱图;(c)[Eu(L)3(H2O)2]在CD3OD中加入不同浓度EDA的1H NMR谱图;(d)[Eu(L)3(H2O)2]加入EDA前后的FT‑IR光谱图Fig.9 (a)Protons of carbon skeleton in HL;(b)UV‑Vis spectra of[Eu(L)3(H2O)2]before and after adding EDA;(c)1H NMR spectral studies for[Eu(L)3(H2O)2]with the addition of different concentrations of EDA in CD3OD;(d)FT‑IR spectra of[Eu(L)3(H2O)2]before and after adding EDA

UV‑Vis吸收光谱如图9b所示，在加入48倍的EDA后[Eu(L)3(H2O)2]的最大吸收波长蓝移了25 nm。而由1H NMR谱图(图 9c)可以看到，[Eu(L)3(H2O)2]在逐渐加入 EDA 后，[Eu(L)3(H2O)2]中的 Ha、Hb和 Hc均逐渐向低场位移并且信号强度逐渐增大。其中，在加入42倍的EDA后Ha的化学位移向低场移动，但是却没有新的信号峰产生，说明没有新的化合物生成。为了证明固态下有机小分子胺对[Eu(L)3(H2O)2]的亲核相互作用仍然存在，我们对[Eu(L)3(H2O)2]在加入EDA前后的红外光谱进行了测试。如图9d所示，在加入EDA后，配体中羰基的C=O键伸缩振动峰由1 593和1 567 cm-1分别变化到1 646和1 599 cm-1。这说明羰基碳原子与有机小分子胺的氮原子存在强的分子间亲核相互作用，而没有发生亲核反应形成稳定的缩醛胺。

2.7 荧光增强机制研究

发光量子产率作为评价发光材料性能的重要参数，主要由配体到金属中心的能量传递效率(φET)决定。配体的三线态能级(T)和Eu离子的5D0激发态能级匹配是影响φET的主要因素。而稀土离子Gd具有较高的激发态能级，因此配体的三线态能级不会受到稀土离子Gd的影响，其三线态能级可以通过Gd配合物的磷光发射光谱获得。如图10所示，通过Gd配合物在加入EDA前后的紫外吸收光谱和磷光光谱计算得到了配体的单线态能级(S，1ππ*)和三线态能级(T，3ππ*)。

图10 (a)[Gd(L)3(H2O)2]的THF溶液(3 μmol·L-1)在加入EDA前后的UV‑Vis吸收光谱和磷光光谱;(b)[Eu(L)3(H2O)2]加入EDA后的能量传递过程示意图Fig.10 (a)UV‑Vis absorption and phosphorescence spectra of[Gd(L)3(H2O)2]before and after the addition of EDA in THF(3 μmol·L-1);(b)Schematic energy transfer process for[Eu(L)3(H2O)2]upon exposure to EDA

加入EDA后单线态能级从21 460 cm-1(373 nm)增加至23 149 cm-1(348 nm)，三线态能级从18 349 cm-1(545 nm)增加至 19 121 cm-1(521 nm)。敏化Eu离子发光的最佳能隙 ΔE(3ππ*‑5D0)应位于 5 000～2 500 cm-1范围内[30]。在没有胺的情况下，薄膜具有较低的能隙(ΔE=849 cm-1)，加入EDA后能隙升高至ΔE=1 621 cm-1，较为接近最佳能隙 2 500 cm-1，这将在很大程度上抑制非辐射弛豫造成的能量损失，从而提高发光效率并实现发光开启。

有机小分子胺与配合物的亲核作用抑制了胺醇取代基到二酮基团的ILCT效应，导致了配合物的UV‑Vis吸收光谱和磷光光谱均产生蓝移。同时，脂肪族一级、二级与三级胺的亲核性强弱次序为仲胺>伯胺>叔胺。而TIPA既是叔胺，又具有较大体积，亲核性较弱，因此荧光强度变化较小。

3 结论

设计并合成了具有可调控ILCT性质的单β‑二酮稀土配合物[Eu(L)3(H2O)2]，通过旋涂法制备了对挥发性有机小分子胺具有快速发光增强响应的薄膜。综合光谱表征证实：具有亲核性的有机小分子胺的氮原子对[Eu(L)3(H2O)2]中羰基的相互作用有效地削弱了配体的ILCT效应，使配合物的发光增强。该工作为制备固态高性能稀土配合物有机小分子胺传感材料提供了一种可行性参考。