荧光探针检测2,4,6-三硝基苯酚研究进展

任翼飞，郝红霞，杨瑞琴,*

（1.中国人民公安大学，北京100038；2.中国政法大学，证据科学教育部重点实验室，北京 100088）

1 2,4,6-三硝基苯酚及其检测意义

爆炸犯罪严重危害人民的生命财产，危害公共安全。近年来，境内外爆炸恐怖袭击事件仍不断发生，有的犯罪嫌疑人为了报复社会，蓄意在人员密集的火车、汽车、飞机等交通工具以及车站、商店等公共场所制造爆炸事件，给国家安全和社会安定造成了重大影响。为了将爆炸物对公共安全的威胁降到最低，必须发展相应的爆炸物快速或现场检测技术。近年来，这一领域越来越受到人们的关注，已经成为当前国际反恐领域的研究热点。

2,4,6-三硝基苯酚（又称苦味酸，缩写为TNP、PA）是一种常见的炸药，其威力强于2,4,6-三硝基甲苯（TNT）。尽管以往人们的关注更多集中于TNT的检测[1]，但由于TNP强大的爆炸威力和其使用过程中对环境造成的污染，使得近年来相关的报道越来越多。再者，TNP在染料、医药、皮革等行业被大量使用[2-3]，可作为织物染料或玻璃上色原料，也广泛应用于烟花和火箭燃料等制造，并在使用过程中极易泄露到环境中，污染地下水和土壤，使之逐渐成为一种环境污染物。《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)将其列为集中式生活饮用水地表水源特定监测项目之一。总之，出于对国家安定、人民社会安定、环境保护等方面考虑，发展TNP的快速检测方法意义重大。

2 研究现状

目前对爆炸物的检测方法多种多样，其中包括离子迁移光谱法[4]、Raman光谱法[5-6]、高效液相色谱法[7-8]、气相色谱法[9]、电化学分析法[10-12]、质谱法[13]、分子荧光光谱法[14]等。离子迁移谱(IMS)是以离子化分子在载气缓冲气体中的迁移率为基础，在气相中对其进行分离和识别的分析技术，主要用于探测爆炸物等军事或安防的目的。Raman光谱法是基于拉曼散射效应的光谱分析技术，根据爆炸物分子的振动、转动信息来识别待测物分子结构。气相和液相色谱法是基于分子极性差异的分离分析技术。电化学分析法是通过测量电极识别爆炸物前后的信号差异及其变化规律进行检测的分析方法。质谱法是通过测定样品的质荷比来进行检测的一种分析方法。

这些方法虽然各有特色，但依然存在一些弊端。例如：对大型仪器的依赖，不能普遍使用；操作复杂，需要经过培训的专业人员；样品需要预处理，比较耗时耗力等。与这些方法相比，荧光探针因其快速、灵敏、成本低廉、操作简便等优势而倍受青睐。其原理是利用探针与待测物作用前后所产生的物理、化学性质变化而引起的光传播相关性质的改变（如紫外吸收、荧光、化学发光等），从而可以通过直观的溶液颜色变化、荧光变化来判断待测物浓度信息。近年来，相关研究人员发展了多种检测TNP的荧光探针，依据探针材料的组成与特性，主要可分为三类：基于纳米材料的TNP检测探针；基于有机高分子的TNP检测探针；基于有机小分子的TNP检测探针。下面就这三类探针及相关工作进行综述。

2.1 基于纳米材料的TNP检测探针

纳米材料因其尺寸已接近电子的相干长度，表现出许多不同于宏观物质和微观粒子的独特性质，例如：光学性质、熔点、磁性、导电性等。当前，应用于TNP检测的主要为量子点荧光材料，其与传统荧光材料相比，具有更宽的激发波长范围，其发射峰较窄且对称，并具有生物相容性好、荧光强度高等优势[15]。

Liu等[16]利用了一种牛血清蛋白对CuInS2量子点(BSA-CuInS2QDs)进行修饰，制备了一种近红外探针检测TNP。该探针利用牛血清蛋白中的氨基与TNP中的羟基产生酸碱反应，研究了BSA-CuInS2QDs的荧光淬灭效果，从而实现了对TNP的检测，检测限为28nM。但是当只存在CuInS2QDs量子点时，因为该量子点中并没有碱性基团氨基，也就不能识别TNP中的羟基，进而其荧光也就不能被淬灭，也就不能实现检测。

南昌大学倪永年[17]课题组设计制备了荧光二硫化钼量子点（MoS2QDs），利用二硫化钼量子点QDs的荧光发射峰位置与TNP的紫外吸收位置有重叠，使得TNP与QDs发生共振能量转移，导致QDs的荧光淬灭实现TNP的检测研究，如图1。该荧光探针传感器检测TNP的线性范围为0.099～36.500μ M，检测限为95nM，研究还制作了荧光检测用试纸，实现了较好的裸眼可见的检测效果。

图1 二硫化钼QDs的合成及检测TNP的原理图Fig.1 Synthesis of MoS2QDs and its interaction mechanism for TNP detection

Huang等[18]利用羧基对聚合物量子点进行表面修饰，通过链接不同的基团使其最大吸收波长进入近红外区，这种量子点可以通过可见光进行激发。此量子点与常规量子点相比，优势在于，一是可以利用可见光激发，操作更加便捷；二是聚合物具有信号放大作用，可有效提高检测灵敏度。在此基础上，Huang等人成功实现了探针对硝基芳香化合物的检测研究，如图2，此探针对TNP的检测限为97.2 ng/mL。

图2 Pdots的合成(上)、检测TNP信号增强机制原理图(下)Fig.2 Synthesis of Pdots (up) and illustration of the signal enhancement of Pdots for TNP detection(down)

Kaur等[19-20]分别以柠檬汁和橙汁为前驱体，采用热裂解技术一步法合成了两种氮掺杂石墨烯量子点(N-GQDs)，合成过程绿色环保，此材料具有良好的水溶性、稳定性和荧光特性。基于N-GQDs与TNP分子间存在荧光共振能量转移（FRET）、分子相互作用和电荷转移机理，此纳米材料可作为荧光探针检测水相中的TNP，识别TNP的能力明显优于其他硝基芳香族化合物，检测线性范围分别是0～4 μM和0～16 μ M，检测限分别为420 nM和920 nM。

类似地，西北师范大学卢小泉[21]课题组建立了一种基于类石墨相氮化碳量子点（g-CNQDs）的荧光传感器检测水相中的TNP，制备过程简单廉价，得到绿色无毒、荧光性能强的半导体纳米材料。在水相中，此方法通过TNP对g-CNQDs荧光探针的淬灭作用，取得了良好的效果，检出限为0.05nM（S/N=3）。此外，张玉娟等[22]以香蕉为碳源一步法合成蓝色的荧光碳量子点，灵敏度较高。不同于传统量子点材料，此类新型碳量子点材料不含重金属，绿色、环保、无毒，并表现出独特的荧光特性，这为在生物体检测方面提供了新的思路，亟待进一步探索与研究。

2.2 基于有机高分子的TNP检测探针

有机高分子材料通常由一种或几种结构单元多次重复连接起来，组成元素主要是碳、氢、氧、氮等，但相对分子质量很大。有机高分子类荧光探针常是由高分子化合物加入各种基团所形成，以更好地发挥、保持和改进化合物的性能，满足各类使用需求，并且探针具有较多的识别位点，可以极大地增加检测灵敏度。

Gole等[23]利用了偶联反应对芘的衍生物进行相关修饰，通过超分子间相互作用诱导芘的衍生物发生组装，同时该过程伴随着探针荧光由绿色变为黄色，如图3。文中对爆炸物与组装体的相互作用机制进行了相关探索研究，结果表明该组装体可进一步降低其对硝基爆炸物的检测限(低至皮摩尔级)。

图3 BappadityaGole等设计的荧光探针Fig.3 Synthesis of pyrene-based polycarboxylic acids

Yao等[24]研究了一种独特的聚电解质诱导的芘基荧光探针（激基缔合物PPE），具有大的比表面积、高的电荷密度，其通过静电作用、π-π作用、电子转移作用等实现了对TNP的高选择性、高灵敏度、可视化检测，如图4，检测限为5nM，并应用于实际样品水和土壤的检测，此研究也进一步证明了芘基荧光探针在TNP检测中的优良应用。

近年来，由唐本忠院士发现的聚集诱导发光现象[25-26]（Aggregation-Induced Emission, AIE）引起了研究人员的极大兴趣，其研究涉及公共安全、生物传感、化学传感、生物成像等诸多领域，同样在爆炸物检测方面也有积极的探索和应用。例如，Ghosh等[27]利用四苯乙烯(TPE)为荧光母体，成功合成了一种具有AIE效应的聚集物荧光探针用于硝基爆炸物的检测与研究，如图5。文中结果表明，当四氢呋喃的含量为10%时，探针的聚集程度最大，具有最强荧光发射。同时，较厚的TPE膜对TNP的响应更为灵敏。Tong Hui[28]课题组合成了三种含有TPE基团的AIE聚合物，其旋涂薄膜发光明显增强，通过不同聚合物链内的结构，可分别用于检测TNP和TNT，如图6。这无疑为我们检测硝基爆炸物提供了一种新的思路。

图4 PPE检测TNP的机理示意图以及PBSS、PDDA和TNP的结构式Fig.4 Chemical structures of PyBS, PyBTA, PDDA and TNP plus the schematic illustration for TNP detection based on PyBTA and PyBS/PDDA assemblages

图5 Khama Rani Ghosh等设计的高分子聚合物的合成路线Fig.5 Polymer synthesis by the Sonogashira cross-coupling reaction

图6 电子转移荧光淬灭过程及聚合物的结构Fig.6 Electron transfer fluorescence quenching and relevant conjugated polymers

2.3 基于有机小分子的TNP检测探针

由于有机小分子具有合成简便、成本低、不需要预处理、溶解性好等特点，因此基于有机小分子的荧光探针研究不断引起学者的研究兴趣，针对TNP检测的各类高灵敏度小分子类探针不断涌现。

Mandeep等[29]利用两种1,8-二氮杂萘小分子荧光探针来检测TNP，研究表明，当TNP加入到探针环境后，探针中的氮原子与TNP中的羟基会通过氢键作用形成复合物导致荧光淬灭，如图7，其原因是由于RET效应的产生，并通过瞬态光谱测量证实，该淬灭过程是一种静态淬灭。该探针亦可用于荧光试纸的制备，实现了可视化检测。

图7 1,8-二氮杂萘小分子荧光探针检测TNP的原理图Fig.7 Plausible scheme for picric acid sensing by 1,8-naphthyridine-based fluorescent receptors

Kumar等[30]利用了N,N-二甲基氨基肉桂醛作为母体制备了一种荧光探针。首先，依据软硬酸碱理论，该探针与Hg2+结合后，将会导致探针分子内的电子重排，产生ICT效应，进而使得探针的荧光增强。而当TNP加入到反应体系后，探针的荧光发生淬灭。这是由于TNP与探针分子之间存在较为强烈的静电作用，TNP分子中的羟基与探针中的氮原子之间形成氢键，氢键的形成破坏了探针分子内电荷转移效应，从而导致荧光淬灭，如图8，实现了对TNP的检测。

图8 N,N-二甲基氨基肉桂醛衍生物荧光探针与TNP电荷转移示意图Fig.8 Schematic representation of the electron transfer from Hg2+complex to PA via electrostatic interaction

Vij等[31]利用苯并喹衍生物作为荧光母体合成了一种探针用于检测TNP，文中通过调节溶剂的不同组成来改变探针的存在状态，进而促使探针产生了聚集诱导发光增强效应(Aggre-gation-Induced Emission Enhancement, AIEE)，发射出较强的荧光。其作用机制是基于TNP中的羟基与探针中芳香胺的酸碱反应过程中，探针的荧光发生淬灭，如图9，进而实现了对TNP的检测研究。

图9 TNP淬灭苯并喹衍生物荧光探针的原理图Fig.9 TNP to quench the fluorescence from hexa-peri-hexabenzocoronene aggregates

近年来，芘基荧光探针作为一类性能优异的荧光材料也越来越多地应用于TNP的检测[24]，其具有化学结构稳定、易于合成、量子产率高、荧光寿命长等优点。例如，Shyamal等人[32]通过简单的一步法成了具有AIE性质的芘基衍生物4-((pyren-1-yl)methyleneamino)-1,2-dihydro-2,3-dimethyl-1-phenylpyrazol-5-one(PAP)，此荧光材料在溶液和固体状态都保持良好的AIE效应。利用该材料AIE的性质可发出较强的荧光，在与TNP结合后，TNP使其荧光淬灭，实现了裸眼检测，方法检测限为16.51nM。Liang等[33]研究了一种非常简单的芘基衍生物的荧光探针N,N,Ntrimethyl-2-(pyren-1-yloxy)ethanaminium bromide (PyOEA)应用于水相中的TNP检测，如图10，方法检测限为23.2nM，并且制作成方便实时检测的试纸条，取得了良好效果，如图11。

图10 PyOEA的化学结构和对TNP检测机制的示意图Fig.10 Chemical structure of PyOEA and schematic of the proposed sensing mechanism for TNP detection

图11 在365nm紫外灯下用TNP溶液书写（A）和滴加不同浓度的TNP溶液（B）在试纸上的效果图Fig.11 Under UV irradiation at 365nm, TNP visual detection is achieved by handwriting (A) with TNP solution and dropping concentration (mM)-different TNP solutions (B) onto test strips

3 总结与展望

近年来，荧光探针法检测TNP取得了长足的进步，随着物理、化学、材料等学科的快速发展，越来越多的新型荧光材料与技术应用于TNP的快速、高灵敏度检测。但总体上看，仍然存在以下几个问题：1）材料制备的成本问题；2）探针的溶解性问题；3）抗干扰问题；4）检测的便携性问题。

基于此，充分利用TNP的物理化学特性，系统开展筛选与设计简单快速、成本低廉、可实现可视化检测以及无毒环保的荧光探针的应用研究，尚有广阔的发展空间。此外，将探针制备成荧光试纸用于TNP的快速现场检测是极具发展前景的一个方向，可为快速检测材料的发展提供新的思路，更为公共安全、环境保护等领域提供技术支持，值得广大专家学者探讨。

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