基于香豆素的比率型熒光探針對溶液及氣相中三氟化硼的檢測

趙慧君，吳 通，孫 玥，段 煉，馬嫣宇

（太原理工大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院,太原 030024）

三氟化硼（BF3）是一種重要的無機化學(xué)物質(zhì)，是合成多種有機硼和無機硼化合物的重要原料［1，2］.同時，它作為一種路易斯酸還被廣泛應(yīng)用于有機合成過程，如縮合反應(yīng)、離子聚合反應(yīng)及異構(gòu)化反應(yīng)［3～6］，以及半導(dǎo)體工業(yè)的氣相沉積工藝中［7～9］.然而，BF3具有很高的毒性及活潑性，它與金屬和有機化合物的反應(yīng)非常強烈［10，11］.BF3的安全閾值上限為1 ppm（ppm為氣體的體積濃度單位，表示百萬分之體積，是氣體檢測儀的常用濃度單位）.吸入毒性研究表明，暴露于17 mg/m3BF3環(huán)境氣氛下會引起大鼠腎臟毒性損害［12］.從上述數(shù)據(jù)可以看出，微量的BF3泄漏即可導(dǎo)致嚴(yán)重的環(huán)境污染和生物毒害.因此，尋找一種可靠的檢測BF3的方法對于環(huán)境保護和人類的生命安全具有重要意義.

光學(xué)探針，特別是熒光探針，由于具有靈敏度高、檢測無損且信號變化明顯等優(yōu)點，在痕量檢測和生物成像過程中應(yīng)用廣泛［13～18］.然而，迄今關(guān)于BF3熒光探針的研究報道仍然有限［19～24］.這些探針的檢測機理大多是基于BF3與O，N形成穩(wěn)定的配合物.Chang等［21］報道2-（2-羥基苯基）苯并噻唑與BF3作用后能夠引起激發(fā)態(tài)分子內(nèi)質(zhì)子轉(zhuǎn)移（ESIPT），導(dǎo)致了熒光打開過程；利用該探針制備的試紙可以檢測氣相中的BF3.Zhang等［22］開發(fā)了一種基于熒光共振能量轉(zhuǎn)移（FRET）機理的比率熒光探針，該探針以萘酰亞胺為能量供體，羅丹明B為受體.當(dāng)BF3與探針作用后引起羅丹明B開環(huán)，導(dǎo)致熒光共振能量轉(zhuǎn)移過程的發(fā)生.

本文以香豆素為主體骨架結(jié)構(gòu)，設(shè)計了一種通過分子內(nèi)電荷轉(zhuǎn)移（ICT）改變發(fā)光性能的探針.該探針在香豆素骨架結(jié)構(gòu)的7位引入二乙胺基基團，一方面其強給電性增強了探針分子內(nèi)的ICT效應(yīng)，能夠保證強的熒光發(fā)射；另一方面，其作為路易斯堿，可以與待測物BF3反應(yīng)形成配合物.無論在溶液和氣相中進(jìn)行檢測，均會出現(xiàn)顯著的顏色變化，實現(xiàn)了裸眼檢測.此外，檢測后加入三乙胺可使溶液顏色、光譜及試紙顏色都得以恢復(fù)，從而實現(xiàn)循環(huán)使用.

1.1 試劑與儀器

4-二乙氨基水楊醛、水楊醛和4-甲基苯乙酸等均購于安耐吉試劑公司，其它有機溶劑購于山西國藥試劑公司.合成用試劑均為分析純，光譜測試所用試劑均為優(yōu)級純.

Bruker 600 MHz型核磁共振波譜儀（NMR），德國布魯克·道爾頓公司；Hitachi U-3900型紫外-可見吸收光譜儀（UV-Vis），日本株式會社日立制作所；Horiba Fluoro Max-4熒光光譜儀,法國堀場科學(xué)儀器事業(yè)部.

1.2 實驗過程

目標(biāo)化合物3-對甲基苯基-7-二乙氨基香豆素（TDC）和對照化合物3-對甲基苯基香豆素(TC）的合成路線如圖1所示.

Fig.1 Synthetic route of TDC and TC

1.2.1 探針TDC的合成 將4-二乙氨基水楊醛（0.5 g，2.6 mmol）、2-對甲苯乙酸（0.47 g，3.13 mmol）和乙酸酐（10 mL）加入到50 mL三口瓶中，緩慢滴加3 mL三乙胺（TEA），加熱回流反應(yīng)8 h；冷卻至室溫后，將反應(yīng)液倒入裝有50 mL蒸餾水的燒杯中，用碳酸氫鈉（NaHCO3）調(diào)節(jié)至中性，用二氯甲烷萃取，無水硫酸鎂干燥，旋轉(zhuǎn)蒸干溶劑后對粗產(chǎn)品進(jìn)行柱層析分離提純，得到0.52 g黃色固體TDC，產(chǎn)率65%.1H NMR（DMSO-d6），δ：8.04（s，1H），7.59（t，2H），7.50（t，1H），7.22（d，2H），6.73（dd，1H），6.56（d，1H），3.45（m，4H），2.33（s，3H），1.14（t，6H）.13C NMR，δ：161.4，156.6，151.2，141.5，137.7，133.6，130.4，129.6，128.7，119.7，110.0，109.4，97.0，45.0，21.7，13.3.MALDI-TOF，m/z［M］+cacld.for C20H21NO2：307.3862；found：307.3859.

1.2.2 對照化合物TC的合成 TC的合成過程與TDC相似，僅將4-二乙氨基水楊醛換為水楊醛（0.3 g，2.6 mmol）.產(chǎn)物為0.3 g灰白色固體，0.3 g，產(chǎn)率72%.1H NMR（CDCl3），δ：7.79（s，1H），7.61（d，2H），7.54～7.49（m，2H），7.36（d，1H），7.30～7.26（m，2H），7.25（s，1H），2.40（s，3H）.13C NMR（CDCl3），δ：163.59，156.34，142.10，141.82，134.73，134.09，132.09，131.32，131.21，130.73，127.35，122.69，119.32，24.21.MALDI-TOF，m/z［M］+cacld.for C16H12O2：236.2653；found：236.2651.

1.2.3 光譜測定 將化合物TDC和TC溶解于二甲基亞砜中配制成濃度為10 mmol/L的母液，然后用無水二氯甲烷稀釋至20μmol/L.三氟化硼乙醚（BF3·Et2O）用無水乙醚稀釋至10和100 mmol/L.其它待測物用乙醇稀釋至10和100 mmol/L.熒光檢測的激發(fā)波長為365 nm，激發(fā)和發(fā)射的狹縫寬度均為5 nm，檢測時間為90 s.

1.2.4 檢測試紙的制備 將普通濾紙浸入1 mmol/L TDC的二氯甲烷溶液中，取出晾干，即得黃色的檢測試紙.

2 結(jié)果與討論

2.1 探針TDC的響應(yīng)時間

首先對探針TDC與BF3作用的響應(yīng)時間進(jìn)行了研究.由圖S1（見本文支持信息）可見，當(dāng)探針濃度為20μmol/L，BF3濃度分別為100，200和600μmol/L時，熒光強度比值（I408/I464）均可在90 s內(nèi)達(dá)到平臺峰值，說明該探針可以對BF3進(jìn)行即時檢測分析.

2.2 探針TDC的光譜性質(zhì)

探針TDC與BF3作用的紫外-可見吸收光譜及熒光光譜如圖2所示.在紫外-可見吸收光譜中，探針在398 nm處有明顯的吸收峰；隨著BF3的加入，該吸收峰逐漸消失，而在328 nm處出現(xiàn)新的吸收峰，溶液顏色由淡黃色變?yōu)闊o色.在熒光光譜中，當(dāng)加入BF3后，探針自身在464 nm處的發(fā)射峰逐漸減弱，而在408 nm處出現(xiàn)新的發(fā)射峰.在紫外燈下可以看出溶液顏色由亮藍(lán)色變?yōu)樯钏{(lán)色，明顯的顏色變化表明該探針可用于裸眼檢測BF3.該探針熒光的比率（I408/I464）變化值與BF3濃度在0～80μmol/L范圍內(nèi)呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系（圖S2，見本文支持信息），運用IUPAC建議的標(biāo)準(zhǔn)方法（3sbl/m）計算得出檢出限為5.5×10-7mol/L.將另一種路易斯堿—三乙胺滴入到探針與BF3反應(yīng)的產(chǎn)物中時，探針本身的熒光得以恢復(fù)，且重復(fù)進(jìn)行8個循環(huán)后仍無明顯衰減（圖S3，見本文支持信息），顯示出良好的可重復(fù)利用性.

Fig.2 UV-Vis(A)and fluorescence(B)spectra of TDC with the addition of BF3Inserts:photographs of color changes under sun light and UV light.c(TDC)=2×10-5 mol/L.The concentration of BF3 in the UV-Vis spectra are 0,4×10-5,8×10-5,1.2×10-4,1.8×10-4,2.4×10-4,3.2×10-4,4.2×10-4,5.2×10-4 and 6.2×10-4 mol/L,respectively.The concentrations of BF3 in the fluorescence spectra are 4×10-5,8×10-5,1.2×10-4,1.8×10-4,2.4×10-4,3.2×10-4,4.2×10-4,5.2×10-4,6.2×10-4,7.2×10-4 and 8.2×10-4 mol/L,respectively.

2.3 探針TDC的選擇性和競爭性

為了考察該探針的選擇性，向TDC溶液中加入80μL濃度為4×10-4mol/L的其它有機酸，包括硼酸、苯甲酸、水楊酸、醋酸和甲酸等，如圖3所示，除了出現(xiàn)苯甲酸和水楊酸在273 nm及309 nm處的特征吸收峰，其它酸的加入未引起探針任何光譜和溶液顏色的變化；只有BF3的加入才使光譜產(chǎn)生顯著變化.競爭性實驗結(jié)果表明，當(dāng)這些干擾物存在時，仍然不會影響TDC對BF3的檢測（圖S4，見本文支持信息）.同時，金屬離子干擾實驗也證明金屬離子的存在不影響探針TDC對BF3的檢測性能（圖S5，見本文支持信息）.

Fig.3 UV-Vis(A)and fluorescence(B)spectra of TDC with various analytes(4×10-4 mol/L)Inset of(B):photographs of solution color of TDC with various analyts.a—g:TDC,TDC+BF3,TDC+benzoic acid,TDC+boric acid,TDC+salicylie acid,TDC+acetic acid,TDC+formic acid.c(TDC)=2×10-5 mol/L.

2.4 探針TDC的傳感機理分析

當(dāng)BF3與TDC作用后，作為路易斯酸的BF3迅速與探針分子結(jié)構(gòu)中具有路易斯堿性質(zhì)的二乙氨基發(fā)生反應(yīng)，反應(yīng)產(chǎn)物會影響二乙氨基的給電子性能，阻礙了探針分子內(nèi)電荷轉(zhuǎn)移過程，致使光譜峰發(fā)生明顯藍(lán)移［25］.探針TDC與BF3作用前后的19F NMR譜圖如圖4所示，BF3·Et2O中的F在δ-153處有1個信號峰，當(dāng)其與少量的探針作用后，在δ-132處出現(xiàn)1個新的信號峰，說明探針與BF3之間發(fā)生了相互作用.為了進(jìn)一步證明此推斷，合成了對照化合物TC，表征結(jié)果顯示缺少了二乙氨基的TC與BF3未發(fā)生任何作用（圖S6，見本文支持信息）.

Fig.4 Sensing mechanism(A)and 19F NMR spectra(B)a.BF3 only；b.TDC with exceed BF3.

2.5 BF3檢測試紙的應(yīng)用

利用探針TDC制成的黃色試紙在470 nm處有明顯的發(fā)射峰，在紫外燈照射下具有良好的固態(tài)發(fā)光性能，顯示出藍(lán)綠色［圖5（A）］.當(dāng)該試紙與溶液或氣相中的BF3作用后，試紙發(fā)生明顯的褪色，且在紫外燈下呈現(xiàn)出深藍(lán)色.當(dāng)檢測過的試紙與三乙胺作用后，又可以回復(fù)到原來的狀態(tài).該試紙在重復(fù)利用5次后，仍然表現(xiàn)出良好的檢測性能［圖5（B）］.

Fig.5 Fluorescence of TDC on the test paper(A)and the ratio intensity of the test strip recorded after adding BF3·Et2O and TEA for continuous 5 cycles(B)

為了考察該試紙檢測氣相中BF3的能力，將TDC檢測試紙封裝在不同濃度的BF3蒸氣中，如圖6（A）所示，試紙在365 nm的紫外燈下發(fā)出綠色熒光，當(dāng)試紙暴露于BF3中10 min時，顏色逐漸從綠色變?yōu)樯钏{(lán)色.應(yīng)注意的是，當(dāng)BF3濃度低至3.39×10-6mol/L時，探針TDC也可輕松檢測到BF3蒸氣，檢測結(jié)果可以在365 nm紫外燈下以肉眼直接觀察到.隨后進(jìn)行了檢測時間測試，如圖6（B）所示，室溫下試紙很快與氣相中的BF3發(fā)生作用，5 min后試紙便完全褪色，同時其熒光顏色逐漸由綠色變?yōu)榱了{(lán)色.在此基礎(chǔ)上，選用不同的BF3溶液進(jìn)行實驗，結(jié)果顯示不論在何種溶劑體系中，試紙均發(fā)生褪色并呈現(xiàn)熒光顏色的變化，可輕松通過裸眼分辨.以上現(xiàn)象說明，由TDC制備的試紙可以用于低濃度氣相條件下BF3的即時有效檢測.

Fig.6 Strip tests for BF3 in gas（A）Strip test at different BF3 concentrations（a.0，b.3.39×10-6 mol/L，c.1.69×10-5 mol/L，d.3.39×10-5 mol/L，e.6.76×10-5 mol/L，f.1.01×10-4 mol/L，g.1.35×10-4 mol/L）；（B）strip test at different time in BF3 vapour（3.39×10-5 mol/L）（a.0，b.1 min，c.3 min，d.5 min，e.10 min）；（C）strip test for other BF3 species（3.39×10-5 mol/L）（a.TDC+only，b.TDC+BF3·DCM，c.TDC+BF3·CH3CN，d.TDC+BF3·CH3OH，e.TDC+BF3·CH3CH2OH，f.TDC+BF3·AcOH）.

3 結(jié) 論

合成了一種比率型熒光探針，可用于溶液和氣相中BF3的檢測.香豆素骨架結(jié)構(gòu)中7位的二乙胺基基團與BF3發(fā)生路易斯酸堿反應(yīng)，影響了分子內(nèi)ICT過程，使得熒光比率發(fā)生變化.該探針在二氯甲烷中對BF3的檢出限可達(dá)5.5×10-7mol/L.同時，制備了一種負(fù)載該探針的檢測試紙，可實現(xiàn)對溶液及氣相中BF3的裸眼即時檢測.

支持信息見http：//www.cjcu.jlu.edu.cn/CN/10.7503/cjcu20210027.