有機(jī)波譜分析在有機(jī)分析及超分子化學(xué)分析中的應(yīng)用*

張來新，朱海云（寶雞文理學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院，陜西寶雞721013）

?

有機(jī)波譜分析在有機(jī)分析及超分子化學(xué)分析中的應(yīng)用*

張來新*，朱海云
（寶雞文理學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院，陜西寶雞721013）

摘要：有機(jī)波譜分析是現(xiàn)代有機(jī)分析和超分子化學(xué)分析的主流和核心，其優(yōu)點(diǎn)是準(zhǔn)確、快速、樣品用量少。本文介紹了：（1）紅外光譜分析法在超分子化學(xué)研究中的應(yīng)用；（2）熒光波譜分析在超分子化學(xué)研究中的應(yīng)用；（3）色譜分析法在超分子化學(xué)研究中的應(yīng)用。并對(duì)有機(jī)波譜分析在有機(jī)化學(xué)和超分子化學(xué)中的應(yīng)用進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：有機(jī)波譜分析；超分子化學(xué)；應(yīng)用

有機(jī)波譜分析是現(xiàn)代有機(jī)分析和超分子化學(xué)分析的主流和核心，其優(yōu)點(diǎn)是準(zhǔn)確、快速、樣品用量少，是現(xiàn)代有機(jī)分析和超分子化學(xué)分析必不可少的重要分析表征手段，其主要內(nèi)容是紫外吸收光譜法（UV）、紅外吸收光譜法（IR）、核磁共振波譜法（NMR）、質(zhì)譜分析法（MS）、高效氣相色譜法、高效液相色譜法、有機(jī)熒光探針法、比色熒光分析法等組成的用于鑒定和表征有機(jī)化合物和超分子化合物結(jié)構(gòu)的定性定量分析方法。有機(jī)波譜分析不僅在有機(jī)化學(xué)領(lǐng)域，而且在二十一世紀(jì)的熱點(diǎn)學(xué)科如超分子化學(xué)、生物化學(xué)、生物學(xué)、醫(yī)藥學(xué)、食品科學(xué)、環(huán)境科學(xué)、材料科學(xué)、生命科學(xué)、能源科學(xué)、信息科學(xué)、納米科學(xué)、大環(huán)化學(xué)等眾多領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景，同時(shí)在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國(guó)防及化工生產(chǎn)與研究中均有著極大的實(shí)用價(jià)值。

1　紅外光譜分析法在超分子化學(xué)研究中的應(yīng)用

1.1硫醇小分子響應(yīng)的近紅外熒光探針及其應(yīng)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）及內(nèi)源性氣體信號(hào)分子硫化氫（H2S），在維護(hù)生命活動(dòng)中彼此關(guān)聯(lián)，發(fā)揮著重要作用。體內(nèi)異常水平的Cys，Hcy，GSH，H2S常與生理、病理及多種疾病等相關(guān)。因而，快速、準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)在線地區(qū)分檢測(cè)Cys，Hcy，GSH及活體組織中H2S的痕量/超痕量高靈敏度的捕獲，了解其分布和生理功能，對(duì)疾病診斷與靶向分子的相互作用的調(diào)控/機(jī)制等方面的研究具有重要的應(yīng)用價(jià)值［1,2］。為此，沈陽化工大學(xué)的于海峰等人通過實(shí)驗(yàn)證明，位于近紅外區(qū)域（650～900nm）的生物組織光學(xué)窗口對(duì)近紅外區(qū)的光吸收較少，其提高了檢測(cè)的靈敏度和選擇性，從而有利于提高熒光成像效率。他們還通過對(duì)Bodipy母核進(jìn)行修飾尋求突破，基于剛性近紅外Bodipy，發(fā)現(xiàn)了硫醇響應(yīng)的熒光探針，報(bào)道了基于aza-Bodipy的硫醇響應(yīng)的近紅外熒光探針（λem=755nm）。同時(shí)，還報(bào)道了meso位的醛基Bodipy類的近紅外熒光探針（A）。并發(fā)現(xiàn)探針（A）是研究單一選擇性Hcy的時(shí)間依賴型（Time-dependent）熒光探針的模型分子［3］。該研究將在醫(yī)學(xué)、生命科學(xué)、生物化學(xué)及仿生學(xué)研究中得到應(yīng)用。

1.2煙草6種常規(guī)成分的近紅外光譜分析技術(shù)及應(yīng)用

傳統(tǒng)的檢驗(yàn)煙葉化學(xué)成分的方法特別費(fèi)時(shí)費(fèi)力、且操作繁瑣。近年來，隨著檢測(cè)技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)的結(jié)合使其檢驗(yàn)方法迅猛發(fā)展，其近紅外檢測(cè)技術(shù)得到了人們的親睞。因?yàn)槠溆锌旖?、?zhǔn)確、樣品用量少、無破壞性、多組分可同時(shí)測(cè)定等優(yōu)點(diǎn)，因之已成為煙草行業(yè)中發(fā)展最快的分析檢測(cè)技術(shù)。為此，延邊大學(xué)的趙小龍等人對(duì)煙草樣品中的六種常規(guī)組分（水溶性總糖、水溶性還原糖、總氮、煙堿、總鉀、總氯）進(jìn)行了近紅外光譜掃描，結(jié)合化學(xué)計(jì)量學(xué)方法，建立了6種常規(guī)成分的定量分析模型，并對(duì)模型進(jìn)行了優(yōu)化、檢驗(yàn)和評(píng)價(jià)。為了檢驗(yàn)建立的6種成分的定量模型，用API-300型流動(dòng)分析儀分析了100種未知煙樣，據(jù)測(cè)定值和預(yù)測(cè)值可知，其連續(xù)流動(dòng)分析儀與近紅外的測(cè)量差異較小,故說明用紅外掃描法測(cè)定建立的模型實(shí)用可靠，可預(yù)測(cè)未知煙樣中的六種常規(guī)成分如總糖、還原糖、煙堿、氯、鉀、氮的含量［4］。

1.3磁性金屬有機(jī)骨架材料的合成表征及催化性能研究

研究表明，磁性金屬有機(jī)骨架超分子材料是近年來興起的新型納米功能材料，它由MOFs材料和磁性材料組合而成，具有很高的選擇性、良好的分散性和可多次重復(fù)利用等優(yōu)點(diǎn)，在環(huán)境科學(xué)、醫(yī)學(xué)、生命科學(xué)、催化科學(xué)、不對(duì)稱合成、信息科學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、工業(yè)、農(nóng)業(yè)及國(guó)防領(lǐng)域均有著廣闊的應(yīng)用前景［5,6］。為此，大連民族大學(xué)的張艷梅等人以Fe3O4為核心，分別以IRMOF-3（A）和Cu3（BTC）2（B）為殼層，采用層層包裹的方法制備了核-殼結(jié)構(gòu)的磁性IRMOF-3@Fe3O4和Cu3（BTC）2@Fe3O4超分子材料，并將其超分子材料進(jìn)一步氨基功能化。后用X-射線衍射（XRD）、傅里葉變換紅外光譜（FT-IR）、透射電鏡（TEM）、掃描電鏡（SEM）及氮?dú)馕降仁侄螌?duì)其超分子材料進(jìn)行了表征，并考察了該超分子材料在縮合反應(yīng)中的Knoevenagel催化反應(yīng)性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，氨基功能化的Cu3（BTC）2@Fe3O4和IRMOF-3@Fe3O4材料呈現(xiàn)Fe3O4和氨基化金屬有機(jī)骨架超分子材料的雙重功能，既可以磁性分離，又具有金屬有機(jī)骨架超分子材料的晶體結(jié)構(gòu)、孔結(jié)構(gòu)和催化性能，在縮合反應(yīng)中表現(xiàn)出良好的催化反應(yīng)活性、選擇性和穩(wěn)定性［7］。該研究將在手性合成、催化、化學(xué)、材料、生物、醫(yī)學(xué)等方面彰顯出廣闊的應(yīng)用前景。

2　熒光波譜分析在超分子化學(xué)研究中的應(yīng)用

2.1對(duì)分子轉(zhuǎn)子型BODIPY粘度熒光探針的研究

正?；罴?xì)胞內(nèi)，細(xì)胞質(zhì)的粘度范圍為1～2cp，而膜系統(tǒng)的粘度最高可以達(dá)到140cp。當(dāng)出現(xiàn)病變,細(xì)胞逐漸凋亡時(shí),細(xì)胞內(nèi)的生物大分子可能由于發(fā)生分子間的偶聯(lián)等作用會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)的粘度顯著提高,最高可以達(dá)到300cp。細(xì)胞內(nèi)粘度是影響物質(zhì)擴(kuò)散、信號(hào)傳遞以及生物大分子間相互作用的一個(gè)重要標(biāo)志。粘度的異常變化與糖尿病、動(dòng)脈硬化、高血壓、老年癡呆癥等疾病密切相關(guān)，因而對(duì)細(xì)胞內(nèi)粘度的檢測(cè)具有重要意義［8，9］。為此，延邊大學(xué)的石連生等人以BODIPY為熒光團(tuán)設(shè)計(jì)合成了化合物meso-（4-py）-BODIPY（A），其meso-位引入4-吡啶基作為轉(zhuǎn)子部分。由于A結(jié)構(gòu)中1,7-位甲基的存在，甲基對(duì)meso-位吡啶基的扭轉(zhuǎn)張力使吡啶基轉(zhuǎn)子部分與熒光團(tuán)部分不能完全共平面，成最穩(wěn)定構(gòu)象時(shí)，轉(zhuǎn)子與熒光團(tuán)的二面角約為34°。同時(shí)二面角大小還受溶劑粘度的影響，隨著體系粘度的增加，溶劑作用克服扭轉(zhuǎn)張力使二面角減小，結(jié)構(gòu)趨于共平面，提高了轉(zhuǎn)子與熒光團(tuán)的共軛程度，使熒光發(fā)射效率增加。研究發(fā)現(xiàn)，pH值在4～9范圍內(nèi)，其熒光強(qiáng)度保持穩(wěn)定，而在水-甲醇-甘油三元體系組成的粘度1～300cp范圍內(nèi)，A的熒光強(qiáng)度隨體系粘度的增加而增加，并滿足線性關(guān)系。線性擬合結(jié)果，表明化合物meso-（4-py）-BODIPY可用作粘度探針，并有望應(yīng)用于細(xì)胞內(nèi)微環(huán)境粘度分布及其變化的檢測(cè)［10］。該研究將在臨床醫(yī)學(xué)、生命科學(xué)、生物科學(xué)、病理性及仿生學(xué)的研究中得到應(yīng)用。

2.2有機(jī)熒光探針的構(gòu)建及傳感研究在超分子化學(xué)中的應(yīng)用

有機(jī)熒光探針及傳感器在有機(jī)化學(xué)及超分子化學(xué)的研究中應(yīng)用廣泛。為此，山西師范大學(xué)的郭煒等人近6年富有成效的研究工作包括以下5個(gè)方面：（1）針對(duì)生物硫醇，提出硝基烯烴作為d-PET接受體、氫鍵抑制C=N及C=C鍵異構(gòu)化、靜電作用抑制的重排-環(huán)化熒光調(diào)控機(jī)理，構(gòu)建了系列熒光探針，實(shí)現(xiàn)了生物硫醇的選擇性傳感；開發(fā)了“氯代香豆素-半花菁”、“4-甲氧基苯硫酚取代的吡啰紅”及“苯硫酚取代的順丁烯酸酐”探針平臺(tái)，從不同的熒光發(fā)射通道實(shí)現(xiàn)了生物硫醇彼此間的選擇性傳感。（2）針對(duì)生物信使分子H2S，利用其親核性、雙親核性及還原性特點(diǎn)，開發(fā)了香豆素-花色素、2-碘甲基苯甲酸熒光素酯、2-（2-疊氮苯基）苯并噻唑三個(gè)熒光探針，分別解決了常規(guī)H2S熒光探針響應(yīng)速度慢、探針負(fù)載大及檢測(cè)限高的問題。（3）針對(duì)生物信使分子NO，為避免其它生物分子（如AA, DHA, MGO）的干擾，開發(fā)了“2-胺基-3’-二甲胺基二聯(lián)苯”NO鍵合基團(tuán)，提出直接將鄰苯二胺的一個(gè)胺基與熒光團(tuán)連接的方法，由此構(gòu)建的熒光探針能選擇性地傳感NO。（4）針對(duì)生物氣體SO2衍生物，利用其誘導(dǎo)的Michael加成反應(yīng)，構(gòu)建了新型熒光探針，實(shí)現(xiàn)了對(duì)的比率熒光傳感。（5）針對(duì)劇毒CN-離子，開發(fā)了氫鍵活化的亞胺鍵合基團(tuán)，提出氰-銅配位抑制銅離子對(duì)熒光團(tuán)的猝滅原理，構(gòu)建了系列熒光探針，實(shí)現(xiàn)了對(duì)CN-的選擇性傳感。（6）合成了系列苯甲酸功能化的近紅外熒光染料，為熒光探針的構(gòu)建提供了平臺(tái)；提出S0-S2高能激發(fā)提高近紅外Bodipy染料熒光強(qiáng)度的方法，增強(qiáng)了該類熒光探針的檢測(cè)靈敏度［11］。

2.3面包酵母中GSH和總-SH含量的測(cè)定

GSH等含半胱氨酸殘基的巰基化合物，具有抗氧化、提高機(jī)體免疫力、重金屬解毒、維持生物細(xì)胞特定的氧化還原氛圍等多種生物學(xué)功能。為此，延邊大學(xué)的劉亞君等人利用OPA和DTNB作衍生化試劑，用面包酵母作為活細(xì)胞樣本，采用細(xì)胞破壁、衍生化為一體的前處理方法，分別利用光譜法、色譜法測(cè)定了酵母中的GSH和總巰基（-SH）含量，并對(duì)不同前處理方法和分析方法的測(cè)定結(jié)果進(jìn)行了比對(duì)，確立了準(zhǔn)確測(cè)定生物細(xì)胞內(nèi)的GSH等巰基化合物的分析新方法［12］。該研究將在分析分離科學(xué)、環(huán)境科學(xué)、食品科學(xué)、生命科學(xué)、生物化學(xué)、生物學(xué)、仿生學(xué)及醫(yī)藥學(xué)領(lǐng)域得到應(yīng)用。

3　色譜分析法在超分子化學(xué)研究中的應(yīng)用

3.1重金屬脅迫酵母細(xì)胞中GSH與總-SH的含量測(cè)定

實(shí)驗(yàn)表明，生物體對(duì)重金屬的抗逆性、解毒及積累作用與生物細(xì)胞內(nèi)富含GSH和金屬硫蛋白等巰基化合物有關(guān)，它們的作用主要是通過巰基與金屬離子生成配合物的緣故，但其詳細(xì)的化學(xué)機(jī)制還不十分清楚。酵母是一種單細(xì)胞微生物，它與高等植物細(xì)胞有一樣的細(xì)胞結(jié)構(gòu)和代謝途經(jīng)。為了探討生物細(xì)胞內(nèi)GSH等巰基化合物與重金屬之間的作用機(jī)制，延邊大學(xué)的胡北等人，采用酵母作為生物細(xì)胞樣本，利用已確立的光譜和色譜分析法，研究了不同重金屬脅迫時(shí)巰基化合物的應(yīng)答作用機(jī)制，從而探討了GSH等巰基化合物與不同重金屬相互作用機(jī)理，為生物細(xì)胞對(duì)重金屬解毒和積累作用機(jī)制的探討提供了基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)依據(jù)［13］。該研究將在醫(yī)藥學(xué)、環(huán)境科學(xué)、生命科學(xué)、仿生學(xué)、生物化學(xué)、食品科學(xué)及分析分離科學(xué)中得到應(yīng)用。

3.2HPLC法和光譜法測(cè)定蜂花粉中還原性谷胱甘肽（GSH）及總巰基（-SH）含量

蜂花粉是蜜蜂從植物花朵上采集花粉過程中加入花蜜和唾液，以使花粉黏集成花粉團(tuán)。蜂花粉的種類很多，不同花粉之間營(yíng)養(yǎng)成分存在一定差別，但目前報(bào)道的有效成分測(cè)定主要包括；碳水化合物、蛋白質(zhì)、脂肪、氨基酸、維生素、類胡蘿卜素、類黃酮和色素等。GSH等含巰基化合物的含量測(cè)定數(shù)據(jù)的缺失可能與前處理過程中巰基的氧化變性導(dǎo)致的漏檢有關(guān)。故選擇合適的前處理方法測(cè)定GSH等含巰基化合物的含量，對(duì)其生物學(xué)功能及活性成分的研究具有實(shí)際意義。為此，延邊大學(xué)的翟方圓等人分別以DTNB和OPA為衍生化試劑，利用光譜法和色譜法探討了胞外環(huán)境前處理對(duì)巰基的氧化變性對(duì)測(cè)定結(jié)果的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，先提取后衍生化和同步衍生化法相比，分析信號(hào)明顯變?nèi)?。通過對(duì)實(shí)驗(yàn)中GSH標(biāo)準(zhǔn)溶液的UV-vis吸收光譜和熒光光譜的線性回歸方程和相關(guān)系數(shù)進(jìn)行分析，最后進(jìn)行了線性范圍、檢測(cè)限量和回收率實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，HPLC和UV-vis分光光度法測(cè)定GSH和總巰基含量是的回收率均值分別為101.84%和101.46%，滿足測(cè)定準(zhǔn)確度的要求。細(xì)胞破壁、衍生化為一體的同步衍生化提取方法，有效避免生物樣品破壁后氧化變性導(dǎo)致的漏檢。

測(cè)定結(jié)果表明，蜂花粉干粉中含豐富的GSH和含巰基蛋白質(zhì)，是蜂花粉中重要的營(yíng)養(yǎng)成分和功能成分［14］。該研究將在食品保健科學(xué)、營(yíng)養(yǎng)學(xué)、生命科學(xué)、醫(yī)藥學(xué)、植物學(xué)、生物化學(xué)、仿生學(xué)及分析分離科學(xué)中得到應(yīng)用。

4　結(jié)論

綜上所述，由于有機(jī)波譜分析是一門新興的熱門邊緣學(xué)科，其內(nèi)容抽象繁雜、復(fù)雜多變、信息量大、涉及知識(shí)面廣、應(yīng)用廣泛，因之是對(duì)有機(jī)化合物和超分子化合物進(jìn)行分析的準(zhǔn)確、可靠、快速、樣品用量少的非常有效的工具。我們堅(jiān)信，隨著有機(jī)波譜分析技術(shù)的不斷完善和發(fā)展，必將促進(jìn)有機(jī)化學(xué)和超分子化學(xué)迅猛發(fā)展，同時(shí)還將為人類社會(huì)的文明進(jìn)步、可持續(xù)發(fā)展結(jié)出更豐碩的成果。

參考文獻(xiàn)

［1］Yang Y, Zhao Q, Feng W, Li F. Luminescent Chemodosimeters for Bioimaging［J］. Chem. Rev., 2013, 113（11）: 192-270.

［2］Jiang X D, Zhang J, Shao X, Zhao W. A selective fluorescent turn-on NIR probe for cysteine［J］. Org. Biomol. Chem., 2012, 10：1966-1968.

［3］于海峰,趙九麗,習(xí)東梅等.硫醇小分子響應(yīng)的近紅外熒光探針［C］.全國(guó)第十七屆大環(huán)化學(xué)暨第九屆超分子化學(xué)學(xué)術(shù)討論會(huì)論文集.吉林延邊:延邊大學(xué),2014年8月:28-29.

［4］趙小龍,鄭明花.煙草六種常規(guī)成分的近紅外光譜分析技術(shù)［C］.全國(guó)第十七屆大環(huán)化學(xué)暨第九屆超分子化學(xué)學(xué)術(shù)討論會(huì)論文集.吉林延邊:延邊大學(xué),2014年8月:193-194.

［5］Zhou H C, Kitagawa S. Metal Organic Frameworks（MOFs）［J］. Chem. Soc. Rev., 2014, 43（16）: 5415-5418.

［6］Zhou H C, Long J R, Yaghi O M. Introduction to Metal Organic Frameworks［J］. Chem. Rev., 2012, 112（2）: 673-674.

［7］張艷梅,王劍鋒,劉寶全等.磁性金屬有機(jī)骨架超分子材料的合成表征及其催化反應(yīng)研究［C］.全國(guó)第十七屆大環(huán)化學(xué)暨第九屆超分子化學(xué)學(xué)術(shù)討論會(huì)論文集.吉林延邊:延邊大學(xué),2014年8月:311-312.

［8］Kuimova MK, Botchway S W, Parker A W, et al. Imaging intracellular viscosity of a single cell during photoinduced cell death［J］. Nature Chem. 2009, 1（1）: 69-73.

［9］Kuimova MK. Mappingviscosityin cells usingmolecular rotors［J］. Phys. Chem. Chem. Phys., 2012, 14（37）: 12671-12686

［10］石連生,李紅芳,周鑫.分子轉(zhuǎn)子型BODIPY粘度熒光探針［C］.全國(guó)第十七屆大環(huán)化學(xué)暨第九屆超分子化學(xué)學(xué)術(shù)討論會(huì)論文集.吉林延邊:延邊大學(xué),2014年8月:227-228.

［11］郭煒.有機(jī)熒光探針的構(gòu)建及傳感研究［C］.全國(guó)第十七屆大環(huán)化學(xué)暨第九屆超分子化學(xué)學(xué)術(shù)討論會(huì)論文集.吉林延邊:延邊大學(xué),2014年8月:48-49.

［12］劉亞君,王寧,崔生云.面包酵母中GSH和總-SH含量測(cè)定［C］.全國(guó)第十七屆大環(huán)化學(xué)暨第九屆超分子化學(xué)學(xué)術(shù)討論會(huì)論文集.吉林延邊:延邊大學(xué),2014年8月:252-253.

［13］胡北,王寧,崔勝云.重金屬脅迫酵母細(xì)胞中GSH與總-SH的響應(yīng)［C］.全國(guó)第十七屆大環(huán)化學(xué)暨第九屆超分子化學(xué)學(xué)術(shù)討論會(huì)論文集.吉林延邊:延邊大學(xué),2014年8月:218-219.

［14］翟方圓,金京實(shí),崔生云. HPLC法和光譜法測(cè)定蜂花粉中還原性谷胱甘肽（GSH）及總巰基（-SH）含量［C］.全國(guó)第十七屆大環(huán)化學(xué)暨第九屆超分子化學(xué)學(xué)術(shù)討論會(huì)論文集.吉林延邊:延邊大學(xué),2014年8月:327-328.

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

中圖分類號(hào)：TQ61

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

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

收稿日期：2016-01-17

基金項(xiàng)目：陜西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室科研計(jì)劃項(xiàng)目（2010JS067）；陜西省教育廳自然科學(xué)基金資助課題（04JK147）；寶雞文理學(xué)院自然科學(xué)基金資助課題（zk12014）

作者簡(jiǎn)介：張來新（1955-），男，漢族，陜西周至人，寶雞文理學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院教授，碩士研究生導(dǎo)師，主要從事大環(huán)化學(xué)研究及天然產(chǎn)物分離提取。