甲醛檢測熒光探針的研究與進展

文/楊雷 劉文杰

1 引言

在紡織產業中，甲醛常被用于纖維樹脂的交聯處理，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，可刺激皮膚黏膜和眼睛，引發呼吸道和皮膚炎癥，長期接觸損害呼吸系統和肝臟。2017年10月27日，世界衛生組織國際癌癥研究機構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。可測定甲醛含量在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處理，儀器昂貴、樣本準備工序和操作復雜，分析費時。上世紀80年代，熒光探針技術開始出現，它具有靈敏度高、特異性強、操作簡便、不需預處理、成本低等優點，越來越廣泛應用于環境、生化、臨床分析等領域。用于甲醛檢測的熒光分子探針技術也開始步入實用化階段，并在食品衛生檢測等領域表現出優異的性能。

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，以準確展示在這個領域已取得的顯著成果，為甲醛檢測提供新的技術手段做參考。

2 熒光探針簡介

2.1 結構

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合，引起熒光基團化學環境發生變化，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，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

熒光探針可按響應機理、設計原理、本身性質進行分類。為便于理解和比較，本文以甲醛熒光探針分子本身性質進行分類，同等性質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 光誘導電子轉移（PET）

光誘導電子轉移是指電子給體或電子受體受光激發后，激發態的電子給體與電子受體之間發生電子轉移的過程。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電子轉移，對熒光有猝滅作用，因此在未結合待測分子之前，探針分子不發射熒光，或熒光很弱。一旦受體與客體相結合，光誘導電子轉移作用受到抑制，甚至被完全阻斷，熒光基團就會發射熒光。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。

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

1, 8-萘二甲酰亞胺本身結構不穩定，但具有穩定的熒光發色性能，并且分子結構易修飾。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-萘二甲酰亞胺發生熒光猝滅。取代基與甲醛發生反應，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 分子內電荷轉移（ICT）

分子內電荷轉移是指分子在激發態發生電子轉移，形成分子電荷轉移態。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鍵作為電子轉移通道，形成D-π-A結構，當識別基團與被分析物結合后，電子給體和電子受體的推拉電子能力發生改變，體系π電子重排，引起吸收和發射光譜的變化，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，產生不同于單體的發射光譜。激基締合物的形成對距離要求嚴苛。加入甲醛后，通過改變分子間作用力，熒光團間距離發生變化，使激基締合物與單體的熒光光譜都發生改變，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，實現在堿誘導下的BODIPY的快速可逆二聚反應，二聚產物由于共軛結構的改變，使得BODIPY的強發光性質發生猝滅；當甲醛與誘導劑堿發生反應時，二聚體又可以快速解離，進而恢復BODIPY的強發光性質。

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電荷轉移發射熒光，與甲醛結合后，形成甲醛氫鍵復合物，產生甲醛誘導發光，熒光光譜紅移。

現有的報道[6]提到Z n3（B T C）2（D M F）3（H2O）·（DMF）（H2O）這種物質，可產生甲醛誘導發光現象。Zhao等[7]合成有機金屬配位聚合物。當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合，相對于乙醛和丙醛發生了更大的紅移。

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體納米晶。通過調節納米晶大小改變能帶寬度可以實現同一種納米晶材料得到不同波長發射熒光。這種材料光穩定性好，發射光譜窄而對稱，發光強度高，熒光壽命長，可實現多通道觀測。與甲醛結合后，量子點可發生熒光猝滅。

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，以空間位阻效應和電耦合反應實現對甲醛的特異性吸附，產生熒光光譜的紅移，以可視顯色反應檢測甲醛。

比如較大共軛體系二氫吡啶雜環結構的一維線性組裝[9]。分子探針中二氮雜卓雜環與甲醛發生Hantzsch反應后，生成二氫吡啶雜環結構，具有典型的D-π-A共軛結構。其一維拓展形成的線性共軛聚合物可實現對甲醛的特異性檢測。

香港理工大學研究人員[10]發明了一種基于金屬催化偶聯反應的甲醛檢測方法。通過甲醛，胺類和炔烴在金屬催化劑的作用下偶聯反應形成炔丙基環胺，與環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

為比較不同性質的甲醛熒光探針的應用潛力，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，展示這個領域的發展概況。詳情見表1。

表1 甲醛熒光探針發展概況

5 總結

通過比較不同性質的甲醛熒光探針，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高分子熒光探針已開始實際應用。

（2）相較于傳統的檢測方法，分子探針檢測甲醛普遍具有特異性強、抗干擾、靈敏度高的優點，已實現商業化的檢測方法普遍成本較低、檢測迅速、結果準確可靠。

針對不同的使用條件開發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、綠色環保、易化學修飾和功能多態得到研究者的青睞。

（3）材料科學的進步對將來甲醛熒光探針的研究起到關鍵的支撐作用，比如最新出現的高分子熒光探針，采用新的化學材料，使反應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記物檢測技術的不懈追求。以實現高效、簡捷、準確、動態、廉價的檢測手段為目的，使多學科充分融合，為甲醛檢測技術的不斷精進提供充分的技術保障，也展示了這一新型檢測技術廣闊的發展和應用前景。