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一种可用于直接检测空气中异氰酸酯的比率型荧光探针
English
A Ratiometric Fluorescence Probe for Detecting Gaseous Isocyanates Directly
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Key words:
- isocyanates
- / fluorescence probe
- / testing paper
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1. 引言
异氰酸酯(Isocyanate)是一类含有异氰酸酯基(-NCO)的化合物[1], 易与水、胺类和醇类等带有活泼氢的化合物反应[2].作为一种重要的化工原料, 异氰酸酯常被用于药物合成、农用化学品(杀虫剂、除草剂等)和聚合物工业(橡胶、涂料、胶黏剂等)等多个领域[3~5].然而, 异氰酸酯易挥发进入空气中, 对皮肤、呼吸道、肺和眼睛等造成刺激.长时间暴露在含异氰酸酯的环境中, 容易导致哮喘; 因此哮喘也被认定为相关行业的职业病.在极端条件下, 甚至能引发严重的过敏反应进而致死[6~10].如今, 很多国家都出台了相关的法律法规, 严格控制空气中异氰酸酯的接触限(Exposure limits)[11, 12].因此, 开发快速、方便的空气中异氰酸酯的检测方法具有重大的意义.
目前, 已有一些检测方法用于对空气中异氰酸酯的检测, 例如:气相色谱法(GC)、高效液相法(HPLC)、紫外吸收光谱法和荧光方法等[13~17].其中, 荧光探针技术具有灵敏性高、操作方便等特点, 应用前景良好. Ghosh等[18]成功合成了一种“turn-off”型的荧光聚合物薄膜, 实现了对空气中异氰酸酯的灵敏检测.但是, 该类单信号的荧光探针容易受到探针浓度、激发光强度、收集效率等因素的干扰.在本团队之前的研究工作中, 合成了一种基于1, 8蒽二酰亚胺的单荧光团比率型荧光探针[19].比率型荧光探针克服了单信号的荧光探针易受干扰的缺点.该探针实现了对异氰酸酯的比率型检测, 并制备检测试纸实现空气中异氰酸酯的快速、便利检测[20~24].然而, 该探针的合成过程较为复杂且产率较低.因此, 开发一种简单、易于合成的荧光探针, 具有重要的实用意义.
1, 8萘二酰亚胺类化合物光学性质优良、易于修饰, 常用于荧光探针的制备[25, 26]. 1, 8萘二酰亚胺类化合物是基于Intramolecular charge transfer (ICT)机理的荧光团, 由电子供体(推电子基团)和电子受体(拉电子基团)直接相连(共轭π键), 形成电子“推-拉”效应[27].萘环4位上取代基团极大地影响荧光分子内的电子“推-拉”效应强弱, 使其LUMO/HOMO之间能级差变化, 导致吸收光谱和发射光谱出现蓝移或红移[28].基于ICT机理和1, 8萘二酰亚胺类化合物独特性质, 常以萘环4位上的取代基作为识别基团, 用来设计比率型荧光传感器[29~36].目前, 已有一些基于1, 8萘二酰亚胺的荧光探针被制备用于比率型的荧光检测.
制备了一种基于1, 8萘二酰亚胺的荧光探针(N-正丁基-4-羟基-1, 8萘二酰亚胺), 与异氰酸酯反应后, 探针的荧光颜色会由黄绿色变为蓝色(图 1A), 实现异氰酸酯比率型检测.同时, 探究了该探针对异氰酸酯响应的灵敏性和选择性.并利用1H NMR、ESI-MASS和HPLC等分析测试手段, 证明了其检测异氰酸酯的机理.为了能够直接检测空气中的异氰酸酯, 此外, 在该种荧光探针的基础上还制备一种荧光检测试纸, 实现了对空气中异氰酸酯的灵敏、快速检测, 且该试纸具有较好的灵敏性与选择性.该探针将为空气中异氰酸酯的检测提供一种有力的方法, 同时也可为空气中挥发性有机物的检测提供了借鉴.
图 1
2. 结果与讨论
2.1 探针光谱性质与对异氰酸酯的响应
2.1.1 探针光谱性质
如图S1(见Supporting Information), 探针经三步简单反应合成, 产率75%;探针及各部中间产物以1H NMR和ESI-MASS表征明确.探针乙醇溶液的紫外吸收光谱和荧光发射光谱如图 1B所示, 探针的吸收峰位于420 nm处; 以370 nm为激发波长, 探针的乙醇溶液在540 nm附近出现了荧光发射峰.以硫酸奎宁溶液作为标准, 算得探针的量子产率为0.263, 详细计算过程见支持信息.
2.1.2 对异氰酸酯的响应
为了探究探针对异氰酸酯的响应, 我们进行了一系列的实验.在本文研究工作中, 均以异氰酸乙酯为异氰酸酯类物质的代表.如图 1C所示, 探针的乙醇溶液呈黄绿色荧光(540 nm).当加入异氰酸酯后, 420 nm处出现一新的荧光发射峰.随着加入异氰酸酯浓度增大540 nm处的发射峰逐渐降低, 而420 nm处的发射峰逐渐增强.此外, 紫外吸收光谱中也能观察到类似的现象. (图S4)随着异氰酸酯的增加, 探针在450 nm处的吸收峰逐渐减小, 370 nm处的吸收峰逐渐增加.探针对异氰酸酯的响应时间如图S5所示, 加入50 μmol/L异氰酸酯后, 探针溶液荧光强度比率值I420/I540在4 min内达到稳定, 说明探针与异氰酸乙酯的反应基本完成.该检测反应的进行速率为2 μmol•L-1•min-1, 反应速率详细计算过程见支撑信息.以4 min的光强度比率值I420/I540和异氰酸乙酯浓度构建工作曲线, 如图 1D所示.值得注意的是, 在异氰酸乙酯浓度为0~9 μmol/L的范围内, 荧光比率值(I420/I540)与异氰酸乙酯浓度呈现良好的线性关系(R=0.996), 计算得出探针对异氰酸乙酯的检出限为112 nmol•L-1, 详细过程见支持信息.随后测试了在常见挥发有机物存在条件下, 探针乙醇溶液的荧光光谱.如图S7所示, 乙酸乙酯、乙腈、石油醚、甲醛、丙酮、苯、二氯甲烷等有机化合物未引起荧光比率值I420/I540的明显变化, 这说明探针对异氰酸乙酯高选择性响应.此外, 探针溶液中水分含量对检测的影响也被探究了.如图S8所示, 当水分含量在0.3%内时, 探针对异氰酸乙酯的响应几乎未受到影响.当水分含量达到1%时, 对异氰酸乙酯的响应受到一定影响; 当水分含量为10%时, 探针几乎不对异氰酸乙酯产生响应.
2.2 探针与异氰酸乙酯的反应机理
为了探究探针与异氰酸乙酯的反应机理.首先, 我们分离了探针与异氰酸乙酯反应的主要产物, 并且通过ESI-MASS (图S9)和1H NMR(图S10)确定为N-正丁基- 4-氨基甲酸酯-1, 8萘二酰亚胺. 1H NMR (CDCl3, 600 MHz) δ: 0.99 (t, J=7.2 Hz, 3H), 1.32 (t, J=7.2 Hz, 3H), 1.41~1.50 (m, 2H), 1.61~1.76 (m, 2H), 3.35~3.48 (m, 2H), 4.19 (t, J=7.8 Hz, 2H), 7.62 (d, J=7.8 Hz, 1H), 7.76 (t, J=7.2 Hz, 1H), 8.33 (d, J=8.4 Hz, 1H), 8.59 (t, J=7.8 Hz, 2H). MS (ESI): m/z=362.9[M+Na]+, 与理论值(340.37)相符.
为了进一步研究该反应, 测试了探针与异氰酸乙酯反应液的ESI-MASS图谱.如图 2C所示, 362.9与293.0两个峰分别对应产物(N-正丁基-4-氨基甲酸酯-1, 8萘二酰亚胺)和探针.此外, HPLC被用来探究探针与异氰酸乙酯的反应过程.如图 2B所示, 探针在乙醇溶液中的保留时间为3.4 min, 产物(N-正丁基-4-氨基甲酸酯-1, 8萘二酰亚胺)的保留时间为3.2 min.在探针溶液中加入异氰酸乙酯后, 3.4 min处液相峰(探针)强度减小, 同时3.2 min处液相峰(产物)增强.这说明探针与异氰酸乙酯反应, 逐渐生成了产物N-正丁基-4-氨基甲酸酯-1, 8萘二酰亚胺.
图 2
综上所述, 探针与异氰酸乙酯的反应生成了N-正丁基-4-氨基甲酸酯-1, 8萘二酰亚胺(图 2A), 导致其分子结构中萘环4位的取代基发生变化, 从而影响分子内的电子“推-拉”效应而引起荧光的变化, 实现异氰酸乙酯的比率型检测.
2.3 试纸检测空气中的异氰酸乙酯
为了直接检测空气中的异氰酸乙酯, 我们将试纸浸渍于探针乙醇溶液中, 制备检测试纸.如图 3B所示, 检测试纸在自然光条件下白色状态, 在365 nm手提式紫外灯下呈现黄绿色荧光.将试纸置于含异氰酸乙酯的气氛中, 检测试纸的荧光颜色逐渐变化.当暴露时间长至6 min时, 检测试纸的荧光颜色为蓝色且不再变化(图 3A).这与前面溶液测试结果相似, 也表明检测试纸具有直接检测空气中异氰酸乙酯的能力.
图 3
为了探究检测试纸对空气中异氰酸乙酯的选择性, 我们将检测试纸暴露于含不同挥发性有机物(丙酮、甲苯、氯仿、乙醚、乙酸乙酯、丙烯、甲醛)的气氛中6 min.如图 4A, 检测试纸对上述挥发性有机物均未产生响应, 这说明测试纸对空气中异氰酸乙酯的响应具有选择性.最后, 我们测试了检测试纸对不同种异氰酸酯响应的能力.检测试纸被置于含甲苯-2, 4-二异氰酸酯(2, 4-TDI)、甲苯-2, 6-二异氰酸酯(2, 6-TDI)、二苯基甲烷二异氰酸酯(MDI)、六亚甲基二异氰酸酯(HDI)、异佛尔酮二异氰酸酯(IPDI)和异氰酸乙酯(EIC)的气氛中6 min后, 在365 nm手提式紫外灯下都呈现蓝色荧光(图 4B), 表明了该试纸具备对空气中各种气态异氰酸酯进行检测的能力.
图 4
3. 结论
本文成功合成了荧光探针N-正丁基-4-羟基-1, 8萘二酰亚胺, 实现了对异氰酸酯的比率型荧光检测.该探针具有良好的灵敏性和选择性.其检测机理为探针与异氰酸酯的反应生成了N-正丁基-4-氨基甲酸酯-1, 8萘二酰亚胺, 从而引起荧光变化.此外, 基于该探针制备了一种检测试纸, 能够快速、方便地直接检测空气中异氰酸酯.综上, 本研究成功实现了对空气中异氰酸酯的直接检测, 此外也为检测空气中有害物质提供了新思路.
4. 实验部分
4.1 实验材料和仪器
6-溴-1, 3二乙酰氧基萘、正丁胺、无水硫酸铜、甲醇钠、氢碘酸(57%)、甲苯-2, 4-二异氰酸酯(2, 4-TDI)、甲苯-2, 6-二异氰酸酯(2, 6-TDI)、二苯基甲烷二异氰酸酯(MDI)、六亚甲基二异氰酸酯(HDI)、异佛尔酮二异氰酸酯(IPDI)和异氰酸乙酯(EIC)均从阿拉丁试剂公司购置, 甲醇、乙醇、二氯甲烷等溶剂均为分析纯, 从广州试剂厂购得.本文中所用的水如无特别说明均为双重蒸馏得到的蒸馏水.
实验中的荧光光谱由日立F-7000荧光光谱仪表征, 紫外光谱由Evolution 220型紫外可见光谱仪记录, 红外光谱由Perkinelmer公司的Spectrum 100型红外光谱仪表征, 1H NMR由Bruker biospin公司的AV600型核磁波谱仪表征, ESI-MASS由Agilent公司的质谱仪表征, 高效液相色谱由Waters-600型液相仪表征.
4.2 探针合成
探针通过三步简单反应合成得到, 具体合成步骤如下.
4.2.1 N-正丁基-4-溴-1, 8萘二酰亚胺合成
取277 mg 6-溴-1, 3二乙酰氧基萘(1 mmol)加入装有10 mL乙醇的25 mL两口瓶中搅拌分散10 min.随后通入氮气, 保持3 min后加入200 μL正丁胺(2 mmol), 加热至85 ℃, 回流过夜.反应结束后, 将反应液冷却至室温将乙醇通过旋转蒸发的方式去除并用水和二氯甲烷(1:1, V/V)进行萃取, 收集有机相旋干, 所得粉末通过柱层析方式分离纯化(固定相为硅胶, 流动相为二氯甲烷).最后所得白色粉末(265 mg, 92%)为N-正丁基-4-溴-1, 8萘二酰亚胺, 产物核磁氢谱见图S11, 质谱见图S12. 1H NMR (CDCl3, 600 MHz) δ: 0.96 (t, J=7.8 Hz, 3H), 1.39~1.48 (m, 2H), 1.66~1.73 (m, 2H), 4.13 (t, J=7.8 Hz, 2H), 7.75 (t, J=7.8 Hz, 1H), 7.94 (d, J=7.8 Hz, 1H), 8.32 (d, J=7.8 Hz, 1H), 8.44 (d, J=9 Hz, 1H), 8.57 (d, J=7.2 Hz, 1H). MASS (ESI): m/z=334.0 [M+H]+, 与理论值(333.20)相符.
4.2.2 N-正丁基-4-甲氧基-1, 8萘二酰亚胺合成
将上一步反应产物332 mg (1 mmol)溶解于10 mL甲醇中加入两口瓶中搅拌10 min, 随后加入108 mg(2 mmol)甲醇钠和1 mg无水硫酸铜.通入氮气加热至65 ℃回流保持8 h.所得反应液冷却降温后用水与二氯甲烷进行萃取(1:1, V/V).收集有机层旋除溶剂, 对剩余物通过柱层析的方法纯化(固定相硅胶, 流动相二氯甲烷).所得粉末(247.35 mg, 95%)为N-正丁基-4-甲氧基-1, 8萘二酰亚胺, 产物核磁氢谱见图S13, 质谱见图S14. 1H NMR (CDCl3, 600 MHz) δ: 0.91 (t, J=7.2 Hz, 3H), 1.30~1.42 (m, 2H), 1.57~1.67 (m, 2H), 3.97 (s, 3H), 4.02 (t, J=7.8 Hz, 2H), 6.75 (d, J=7.8 Hz, 1H), 7.43 (t, J=7.2 Hz, 1H), 8.82 (d, J=9.6 Hz, 2H), 8.30 (d, J=7.2 Hz, 1H). MASS (ESI): m/z=283.8[M]+, 与理论值(283.32)相符.
4.2.3 N-正丁基-4-羟基-1, 8萘二酰亚胺合成(探针)
将上一步产物291 mg (1 mmol)置于两口瓶中通入氮气保护, 随后加入20 mL氢碘酸避光回流10 h, 反应温度为127 ℃.反应结束后, 用氢氧化钠溶液将反应液pH调整至弱酸性, 然后用二氯甲烷和水(1:1, V/V)进行萃取.收集有机相旋干后进行柱层析(固定相为硅胶, 流动相为二氯甲烷/甲醇, 10:1), 所得红色粉末为N-正丁基-4-羟基-1, 8萘二酰亚胺188.51 mg(85%), 产物核磁氢谱见图S15, 质谱见图S16. 1H NMR (CD3OD, 600 MHz) δ: 1.00 (t, J=7.2 Hz, 3H), 1.39~1.49 (m, 2H), 1.64~1.74 (m, 2H), 4.14 (t, J=7.2 Hz, 2H), 5.50 (s, 1H), 7.08 (d, J=7.8 Hz, 1H), 7.72 (t, J=7.2 Hz, 1H), 8.39 (d, J=8.4 Hz, 1H), 8.59 (d, J=7.2 Hz, 1H), 8.60 (d, J=7.2 Hz, 1H). MASS (ESI): m/z=267.8 [M-H]-, 与理论值(269.30)相符.元素分析结果如图S16、S17所示, 氮氢碳氧四种元素占比分别为5.3%、5.5%、71.3%、17.8%.氮氢碳氧四种元素理论占比分别为5.2%、5.6%、71.3%、17.9%.
4.3 表征样品制备
4.3.1 紫外光谱和荧光光谱样品制备
在紫外光谱和荧光光谱的测试中均使用探针的乙醇溶液, 探针浓度为8 μmol/L, 并且异氰酸乙酯作为异氰酸酯类化合物的代表进行测试.在对异氰酸酯浓度响应的测试中, 加入相应浓度异氰酸酯后, 均保持4 min的反应时间后进行测试.在时间响应测试中, 加入异氰酸酯浓度保持为50 μmol/L, 反应相应时间后记录.
4.3.2 其他表征样品准备
液相和ESI-MASS样品均为被测物的乙醇溶液.核磁样品为被测物的氘代氯仿或氘代乙醇溶液.
4.4 检测试纸制备与应用
将100 mg探针溶于10 mL乙醇溶液中, 将空白试纸浸泡于其中保持30 min.随后自然风干得到检测试纸.
试纸抗干扰性测试中, 分别将300 μL的丙酮、甲苯、氯仿、乙醚、乙酸乙酯、丙烯、甲醛和异氰酸酯加入50 mL具塞磨口瓶中, 待其充分挥发后快速放入试纸密封, 保持6 min后用365 nm紫外光照射试纸, 并记录其荧光颜色.
在对异氰酸乙酯的时间响应测试中, 将300 μL异氰酸乙酯加入50 mL具塞磨口瓶中充分挥发, 随后迅速放入试纸密封.分别记录0.5, 1, 2, 3, 4, 5, 6 min时365 nm紫外光照射下试纸的荧光.
在对不同异氰酸酯响应的测试中, 分别将300 μL的2, 4-TDI、2, 6-TDI、MDI、HDI、IPDI和EIC加入50 mL磨口瓶中充分挥发, 随后快速放入试纸记录其6 min时在365 nm紫外光照射下的荧光.
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Zhang, Z.; Fan, J.-L.; Zhao, Y.-H.; Kang, Y.; Du, J.-J.; Peng, X.-J. ACS Sens. 2018, 3, 735 doi: 10.1021/acssensors.8b00082
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图 1 (A) 探针对异氰酸酯响应示意图; (B)探针紫外吸收光谱(黑)和荧光发射光谱(蓝); (C)探针在不同浓度异氰酸乙酯条件下荧光光谱(激发光370 nm, 反应时间4 min); (D)探针检测异氰酸乙酯浓度工作曲线
Figure 1 (A) The fluorescence response of probe to isocyanate; (B) The absorbance spectrum of probe (black line) and the fluorescence spectrum of probe (blue line); (C) Fluorescence spectra of probe response to different isocyanate at different concentrations (Excitation wavelength is 370 nm, reacting time is 4 min); (D) The fluorescence emission ratio (I420/I540) as a function of EIC concentration. Excitation wavelength is 370 nm
图 2 (A) 响应机理示意图; (B)探针与异氰酸酯反应HPLC图谱, 线a(蓝线)为纯探针液相色谱峰, 线b(黑线)为探针与异氰酸酯反应2 min后反应液液相色谱峰, 线c(红线)为纯产物液相色谱峰; (C)探针与异氰酸酯反应液ESI-MASS图谱(反应时间2 min, 异氰酸酯浓度50 μmol/L)
Figure 2 (A) Schematic illustration of reaction mechanism between probe and EIC; (B) HPLC figure of probe (line a, blue), product (line c, red) and reacting solution (line b, black); (C) ESI-MASS spectra of reacting solution (reacting time is 2 min, the concentration of EIC is 50 μmol/L)
图 3 (A) 检测试纸暴露在含异氰酸乙酯的气氛中, 0.5, 1, 2, 3, 4, 5, 6 min时受到365 nm紫外光照射荧光颜色(8号为空白对照); (B)检测试纸暴露在异氰酸乙酯气体中, 0.5, 1, 2, 3, 4, 5, 6 min时自然光条件下颜色(8号为空白对照)
Figure 3 (A) The fluorescence response to gaseous EIC of test paper at 0.5, 1, 2, 3, 4, 5, 6 min, and the excitation wavelength is 365 nm (#8 is blank); (B) The appearance of test paper in natural light when exposed in gaseous EIC at 0.5, 1, 2, 3, 4, 5, 6 min (#8 is blank)
图 4 (A) 检测试纸暴露在不同有机物气氛中的荧光颜色(1丙酮、2甲苯、3氯仿、4乙醚、5乙酸乙酯、6丙烯、7甲醛、8异氰酸乙酯, 激发光为365 nm, 反应时间为6 min); (B)检测试纸暴露在不同种异氰酸酯的荧光颜色(1为2, 4-TDI、2为2, 6-TDI、3为MDI、4为HDI、5为IPDI、6为异氰酸乙酯.激发光为365 nm, 反应时间为6 min)
Figure 4 (A) The response to different VOC of test paper (1 acetone, 2 methylbenzene, 3 chloroform, 4 diethyl ether, 5 ethyl acetate, 6 propylene, 7 formaldehyde, 8 ethyl isocyanate, the excitation wavelength is 365 nm. And the reacting time is 6 min); (B) The response to different isocyanates of test paper (1 2, 4-TDI, 2 2, 6-TDI, 3 MDI, 4 HDI, 5 IPDI and 6 EIC. The excitation wavelength is 365 nm and the reacting time is 6 min)
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