本發(fā)明涉及熒光傳感技術(shù)領(lǐng)域，更具體地涉及一種用于沙林毒劑及其模擬物檢測的熒光探針及其合成方法和應(yīng)用。

背景技術(shù)：

沙林學(xué)名甲氟膦酸異丙酯，是一種常用的軍用神經(jīng)類毒氣。沙林可以抑制生物體內(nèi)乙酰膽堿酯酶的活性，使乙酰膽堿在體內(nèi)蓄積，引起膽堿能神經(jīng)系統(tǒng)功能紊亂。生物的所有自主跟非自主肌肉運(yùn)動(dòng)是乙酰膽堿和乙酰膽堿酯酶的一個(gè)平衡，這個(gè)平衡被破壞之后，肌肉只會(huì)收縮而不會(huì)擴(kuò)張，會(huì)造成癱瘓呼吸功能，縮瞳，腸胃痙攣劇痛，分泌眼淚、汗水和唾液的管道也會(huì)由于收縮而大量排放分泌物，使人非常痛苦的死亡。若劑量足夠，從中毒到死亡只需要2分鐘。1995年，邪教組織“奧姆真理教”曾將沙林毒氣散布于日本東京地下鐵，造成13人死亡，約6300人受傷。目前，傳統(tǒng)上對于有害氣體的檢測主要有質(zhì)譜、離子遷移譜、電化學(xué)傳感器、光子晶體、光學(xué)纖維陣列等，這些檢測方法通常有所需設(shè)備大、檢測費(fèi)用昂貴、攜帶不方便，不易實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)檢測。近年來，隨著熒光化學(xué)傳感技術(shù)的發(fā)展，熒光化學(xué)傳感器由于其簡單易制、攜帶方便、靈敏度高等特點(diǎn)越來越受到人們的關(guān)注。

由于沙林的毒性太強(qiáng)，而氯磷酸二乙酯(DCP)與沙林毒劑活性相似，且毒性較小，在熒光檢測中DCP是一種公認(rèn)的沙林模擬物。對于沙林毒劑及DCP的熒光檢測的報(bào)道通常是針對液相，如((a)Yan，C.；Qi，F(xiàn).；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.)，但對于這種易揮發(fā)有毒物的液相熒光檢測不夠直接。對DCP的熒光氣相檢測的報(bào)道中，目前報(bào)道的文獻(xiàn)中最好的結(jié)果在假設(shè)儀器信噪比為1‰的情況下，也只能達(dá)到ppb量級，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.)，對于沙林毒氣模擬物DCP的飽和蒸氣，其熒光強(qiáng)度淬滅95％往往也需要10s以上。沙林毒氣立即威脅生命和健康的濃度(Immediately Dangerous to Life or Health)為7ppb，雖然上述探針理論上可以檢測到沙林立即威脅生命和健康的濃度，但該濃度已經(jīng)接近檢測的極限，且此時(shí)熒光淬滅率已經(jīng)接近1‰。當(dāng)空氣中的濃度小于7ppb時(shí)并不意味著不會(huì)對人造成危害，沙林毒劑在8小時(shí)內(nèi)使人感到不適但不會(huì)造成傷殘濃度(discomfort，non-disabling，8h)為170ppt，按照以往報(bào)道的熒光檢測方法，當(dāng)沙林毒劑在空氣中的含量低于立即威脅生命和健康的濃度，但依然高于對人體的有害濃度時(shí)，就不能被檢測到。

多吡啶配體及其衍生物具有σ給電子能力及π受電子能力，三聯(lián)吡啶及其配體在材料科學(xué)、生命科學(xué)以及蛋白質(zhì)分子的識(shí)別、自組裝、分子催化、DNA芯片、分子和超分子等領(lǐng)域，尤其在分子磁性材料、光學(xué)材料、分子開關(guān)、模擬酶模型及抗癌藥物等領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)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(xiàn).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.)，但在有毒物質(zhì)的氣相檢測方面并沒有使用過三聯(lián)吡啶。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為解決上述在較低的沙林毒劑及其模擬物濃度下，用現(xiàn)有的熒光檢測方法不能檢測到沙林毒劑及其模擬物的問題，本發(fā)明旨在提供一種用于沙林毒劑及其模擬物檢測的熒光探針及其合成方法和應(yīng)用。

本發(fā)明所述的用于沙林毒劑及其模擬物檢測的熒光探針，包括負(fù)載于基底上的具有式I結(jié)構(gòu)的化合物：

式I中，m為任意大于0的自然數(shù)，F(xiàn)為熒光基團(tuán)。

所述熒光基團(tuán)選自具有式F1-F11結(jié)構(gòu)的化合物：

式F1-F2中，R為烷基，X為C，N，O，S，Si，P，

式F11中，n為任意大于0的自然數(shù)。

根據(jù)本發(fā)明的熒光探針包括具有式I結(jié)構(gòu)的化合物，該化合物為帶三聯(lián)吡啶基團(tuán)的具有固態(tài)熒光的材料，具體結(jié)構(gòu)包含三聯(lián)吡啶和共軛及非共軛的熒光基團(tuán)F。

具有式I結(jié)構(gòu)的化合物為具有式I1結(jié)構(gòu)的化合物：

所述基底為石英片、濾紙、云母片、硅片、納米顆粒、納米柱、納米線或納米纖維。優(yōu)選地，所述基底為納米硅球、氧化鋅顆粒、硅納米線、電紡絲納米纖維。

本發(fā)明還提供一種用于沙林毒劑及其模擬物檢測的熒光探針的合成方法，包括如下步驟：

S1，通過如下方程式i或ii得到具有式I結(jié)構(gòu)的化合物：

S2，將具有式I結(jié)構(gòu)的化合物負(fù)載于基底上得到探針薄膜。

根據(jù)本發(fā)明的方法，在步驟S1中，可以通過方程式i使熒光基團(tuán)F與三聯(lián)吡啶基團(tuán)通過單鍵、雙鍵、三鍵間的偶聯(lián)反應(yīng)連接在一起；也可以通過方程式ii使熒光基團(tuán)F上的醛基與吡啶上的基團(tuán)發(fā)生縮合反應(yīng)而在熒光基團(tuán)上生成三聯(lián)吡啶基團(tuán)。根據(jù)本發(fā)明的方法，步驟S1還包括在反應(yīng)后冷卻至室溫，萃取，干燥，過濾，拌硅膠旋干后過柱子得到純化的具有式I結(jié)構(gòu)的化合物。

所述步驟S2為將具有式I結(jié)構(gòu)的化合物溶解于有機(jī)溶劑中配成溶液，將溶液涂到基底上得到探針薄膜。根據(jù)本發(fā)明的方法，有機(jī)溶劑在基底表面上揮發(fā)去除，從而得到負(fù)載于基底上的帶有固態(tài)熒光的探針薄膜。

該有機(jī)溶劑為四氫呋喃、二氯甲烷、三氯甲烷、甲苯、丙酮、乙酸乙酯、1，4-二氧六環(huán)、二甲基甲酰胺、二甲亞砜。優(yōu)選地，由1mg/mL的具有式I結(jié)構(gòu)的化合物的四氫呋喃溶液制備探針薄膜。

本發(fā)明還提供一種用于沙林毒劑及其模擬物檢測的熒光探針的應(yīng)用，液態(tài)或氣態(tài)的沙林毒劑及其模擬物與熒光探針接觸。

根據(jù)本發(fā)明的應(yīng)用，當(dāng)該熒光探針中的具有式I結(jié)構(gòu)的化合物接觸到空氣中的沙林或DCP時(shí)，其熒光強(qiáng)度和發(fā)射波長都會(huì)發(fā)生變化，即可實(shí)現(xiàn)對沙林和DCP的氣相檢測。其中，具有式I結(jié)構(gòu)的化合物可具有一個(gè)或多個(gè)三聯(lián)吡啶，當(dāng)沙林或DCP與分子中某個(gè)三聯(lián)吡啶中的某一個(gè)吡啶發(fā)生反應(yīng)，即發(fā)生由熒光探針到沙林或DCP的電荷轉(zhuǎn)移，同時(shí)也會(huì)發(fā)生從聚合物核到外圍基團(tuán)的能量轉(zhuǎn)移，導(dǎo)致整個(gè)分子的熒光淬滅，從而表現(xiàn)出優(yōu)秀的傳感性能。根據(jù)本發(fā)明的應(yīng)用具有響應(yīng)快速、靈敏度好的特點(diǎn)，對DCP飽和蒸氣在3秒內(nèi)熒光幾乎完全淬滅，對于較低濃度的DCP也有較好的響應(yīng)，可用于沙林毒劑及模擬物的實(shí)時(shí)檢測。相對于現(xiàn)有的針對沙林或DCP氣相檢測的熒光探針，根據(jù)本發(fā)明的應(yīng)用的檢測限提高了2-3個(gè)數(shù)量級；響應(yīng)速度快，熒光強(qiáng)度在3s內(nèi)淬滅99％，達(dá)到實(shí)時(shí)檢測的目的。另外，根據(jù)本發(fā)明的熒光探針的合成方法簡便，易于大量制備。根據(jù)本發(fā)明的熒光探針的應(yīng)用的檢測條件方便，室溫下即可，無需大型設(shè)備，且在檢測前無需預(yù)處理。實(shí)踐表明，具有式I結(jié)構(gòu)的化合物中的三聯(lián)吡啶在熒光淬滅的過程中起著關(guān)鍵作用，省略該三聯(lián)吡啶無法引起熒光變化。

附圖說明

圖1是根據(jù)本發(fā)明的HBP-PFTP的¹H NMR圖；

圖2是根據(jù)本發(fā)明的熒光探針HBP-PFTP、TPF的熒光激發(fā)光譜和發(fā)射光譜；

圖3是根據(jù)本發(fā)明的TPF的¹H NMR圖；

圖4是根據(jù)本發(fā)明的TPF的¹³C NMR圖；

圖5是根據(jù)本發(fā)明的HBP-PFTP與TPF的穩(wěn)定性與對DCP飽和蒸氣的傳感曲線，由于探針非常靈敏，兩探針對DCP飽和蒸氣的響應(yīng)曲線基本相同；

圖6(a)為根據(jù)本發(fā)明的HBP-PFTP對DCP的實(shí)時(shí)檢測過程；

圖6(b)為根據(jù)本發(fā)明的HBP-PFTP與DCP反應(yīng)前后的熒光光譜對比；

圖7為根據(jù)本發(fā)明的HBP-PFTP對不同濃度DCP蒸氣的響應(yīng)效果。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖，給出本發(fā)明的較佳實(shí)施例，并予以詳細(xì)描述。

實(shí)施例1 傳感材料HBP-PFTP的合成及熒光探針的制備

以三聯(lián)吡啶為端基的芘-芴共聚超支化聚合物HBP-PFTP的合成及傳感薄膜制備：

在氮?dú)獗Ｗo(hù)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)，二氧六環(huán)30mL，加熱回流反應(yīng)48小時(shí)。再在通入氮?dú)獾那闆r下加入化合物3(200mg)和Pd(PPh₃)₄(50mg)，回流24小時(shí)后冷卻至室溫。用飽和食鹽水/二氯甲烷萃取，合并有機(jī)相并有無水硫酸鎂干燥，旋去溶劑得粗產(chǎn)物。將得到的粗產(chǎn)物溶解于少量CH₂Cl₂中，逐滴滴加到CH₃OH中析出沉淀，重復(fù)溶解析出的步驟三遍，再用索氏提取器回流三天，洗去部分分子量小的產(chǎn)物。CH₂Cl₂/CH₃OH柱色譜分離，得到最終產(chǎn)物HBP-PFTP，產(chǎn)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圖譜參見圖1。

熒光探針的制備：

(1)將1mg/mL的HBP-PFTP四氫呋喃溶液滴到石英片上；

(2)用自動(dòng)勻膠機(jī)甩干，即可制得HBP-PFTP的熒光探針；

制得的熒光探針的最大激發(fā)波長為357nm，最大發(fā)射波長為468nm，如圖2所示。

實(shí)施例2 傳感材料TPF的合成及熒光探針的制備

按實(shí)施例1中的Suzuki-Miyaura方法合成TPF并制備相應(yīng)的熒光探針。TFP的¹H NMR和¹³C NMR、元素分析結(jié)果如下所示：

TPF的¹H NMR圖譜參見圖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圖譜參見圖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.

測得TPF制得的薄膜的最大激發(fā)波長為366nm，最大發(fā)射波長為435nm，如圖2所示。

實(shí)施例3

分別在各自的最大激發(fā)波長和發(fā)射波長下測試了HBP-PFTP和TPF的穩(wěn)定性和對于DCP的響應(yīng)曲線(圖5)。如圖所示，HBP-PFTP的穩(wěn)定性比TPF更加優(yōu)秀，在300s內(nèi)熒光強(qiáng)度基本不變。HBP-PFTP和TPF對于DCP飽和蒸汽的響應(yīng)速度都很快，在3s內(nèi)熒光強(qiáng)度淬滅率都達(dá)到99％，說明HBP-PFTP和TPF對DCP響應(yīng)效果都很好，都很靈敏。效果遠(yuǎn)好于其它人得到的結(jié)果在10s以上淬滅95％。

實(shí)施例4

用HBP-PFTP制備的熒光探針對空氣中的DCP進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，當(dāng)在50s附近接觸到DCP飽和蒸汽時(shí)，HBP-PFTP的熒光強(qiáng)度迅速淬滅到可以忽略不計(jì)(圖6a)；與DCP充分反應(yīng)后，測試反應(yīng)后的熒光發(fā)射圖，與反應(yīng)前的對比(圖6b)，在468nm處，反應(yīng)后的熒光強(qiáng)度與反應(yīng)前的比值約為1％，此處也可論證與DCP反應(yīng)會(huì)使HBP-PFTP熒光強(qiáng)度淬滅99％。

實(shí)施例5

測試HBP-PFTP熒光探針對于不同濃度DCP蒸氣的響應(yīng)效果(圖7)。將飽和的DCP蒸氣(132ppm)逐級稀釋即可得到不同濃度的DCP蒸氣，分別測試其在50s(已達(dá)到平衡，熒光強(qiáng)度不再隨時(shí)間變化)內(nèi)HBP-PFTP的淬滅效果，最終測得對于66ppt的DCP蒸氣，HBP-PFTP在50s內(nèi)熒光淬滅3.6％即為測得的檢測限。此結(jié)果遠(yuǎn)好于國際水平推定的對ppb量級的DCP蒸氣淬滅1‰的結(jié)果。

以上所述的，僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，并非用以限定本發(fā)明的范圍，本發(fā)明的上述實(shí)施例還可以做出各種變化。即凡是依據(jù)本發(fā)明申請的權(quán)利要求書及說明書內(nèi)容所作的簡單、等效變化與修飾，皆落入本發(fā)明專利的權(quán)利要求保護(hù)范圍。本發(fā)明未詳盡描述的均為常規(guī)技術(shù)內(nèi)容。