基于香豆素的比率型荧光探针对溶液及气相中三氟化硼的检测

赵慧君，吴 通，孙 玥，段 炼，马嫣宇

（太原理工大学化学化工学院,太原 030024）

三氟化硼（BF3）是一种重要的无机化学物质，是合成多种有机硼和无机硼化合物的重要原料［1，2］.同时，它作为一种路易斯酸还被广泛应用于有机合成过程，如缩合反应、离子聚合反应及异构化反应［3～6］，以及半导体工业的气相沉积工艺中［7～9］.然而，BF3具有很高的毒性及活泼性，它与金属和有机化合物的反应非常强烈［10，11］.BF3的安全阈值上限为1 ppm（ppm为气体的体积浓度单位，表示百万分之体积，是气体检测仪的常用浓度单位）.吸入毒性研究表明，暴露于17 mg/m3BF3环境气氛下会引起大鼠肾脏毒性损害［12］.从上述数据可以看出，微量的BF3泄漏即可导致严重的环境污染和生物毒害.因此，寻找一种可靠的检测BF3的方法对于环境保护和人类的生命安全具有重要意义.

光学探针，特别是荧光探针，由于具有灵敏度高、检测无损且信号变化明显等优点，在痕量检测和生物成像过程中应用广泛［13～18］.然而，迄今关于BF3荧光探针的研究报道仍然有限［19～24］.这些探针的检测机理大多是基于BF3与O，N形成稳定的配合物.Chang等［21］报道2-（2-羟基苯基）苯并噻唑与BF3作用后能够引起激发态分子内质子转移（ESIPT），导致了荧光打开过程；利用该探针制备的试纸可以检测气相中的BF3.Zhang等［22］开发了一种基于荧光共振能量转移（FRET）机理的比率荧光探针，该探针以萘酰亚胺为能量供体，罗丹明B为受体.当BF3与探针作用后引起罗丹明B开环，导致荧光共振能量转移过程的发生.

本文以香豆素为主体骨架结构，设计了一种通过分子内电荷转移（ICT）改变发光性能的探针.该探针在香豆素骨架结构的7位引入二乙胺基基团，一方面其强给电性增强了探针分子内的ICT效应，能够保证强的荧光发射；另一方面，其作为路易斯碱，可以与待测物BF3反应形成配合物.无论在溶液和气相中进行检测，均会出现显著的颜色变化，实现了裸眼检测.此外，检测后加入三乙胺可使溶液颜色、光谱及试纸颜色都得以恢复，从而实现循环使用.

1.1 试剂与仪器

4-二乙氨基水杨醛、水杨醛和4-甲基苯乙酸等均购于安耐吉试剂公司，其它有机溶剂购于山西国药试剂公司.合成用试剂均为分析纯，光谱测试所用试剂均为优级纯.

Bruker 600 MHz型核磁共振波谱仪（NMR），德国布鲁克·道尔顿公司；Hitachi U-3900型紫外-可见吸收光谱仪（UV-Vis），日本株式会社日立制作所；Horiba Fluoro Max-4荧光光谱仪,法国堀场科学仪器事业部.

1.2 实验过程

目标化合物3-对甲基苯基-7-二乙氨基香豆素（TDC）和对照化合物3-对甲基苯基香豆素(TC）的合成路线如图1所示.

Fig.1 Synthetic route of TDC and TC

1.2.1 探针TDC的合成 将4-二乙氨基水杨醛（0.5 g，2.6 mmol）、2-对甲苯乙酸（0.47 g，3.13 mmol）和乙酸酐（10 mL）加入到50 mL三口瓶中，缓慢滴加3 mL三乙胺（TEA），加热回流反应8 h；冷却至室温后，将反应液倒入装有50 mL蒸馏水的烧杯中，用碳酸氢钠（NaHCO3）调节至中性，用二氯甲烷萃取，无水硫酸镁干燥，旋转蒸干溶剂后对粗产品进行柱层析分离提纯，得到0.52 g黄色固体TDC，产率65%.1H NMR（DMSO-d6），δ：8.04（s，1H），7.59（t，2H），7.50（t，1H），7.22（d，2H），6.73（dd，1H），6.56（d，1H），3.45（m，4H），2.33（s，3H），1.14（t，6H）.13C NMR，δ：161.4，156.6，151.2，141.5，137.7，133.6，130.4，129.6，128.7，119.7，110.0，109.4，97.0，45.0，21.7，13.3.MALDI-TOF，m/z［M］+cacld.for C20H21NO2：307.3862；found：307.3859.

1.2.2 对照化合物TC的合成 TC的合成过程与TDC相似，仅将4-二乙氨基水杨醛换为水杨醛（0.3 g，2.6 mmol）.产物为0.3 g灰白色固体，0.3 g，产率72%.1H NMR（CDCl3），δ：7.79（s，1H），7.61（d，2H），7.54～7.49（m，2H），7.36（d，1H），7.30～7.26（m，2H），7.25（s，1H），2.40（s，3H）.13C NMR（CDCl3），δ：163.59，156.34，142.10，141.82，134.73，134.09，132.09，131.32，131.21，130.73，127.35，122.69，119.32，24.21.MALDI-TOF，m/z［M］+cacld.for C16H12O2：236.2653；found：236.2651.

1.2.3 光谱测定 将化合物TDC和TC溶解于二甲基亚砜中配制成浓度为10 mmol/L的母液，然后用无水二氯甲烷稀释至20μmol/L.三氟化硼乙醚（BF3·Et2O）用无水乙醚稀释至10和100 mmol/L.其它待测物用乙醇稀释至10和100 mmol/L.荧光检测的激发波长为365 nm，激发和发射的狭缝宽度均为5 nm，检测时间为90 s.

1.2.4 检测试纸的制备 将普通滤纸浸入1 mmol/L TDC的二氯甲烷溶液中，取出晾干，即得黄色的检测试纸.

2 结果与讨论

2.1 探针TDC的响应时间

首先对探针TDC与BF3作用的响应时间进行了研究.由图S1（见本文支持信息）可见，当探针浓度为20μmol/L，BF3浓度分别为100，200和600μmol/L时，荧光强度比值（I408/I464）均可在90 s内达到平台峰值，说明该探针可以对BF3进行即时检测分析.

2.2 探针TDC的光谱性质

探针TDC与BF3作用的紫外-可见吸收光谱及荧光光谱如图2所示.在紫外-可见吸收光谱中，探针在398 nm处有明显的吸收峰；随着BF3的加入，该吸收峰逐渐消失，而在328 nm处出现新的吸收峰，溶液颜色由淡黄色变为无色.在荧光光谱中，当加入BF3后，探针自身在464 nm处的发射峰逐渐减弱，而在408 nm处出现新的发射峰.在紫外灯下可以看出溶液颜色由亮蓝色变为深蓝色，明显的颜色变化表明该探针可用于裸眼检测BF3.该探针荧光的比率（I408/I464）变化值与BF3浓度在0～80μmol/L范围内呈现良好的线性关系（图S2，见本文支持信息），运用IUPAC建议的标准方法（3sbl/m）计算得出检出限为5.5×10-7mol/L.将另一种路易斯碱—三乙胺滴入到探针与BF3反应的产物中时，探针本身的荧光得以恢复，且重复进行8个循环后仍无明显衰减（图S3，见本文支持信息），显示出良好的可重复利用性.

Fig.2 UV-Vis(A)and fluorescence(B)spectra of TDC with the addition of BF3Inserts:photographs of color changes under sun light and UV light.c(TDC)=2×10-5 mol/L.The concentration of BF3 in the UV-Vis spectra are 0,4×10-5,8×10-5,1.2×10-4,1.8×10-4,2.4×10-4,3.2×10-4,4.2×10-4,5.2×10-4 and 6.2×10-4 mol/L,respectively.The concentrations of BF3 in the fluorescence spectra are 4×10-5,8×10-5,1.2×10-4,1.8×10-4,2.4×10-4,3.2×10-4,4.2×10-4,5.2×10-4,6.2×10-4,7.2×10-4 and 8.2×10-4 mol/L,respectively.

2.3 探针TDC的选择性和竞争性

为了考察该探针的选择性，向TDC溶液中加入80μL浓度为4×10-4mol/L的其它有机酸，包括硼酸、苯甲酸、水杨酸、醋酸和甲酸等，如图3所示，除了出现苯甲酸和水杨酸在273 nm及309 nm处的特征吸收峰，其它酸的加入未引起探针任何光谱和溶液颜色的变化；只有BF3的加入才使光谱产生显著变化.竞争性实验结果表明，当这些干扰物存在时，仍然不会影响TDC对BF3的检测（图S4，见本文支持信息）.同时，金属离子干扰实验也证明金属离子的存在不影响探针TDC对BF3的检测性能（图S5，见本文支持信息）.

Fig.3 UV-Vis(A)and fluorescence(B)spectra of TDC with various analytes(4×10-4 mol/L)Inset of(B):photographs of solution color of TDC with various analyts.a—g:TDC,TDC+BF3,TDC+benzoic acid,TDC+boric acid,TDC+salicylie acid,TDC+acetic acid,TDC+formic acid.c(TDC)=2×10-5 mol/L.

2.4 探针TDC的传感机理分析

当BF3与TDC作用后，作为路易斯酸的BF3迅速与探针分子结构中具有路易斯碱性质的二乙氨基发生反应，反应产物会影响二乙氨基的给电子性能，阻碍了探针分子内电荷转移过程，致使光谱峰发生明显蓝移［25］.探针TDC与BF3作用前后的19F NMR谱图如图4所示，BF3·Et2O中的F在δ-153处有1个信号峰，当其与少量的探针作用后，在δ-132处出现1个新的信号峰，说明探针与BF3之间发生了相互作用.为了进一步证明此推断，合成了对照化合物TC，表征结果显示缺少了二乙氨基的TC与BF3未发生任何作用（图S6，见本文支持信息）.

Fig.4 Sensing mechanism(A)and 19F NMR spectra(B)a.BF3 only；b.TDC with exceed BF3.

2.5 BF3检测试纸的应用

利用探针TDC制成的黄色试纸在470 nm处有明显的发射峰，在紫外灯照射下具有良好的固态发光性能，显示出蓝绿色［图5（A）］.当该试纸与溶液或气相中的BF3作用后，试纸发生明显的褪色，且在紫外灯下呈现出深蓝色.当检测过的试纸与三乙胺作用后，又可以回复到原来的状态.该试纸在重复利用5次后，仍然表现出良好的检测性能［图5（B）］.

Fig.5 Fluorescence of TDC on the test paper(A)and the ratio intensity of the test strip recorded after adding BF3·Et2O and TEA for continuous 5 cycles(B)

为了考察该试纸检测气相中BF3的能力，将TDC检测试纸封装在不同浓度的BF3蒸气中，如图6（A）所示，试纸在365 nm的紫外灯下发出绿色荧光，当试纸暴露于BF3中10 min时，颜色逐渐从绿色变为深蓝色.应注意的是，当BF3浓度低至3.39×10-6mol/L时，探针TDC也可轻松检测到BF3蒸气，检测结果可以在365 nm紫外灯下以肉眼直接观察到.随后进行了检测时间测试，如图6（B）所示，室温下试纸很快与气相中的BF3发生作用，5 min后试纸便完全褪色，同时其荧光颜色逐渐由绿色变为亮蓝色.在此基础上，选用不同的BF3溶液进行实验，结果显示不论在何种溶剂体系中，试纸均发生褪色并呈现荧光颜色的变化，可轻松通过裸眼分辨.以上现象说明，由TDC制备的试纸可以用于低浓度气相条件下BF3的即时有效检测.

Fig.6 Strip tests for BF3 in gas（A）Strip test at different BF3 concentrations（a.0，b.3.39×10-6 mol/L，c.1.69×10-5 mol/L，d.3.39×10-5 mol/L，e.6.76×10-5 mol/L，f.1.01×10-4 mol/L，g.1.35×10-4 mol/L）；（B）strip test at different time in BF3 vapour（3.39×10-5 mol/L）（a.0，b.1 min，c.3 min，d.5 min，e.10 min）；（C）strip test for other BF3 species（3.39×10-5 mol/L）（a.TDC+only，b.TDC+BF3·DCM，c.TDC+BF3·CH3CN，d.TDC+BF3·CH3OH，e.TDC+BF3·CH3CH2OH，f.TDC+BF3·AcOH）.

3 结 论

合成了一种比率型荧光探针，可用于溶液和气相中BF3的检测.香豆素骨架结构中7位的二乙胺基基团与BF3发生路易斯酸碱反应，影响了分子内ICT过程，使得荧光比率发生变化.该探针在二氯甲烷中对BF3的检出限可达5.5×10-7mol/L.同时，制备了一种负载该探针的检测试纸，可实现对溶液及气相中BF3的裸眼即时检测.

支持信息见http：//www.cjcu.jlu.edu.cn/CN/10.7503/cjcu20210027.