基于熒光光譜研究Cryptophane-A對甲烷及氯仿的識別作用

陳慧斐，黎學明，楊建春

(1.重慶大學化學化工學院,重慶 401331；2.重慶大學光電學院,重慶 400044)

基于熒光光譜研究Cryptophane-A對甲烷及氯仿的識別作用

陳慧斐1，黎學明1，楊建春2

(1.重慶大學化學化工學院,重慶 401331；2.重慶大學光電學院,重慶 400044)

超分子主體化合物能夠有效地包封小分子，從而形成主-客體化合物，這類化合物在分子識別、信息傳遞以及超分子材料等方面具有強大的的應用潛力。本文用直接法通過正交試驗設(shè)計合成cryptophane-A，得到最優(yōu)組合條件是：60℃和甲酸用量為1524:1下反應5h。通過搭建Y型光纖甲烷傳感平臺，得出cryptophane-A熒光強度在甲烷濃度從0.1%到3.5%范圍內(nèi)呈線性變化，其熒光強度隨甲烷濃度增加而減弱，甲烷與cryptophane-A以接近1比1的比例絡(luò)合，實驗搭建的測量裝置甲烷檢測限為 0.1%。其中甲烷濃度為1.5%時，熒光恢復時間是熒光猝滅時間的兩倍。另外，cryptophane-A與氯仿可發(fā)生較為穩(wěn)定的絡(luò)合作用。

Cryptophane-A;熒光猝滅;甲烷;氯仿

中性或帶電的包合物受到相當大的關(guān)注。這類復合物與客體形成特異性非共價鍵[3]，有的已經(jīng)在廣泛應用中被發(fā)現(xiàn)，包括分子識別[4]、藥物遞送[5]、分離和儲存[6]、生物感應[7]和催化[8]。這類有機受體，對封裝的客體分子具有特定的選擇性。例如，手性cryptophane-C能夠區(qū)分兩種對映異構(gòu)體的CHFClBr[9]，水溶性cryptophane-O很容易區(qū)分膽堿和乙酰膽堿[10]。X射線確定晶體結(jié)構(gòu)通常為球形cryptophanes[11]。施[12]通過合成cryptophane-M，能特異性識別氯仿。因此，這類超分子對于分子識別有很強的潛力。

甲烷及其氯化物之一的三氯甲烷是一類對安全生產(chǎn)、環(huán)境和人體健康有重要影響的氣體，其中甲烷氣體是煤礦事故的“頭號殺手”，也是天然氣儲運、加工、使用過程中的重要危險源[13-17]，而揮發(fā)性三氯甲烷則可作用于中樞神經(jīng)系統(tǒng)，具有麻醉作用，對心、肝、腎有損害，吸入后引起急性中毒[18]。因此監(jiān)測甲烷及揮發(fā)性三氯甲烷的濃度對于煤礦安全生產(chǎn)、天然氣安全使用、人體健康具有十分重要的意義。

1 實驗方法

1.1 Cryptophane-A的合成

有機試劑均來自于重慶藥物與化學試劑公司，其他的化學用品和試劑除了特別提到的均買自Aldrich公司。有機試劑的干燥采用標準實驗室操作方法。使用前，實驗用品通過重蒸或者重結(jié)晶進行前期凈化。

Cryptophane-A是由香蘭素通過已知合成路徑(如圖1)進行合成。其中二醛化合物以及二醇化合物的合成產(chǎn)率分別達到80%和90%以上，終產(chǎn)物的產(chǎn)率相對較低，約6%，因此，對最后一步進行正交優(yōu)化，選取影響因素：反應溫度、反應時間以及反應甲酸用量三個因素，各個因素下以現(xiàn)有取值為基礎(chǔ)左右浮動數(shù)據(jù)分別得到三個水平。遵照正交表選取規(guī)則，使用三因素三水平的正交表進行試驗設(shè)計。

因素A，反應溫度：40℃，60℃，80℃

因素B，反應時間：1h，3h，5h

因素C，反應物物質(zhì)的量比：1524:1，1824:1，2124:1

圖1 Cryptophane-A合成路線

Fig.1 Synthesis of cryptophane-A

在室溫下，對中間產(chǎn)物以及最終產(chǎn)物進行核磁共振分析，實驗所得的 cryptophane-A的1 H NMR (CDCl3)數(shù)據(jù)與文獻參考一致。

1.2 Cryptophane-A對甲烷的響應

以拋光p型Si晶片為基片，通過水蒸氣輔助法形成多空膜。cyptophane-A成膜溶液配制：稱取cryptophane-A 0.01 g， 0.5 g乙基纖維素，溶于10 mL V(二氯乙烷): V(無水乙醇) = 1/1的混合溶劑中，室溫攪拌30min后超聲處理2 h待用。

1.3 Cryptophane-A溶于不同有機溶劑

取Cryptophane-A固體粉末分別溶解于乙酸乙酯、1,2-二氯乙烷、二氯甲烷、丙酮、1,4-二氧六環(huán)、氯仿有機溶劑中配制成濃度為2.0×10-5mol/L的溶液，對新配制的溶液進行熒光光譜檢測，超聲2h靜置后對溶液再次進行熒光檢測。365nm紫外燈下溶液分別產(chǎn)生熒光，如圖2所示，從左到右依次為乙酸乙酯、1,2-二氯乙烷、二氯甲烷、乙腈、1,4-二氧六環(huán)、氯仿。

圖2 365nm紫外燈照射下cryptophane-A(2 × 10-5mol·L-1)溶于不同有機溶劑的照片

(a:新配好的溶液, b:超聲靜置后的溶液)

Fig.2 Picture of cryptophane-A (2 × 10-5mol·L-1) in different solvents irradiated by a hand-held UV lamp at 365 nm

(a. freshly-prepared solution, b. sonicated solution)

1.4 不同濃度氯仿溶液對cryptophane-A(2×10-5mol·L-5)的熒光猝滅作用

為更好地探討cryptophane-A 與氯仿之間的絡(luò)合作用，取cryptophane-A溶于1,2-二氧六環(huán)溶劑中配制為2×10-5mol·L-1的溶液，考察不同濃度的氯仿溶液對cryptophane-A 的熒光猝滅情況。即配即測，通過對比體積濃度從0%到70%的氯仿溶液熒光光譜，研究不同濃度氯仿溶液對cryptophane-A(2×10-5mol·L-1)的熒光猝滅作用。

2 結(jié)果討論

2.1 極差分析

正交實驗極差分析法處理數(shù)據(jù)。按照分析方法計算出各因素下Kj和kj之后，由每個因素下kj的最大與最小值之差計算得極差Rj，根據(jù)Rj的大小排出各因素的主次順序：2.71>2.52>1.70，因此各因素對試驗結(jié)果的影響大小排序為A>C>B；另外，根據(jù)各因素不同水平下的Kj，得到因素下對試驗結(jié)果影響較大的水平，對應本實驗結(jié)果既是A2 、B3和C1，優(yōu)組合為A2C1B3，即實驗優(yōu)化條件是60℃和甲酸用量為1524:1下反應5h，產(chǎn)率為8.83%。

2.2 Cryptophane-A對甲烷的響應

2.2.1 反應原理

許多物質(zhì)可用作熒光猝滅劑，其中最廣為人知的當屬氧氣分子，可猝滅多種常見熒光團。在論文中，所合成的cryptophane-A結(jié)構(gòu)在紫外燈照射下均可發(fā)出較強紫色熒光，氯仿和甲烷分子分別被用于猝滅這些超分子的熒光。

① 動態(tài)猝滅可通過Stern-Volmer方程描述：

(1)

其中，F(xiàn)和F0分別為猝滅發(fā)生前后的熒光強度，kq為兩種物質(zhì)鍵的猝滅系數(shù)，τ0是熒光物質(zhì)在沒有猝滅劑存在的情況下的熒光壽命，而[Q]則為猝滅劑的濃度，kq與τ0的乘積可表達為KD，稱為猝滅常數(shù)，若某一猝滅過程已知為碰撞猝滅，則記為KD，否則記為KSV。

② 靜態(tài)猝滅原理:動態(tài)猝滅是一個很大程度上依賴時間的過程，但靜態(tài)猝滅則完全是由于新的復合物生成且吸收光返回基態(tài)不輻射光子所致。這種過程中，熒光強度與猝滅劑濃度相關(guān)，也與猝滅劑和熒光物質(zhì)的絡(luò)合系數(shù)相關(guān)。絡(luò)合常數(shù)Ks可表達為：

(2)

其中[F1]為絡(luò)合物濃度，[F]是未絡(luò)合的熒光物質(zhì)濃度，[Q]則是猝滅劑濃度，若絡(luò)合物為費熒光物質(zhì)，則殘留熒光比例可表達為：

(3)

總的熒光物質(zhì)濃度[F0]=[F]+[F1]，帶入公式3，則有

(4)

變形得:

(5)

與動態(tài)猝滅類似，靜態(tài)猝滅也被期望為猝滅過程，與動態(tài)猝滅不同之處在于，除了與猝滅劑濃度相關(guān)外，動態(tài)猝滅主要依賴于猝滅常數(shù)，而靜態(tài)猝滅依賴于絡(luò)合常數(shù)。

2.2.2 不同濃度甲烷傳感研究

圖3 Cryptophane-A在不同濃度甲烷氣體中的熒光光譜

Fig.3 Fluorescence spectra of cryptophane-A in methane with different concentrations (v %). From 1 to 9: 0, 0.1, 0.5, 1.0, 1.5, 2, 2.5, 3,3.5

圖4 ln(F0/F1) ～ ln[Q]校準曲線Fig.4 Benesi-Hildebrand plot of ln(F0/F1) versus ln[Q]

通過搭建好的Y型光纖檢測平臺，對濃度為0.1%到3.5%的甲烷與cryptophane-A的絡(luò)合作用進行考察。增大甲烷濃度則熒光強度呈梯度下降趨勢(圖3)，主峰位置位于438nm附近。實驗選取438.11 nm處的數(shù)據(jù)，考察ln(F0/F1)與ln[Q]相互關(guān)系，發(fā)現(xiàn)濃度從0.1%到3.5%范圍內(nèi)呈線性變化(圖4)，通過線性擬合得出直線斜率為0.92622，證明甲烷與cryptophane-A的絡(luò)合作用以接近1:1的比例進行，截距為-3.54433，計算得到絡(luò)合常數(shù)Ks為0.05%-1。實驗所搭建的檢測平臺的檢測限為0.1%。

2.2.3 傳感器響應和恢復時間研究

為研究此甲烷傳感的響應時間和恢復時間，以氮氣為載氣，對暴露于1.5%甲烷的響應做了特定研究。熒光猝滅與熒光恢復-時間關(guān)系，如圖5，光源波長為376nm。

圖5 cryptophane-A熒光猝滅與恢復時間圖(1.5%甲烷)

Fig.5 Fluorescence quenching and recovery of cryptophane-A versus time(1.5% methane )

圖6 熒光猝滅與恢復F0/F-時間關(guān)系Fig.6 Fluorescence quenching andrecovery intensity F0 / F versus time

甲烷濃度控制在1.5%時，每隔6s記錄一次cryptophane-A的熒光光譜，先通入N2，以排除氣室中的空氣，只通入N2的cryptophane-A熒光強度處于穩(wěn)定，隨后通入1.5%甲烷氣體，熒光強度迅速下降，30 s內(nèi)達到穩(wěn)定，熒光猝滅發(fā)生在這30s內(nèi)，對熒光猝滅過程做F0/F與時間t的關(guān)系圖，如圖6(a)。穩(wěn)定后，將甲烷氣體濃度設(shè)置為0%，只通入N2，熒光強度開始恢復，60s后熒光強度恢復到甲烷濃度為0%的強度，對熒光猝滅過程做F0/F與時間t的關(guān)系圖，如圖6(b)。熒光猝滅擬合斜率為0.00146，熒光恢復擬合斜率為-0.00112，說明熒光猝滅速度快于熒光恢復的速度，分析原因為，甲烷氣體進入cryptophane-A空腔容易，而解析出來相對困難。

2.3 Cryptophane-A對氯仿的響應

2.3.1 Cryptophane-A在不同溶劑中的熒光光譜

采用不同溶劑新配制的溶液，對于cryptophane-A的熒光光譜，如圖7(a)，沒有觀察到明顯的差異，然而如圖7(b)，超聲2h并靜置后，其中尤以氯仿溶液變化最明顯，其熒光強度大幅度減弱。另一方面，其他溶劑超聲處理后，cryptophane-A溶液的熒光光譜中無明顯變化，如圖7所示。

圖7 不同溶劑cryptophane-A(2 × 10-5mol·L-1)在不同有機溶劑中(a 新配置的溶液，b 超聲靜置后的溶液)的熒光光譜(激發(fā)波長376 nm)

Fig.7 Fluorescence spectra (exited by 365 nm) of cryptophane-A (2 × 10-5mol·L-1) in different solvents (a )freshly-prepared solution(b)sonicated solution)( excitation wavelength:376nm)

2.3.3 Cryptophane-A與氯仿的絡(luò)合

通過對比體積濃度從0%到70%的氯仿/1,2-二氧六環(huán)溶液熒光強度，考察不同濃度的氯仿溶液對2×10-5mol·L-1cryptophane-A 的熒光猝滅情況，如圖8(a)為即配即測的不同濃度氯仿溶液熒光光譜，圖8(b)為超聲靜置后不同濃度氯仿熒光光譜。新配置的氯仿溶液濃度越大，cryptophane-A的熒光猝滅則增強，熒光強度依次減弱。但超聲處理后的溶液中，不含氯仿的溶液熒光未有明顯變化，不同濃度氯仿溶液熒光猝滅均很徹底，熒光基本消失。

圖8 cryptophane-A在不同氯仿濃度中的熒光光譜(a 新配置的溶液，b 超聲靜置后的溶液)

Fig.8 Fluorescence spectra of cryptophane-A in chloroform with different concentrations (v %). From 1 to 9: 0, 0.1, 0.2, 0.3, 0.4 , 0.5, 0.6,0.7 (a )freshly-prepared solution(b)sonicated solution

將體積比換算為摩爾濃度，對cryptophane-A在不同濃度氯仿溶液的熒光強度對濃度進行擬合，以ln(F0/F1)對ln[Q]作圖，得到一條直線(圖9)。通過線性擬合得出直線斜率為0.73515， 即為cryptophane-A與氯仿的絡(luò)合比，說明二者以該比例發(fā)生絡(luò)合作用，近似看成一分子空腔內(nèi)封裝一個氯仿分子，可發(fā)生較為穩(wěn)定的絡(luò)合作用，絡(luò)合常數(shù)KS 通過計算為455.1 M-1。

圖9 ln(F0/F1) ～ ln[Q]校準曲線Fig.9 Benesi-Hildebrand plot of ln(F0/F1) versus ln[Q]

3 結(jié)論

本文給出了如下結(jié)論：

(1)設(shè)計三因素三水平的L9(34)正交試驗，研究了反應溫度、反應時間以及甲酸與反應原料物質(zhì)的量比三個因素下分別三水平時的反應產(chǎn)率。試驗數(shù)據(jù)處理采用正交實驗的極差分析和因素趨勢圖法，得到的最優(yōu)組合條件是：60℃和甲酸用量為1524:1下反應5h，優(yōu)化產(chǎn)率為8.83%。

(2)Cryptophane-A能選擇性識別甲烷，甲烷與cryptophane-A的絡(luò)合比接近1:1，絡(luò)合常數(shù)為0.05%～1%。實驗所搭建的檢測平臺的檢測限為0.1%。且甲烷濃度為1.5%時，熒光猝滅時間為30s，熒光恢復時間為60s，且熒光猝滅速度比熒光恢復速度快。

(3)因為甲烷與氯仿不會同時存在，所以cryptophane-A也能用于識別氯仿分子，二者絡(luò)合比接近1:1，且隨氯仿濃度增大，熒光猝滅越強。

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(本文文獻格式：陳慧斐，黎學明，楊建春.基于熒光光譜研究Cryptophane-A對甲烷及氯仿的識別作用[J].山東化工，2017，46(14)：1-5.)

Study on the Recognition of CH4and CHCl3by Cryptophane-A Based on Fluorescence Spectra

ChenHuifei1,LiXueming1,YangJianchun2

(1.Chemistry and Chemical Engineering School,Chongqing University,Chongqing 401331,China;2.Optoelectronic Engineering School,Chongqing University 400044,China)

The supramolecular host compounds are capable of efficiently encapsulating small molecules to form host-guest compounds, which have potent application potential in molecular recognition, information transfer, and supramolecular materials. In this paper, cryptophane-A was synthesized by orthogonal design, getting that the optimum conditions were as follows: 60 ℃ and the amount of formic acid were 1524: 1 for 5 h. The fluorescence intensity of cryptophane-A was linearly while the methane concentration changed from 0.1% to 3.5%, and the fluorescence intensity decreased with the increase of methane concentration. The ratio of cryptophane-A complexing with chloroform is close to 1:1, and the limit detection of methane concentration is about 0.1% . When the methane concentration is 1.5%, the fluorescence recovery time is twice as long as the quenching time.Also, cryptophane-A complexes stably with chloroform.

cryptophane-A; fluorescence quenching; methane; chloroform

2017-05-16

國家自然科學基金(61271059)

陳慧斐(1991—)，女，四川綿陽人，重慶大學化學化工學院研究生在讀，主要方向為分析化學以及光纖甲烷傳感。

O659.21

A

1008-021X(2017)14-00-01-05

科研與開發(fā)