一种用于沙林毒剂及其模拟物检测的荧光探针及其合成方法和应用与流程

本发明涉及荧光传感技术领域，更具体地涉及一种用于沙林毒剂及其模拟物检测的荧光探针及其合成方法和应用。

背景技术：

沙林学名甲氟膦酸异丙酯，是一种常用的军用神经类毒气。沙林可以抑制生物体内乙酰胆碱酯酶的活性，使乙酰胆碱在体内蓄积，引起胆碱能神经系统功能紊乱。生物的所有自主跟非自主肌肉运动是乙酰胆碱和乙酰胆碱酯酶的一个平衡，这个平衡被破坏之后，肌肉只会收缩而不会扩张，会造成瘫痪呼吸功能，缩瞳，肠胃痉挛剧痛，分泌眼泪、汗水和唾液的管道也会由于收缩而大量排放分泌物，使人非常痛苦的死亡。若剂量足够，从中毒到死亡只需要2分钟。1995年，邪教组织“奥姆真理教”曾将沙林毒气散布于日本东京地下铁，造成13人死亡，约6300人受伤。目前，传统上对于有害气体的检测主要有质谱、离子迁移谱、电化学传感器、光子晶体、光学纤维阵列等，这些检测方法通常有所需设备大、检测费用昂贵、携带不方便，不易实现实时检测。近年来，随着荧光化学传感技术的发展，荧光化学传感器由于其简单易制、携带方便、灵敏度高等特点越来越受到人们的关注。

由于沙林的毒性太强，而氯磷酸二乙酯(DCP)与沙林毒剂活性相似，且毒性较小，在荧光检测中DCP是一种公认的沙林模拟物。对于沙林毒剂及DCP的荧光检测的报道通常是针对液相，如((a)Yan，C.；Qi，F.；Li，S.；Xu，J.；Liu，C.；Meng，Z.；Qiu，L.；Xue，M.；Lu，W.；Yan，Z.Talanta 2016，159，412-417.(b)de Grenu，B.D.；Moreno，D.；Torroba，T.；Berg，A.；Gunnars，J.；Nilsson，T.；Nyman，R.；Persson，M.；Pettersson，J.；Eklind，I.；Wasterby，P.Journal of the American Chemical Society 2014，136，4125-4128.(c)Lei，Z.H.；Yang，Y.J.Journal of the American Chemical Society 2014，136，6594-6597.)，但对于这种易挥发有毒物的液相荧光检测不够直接。对DCP的荧光气相检测的报道中，目前报道的文献中最好的结果在假设仪器信噪比为1‰的情况下，也只能达到ppb量级，如((a)Yao，J.；Fu，Y.；Xu，W.；Fan，T.；Gao，Y.；He，Q.；Zhu，D.；Cao，H.；Cheng，J.Analytical Chemistry 2016，88，2497-2501.(b)Zhou，X.；Zeng，Y.Y.；Chen，L.Y.；Wu，X.；Yoon，J.Y.Angewandte Chemie-International Edition 2016，55，4729-4733.(c)Xu，W.；Fu，Y.；Yao，J.；Fan，T.；Gao，Y.；He，Q.；Zhu，D.；Cao，H.；Cheng，J.ACS Sensors 2016，1，1054-1059.)，对于沙林毒气模拟物DCP的饱和蒸气，其荧光强度淬灭95％往往也需要10s以上。沙林毒气立即威胁生命和健康的浓度(Immediately Dangerous to Life or Health)为7ppb，虽然上述探针理论上可以检测到沙林立即威胁生命和健康的浓度，但该浓度已经接近检测的极限，且此时荧光淬灭率已经接近1‰。当空气中的浓度小于7ppb时并不意味着不会对人造成危害，沙林毒剂在8小时内使人感到不适但不会造成伤残浓度(discomfort，non-disabling，8h)为170ppt，按照以往报道的荧光检测方法，当沙林毒剂在空气中的含量低于立即威胁生命和健康的浓度，但依然高于对人体的有害浓度时，就不能被检测到。

多吡啶配体及其衍生物具有σ给电子能力及π受电子能力，三联吡啶及其配体在材料科学、生命科学以及蛋白质分子的识别、自组装、分子催化、DNA芯片、分子和超分子等领域，尤其在分子磁性材料、光学材料、分子开关、模拟酶模型及抗癌药物等领域都有广泛的应用，如((a)Eryazici，I.；Moorefield，C.N.；Newkome，G.R.Chemical Reviews 2008，108，1834-1895.(b)Karipidou，Z.；Branchi，B.；Sarpasan，M.；Knorr，N.；Rodin，V.；Friederich，P.；Neumann，T.；Meded，V.；Rosselli，S.；Nelles，G.；Wenzel，W；Rampi，M.A.；von Wrochem，F.Advanced materials 2016，28，3473-3480.(c)Ali，M.；Nasir，S.；Quoc Hung，N.；Sahoo，J.K.；Tahir，M.N.；Tremel，W.；Ensinger，W.Journal of the American Chemical Society 2011，133，17307-17314.(d)Li，Y.；Jiang，Z.；Yuan，J.；Liu，D.；Wu，T.；Moorefield，C.N.；Newkome，G.R.；Wang，P.Chemical Communications 2015，51，5766-5769.)，但在有毒物质的气相检测方面并没有使用过三联吡啶。

技术实现要素：

为解决上述在较低的沙林毒剂及其模拟物浓度下，用现有的荧光检测方法不能检测到沙林毒剂及其模拟物的问题，本发明旨在提供一种用于沙林毒剂及其模拟物检测的荧光探针及其合成方法和应用。

本发明所述的用于沙林毒剂及其模拟物检测的荧光探针，包括负载于基底上的具有式I结构的化合物：

式I中，m为任意大于0的自然数，F为荧光基团。

所述荧光基团选自具有式F1-F11结构的化合物：

式F1-F2中，R为烷基，X为C，N，O，S，Si，P，

式F11中，n为任意大于0的自然数。

根据本发明的荧光探针包括具有式I结构的化合物，该化合物为带三联吡啶基团的具有固态荧光的材料，具体结构包含三联吡啶和共轭及非共轭的荧光基团F。

具有式I结构的化合物为具有式I1结构的化合物：

所述基底为石英片、滤纸、云母片、硅片、纳米颗粒、纳米柱、纳米线或纳米纤维。优选地，所述基底为纳米硅球、氧化锌颗粒、硅纳米线、电纺丝纳米纤维。

本发明还提供一种用于沙林毒剂及其模拟物检测的荧光探针的合成方法，包括如下步骤：

S1，通过如下方程式i或ii得到具有式I结构的化合物：

S2，将具有式I结构的化合物负载于基底上得到探针薄膜。

根据本发明的方法，在步骤S1中，可以通过方程式i使荧光基团F与三联吡啶基团通过单键、双键、三键间的偶联反应连接在一起；也可以通过方程式ii使荧光基团F上的醛基与吡啶上的基团发生缩合反应而在荧光基团上生成三联吡啶基团。根据本发明的方法，步骤S1还包括在反应后冷却至室温，萃取，干燥，过滤，拌硅胶旋干后过柱子得到纯化的具有式I结构的化合物。

所述步骤S2为将具有式I结构的化合物溶解于有机溶剂中配成溶液，将溶液涂到基底上得到探针薄膜。根据本发明的方法，有机溶剂在基底表面上挥发去除，从而得到负载于基底上的带有固态荧光的探针薄膜。

该有机溶剂为四氢呋喃、二氯甲烷、三氯甲烷、甲苯、丙酮、乙酸乙酯、1，4-二氧六环、二甲基甲酰胺、二甲亚砜。优选地，由1mg/mL的具有式I结构的化合物的四氢呋喃溶液制备探针薄膜。

本发明还提供一种用于沙林毒剂及其模拟物检测的荧光探针的应用，液态或气态的沙林毒剂及其模拟物与荧光探针接触。

根据本发明的应用，当该荧光探针中的具有式I结构的化合物接触到空气中的沙林或DCP时，其荧光强度和发射波长都会发生变化，即可实现对沙林和DCP的气相检测。其中，具有式I结构的化合物可具有一个或多个三联吡啶，当沙林或DCP与分子中某个三联吡啶中的某一个吡啶发生反应，即发生由荧光探针到沙林或DCP的电荷转移，同时也会发生从聚合物核到外围基团的能量转移，导致整个分子的荧光淬灭，从而表现出优秀的传感性能。根据本发明的应用具有响应快速、灵敏度好的特点，对DCP饱和蒸气在3秒内荧光几乎完全淬灭，对于较低浓度的DCP也有较好的响应，可用于沙林毒剂及模拟物的实时检测。相对于现有的针对沙林或DCP气相检测的荧光探针，根据本发明的应用的检测限提高了2-3个数量级；响应速度快，荧光强度在3s内淬灭99％，达到实时检测的目的。另外，根据本发明的荧光探针的合成方法简便，易于大量制备。根据本发明的荧光探针的应用的检测条件方便，室温下即可，无需大型设备，且在检测前无需预处理。实践表明，具有式I结构的化合物中的三联吡啶在荧光淬灭的过程中起着关键作用，省略该三联吡啶无法引起荧光变化。

附图说明

图1是根据本发明的HBP-PFTP的¹H NMR图；

图2是根据本发明的荧光探针HBP-PFTP、TPF的荧光激发光谱和发射光谱；

图3是根据本发明的TPF的¹H NMR图；

图4是根据本发明的TPF的¹³C NMR图；

图5是根据本发明的HBP-PFTP与TPF的稳定性与对DCP饱和蒸气的传感曲线，由于探针非常灵敏，两探针对DCP饱和蒸气的响应曲线基本相同；

图6(a)为根据本发明的HBP-PFTP对DCP的实时检测过程；

图6(b)为根据本发明的HBP-PFTP与DCP反应前后的荧光光谱对比；

图7为根据本发明的HBP-PFTP对不同浓度DCP蒸气的响应效果。

具体实施方式

下面结合附图，给出本发明的较佳实施例，并予以详细描述。

实施例1 传感材料HBP-PFTP的合成及荧光探针的制备

以三联吡啶为端基的芘-芴共聚超支化聚合物HBP-PFTP的合成及传感薄膜制备：

在氮气保护下，化合物1(156mg，0.3mmol)，化合物2(773mg，1.2mmol)，Pd(PPh₃)₄(76.023mg，0.06mmol)，K₂CO₃水溶液(10mL，2M)，二氧六环30mL，加热回流反应48小时。再在通入氮气的情况下加入化合物3(200mg)和Pd(PPh₃)₄(50mg)，回流24小时后冷却至室温。用饱和食盐水/二氯甲烷萃取，合并有机相并有无水硫酸镁干燥，旋去溶剂得粗产物。将得到的粗产物溶解于少量CH₂Cl₂中，逐滴滴加到CH₃OH中析出沉淀，重复溶解析出的步骤三遍，再用索氏提取器回流三天，洗去部分分子量小的产物。CH₂Cl₂/CH₃OH柱色谱分离，得到最终产物HBP-PFTP，产率41％。

GPC(THF vs.PS)：Mn＝3596，Mw＝10125，DPI＝2.81.Elemental Analysis：C，79.21，H，8.89，N，1.08。

HBP-PFTP的¹H NMR图谱参见图1。

荧光探针的制备：

(1)将1mg/mL的HBP-PFTP四氢呋喃溶液滴到石英片上；

(2)用自动匀胶机甩干，即可制得HBP-PFTP的荧光探针；

制得的荧光探针的最大激发波长为357nm，最大发射波长为468nm，如图2所示。

实施例2 传感材料TPF的合成及荧光探针的制备

按实施例1中的Suzuki-Miyaura方法合成TPF并制备相应的荧光探针。TFP的¹H NMR和¹³C NMR、元素分析结果如下所示：

TPF的¹H NMR图谱参见图3。¹H NMR(500MHz，Chloroform)δ8.82(s，4H)，8.76，(d，J＝4.7Hz，4H)，8.69(d，J＝8.0Hz，4H)，8.08-8.01(d，J＝8.0Hz，4H)，7.88(td，J＝7.7，1.8Hz，4H)，7.83(d，J＝8.0Hz，8H)，7.71-7.64(m，4H)，7.36(m，4H)，2.21-2.00(dd，J＝10.8，5.7Hz，4H)，1.15(s，20H)，0.80(t，J＝7.0Hz，10H).TPF的¹³C NMR图谱参见图4。¹³C NMR(126MHz，CDCl3)δ156.34，156.02，151.91，149.79，149.15，142.32，140.39，139.33，137.14，136.85，127.72，127.64，126.12，123.81，121.48，121.40，120.19，118.68，77.26，77.21，77.01，76.76，55.42，40.39，31.77，30.02，29.20，23.89，22.59，14.05.High Resolution MS：search on mass 1005.56；found 1005.5574.Anal.Calcd.for C₇₁H₆₈N₆：C，84.82；H，6.82；N，8.36.Found：C，84.48；H，6.94；N，8.20.

测得TPF制得的薄膜的最大激发波长为366nm，最大发射波长为435nm，如图2所示。

实施例3

分别在各自的最大激发波长和发射波长下测试了HBP-PFTP和TPF的稳定性和对于DCP的响应曲线(图5)。如图所示，HBP-PFTP的稳定性比TPF更加优秀，在300s内荧光强度基本不变。HBP-PFTP和TPF对于DCP饱和蒸汽的响应速度都很快，在3s内荧光强度淬灭率都达到99％，说明HBP-PFTP和TPF对DCP响应效果都很好，都很灵敏。效果远好于其它人得到的结果在10s以上淬灭95％。

实施例4

用HBP-PFTP制备的荧光探针对空气中的DCP进行实时监测，当在50s附近接触到DCP饱和蒸汽时，HBP-PFTP的荧光强度迅速淬灭到可以忽略不计(图6a)；与DCP充分反应后，测试反应后的荧光发射图，与反应前的对比(图6b)，在468nm处，反应后的荧光强度与反应前的比值约为1％，此处也可论证与DCP反应会使HBP-PFTP荧光强度淬灭99％。

实施例5

测试HBP-PFTP荧光探针对于不同浓度DCP蒸气的响应效果(图7)。将饱和的DCP蒸气(132ppm)逐级稀释即可得到不同浓度的DCP蒸气，分别测试其在50s(已达到平衡，荧光强度不再随时间变化)内HBP-PFTP的淬灭效果，最终测得对于66ppt的DCP蒸气，HBP-PFTP在50s内荧光淬灭3.6％即为测得的检测限。此结果远好于国际水平推定的对ppb量级的DCP蒸气淬灭1‰的结果。

以上所述的，仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的范围，本发明的上述实施例还可以做出各种变化。即凡是依据本发明申请的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本发明专利的权利要求保护范围。本发明未详尽描述的均为常规技术内容。