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計合成cryptophane-A，得到最優組合條件是：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與氯仿可發生較為穩定的絡合作用。

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注。這類復合物與客體形成特異性非共價鍵[3]，有的已經在廣泛應用中被發現，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能夠區分兩種對映異構體的CHFClBr[9]，水溶性cryptophane-O很容易區分膽堿和乙酰膽堿[10]。X射線確定晶體結構通常為球形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、環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]，而揮發性三氯甲烷則可作用于中樞神經系統，具有麻醉作用，對心、肝、腎有損害，吸入后引起急性中毒[18]。因此監測甲烷及揮發性三氯甲烷的濃度對于煤礦安全生產、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率分別達到80%和90%以上，終產物的產率相對較低，約6%，因此，對最后一步進行正交優化，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，各個因素下以現有取值為基礎左右浮動數據分別得到三個水平。遵照正交表選取規則，使用三因素三水平的正交表進行試驗設計。

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，對中間產物以及最終產物進行核磁共振分析，實驗所得的 cryptophane-A的1 H NMR (CDCl3)數據與文獻參考一致。

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、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、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 與氯仿之間的絡合作用，取cryptophane-A溶于1,2-二氧六環溶劑中配制為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 結果討論

2.1 極差分析

正交實驗極差分析法處理數據。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果的影響大小排序為A>C>B；另外，根據各因素不同水平下的Kj，得到因素下對試驗結果影響較大的水平，對應本實驗結果既是A2 、B3和C1，優組合為A2C1B3，即實驗優化條件是60℃和甲酸用量為1524:1下反應5h，產率為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結構在紫外燈照射下均可發出較強紫色熒光，氯仿和甲烷分子分別被用于猝滅這些超分子的熒光。

① 動態猝滅可通過Stern-Volmer方程描述：

(1)

其中，F和F0分別為猝滅發生前后的熒光強度，kq為兩種物質鍵的猝滅系數，τ0是熒光物質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，若某一猝滅過程已知為碰撞猝滅，則記為KD，否則記為KSV。

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

(2)

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

(3)

總的熒光物質濃度[F0]=[F]+[F1]，帶入公式3，則有

(4)

變形得:

(5)

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

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處的數據，考察ln(F0/F1)與ln[Q]相互關系，發現濃度從0.1%到3.5%范圍內呈線性變化(圖4)，通過線性擬合得出直線斜率為0.92622，證明甲烷與cryptophane-A的絡合作用以接近1:1的比例進行，截距為-3.54433，計算得到絡合常數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熒光強度處于穩定，隨后通入1.5%甲烷氣體，熒光強度迅速下降，30 s內達到穩定，熒光猝滅發生在這30s內，對熒光猝滅過程做F0/F與時間t的關系圖，如圖6(a)。穩定后，將甲烷氣體濃度設置為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與氯仿的絡合

通過對比體積濃度從0%到70%的氯仿/1,2-二氧六環溶液熒光強度，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與氯仿的絡合比，說明二者以該比例發生絡合作用，近似看成一分子空腔內封裝一個氯仿分子，可發生較為穩定的絡合作用，絡合常數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 結論

本文給出了如下結論：

(1)設計三因素三水平的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的量比三個因素下分別三水平時的反應產率。試驗數據處理采用正交實驗的極差分析和因素趨勢圖法，得到的最優組合條件是：60℃和甲酸用量為1524:1下反應5h，優化產率為8.83%。

(2)Cryptophane-A能選擇性識別甲烷，甲烷與cryptophane-A的絡合比接近1:1，絡合常數為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