基于溶劑、DPP熒光體及底物間相互作用機(jī)理的醇、水高選擇性化學(xué)傳感器的制備及性能測(cè)試

葛 濤，常 清，孫躍禹，劉新豪，程曉紅

(云南大學(xué) 教育部自然資源藥物化學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室與天然產(chǎn)物研發(fā)中心，化學(xué)科學(xué)與工程學(xué)院，云南 昆明 650500)

區(qū)分具有相似理化性質(zhì)特性的溶劑，例如甲醇和乙醇，是目前人們需要解決的一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的問(wèn)題.乙醇飲品中的微量甲醇會(huì)導(dǎo)致飲用者失明甚至失去生命[1]，但是由于甲醇和乙醇的化學(xué)結(jié)構(gòu)十分相似，在不使用化學(xué)分析手段（如核磁，質(zhì)譜等）的情況下，要區(qū)分它們是十分困難的.區(qū)分溶劑及溶劑蒸汽的方法常見(jiàn)的有以下4 種：吸附法[2]，溶劑變色法[3]，化學(xué)反應(yīng)[4]以及擴(kuò)散法[5]，盡管這些方法均有效果，但都需要復(fù)雜的儀器設(shè)備、復(fù)雜的測(cè)量程序、繁瑣的數(shù)據(jù)處理及針對(duì)特定化學(xué)反應(yīng)定制檢測(cè)材料.另外，酒駕是危害社會(huì)治安的一大現(xiàn)象，檢測(cè)酒駕是懲罰酒駕減少危害的重要措施.

吡咯并吡咯二酮（DPP）衍生物是顏色鮮艷的染料，由于DPP 類(lèi)衍生物良好的光熱穩(wěn)定性、高的熒光量子產(chǎn)率和強(qiáng)的熒光發(fā)射，在有機(jī)發(fā)光二極管、聚合物太陽(yáng)能電池、染料敏化太陽(yáng)能電池和有機(jī)場(chǎng)效應(yīng)晶體管等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用[6-9].近年來(lái)，DPP 類(lèi)衍生物用于傳感器的研究也逐漸被報(bào)道[10-12].DPP 衍生物作為熒光探針已經(jīng)用于F-、CN-等陰離子及過(guò)渡金屬離子等的檢測(cè)，但用于醇類(lèi)和水的檢測(cè)卻鮮有報(bào)道[13,14].這些傳感器的識(shí)別機(jī)理大多是基于DPP 探針與特定分析物間相互作用導(dǎo)致DPP 探針光物理性質(zhì)的改變，從而實(shí)現(xiàn)檢測(cè).這些變化與各種信號(hào)機(jī)制相關(guān)，例如熒光增強(qiáng)/淬滅和比例分析探針與特定分析物相互作用導(dǎo)致的變化（例如，路易斯酸堿相互作用，去質(zhì)子化，光誘導(dǎo)電荷轉(zhuǎn)移，能量轉(zhuǎn)移，分子間過(guò)程，激發(fā)態(tài)質(zhì)子轉(zhuǎn)移等）.基于DPP 熒光分子、硅膠基質(zhì)和溶劑分析物之間的相互作用機(jī)制制備的傳感器文獻(xiàn)到目前為止只有1 篇[13]，且僅考察了DPP 結(jié)構(gòu)中烷基鏈長(zhǎng)度對(duì)識(shí)別的影響.

鑒于檢測(cè)區(qū)分甲醇，乙醇等的重要性，本文設(shè)計(jì)合成3 種帶不同取代基的吡咯并吡咯二酮（DPP）衍生物，即DPP 結(jié)構(gòu)中內(nèi)酰胺氮上帶有3 種極性不同的取代基，即多醚鏈（D-PEO），叔丁酯基（DBoc）和烷基鏈（D-C12）.通過(guò)簡(jiǎn)單的DPP 滴鑄法制造出新型便捷的能用裸眼區(qū)分乙醇、甲醇和水的傳感器，即D-PEO+Si，D-Boc+Si 和D-C12+Si，考察了 取代基極性對(duì)傳感器識(shí)別作用的影響.

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑核磁共振譜采用Bruker DRX-400 測(cè)試；元素分析儀器為Vario EL，熒光光譜分析用Hitch F-4500FL 測(cè)試；柱層析及薄層層析硅膠均為青島海洋化工廠生產(chǎn).試劑均為商品化分析純，使用前，THF 用Na 進(jìn)行干燥，DMF 和氯仿用氫化鈣 進(jìn)行干燥.

1.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程合成路線見(jiàn)圖1.

圖1 DPP 衍生物的合成Fig.1 Synthesis of DPP derivatives；Reagents and conditions：i）Na，F(xiàn)eCl3，Diisopropyl succinate，2-Methyl-2-Butanol，110 ℃，16 h；ii）2-（2-methoxyethoxy）ethyl 4-methylbenzenesulfonate，Tetrabutylammonium bromide，K2CO3，DMF，120 ℃，12 h；iii）Di-tert-butyl dicarbonate，DMAP，THF，N2，RT，12 h；iv）1-Bromododecane，K2CO3，DMF，120 ℃，12 h；v）NBS，CHCl3，0 ℃，1 h.

1.2.1 化合物3,6-二噻吩-2,5-二氫吡咯并吡咯二酮1的合成 按文獻(xiàn)[15,16]合成，譜圖與文獻(xiàn)報(bào)道 一致.

1.2.2 化合物2,5-雙（2-（2-甲氧基乙氧基）乙基）-3,6-二噻吩-2,5-二氫吡咯并吡咯二酮2-PEO的合成 按文獻(xiàn)[17,18]合成.N2條件下，在配有回流裝置的100 mL 三口瓶中加入化合物1（200 mg，0.67 mmol），K2CO3（460 mg，3.33 mmol）和四丁基溴化銨（50 mg），加入20 mL 無(wú)水DMF 使其溶解，通15 min N2，加入溶于5 mL 無(wú)水DMF 的二乙二醇單甲醚對(duì)甲苯磺酸酯（913 mg，3.33 mmol），再通10 min N2后于120 ℃下反應(yīng)40 h，TLC 監(jiān)測(cè)反應(yīng).反應(yīng)結(jié)束后，用二氯甲烷萃取有機(jī)層，合并有機(jī)層，無(wú)水硫酸鈉干燥，減壓濃縮除去溶劑.柱層析分離提純[V（石油醚）：V（二氯甲烷）=1∶3 ]，得到暗紫色固體192 mg，產(chǎn)率57%.1H NMR（400 MHz，CDCl3）δ：8.75～8.74（m，3.9 Hz，2H，Ar-H），7.64～7.93（m，5.0 Hz，2H，Ar-H），7.27～7.25（t，4.5 Hz，2H，Ar-H），4.30～4.27（t，6.4 Hz，4H），3.81～3.78（t，6.4 Hz，4H），3.65～3.62（m，6.3 Hz，4 H），3.50～3.47（m，4.9 Hz，2H），3.32（s，6H）.

1.2.3 化合物1,4-二氧二叔丁基-3,6-二噻吩吡咯并吡咯二酮2-BOC 和1,4-雙十二烷氧基-3,6-二噻吩吡咯并吡咯二酮2-C12的合成 參考文獻(xiàn)[19,20]和 [21]合成，譜圖與文獻(xiàn)報(bào)道一致.

1.2.4 化合物3,6-二溴噻吩-2,5-二（2-（2-甲氧基乙氧基）乙基）-2,5-二氫吡咯并吡咯二酮DPEO 的合成 將化合物2-PEO（192 mg，0.38 mmol）溶解于30 mL CHCl3中，在冰浴條件下將NBS（149 mg，0.84 mmol）分批次加入到反應(yīng)液中，在黑暗條件下攪拌1 h，TLC 監(jiān)測(cè)反應(yīng)，反應(yīng)完全后，將反應(yīng)液倒入40 mL 甲醇中，攪拌20 min，過(guò)濾洗滌固體.將濾餅在真空中干燥，得到暗紫色固體209 mg，產(chǎn)率83%.1H NMR（400 MHz，CDCl3）δ：8.48～8.47（m，4.2 Hz，2H，Ar-H），7.21～7.20（m，4.1 Hz，2H，Ar-H），4.19～4.16（t，6.0 Hz，4H），3.79～3.76（t，6.0 Hz，4H），3.63～3.61（m，6.3 Hz，4H），3.50～3.47（m，4.9 Hz，2H），3.33（s，6H）.13C NMR（100 MHz，CDCl3）δ：161.3，139.4，134.8，131.3，131.01 119.3，107.9，71.8，70.5，68.8，59.0，42.3.元素分 析（C24H26Br2N2O6S2，662.41，w/%）計(jì)算值：C 4 3.52，H 3.96；實(shí)驗(yàn)值：C 43.45，H 3.89.

1.2.5 化合物1,4-二氧二叔丁基-3,6-二溴噻吩吡咯并吡咯二酮D-Boc，1,4-雙十二烷氧基-3,6-二溴噻吩吡咯并吡咯二酮D-C12的合成 參考文獻(xiàn)[22,23]合 成，譜圖與文獻(xiàn)報(bào)道一致.

1.3 傳感器的制備、熒光觀察及量子產(chǎn)率計(jì)算將合成出來(lái)的3 種DPP 衍生物（D-PEO，D-Boc 和D-C12）分別溶于二氯甲烷中配制成1×10-3mol/L的溶液，再將溶液用毛細(xì)管滴到硅膠板上.于50 ℃下短暫加熱除去溶劑，無(wú)需進(jìn)一步處理即可作為傳感器使用.將傳感器浸入目標(biāo)溶劑分析物（如：甲醇、乙醇、乙酸乙酯和水等溶劑分析物）中，在365 nm的紫外燈照射下觀察浸入溶劑前后傳感器顏色的變化，并將浸水的傳感器進(jìn)行熒光測(cè)試，按照φ＝φd-（1-Ad）φi（φ為熒光量子產(chǎn)率，φd為直接激發(fā)時(shí)的熒光量子產(chǎn)率，Ad為直接激發(fā)時(shí)的吸收率，φi為間接激發(fā)時(shí)的量子產(chǎn)率）公式進(jìn)行量子產(chǎn)率 的計(jì)算.

2 結(jié)果與討論

2.1 DPP 傳感器對(duì)各種溶劑的識(shí)別測(cè)試了3 個(gè)DPP 衍生物（D-PEO，D-Boc 和D-C12）制備的傳感器對(duì)醇類(lèi)、有機(jī)溶劑和水的識(shí)別性能[如圖2（a），（b）和（c）]，結(jié)果列于表1 中.

表1 傳感器在各種溶劑分析物中熒光變化Tab.1 Sensor fluorescence changes in various solvent

圖2 室溫下，在365 nm 紫外燈下3 種傳感器浸入不同溶劑中的熒光變化圖Fig.2 Fluorescence changes of DPP sensors immersed in different solvents under 365 nm UV at room temperature

在365 nm 的紫外光照射下傳感器D-PEO+Si呈現(xiàn)出亮黃色熒光，D-Boc+Si 為土黃色熒光，DC12+Si 為淺黃色熒光.傳感器D-PEO+Si 在甲醇、正丁醇、乙酸乙酯、二氯甲烷和正己烷中均為亮黃色熒光，熒光顏色幾乎沒(méi)有變化，在乙醇和乙二醇中其熒光顏色呈現(xiàn)出金黃色，并且乙二醇中熒光較暗；傳感器D-Boc+Si 在甲醇和乙二醇溶劑中其熒光會(huì)完全淬滅呈現(xiàn)為暗紫色，在乙醇溶劑中熒光顏色保持土黃色，在正丁醇、乙酸乙酯、二氯甲烷和正己烷中熒光由土黃色變?yōu)榱咙S色，除正己烷外，傳感器熒光向四周擴(kuò)散；傳感器D-C12+Si 在甲醇溶劑中熒光幾乎完全淬滅并呈現(xiàn)為暗紫色，在乙醇中熒光部分淬滅呈現(xiàn)淡紫色且周?chē)休^暗的淺黃色熒光，在乙二醇中熒光變?nèi)鯙榘党壬谡〈贾袩晒庾優(yōu)辄S色，在乙酸乙酯、二氯甲烷和正己烷中熒光顏色分別為亮黃色、橙黃色、亮黃色.3 個(gè)傳感器相同點(diǎn)在于在水溶劑分析物中熒光會(huì)完全淬滅并呈現(xiàn)為紫紅色.熒光改變的原因是由于3種DPP 衍生物（D-PEO，D-Boc 和D-C12）的極性不同，因此化合物與硅膠之間形成的氫鍵結(jié)合能力也有很大不同，其中以D-PEO 的極性最大，D-Boc 的次之，D-C12的最小，所以D-PEO 與硅膠氫鍵結(jié)合最為緊密，超強(qiáng)極性的水溶劑能破壞其與硅膠之間氫鍵結(jié)合，將D-PEO 置換出來(lái)，置換出的D-PEO會(huì)發(fā)生聚集從而導(dǎo)致D-PEO 熒光淬滅；甲醇、乙二醇的極性足夠引起D-Boc 和D-C12的熒光降低甚至消失，乙醇能使D-C12熒光部分淬滅，這是因?yàn)樗鼈兊臉O性剛好能夠引起DPP 與硅膠之間氫鍵結(jié)合被破壞，溶劑與DPP 分子發(fā)生交換從而產(chǎn)生聚集引起熒光降低或淬滅[24].因此，傳感器D-PEO+Si 可以明顯地識(shí)別水；D-Boc+Si 可以識(shí)別水、甲醇和乙 二醇；D-C12+Si 對(duì)上述各種醇和水的識(shí)別效果最好.

2.2 DPP 傳感器對(duì)水的循環(huán)識(shí)別將制備好的DPP 傳感器浸沒(méi)在水中（溶劑分析物）后[如圖3（a），（b）和（c）所示]，在365 nm 紫外燈照射下原來(lái)的黃色熒光完全淬滅，但是將浸沒(méi)后的傳感器于150 ℃下干燥后熒光又完全恢復(fù)，經(jīng)熒光光譜測(cè)試發(fā)現(xiàn)，3 個(gè)DPP 衍生物浸沒(méi)于水中后其熒光強(qiáng)度降到最低，接近于無(wú)熒光，但是將傳感器中的水除去后，熒光強(qiáng)度又會(huì)恢復(fù).因此將3 個(gè)化合物進(jìn)行多次重復(fù)浸水干燥試驗(yàn)并對(duì)其熒光量子產(chǎn)率進(jìn)行測(cè)試計(jì)算[如圖4（a），（b）和（c）]，發(fā)現(xiàn)3 個(gè)DPP 衍生物傳感器在浸水之后量子產(chǎn)率在0.1%左右，接近于無(wú)熒光.而其中D-PEO+Si 在多次干燥后量子產(chǎn)率與沒(méi)浸水之前都在14.5%左右，幾乎沒(méi)有任何變化，DC12+Si 的量子產(chǎn)率從原來(lái)的10.1%降到第1 次干燥的9%之后量子產(chǎn)率就沒(méi)有明顯變化.但是DBoc+Si 的量子產(chǎn)率卻從原本的11.4%降到第1 次干燥后的8.1%，第2 次干燥后的6%，第3 次干燥后的2.4%，第4 次干燥后的1.2%，這是因?yàn)镈-Boc會(huì)與硅膠相互作用并且其中的Boc 基團(tuán)在高溫下會(huì)脫去，因此在多次干燥時(shí)，其熒光量子產(chǎn)率會(huì)一直下降[25].從測(cè)試結(jié)果可以知道制備的傳感器DPEO+Si 和D-C12+Si 可以循環(huán)使用，而D-Boc 只可以 制備成一次性的傳感器.

圖3 DPP 傳感器的熒光光譜Fig.3 Fluorescence spectrum of DPP sensor

圖4 DPP 傳感器的量子產(chǎn)率Fig.4 Quantum yield of DPP sensor

3 結(jié)論

設(shè)計(jì)并制備了3 個(gè)新型的光學(xué)溶劑傳感器，該系統(tǒng)是基于溶劑分析物、DPP 熒光衍生物和硅膠基質(zhì)之間相互作用的改變導(dǎo)致熒光變化而開(kāi)發(fā)的.DPP 衍生物中基團(tuán)極性的改變會(huì)改變其與硅膠基質(zhì)間的氫鍵相互作用以及它們與醇和水間的相互作用及溶解性，最終溶劑環(huán)境的改變導(dǎo)致DPP 衍生物在硅膠板上形成不同程度的聚集，從而產(chǎn)生熒光淬滅作為傳感信號(hào)，因此通過(guò)簡(jiǎn)單的光學(xué)觀察便可對(duì)溶劑進(jìn)行檢測(cè)[13].在研制的3 個(gè)DPP 衍生物傳感器中，D-C12+Si 在各種醇溶劑分析物中熒光強(qiáng)弱都不一樣，識(shí)別效果最好，D-Boc+Si 能夠識(shí)別甲醇、乙二醇，D-PEO+Si 只能夠識(shí)別乙醇；以水為溶劑分析物，測(cè)試了浸水前和干燥后的循環(huán)量子產(chǎn)率，結(jié)果表明，D-PEO+Si 和D-C12+Si 的熒光量子產(chǎn)率可以恢復(fù)，熒光可循環(huán)恢復(fù)，傳感器可以循環(huán)使用，而D-Boc+Si 的量子產(chǎn)率會(huì)逐漸降低，熒光淬滅不可逆，不可以循環(huán)利用.所以無(wú)論化學(xué)結(jié)構(gòu)如何相似，通過(guò)熒光變化傳感器可以明顯地區(qū)分乙醇、水以及對(duì)人體有害的甲醇并且可以做到循環(huán)利用.本文的研究為便捷、實(shí)惠的傳感器的研究提供了新途徑.