陳慧斐，黎學(xué)明，楊建春

(1.重慶大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院,重慶 401331；2.重慶大學(xué)光電學(xué)院,重慶 400044)

基于熒光光譜研究Cryptophane-A對(duì)甲烷及氯仿的識(shí)別作用

陳慧斐1，黎學(xué)明1，楊建春2

(1.重慶大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院,重慶 401331；2.重慶大學(xué)光電學(xué)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(shí)別、信息傳遞以及超分子材料等方面具有強(qiáng)大的的應(yīng)用潛力。本文用直接法通過(guò)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)合成cryptophane-A，得到最優(yōu)組合條件是：60℃和甲酸用量為1524:1下反應(yīng)5h。通過(guò)搭建Y型光纖甲烷傳感平臺(tái)，得出cryptophane-A熒光強(qiáng)度在甲烷濃度從0.1%到3.5%范圍內(nèi)呈線性變化，其熒光強(qiáng)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(luò)合，實(shí)驗(yàn)搭建的測(cè)量裝置甲烷檢測(cè)限為 0.1%。其中甲烷濃度為1.5%時(shí)，熒光恢復(fù)時(shí)間是熒光猝滅時(shí)間的兩倍。另外，cryptophane-A與氯仿可發(fā)生較為穩(wěn)定的絡(luò)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(dāng)大的關(guān)注。這類復(fù)合物與客體形成特異性非共價(jià)鍵[3]，有的已經(jīng)在廣泛應(yīng)用中被發(fā)現(xiàn)，包括分子識(shí)別[4]、藥物遞送[5]、分離和儲(chǔ)存[6]、生物感應(yīng)[7]和催化[8]。這類有機(jī)受體，對(duì)封裝的客體分子具有特定的選擇性。例如，手性cryptophane-C能夠區(qū)分兩種對(duì)映異構(gòu)體的CHFClBr[9]，水溶性cryptophane-O很容易區(qū)分膽堿和乙酰膽堿[10]。X射線確定晶體結(jié)構(gòu)通常為球形cryptophanes[11]。施[12]通過(guò)合成cryptophane-M，能特異性識(shí)別氯仿。因此，這類超分子對(duì)于分子識(shí)別有很強(qiáng)的潛力。

甲烷及其氯化物之一的三氯甲烷是一類對(duì)安全生產(chǎn)、環(huán)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(hào)殺手”，也是天然氣儲(chǔ)運(yùn)、加工、使用過(guò)程中的重要危險(xiǎn)源[13-17]，而揮發(fā)性三氯甲烷則可作用于中樞神經(jīng)系統(tǒng)，具有麻醉作用，對(duì)心、肝、腎有損害，吸入后引起急性中毒[18]。因此監(jiān)測(cè)甲烷及揮發(fā)性三氯甲烷的濃度對(duì)于煤礦安全生產(chǎn)、天然氣安全使用、人體健康具有十分重要的意義。

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 Cryptophane-A的合成

有機(jī)試劑均來(lái)自于重慶藥物與化學(xué)試劑公司，其他的化學(xué)用品和試劑除了特別提到的均買自Aldrich公司。有機(jī)試劑的干燥采用標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室操作方法。使用前，實(shí)驗(yàn)用品通過(guò)重蒸或者重結(jié)晶進(jìn)行前期凈化。

Cryptophane-A是由香蘭素通過(guò)已知合成路徑(如圖1)進(jìn)行合成。其中二醛化合物以及二醇化合物的合成產(chǎn)率分別達(dá)到80%和90%以上，終產(chǎn)物的產(chǎn)率相對(duì)較低，約6%，因此，對(duì)最后一步進(jìn)行正交優(yōu)化，選取影響因素：反應(yīng)溫度、反應(yīng)時(shí)間以及反應(yīng)甲酸用量三個(gè)因素，各個(gè)因素下以現(xiàn)有取值為基礎(chǔ)左右浮動(dòng)數(shù)據(jù)分別得到三個(gè)水平。遵照正交表選取規(guī)則，使用三因素三水平的正交表進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)。

因素A，反應(yīng)溫度：40℃，60℃，80℃

因素B，反應(yīng)時(shí)間：1h，3h，5h

因素C，反應(yīng)物物質(zhì)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(duì)中間產(chǎn)物以及最終產(chǎn)物進(jìn)行核磁共振分析，實(shí)驗(yàn)所得的 cryptophane-A的1 H NMR (CDCl3)數(shù)據(jù)與文獻(xiàn)參考一致。

1.2 Cryptophane-A對(duì)甲烷的響應(yīng)

以拋光p型Si晶片為基片，通過(guò)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(wú)水乙醇) = 1/1的混合溶劑中，室溫?cái)嚢?0min后超聲處理2 h待用。

1.3 Cryptophane-A溶于不同有機(jī)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(huán)、氯仿有機(jī)溶劑中配制成濃度為2.0×10-5mol/L的溶液，對(duì)新配制的溶液進(jìn)行熒光光譜檢測(cè)，超聲2h靜置后對(duì)溶液再次進(jìn)行熒光檢測(cè)。365nm紫外燈下溶液分別產(chǎn)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(huán)、氯仿。

圖2 365nm紫外燈照射下cryptophane-A(2 × 10-5mol·L-1)溶于不同有機(jī)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(duì)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(luò)合作用，取cryptophane-A溶于1,2-二氧六環(huán)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(duì)cryptophane-A 的熒光猝滅情況。即配即測(cè)，通過(guò)對(duì)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(duì)cryptophane-A(2×10-5mol·L-1)的熒光猝滅作用。

2 結(jié)果討論

2.1 極差分析

正交實(shí)驗(yàn)極差分析法處理數(shù)據(jù)。按照分析方法計(jì)算出各因素下Kj和kj之后，由每個(gè)因素下kj的最大與最小值之差計(jì)算得極差Rj，根據(jù)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(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響大小排序?yàn)锳>C>B；另外，根據(jù)各因素不同水平下的Kj，得到因素下對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響較大的水平，對(duì)應(yīng)本實(shí)驗(yàn)結(jié)果既是A2 、B3和C1，優(yōu)組合為A2C1B3，即實(shí)驗(yàn)優(yōu)化條件是60℃和甲酸用量為1524:1下反應(yīng)5h，產(chǎn)率為8.83%。

2.2 Cryptophane-A對(duì)甲烷的響應(yīng)

2.2.1 反應(yīng)原理

許多物質(zhì)可用作熒光猝滅劑，其中最廣為人知的當(dāng)屬氧氣分子，可猝滅多種常見(jiàn)熒光團(tuán)。在論文中，所合成的cryptophane-A結(jié)構(gòu)在紫外燈照射下均可發(fā)出較強(qiáng)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(dòng)態(tài)猝滅可通過(guò)Stern-Volmer方程描述：

(1)

其中，F(xiàn)和F0分別為猝滅發(fā)生前后的熒光強(qiáng)度，kq為兩種物質(zhì)鍵的猝滅系數(shù)，τ0是熒光物質(zhì)在沒(méi)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(dá)為KD，稱為猝滅常數(shù)，若某一猝滅過(guò)程已知為碰撞猝滅，則記為KD，否則記為KSV。

② 靜態(tài)猝滅原理:動(dòng)態(tài)猝滅是一個(gè)很大程度上依賴時(shí)間的過(guò)程，但靜態(tài)猝滅則完全是由于新的復(fù)合物生成且吸收光返回基態(tài)不輻射光子所致。這種過(guò)程中，熒光強(qiáng)度與猝滅劑濃度相關(guān)，也與猝滅劑和熒光物質(zhì)的絡(luò)合系數(shù)相關(guān)。絡(luò)合常數(shù)Ks可表達(dá)為：

(2)

其中[F1]為絡(luò)合物濃度，[F]是未絡(luò)合的熒光物質(zhì)濃度，[Q]則是猝滅劑濃度，若絡(luò)合物為費(fèi)熒光物質(zhì)，則殘留熒光比例可表達(dá)為：

(3)

總的熒光物質(zhì)濃度[F0]=[F]+[F1]，帶入公式3，則有

(4)

變形得:

(5)

與動(dòng)態(tài)猝滅類似，靜態(tài)猝滅也被期望為猝滅過(guò)程，與動(dòng)態(tài)猝滅不同之處在于，除了與猝滅劑濃度相關(guān)外，動(dòng)態(tài)猝滅主要依賴于猝滅常數(shù)，而靜態(tài)猝滅依賴于絡(luò)合常數(shù)。

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(zhǔn)曲線Fig.4 Benesi-Hildebrand plot of ln(F0/F1) versus ln[Q]

通過(guò)搭建好的Y型光纖檢測(cè)平臺(tái)，對(duì)濃度為0.1%到3.5%的甲烷與cryptophane-A的絡(luò)合作用進(jìn)行考察。增大甲烷濃度則熒光強(qiáng)度呈梯度下降趨勢(shì)(圖3)，主峰位置位于438nm附近。實(shí)驗(yàn)選取438.11 nm處的數(shù)據(jù)，考察ln(F0/F1)與ln[Q]相互關(guān)系，發(fā)現(xiàn)濃度從0.1%到3.5%范圍內(nèi)呈線性變化(圖4)，通過(guò)線性擬合得出直線斜率為0.92622，證明甲烷與cryptophane-A的絡(luò)合作用以接近1:1的比例進(jìn)行，截距為-3.54433，計(jì)算得到絡(luò)合常數(shù)Ks為0.05%-1。實(shí)驗(yàn)所搭建的檢測(cè)平臺(tái)的檢測(cè)限為0.1%。

2.2.3 傳感器響應(yīng)和恢復(fù)時(shí)間研究

為研究此甲烷傳感的響應(yīng)時(shí)間和恢復(fù)時(shí)間，以氮?dú)鉃檩d氣，對(duì)暴露于1.5%甲烷的響應(yīng)做了特定研究。熒光猝滅與熒光恢復(fù)-時(shí)間關(guān)系，如圖5，光源波長(zhǎng)為376nm。

圖5 cryptophane-A熒光猝滅與恢復(fù)時(shí)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(fù)F0/F-時(shí)間關(guān)系Fig.6 Fluorescence quenching andrecovery intensity F0 / F versus time

甲烷濃度控制在1.5%時(shí)，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(qiáng)度處于穩(wěn)定，隨后通入1.5%甲烷氣體，熒光強(qiáng)度迅速下降，30 s內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定，熒光猝滅發(fā)生在這30s內(nèi)，對(duì)熒光猝滅過(guò)程做F0/F與時(shí)間t的關(guān)系圖，如圖6(a)。穩(wěn)定后，將甲烷氣體濃度設(shè)置為0%，只通入N2，熒光強(qiáng)度開(kāi)始恢復(fù)，60s后熒光強(qiáng)度恢復(fù)到甲烷濃度為0%的強(qiáng)度，對(duì)熒光猝滅過(guò)程做F0/F與時(shí)間t的關(guān)系圖，如圖6(b)。熒光猝滅擬合斜率為0.00146，熒光恢復(fù)擬合斜率為-0.00112，說(shuō)明熒光猝滅速度快于熒光恢復(fù)的速度，分析原因?yàn)?，甲烷氣體進(jìn)入cryptophane-A空腔容易，而解析出來(lái)相對(duì)困難。

2.3 Cryptophane-A對(duì)氯仿的響應(yīng)

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(duì)于cryptophane-A的熒光光譜，如圖7(a)，沒(méi)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(qiáng)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(wú)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(jī)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(fā)波長(zhǎng)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(luò)合

通過(guò)對(duì)比體積濃度從0%到70%的氯仿/1,2-二氧六環(huán)溶液熒光強(qiáng)度，考察不同濃度的氯仿溶液對(duì)2×10-5mol·L-1cryptophane-A 的熒光猝滅情況，如圖8(a)為即配即測(cè)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(qiáng)，熒光強(qiáng)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(duì)cryptophane-A在不同濃度氯仿溶液的熒光強(qiáng)度對(duì)濃度進(jìn)行擬合，以ln(F0/F1)對(duì)ln[Q]作圖，得到一條直線(圖9)。通過(guò)線性擬合得出直線斜率為0.73515， 即為cryptophane-A與氯仿的絡(luò)合比，說(shuō)明二者以該比例發(fā)生絡(luò)合作用，近似看成一分子空腔內(nèi)封裝一個(gè)氯仿分子，可發(fā)生較為穩(wěn)定的絡(luò)合作用，絡(luò)合常數(shù)KS 通過(guò)計(jì)算為455.1 M-1。

圖9 ln(F0/F1) ～ ln[Q]校準(zhǔn)曲線Fig.9 Benesi-Hildebrand plot of ln(F0/F1) versus ln[Q]

3 結(jié)論

本文給出了如下結(jié)論：

(1)設(shè)計(jì)三因素三水平的L9(34)正交試驗(yàn)，研究了反應(yīng)溫度、反應(yīng)時(shí)間以及甲酸與反應(yīng)原料物質(zhì)的量比三個(gè)因素下分別三水平時(shí)的反應(yīng)產(chǎn)率。試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理采用正交實(shí)驗(yàn)的極差分析和因素趨勢(shì)圖法，得到的最優(yōu)組合條件是：60℃和甲酸用量為1524:1下反應(yīng)5h，優(yōu)化產(chǎn)率為8.83%。

(2)Cryptophane-A能選擇性識(shí)別甲烷，甲烷與cryptophane-A的絡(luò)合比接近1:1，絡(luò)合常數(shù)為0.05%～1%。實(shí)驗(yàn)所搭建的檢測(cè)平臺(tái)的檢測(cè)限為0.1%。且甲烷濃度為1.5%時(shí)，熒光猝滅時(shí)間為30s，熒光恢復(fù)時(shí)間為60s，且熒光猝滅速度比熒光恢復(fù)速度快。

(3)因?yàn)榧淄榕c氯仿不會(huì)同時(shí)存在，所以cryptophane-A也能用于識(shí)別氯仿分子，二者絡(luò)合比接近1:1，且隨氯仿濃度增大，熒光猝滅越強(qiáng)。

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(本文文獻(xiàn)格式：陳慧斐，黎學(xué)明，楊建春.基于熒光光譜研究Cryptophane-A對(duì)甲烷及氯仿的識(shí)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(guó)家自然科學(xué)基金(61271059)

陳慧斐(1991—)，女，四川綿陽(yáng)人，重慶大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院研究生在讀，主要方向?yàn)榉治龌瘜W(xué)以及光纖甲烷傳感。

O659.21

A

1008-021X(2017)14-00-01-05

科研與開(kāi)發(fā)