2. 中国科学院大学, 北京 100049
2. University of the Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, P. R. China
近年来,冰毒等新型毒品日趋泛滥,严重危害了人类身心健康和社会公共安全,而冰毒大多用于游戏场所和娱乐场所,因此,设计一种能够满足缉毒禁毒现场快速检测需要的探针是很有必要的。传统的检测方法,如高效液相谱/质谱分析(HPLC /MS)[1, 2]、电化学发光[3]、气相色谱/质谱联用(GC-MS)[4, 5]以及免疫分析[6]等方法都是基于液相检测,对仪器和设备依赖性大,实验操作过程繁琐,不能够实现实时检测。
近年来兴起的荧光传感材料具有灵敏度高、响应快速、选择性好等优点[7-9],受到了越来越多的关注。2010年,何超等[10]合成了两种带有氨基侧链的荧光聚合物分子,实现了冰毒在液相中的检测。2012年,付艳艳等设计合成了3种含杂原子的荧光聚合物分子,实现了对冰毒碱化处理后得到的产物-甲基苯丙胺气体的检测[11]。2015年,房喻课题组[12]报道了一种苝酰亚胺类分子,实现了对甲基苯丙胺的模拟物的高灵敏和快速检测。Rouhani等[13]设计合成了荧光探针材料NTS@SiO2,达到了用“turn-on”现象实现毒品检测的目的。但上述几种探针分子,均存在一定的不足,液相检测面临着背景干扰大,试剂污染等不可控因素。气相检测探针分子的设计主要针对MA分子中的仲胺的给电子性质进行检测,因此对于与MA结构非常类似的分子很难有效区分。而它的有些类似物,并不是毒品,因而不能用于现场执法检测。基于此,设计一种具有高选择性的荧光探针具有重大的意义。
2016年,Im等[14]研发了以五氟苯基为官能团的单壁碳纳米管(SWCNT)传感系统,可以高效检测苯、甲苯和二甲苯等带有苯环的蒸气。因此,我们设想可以基于五氟苯基实现对苯环的检测。利用Material studio 8中的Compass Ⅱ模块对五氟苯和苯的静电势进行模拟(图 1)。从图 1可以看出,苯环上下富电子,周围缺电子,而五氟苯由于氟原子的强吸电子作用使得中间的苯环上下缺电子,周围富电子,二者的电性恰恰相反,可以产生强烈的静电吸引作用,故五氟苯基可以用于含苯环物质的检测。
基于此,对于甲基苯丙胺探针分子的设计,我们考虑以下几点:①引入五氟苯基以和甲基苯丙胺中的苯环发生静电吸引作用;②考虑到仲胺的供电子性,引入具有吸电子性的羰基;③引入三苯胺和芘两种荧光团,用于发光性能和探针薄膜的通透性调节。本文设计并合成了两种探针分子:五氟苯甲酰基芘(5F-O-Py)和五氟苯甲酰基三苯胺(5F-O-TPA),如图 2所示。比较了不同的荧光团对其传感性能的影响。研究发现,5F-O-Py表现出更优异的传感性能,300 s内在MA蒸气中荧光猝灭了68%,且重复利用6次后仍然具有38%的猝灭响应,该传感薄膜抗干扰能力强,可以实现甲基苯丙胺和模拟物N-甲基-β-甲基苯乙胺的区分,对MA蒸气的检测限理论上可达3.73 ppm。
仪器:1HNMR和13CHMR光谱在Bruker DRX500仪器上获得,TMS作为内标; 质谱使用BIFLEX Ⅲ MALDI-TOF(Bruker Daltonics Inc.)质谱仪分析得到; 紫外可见吸收和荧光分析分别在Jasco V-670分光光度计和Jasco FP 6500分光计上进行。除特殊说明,所有传感薄膜均由探针分子的THF溶液(1 mg/mL)在10 mm×20 mm石英片上旋涂制备,使用的仪器是KW-4A旋涂机,旋转速率为1800 rpm,并将其真空干燥0.5 h以备后用。紫外吸收及荧光光谱测试中,传感薄膜与入射光保持60°的角度,保证实验条件的一致性。所有理论计算均由Materials Studio 8.0中的DMol3程序执行,该程序是使用密度泛函理论的量子力学代码之一。使用广义梯度近似(GGA)水平的BLYP函数来计算分子轨道的光吸收光谱和能级。
试剂:所有的化学试剂均通过商业途径购买,1-溴芘、4-溴三苯胺,苏州苏凯路化学科技有限公司;正丁基锂,百灵威科技有限公司;五氟苯甲酰氯,罗恩试剂;四氢呋喃,上海泰坦科技股份有限公司。四氢呋喃为分析纯级别,用钠重蒸后使用,其它溶剂未经进一步纯化。甲基苯丙胺由上海公安刑事部门的法医科学机构提供。
1.2 荧光传感材料的制备两种探针分子的合成过程如图 3所示。1-溴芘,4-溴三苯胺,在氩气保护、-78 ℃条件下,与正丁基锂反应除去溴,随后与五氟苯甲酰氯反应获得五氟苯甲酰基取代的衍生物5F-O-Py和5F-O-TPA,产率分别为45.3%和47.8%。
5F-O-Py:1HNMR(500 MHz, CDCl3):9.39(d, J=9.4 Hz, 1H), 8.41~8.31(m, 3H), 8.27(d, J=8.8 Hz, 1H), 8.18~8.08(m, 4H)。MS for C23H9F5O: m/z 397.1,Anal. Calcd. 397.06。
5F-O-TPA:1HNMR (500 MHz, CDCl3):7.63~7.49(m, 2H), 7.33~7.23(m, 4H), 7.17~7.07(m, 6H), 6.88(d, J=8.6, 6.4 Hz, 2H)。MS for C25H14F5NO: m/z 439.1,Anal. Calcd. 439.10。
2 结果与讨论利用Materials Studio 8的COMPASS Ⅱ模块对两种探针分子的结构进行几何优化,得到优化后的结构图,如图 4所示。从图中可以看出,五氟苯基与分子其它部分近乎呈正交结构。5F-O-Py具有大的刚性平面结构,容易形成激基缔合物或聚集,导致发射波长显著红移;5F-O-TPA探针分子中,TPA的立体螺旋结构有利于阻止π-π堆积。不同的分子结构对其薄膜态的聚集结构影响不同,其传感性能也会有一定的差异。
5F-O-Py和5F-O-TPA在常见溶剂中都具有良好的溶解性,其在THF溶液(1 mg/mL)以及薄膜态的吸收和发射光谱如图 5所示,具体数据如表 1所示。在THF溶液中,5F-O-Py的最大吸收峰和最大发射峰为445 nm和474 nm;在薄膜状态下,最大发射峰在534 nm,相比于溶液状态红移了60 nm。而5F-O-TPA,从溶液到薄膜态,最大发射峰蓝移22 nm。
图 6可以看出5F-O-Py在溶液中荧光很弱,在薄膜态下发出强烈的黄色荧光,说明5F-O-Py在薄膜态相比于溶液态发生了强烈的聚集,呈现聚集诱导发光特性。5F-O-TPA在溶液中发黄色荧光,在薄膜态发出黄绿色荧光,荧光颜色变化不明显,是由于TPA的立体螺旋结构有利于阻止π-π堆积,较大的空间位阻导致TPA结构大大扭曲,因此发射光谱略微蓝移。
稳定性对于薄膜探针非常重要,它决定了寿命和信噪比。从图 7可以看出,300 s内,5F-O-Py、5F-O-TPA光漂白程度分别为2.49%、2.6%,两种探针分子的光稳定性都很好,满足荧光探针检测的基本条件。在与饱和的甲基苯丙胺(MA)蒸气接触过程中5F-O-Py和5F-O-TPA的荧光强度逐渐降低,300 s时5F-O-Py的猝灭率达到68%,5F-O-TPA的猝灭率为47%。5F-O-Py的猝灭率高于5F-O-TPA,说明5F-O-Py更适合于检测MA蒸气。
利用Materials Studio 8的DMOL3对5F-O-Py、5F-O-TPA、MA进行能级计算,结果如图 8所示。从图 8中可以看出,5F-O-Py的LUMO和HOMO分别为-3.00 eV和-5.82 eV,5F-O-TPA的LUMO和HOMO分别为-3.25 eV和-5.34 eV,MA的HOMO为-4.73 eV,恰好处于两个传感材料的能级之间,均可以满足激发态条件下荧光探针与MA发生光诱导电子转移(PET)并导致荧光猝灭的条件。但是能级仅仅能从热力学保证二者间发生PET,不能给出二者间的动力学过程,所以仅从计算结果还不能解释二者的传感性能差异。
由于传感过程测试都是基于传感薄膜进行,所以薄膜的形貌对传感性能有重要影响。为此,我们利用扫描电子显微镜(SEM)进一步对传感薄膜的形貌进行了研究。
通过扫描电镜观察薄膜的表面形貌,如图 9所示。从SEM图可以看出,5F-O-Py在薄膜态下,趋向于形成直径~100 nm的纳米球,而5F-O-TPA则形成不规则的形貌,显然5F-O-Py具有更大的比表面积,能够增大与MA蒸气的接触面积,更利于传感。因此,薄膜的通透性应该是造成5F-O-Py和5F-O-TPA传感性能差别较大的主要原因。
综上,通过对热力学、传感薄膜形貌的研究,明确了探针分子与MA的作用机理。5F-O-Py和5F-O-TPA均满足激发态下与MA发生光诱导电子转移(PET)的条件,但由于5F-O-Py传感薄膜有较大的比表面积和良好的通透性,促进了其与MA分子之间的紧密结合,故在MA蒸气中的猝灭效果较好,而5F-O-TPA通透性较差,影响了与MA分子之间的作用,使得其在MA蒸气中的传感效果不如5F-O-Py,由此可知,探针分子薄膜的通透性对传感效果有很大影响。
2.4 5F-O-Py对MA的检测限为了计算5F-O-Py在MA蒸气中的检测限,将甲基苯丙胺放置在密闭体系中产生饱和蒸气,然后每次通过注射器吸入干净空气将其逐级稀释成5个不同的浓度,图 10内嵌图显示了在不同浓度的MA蒸气中5F-O-Py薄膜的相应猝灭效率。探针5F-O-Py在低至14 ppm的MA蒸气浓度仍然有4%的猝灭效率。线性拟合结果也表明荧光猝灭函数可通过Langmuir方程很好的拟合,以1%响应程度为光谱仪的极限,推算出5F-O-Py传感薄膜对MA的的检测限达到了3.73 ppm。
在MA饱和蒸气中完成一次测试后,将探针进行抽真空解吸附,然后暴露在MA饱和蒸气进行第二次测试,重复这个过程6次,回复性如图 11所示。5F-O-Py探针对饱和的MA蒸气具有良好的响应,并且重复测试6次之后仍然对MA饱和蒸气具有38%的猝灭响应,这说明5F-O-Py有一定的可回复性,但由于5F-O-Py与MA气体分子之间存在氟与胺基氢之间的氢键强相互作用,致使解吸附后有部分MA分子不能脱离5F-O-Py薄膜,不完全解吸附的累积,导致猝灭响应逐次下降。
选择性,是决定传感材料性能的重要指标。为了检测5F-O-Py的选择性,我们选取了二异丙胺、三乙胺、苯胺、二异丙胺、N-甲基-β-甲基苯乙胺(MPEA)、苄胺、丙二胺、邻甲基苯胺、三正丙胺9种胺作为干扰物。300 s内,5F-O-Py在各种胺饱和蒸气中的传感曲线和猝灭率如图 12所示。从图中可以看出,当5F-O-Py薄膜与干扰物的蒸气接触后,荧光猝灭率小于在MA饱和蒸气中的猝灭率。其中,在二异丙胺中猝灭率较大,为30%,但二异丙胺在20 ℃下的饱和蒸气压为6.67 kPa,远大于MA的饱和蒸气压0.021 kPa,若在同浓度下,5F-O-Py在二异丙胺中的猝灭率远小于在MA中,不会对检测产生干扰。在结构非常相似的MPEA饱和蒸气中,仅产生了19%的猝灭率,也不会对MA的检测造成干扰。
我们从以下几方面分析了5F-O-Py在MA的类似物MPEA中猝灭率低的可能原因:
(1) 从图 13可以看出,MPEA分子中苯环的邻位是甲基,而MA分子中苯环的邻位是氢,所以MPEA分子的空间阻力较大,不利于苯环与5F-O-Py中五氟苯基的相互作用。而且MA比MPEA分子结构更为舒展,更利于分子与薄膜的接触和作用。结合图 14的5F-O-Py与MA和MPEA相互作用模拟图,可以看出,MA分子中苯环和仲胺分别与5F-O-Py中的五氟苯基和羰基的距离更近,所以二者间作用更强,更利于传感。
(2) 从图 15静电势模拟图可以看出,相比于MA,MPEA中N处的静电势较大,故其仲胺的给电子能力稍弱,不易与5F-O-Py中缺电子的羰基发生作用。
以上两方面导致5F-O-Py在MPEA中的猝灭率小于在MA中的猝灭率。综上,虽然MA饱和蒸气压很低,但5F-O-Py在MA中猝灭率最大,表现出良好的选择性,甚至能够实现MA与类似物MPEA的区分。
3 结论针对甲基苯丙胺气体(MA),设计并合成了两种简单的小分子荧光探针5F-O-TPA和5F-O-Py,与苯环电性相反的五氟苯基对苯环的静电吸引,吸电子的羰基与富电子的仲胺间的相互作用,两种因素使得探针和被检测物MA接触更紧密,而探针分子和MA匹配的能级使得光诱导电子转移(PET)过程发生,导致荧光猝灭。研究发现5F-O-Py对MA蒸气具有优异的传感性能,300 s内5F-O-Py在饱和的MA蒸气中荧光猝灭了68%,而5F-O-TPA只有47%的荧光猝灭。通过光谱、SEM、能级匹配来研究两者的传感差异,发现两者均满足在激发态下发生PET;此外,我们通过SEM对两者的形貌进行研究,发现5F-O-Py容易在石英片上形成~100 nm的纳米球,而5F-O-TPA形成不规则形貌,5F-O-Py具有大的比表面积和较好的通透性,能够与被检测物MA良好的接触,因此,5F-O-Py的猝灭效果好于5F-O-TPA。5F-O-Py对MA蒸气的检测限理论上可达3.73 ppm,且重复利用6次后仍然具有38%的猝灭响应,该传感薄膜抗干扰能力强,可以实现对模拟物的区分。该探针的设计策略具有创新性,对危险化学品荧光探针的设计及其检测具有理论价值和应用价值。
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