甲醛檢測熒光探針的研究與進展

文/楊雷 劉文杰

1 引言

在紡織產(chǎn)業(yè)中，甲醛常被用于纖維樹脂的交聯(lián)處理，以達到面料防皺、防縮、阻燃的效果，提高印染的耐久性。尤其對于容易起皺的純棉紡織品，使用甲醛處理可以提高棉布的硬挺度。但甲醛易揮發(fā)，可刺激皮膚黏膜和眼睛，引發(fā)呼吸道和皮膚炎癥，長期接觸損害呼吸系統(tǒng)和肝臟。2017年10月27日，世界衛(wèi)生組織國際癌癥研究機構(gòu)公布的致癌物清單中，甲醛被列為一類致癌物。

紡織品甲醛測試普遍采用液相萃取，衍生物顯色，用分光光度計法或高效液相色譜法定量?？蓽y定甲醛含量在20mg/kg～300mg/kg之間的紡織品。這些方法都要求在分析前對紡織品樣品中萃取出的甲醛進行預(yù)處理，儀器昂貴、樣本準(zhǔn)備工序和操作復(fù)雜，分析費時。上世紀(jì)80年代，熒光探針技術(shù)開始出現(xiàn)，它具有靈敏度高、特異性強、操作簡便、不需預(yù)處理、成本低等優(yōu)點，越來越廣泛應(yīng)用于環(huán)境、生化、臨床分析等領(lǐng)域。用于甲醛檢測的熒光分子探針技術(shù)也開始步入實用化階段，并在食品衛(wèi)生檢測等領(lǐng)域表現(xiàn)出優(yōu)異的性能。

本文嘗試概括近年來甲醛熒光探針的研究進展，按不同的性質(zhì)進行分類，并就研究階段、成本、特異性、實用性對各種甲醛分子探針做比較，以準(zhǔn)確展示在這個領(lǐng)域已取得的顯著成果，為甲醛檢測提供新的技術(shù)手段做參考。

2 熒光探針簡介

2.1 結(jié)構(gòu)

熒光探針分子由連接體以共價鍵形式在兩端分別連接熒光基團和識別基團組成。識別基團決定探針分子的選擇性和特異性，熒光基團決定了識別的靈敏度，連接體起到分子識別樞紐的作用。

2.2 作用機理

熒光分子探針中識別基團與被分析物結(jié)合，引起熒光基團化學(xué)環(huán)境發(fā)生變化，通過熒光強度的改變、熒光光譜的移動、熒光壽命的變化來表現(xiàn)，檢測這些信號的變化，就可以對被分析物進行定性和定量處理。

2.3 分類

熒光探針可按響應(yīng)機理、設(shè)計原理、本身性質(zhì)進行分類。為便于理解和比較，本文以甲醛熒光探針分子本身性質(zhì)進行分類，同等性質(zhì)的熒光探針再按不同的作用機理分類描述。按熒光探針分子本身的性質(zhì)分為有機小分子熒光探針、金屬配合物熒光探針、量子點熒光探針、高分子熒光探針。

3 不同種類的甲醛熒光探針

3.1 有機小分子熒光探針

3.1.1 光誘導(dǎo)電子轉(zhuǎn)移（PET）

光誘導(dǎo)電子轉(zhuǎn)移是指電子給體或電子受體受光激發(fā)后，激發(fā)態(tài)的電子給體與電子受體之間發(fā)生電子轉(zhuǎn)移的過程。PET熒光分子探針中，熒光基團與識別基團之間存在著光誘導(dǎo)電子轉(zhuǎn)移，對熒光有猝滅作用，因此在未結(jié)合待測分子之前，探針分子不發(fā)射熒光，或熒光很弱。一旦受體與客體相結(jié)合，光誘導(dǎo)電子轉(zhuǎn)移作用受到抑制，甚至被完全阻斷，熒光基團就會發(fā)射熒光。符合這類機理的甲醛有機熒光探針有羅丹明類、1, 8-萘二甲酰亞胺類。

羅丹明苯環(huán)間氧橋的存在使其具有剛性共平面結(jié)構(gòu)，使其穩(wěn)定性得到保證，且其熒光效果可以適用于較寬的pH范圍。其內(nèi)酰胺螺環(huán)狀結(jié)構(gòu)在長波處無熒光，引入硅基[1]或氨甲基硅[2]作為給電子基團，與甲醛結(jié)合后發(fā)生甲醛誘導(dǎo)Aza-cope重排反應(yīng)，內(nèi)酰胺螺環(huán)狀結(jié)構(gòu)打開，水解產(chǎn)物中猝滅基團離開，探針發(fā)出強烈的熒光，并引起顏色變化。

1, 8-萘二甲酰亞胺本身結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，但具有穩(wěn)定的熒光發(fā)色性能，并且分子結(jié)構(gòu)易修飾。通過引入修飾基團，比如NH2取代基[3]這一類的給電子基團，使1,8-萘二甲酰亞胺發(fā)生熒光猝滅。取代基與甲醛發(fā)生反應(yīng)，形成C=N雙鍵，給電子能力降低，使PET過程被中斷，探針分子熒光明顯增強。

3.1.2 分子內(nèi)電荷轉(zhuǎn)移（ICT）

分子內(nèi)電荷轉(zhuǎn)移是指分子在激發(fā)態(tài)發(fā)生電子轉(zhuǎn)移，形成分子電荷轉(zhuǎn)移態(tài)。這類熒光分子探針熒光團上同時連接電子給體（Donor）和電子受體（Acceptor），π鍵作為電子轉(zhuǎn)移通道，形成D-π-A結(jié)構(gòu)，當(dāng)識別基團與被分析物結(jié)合后，電子給體和電子受體的推拉電子能力發(fā)生改變，體系π電子重排，引起吸收和發(fā)射光譜的變化，檢測特定波長的熒光強度變化，就可以確定甲醛濃度。比較典型的是萘的衍生物。

Yuan等[4]合成了一種雙光子熒光探針，以萘衍生物為熒光團。該探針在緩沖溶液中熒光較弱，加入甲醛3h之后，526nm處的熒光增強95倍。該探針在pH為2～10范圍內(nèi)對甲醛分子具有較高的選擇性。

3.1.3 激基締合物

熒光團通過π-π堆積形成激基締合物，產(chǎn)生不同于單體的發(fā)射光譜。激基締合物的形成對距離要求嚴(yán)苛。加入甲醛后，通過改變分子間作用力，熒光團間距離發(fā)生變化，使激基締合物與單體的熒光光譜都發(fā)生改變，以此獲取被分析物的信息。典型的研究成果是三芳基硼化合物熒光探針。

楊國強課題組[5]通過對meso-位無取代的BODIPY 2,6-位取代基的選擇性修飾，實現(xiàn)在堿誘導(dǎo)下的BODIPY的快速可逆二聚反應(yīng)，二聚產(chǎn)物由于共軛結(jié)構(gòu)的改變，使得BODIPY的強發(fā)光性質(zhì)發(fā)生猝滅；當(dāng)甲醛與誘導(dǎo)劑堿發(fā)生反應(yīng)時，二聚體又可以快速解離，進而恢復(fù)BODIPY的強發(fā)光性質(zhì)。

3.2 金屬配合物熒光探針

這類探針普遍采用金屬有機骨架材料（MOFs），其配體含有大量給電子和受電子官能團，可以與甲醛形成大量氫鍵。MOFs本身可以通過配體內(nèi)電荷轉(zhuǎn)移發(fā)射熒光，與甲醛結(jié)合后，形成甲醛氫鍵復(fù)合物，產(chǎn)生甲醛誘導(dǎo)發(fā)光，熒光光譜紅移。

現(xiàn)有的報道[6]提到Z n3（B T C）2（D M F）3（H2O）·（DMF）（H2O）這種物質(zhì)，可產(chǎn)生甲醛誘導(dǎo)發(fā)光現(xiàn)象。Zhao等[7]合成有機金屬配位聚合物。當(dāng)聚合物分散在甲醛溶液中時，在365nm波長的紫外燈下照射，熒光強度增強，隨著甲醛含量的增高，熒光強度不斷增強，這類聚合物粒子與甲醛結(jié)合，相對于乙醛和丙醛發(fā)生了更大的紅移。

3.3 量子點熒光探針

量子點是一種三維尺寸均在納米尺度的半導(dǎo)體納米晶。通過調(diào)節(jié)納米晶大小改變能帶寬度可以實現(xiàn)同一種納米晶材料得到不同波長發(fā)射熒光。這種材料光穩(wěn)定性好，發(fā)射光譜窄而對稱，發(fā)光強度高，熒光壽命長，可實現(xiàn)多通道觀測。與甲醛結(jié)合后，量子點可發(fā)生熒光猝滅。

有文獻[8]采用CdTe量子點猝滅法檢測甲醛濃度，確定該過程屬動態(tài)猝滅過程，甲醛與熒光分子的相互作用降低了量子點熒光的強度。量子點熒光強度的降低與甲醛濃度間有良好的線性關(guān)系，該熒光探針方法和分光光度計法檢測水中甲醛濃度效果相同。

3.4 高分子熒光探針

通過聚合含共軛體系的單體合成大分子共軛體系，以空間位阻效應(yīng)和電耦合反應(yīng)實現(xiàn)對甲醛的特異性吸附，產(chǎn)生熒光光譜的紅移，以可視顯色反應(yīng)檢測甲醛。

比如較大共軛體系二氫吡啶雜環(huán)結(jié)構(gòu)的一維線性組裝[9]。分子探針中二氮雜卓雜環(huán)與甲醛發(fā)生Hantzsch反應(yīng)后，生成二氫吡啶雜環(huán)結(jié)構(gòu)，具有典型的D-π-A共軛結(jié)構(gòu)。其一維拓展形成的線性共軛聚合物可實現(xiàn)對甲醛的特異性檢測。

香港理工大學(xué)研究人員[10]發(fā)明了一種基于金屬催化偶聯(lián)反應(yīng)的甲醛檢測方法。通過甲醛，胺類和炔烴在金屬催化劑的作用下偶聯(lián)反應(yīng)形成炔丙基環(huán)胺，與環(huán)胺相連的大位阻樹脂提高了探針分子對甲醛檢測的選擇性。觀察炔丙基取代環(huán)胺的熒光強度可確定甲醛濃度。該方法已用于食品甲醛含量的測定。

4 比較分析

為比較不同性質(zhì)的甲醛熒光探針的應(yīng)用潛力，分別就研究階段、成本、特異性、實用性做了簡單的對比分析，力圖以簡潔的形式對不同種類的甲醛熒光探針做一番梳理，展示這個領(lǐng)域的發(fā)展概況。詳情見表1。

表1 甲醛熒光探針發(fā)展概況

5 總結(jié)

通過比較不同性質(zhì)的甲醛熒光探針，分析他們的工作機理和實用價值，可以得出如下結(jié)論：

（1）甲醛分子探針種類很多，工作機理多種多樣，目前研究熱點集中在有機小分子熒光探針和高分子熒光探針方面。1.8-萘二甲酰亞胺類和金屬催化偶聯(lián)高分子熒光探針已開始實際應(yīng)用。

（2）相較于傳統(tǒng)的檢測方法，分子探針檢測甲醛普遍具有特異性強、抗干擾、靈敏度高的優(yōu)點，已實現(xiàn)商業(yè)化的檢測方法普遍成本較低、檢測迅速、結(jié)果準(zhǔn)確可靠。

針對不同的使用條件開發(fā)具有針對性的甲醛檢測探針，將成為未來研究的一個趨勢。有機熒光染料以其廉價易得、綠色環(huán)保、易化學(xué)修飾和功能多態(tài)得到研究者的青睞。

（3）材料科學(xué)的進步對將來甲醛熒光探針的研究起到關(guān)鍵的支撐作用，比如最新出現(xiàn)的高分子熒光探針，采用新的化學(xué)材料，使反應(yīng)獲得更高的選擇性和特異性，同時降低檢測成本。

總之，甲醛分子探針的研究著眼于滿足人們對標(biāo)記物檢測技術(shù)的不懈追求。以實現(xiàn)高效、簡捷、準(zhǔn)確、動態(tài)、廉價的檢測手段為目的，使多學(xué)科充分融合，為甲醛檢測技術(shù)的不斷精進提供充分的技術(shù)保障，也展示了這一新型檢測技術(shù)廣闊的發(fā)展和應(yīng)用前景。