基于萘二酰亞胺的熒光探針的合成和甲醛檢測

盧玉偉 康樂瑤 任雅斌 劉光仙 孔潔 肖立偉

【摘要】以4-溴-1，8-萘二甲酸酐為原料，通過氨解、阱解等反應步驟合成了受體化合物L。采用熒光滴定法研究了受體L與甲醛間的相互作用情況，結果表明，受體L表現出對甲醛較好的識別作用，檢出限為6.05×10-6mol/L。通過核磁滴定實驗驗證了受體L與甲醛之間的作用機制，即L中的肼基（-NHNH2）與甲醛縮合形成腙，導致體系熒光增強。

【關鍵詞】熒光探針;萘二酰亞胺;甲醛檢測

〔中圖分類號〕O621.2〔文獻標識碼〕A 〔文章編號〕1674-3229（2021）04-0070-04

甲醛是重要的化工原料，在建材、家具、化妝品、塑料、醫藥等方面應用廣泛。但是甲醛也是室內主要的污染物之一，會引發多種疾病，已經被世界衛生組織認定為一類致癌物，嚴重威脅人們的健康[1-2]。因此，開發檢測和吸收甲醛的有效方法和技術對環境科學和醫學等領域具有重要意義。

當前已經發展了多種方法用于甲醛檢測[3-4]，如色譜法、電化學分析法、差分光學吸收光譜、離子流管質譜法等，但上述方法存在樣品處理繁瑣、需要昂貴的儀器輔助等缺點。熒光探針是近年來發展起來的一種新型檢測技術[5-6]，具有操作簡便、靈敏度高、能對活細胞內的目標物實時監測和原位成像等優點，已經成為科學研究、臨床診斷和生產生活中對多種物質進行檢測的理想工具[7-8]。熒光探針分子一般由熒光基團和識別基團構成，根據被檢測物反應前后熒光信息的變化，對目標物進行分析。1，8-萘二酰亞胺是一種重要的熒光材料，具有穩定性好、斯托克斯位移大、熒光量子產率高等優點，是優良的D-π-A電子體系和熒光基團骨架[9-10]。我們[11]曾經設計合成了一種含1，8-萘二酞亞胺的熒光探針，對氟離子表現出很好的識別性能（檢出限達到 8.06×10-7mol/L）。

基于此，本文設計合成了受體化合物4-肼基-1，8萘二酰亞胺L，并探討了受體L與多種活性羰基化合物間的相互作用情況，結果表明，受體L對甲醛具有較好的選擇性識別作用。

1 實驗部分

1.1 試劑和儀器

實驗所用的試劑為分析純，使用前未進一步純化。熒光光譜由F-4600型熒光分光光度計（日立公司）測定;氫譜和碳譜由Bruker Ascend-400MHz型核磁共振波譜儀（Bruker公司）測定;高分辨質譜由Shi-madzu LCMS-IT-TOF質譜儀（島津制作所）測定。

1.2 受體L的合成步驟

中間體N-丁基-4-溴-1，8萘二甲酰亞胺的合成：取2.8g（0.01mol）4-溴-1，8萘二甲酸酐和1.8mL的正丁胺，溶于10mL無水乙醇中，攪拌下回流4h，溶液顏色變為棕褐色，趁熱過濾，冷卻，濾液中有晶體析出，抽濾，乙醇洗滌，晾干，得白色固體2.5g，產率約78.0%。m.p.203-204℃;1H NMR（400 MHz，DMSO-d6）δ：8.60（d，J=7.2 Hz，1H），8.51（d，J=8.8 Hz，1H），8.36（d，J=7.8 Hz，1H），7.98（d，J=8.2Hz，IH），7.79（t，J=7.9Hz，1H），4.22-4.01（m，2H），1.63-1.65（m，2H），1.37-1.39（m，2H），1.17-1.18（m，2H），0.91（t，J=7.3Hz，3H）.

受體N-丁基-4-肼基-1，8萘二甲酰亞胺L的合成：取2.2g（0.067mol）上述中間產物和5mL80%水合肼溶于10mL無水乙醇中，攪拌下回流4h，反應體系溶液變成橙色，冷卻，抽濾，乙醇洗滌，晾干，得黃色固體1.5g，產率80%。m.p.228～230℃;1H NMR（400MHz，DMSO-d6）δ：9.12（s，1H），8.61（d，J=7.8Hz，1H），8.52（d，J=8.3Hz，1H），8.04（d，J=8.2Hz，1H），7.65（t，J=7.6Hz，1H），6.57（s，1H），4.67（s，2H），3.84（s，2H），1.71-1.68（m，2H），1.50-1.39（m，2H），1.26-1.22（m，2H），0.96（d，J=7.4Hz，3H）;13C NMR（101MHz，DMSO-d6）δ：164.3，163.4，153.7，134.7，131.0，129.8，128.7，124.6，122.2，118.9，107.8，104.5，40.3，29.6，20.3，14.1;HR-Ms：calculatedfor C16H17N3O2[M+H]m/e 284.1354，found 284.1352.

1.3 緩沖溶液的配制和甲醛溶液的標定

緩沖溶液的配置：按照參考文獻[12]進行。取0.135、KH2PO4，0.71g Na2HPO4，4g NaCl和0.1gKCl，加水溶解，通過鹽酸調節pH值至7.4，定容到500mL。

甲醛溶液的標定：選用市售甲醛或多聚甲醛，參照文獻[13]，采用碘量法進行標定。

1.4 熒光測定實驗

配制0.2mmol/L的受體L的DMSO溶液和20mmol/L的活性淡基化合物的DMSO溶液。各取1mL主客體溶液，加入10mL容量瓶中，加入緩沖溶液和DMSO的混合液（VN=4/6）搖勻，定容。混合液超聲處理0.5h，靜置0.5h，依次進行熒光測試。激發波長為440nm，負高壓為400V，狹縫寬度為10nm。

1.5 熒光滴定和核磁滴定實驗

配制濃度為20μmol/L受體溶液和一系列梯度濃度的甲醛溶液（0～200μmol/L）加入緩沖溶液和DMSO的混合液（V/N=4/6）搖勻，混合液超聲處理0.5h，靜置0.5h，依次進行熒光測試。

核磁滴定實驗時，配制濃度為2×10-3mol/L的受體L的DMSO-d6溶液，測定氫譜。加入等量的甲醛，混勻，超聲處理1h，再次測定氫譜，前后比較。

2 結果與討論

2.1 受體與不同羰基化合物的相互作用情況

選取代表性的活性羰基化合物（RCS），如甲醛、乙醛、乙二醛、丙醛、苯甲醛、丙酮、環己酮等，與受體L相互作用后的熒光光譜如圖2所示。受體L與上述羰基化合物作用后，體系的熒光發射光譜強度會有不同程度的增加，其中受體L中加入甲醛后體系熒光強度幅度最大，達到了加入前的30多倍，差別明顯。

2.2 受體L與甲醛相互作用的熒光滴定

將不同濃度梯度（0～10eq）甲醛溶液分別加到受體L溶液（20μmol/L）中，混合體系的熒光光譜如圖3所示。隨著甲醛濃度的提高，在542nm處最大熒光強度呈現依次遞增趨勢，并在一定濃度范圍內呈現線性關系。

以不同梯度濃度的熒光強度峰值和濃度（542nm）做曲線，歸納其線性方程為：Y=13.913x+228.58，相關系數R=0.9987，標準偏差為σ=1.4029，通過公式3σ（2×10-5）/s計算出檢出限為6.05×10-6mol/L。

2.3 羰基化合物對受體L與甲醛相互作用的干擾

分別在受體L和乙醛、乙二醛、丙醛、苯甲醛、三氯乙醛、丙酮、環己酮等代表性羰基化合物的混合體系中加入等量甲醛，研究上述羰基化合物的存在對受體L與甲醛識別的影響。如圖4所示，上述羰基化合物的存在對受體L與甲醛間的相互作用影響不大，說明受體L對甲醛的識別具有較好的選擇性。

2.4 受體L對甲醛識別的機理探討

核磁滴定實驗是研究分子間相互作用的重要手段。如圖5所示，受體L與甲醛作用后，在氫譜中，受體中肼基-NH-的化學位移值由原來的9.12向低場遷移至11.2，可能是由于受體中肼基與甲醛形成腙后，希夫堿雙鍵的各向異性及吸電子效應所致。在7.43和6.69分別出現了兩個烯氫的信號，而4.70處代表肼基中-NHZ的信號消失。說明甲醛與受體L中的肼基發生縮合反應生成了腙，體系中光誘導電子轉移（PET）受阻，導致熒光顯著增強[12?。▓D6），受體L顯示出對甲醛的良好識別作用。由于位阻及電子相應的影響，其他羰基化合物與受體L的反應速度或程度不及甲醛，因而熒光增強程度不如甲醛明顯。

3 結論

綜上所述，合成的受體4-肼基一1，8萘二酰亞胺L對甲醛有較好的選擇性識別作用，其作用機理是甲醛與肼基形成了腙，導致熒光增強是一種理想的甲醛熒光探針。

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[收稿日期]2021-09-28

[基金項目]河北省大中學生科技創新能力培育專項（2021H100403）;河北省高等學?？茖W技術研究項目（ZD2020153）

[作者簡介]盧玉偉（2000-），女，廊坊師范學院化學與材料科學學院2018級材料化學專業學生。

[通訊作者]肖立偉（1970-），男，博士，廊坊師范學院化學與材料科學學院教授，研究方向：功能有機化合物的設計與合成。