聚集诱导发光铂（Ⅱ）配合物对硝基芳烃的高效发光检测

操青松， 曾欣， 王晓理， 刘佳铭， 闫国胜，王光辉， 张宇豪， 狄玲， 邢杨*， 凌江华*

（1. 辽宁石油化工大学 石油化工学院， 辽宁 抚顺 113001；2. 中国石油天然气销售公司， 湖北 武汉 430000； 3. 中国石油抚顺石化公司 催化剂厂， 辽宁 抚顺 113001）

1 引言

平面构型的铂（Ⅱ）配合物因在可见光区灵活可调的发光颜色[1-2]、室温磷光（RTP）特性[3]、长激发态寿命[4]、高量子效率[5-6]以及光漂白性抗性[7]等优势而受到广泛关注。近年来，铂（Ⅱ）配合物被广泛应用于发光传感器[8]、生物成像[9]、光催化合成[10]及光电器件[11-13]等领域。与传统的发光体相似，铂（Ⅱ）配合物的稀溶液发光显著，但其浓溶液、薄膜及固体会因聚集诱导猝灭（ACQ）效应而产生发光衰减[14]，甚至发光完全猝灭，这严重限制了铂（Ⅱ）配合物在固态及聚集态领域的应用，如薄膜发光传感器、OLEDs发光层及细胞器成像等。唐本忠[15]等发现的聚集诱导发光（AIE）现象可以完美地解决上述由ACQ效应所导致的发光猝灭。具有AIE活性的发光体在稀溶液中发光微弱或不发光，但在聚集态或固态下因辐射通路的开启而产生发光增强。研究表明，分子内运动受限（RIM）机理可合理地解释AIE现象[16-17]。激活发光体AIE性质的取代基通常具有转动活性，被称为AIE核心。AIE核心的修饰通常可激活传统发光体的AIE性能[18-19]，这是由于AIE核心的转子单元或扭曲的π平面可有效抑制因π-π堆积导致的激发能热消散，从而使激发能在固态及聚集态下以光辐射的形式释放，即产生AIE效应[20-21]。

硝基芳烃是一类含有硝基的芳香化合物。其在工业和日常生活中起到重要作用，但同时也带来了一系列潜在危害。首先，硝基芳烃普遍具有致癌性。大量科学研究表明，长期接触或暴露于硝基芳烃污染的环境可能导致罹患癌症，这主要是因为硝基芳烃与DNA结合引发突变。其次，硝基芳烃进入土壤、水体或空气中会积累并逐渐污染整个生态系统。特别是对于水体，过高浓度的硝基芳烃会威胁到水生动植物生存。此外，由于其毒性高、难降解，在工业领域使用含硝基芳烃的产品时，工人可能面临着职业暴露风险；而在农业领域，则存在着农药残留问题。考虑到上述危害，开发高效的硝基芳烃检测方法是十分必要的。当前硝基芳烃的检测技术成本高、检测仪器便携性差、仪器操作繁琐，限制了其进一步应用[22]。因此，研发快速、便捷而高效的硝基芳烃检测技术是一项极具应用前景的工作。

三苯胺（TPA）为富电子基团，其光热性质稳定、空穴传输能力强，已成为有机光电材料研究领域不可或缺的单元。引入TPA可提高配合物的光吸收效率、发光强度及发光量子效率等光物理性能[23]。TPA为立体轮桨式构型，三个取代苯基均具有转动活性，因此也是性能优良的AIE核心[24]。本文利用钯催化交叉偶联反应合成了TPA修饰的环金属配体ppyTPA，并以经典的铂（Ⅱ）配合物Pt（ppy）（acac）为参照，通过两步法成功制备了具有AIE活性的铂（Ⅱ）配合物PtppyTPA；随后以PtppyTPA为发光探针完成了对硝苯地平在内的4种硝基芳烃的高效发光检测；利用光谱交叠实验、前线轨道能级分析以及福井函数分析详细地证实了发光检测机理，为硝基芳烃检测技术的创新和发展提供了理论指导及技术储备。

2 实验

2.1 试剂与仪器

4-（二苯胺基）苯硼酸、2-（3-溴苯基）吡啶、氯亚铂酸钾、乙酰丙酮、无水K2CO3、NaCl、四（三苯基膦）钯、硝苯地平（NFD）、5-氯-2-硝基三氟甲苯（ClNTFT）、4-溴-1-氟-2-硝基苯（BrFNBz）及3-硝基三氟甲苯（NTFT），分析纯，上海泰坦科技股份有限公司；四氢呋喃、2-乙氧基乙醇、石油醚、乙酸乙酯、二氯甲烷、乙腈，均为无水溶剂，分析纯，阿法埃莎（中国）化学有限公司；柱层析硅胶（200～300目），分析纯，青岛海洋试剂有限公司；去离子水，实验室自制；氩气（99.999%），市售。

RCT-basic控温磁力搅拌器、RV8-V旋转蒸发仪，艾卡仪器设备有限公司；F-7100荧光光谱仪，日立科学仪器（北京）有限公司；Cary Eclipse 5000紫外/可见/近红外光谱仪，安捷伦科技（中国）有限公司；ME104（0.1 mg）及ME55（0.01 mg）电子分析天平，梅特勒-托利多国际有限公司。

2.2 步骤

2.2.1 配体ppyTPA的合成

利用Suzuki-Miyaura交叉偶联反应[25]合成有机配体ppyTPA（图1）。将2-（3-溴苯基）吡啶（1.0 mmol，232.9 mg）、（4-二苯胺基）苯硼酸（1.1 mmol, 318.0 mg）、无水K2CO3（2.0 mmol, 276.0 mg）及Pd（PPh3）4（5.0%, 0.05 mmol, 57.7 mg）依次加入两口瓶（50 mL），使用氩气置换气体3次；随后用注射器向两口瓶加入已氩气鼓泡除氧的四氢呋喃/水（15 mL/9 mL）混合溶剂，并在80 ℃氩气气氛下搅拌反应3 h。反应结束后，加入饱和NaCl溶液（15 mL），随后用乙酸乙酯（15 mL×4）萃取反应液，合并浓缩有机相，再经柱层析（石油醚∶乙酸乙酯, 50∶1v∶v）得白色固体ppyTPA，收率为84.2%。1H NMR（500 MHz, CDCl3）δ8.72（d, 1H）, 8.22（d, 1H）,7.93（s, 1H）, 7.79（d, 2H）, 7.63（s, 1H）, 7.60～7.50（m, 3H）, 7.27（s, 5H）, 7.17（s, 3H）, 7.15（s, 3H）,7.05（d, 2H）（图S1）。13C NMR（126 MHz, CDCl3）δ157.5, 149.7, 147.7, 147.3, 141.2, 139.9, 136.8,135.0, 129.3, 129.2, 128.0, 127.3, 125.4, 125.4,124.4, 123.9, 122.9, 122.2, 120.7（图S2）。HRMS（ESI）：C29H22N2，理论值399.1861 [M+H]+，实际值399.1866 [M+H]+（图S5）。

图1 有机配体ppyTPA及铂（Ⅱ）配合物PtppyTPA的合成路线Fig. 1 Synthetic procedure of organic ligand ppyTPA and platinum（Ⅱ） complex PtppyTPA

2.2.2 铂（Ⅱ）配合物PtppyTPA的合成

将有机配体ppyTPA（0.2 mmol, 79.6 mg）及K2PtCl4（0.3 mmol, 124.0 mg）加入到两口瓶（50 mL），使用氩气置换气体3次，随后加入已氩气鼓泡除氧的2-乙氧基乙醇/水（18 mL/6 mL）混合溶剂，在105 ℃氩气气氛下搅拌反应24 h。反应结束后，旋蒸除去溶剂得深绿色铂二氯桥粉末。将所得铂二氯桥粉末、乙酰丙酮（2.0 mmol, 205µL）、无水Na2CO3（2.0 mmol, 212.0 mg）加入圆底烧瓶（50 mL），随后加入乙二醇（30 mL）；使用液氮冷冻反应体系15 min，之后用氩气置换气体3次，随后常温水浴将反应体系解冻除去乙二醇中的溶解氧；重复上述操作2次，随后在110 ℃氩气气氛下搅拌反应48 h。反应结束后，经旋转蒸发除去溶剂，再经层析得黄绿色针状晶体PtppyTPA，产率为68.9%（图1）。1H NMR（500 MHz, CDCl3）δ8.92（d, 1H）, 7.75～7.68（m, 1H）, 7.59（d,2H）, 7.53（d, 1H）, 7.48～7.41（m, 2H）, 7.36（dd,1H）, 7.18（dd, 4H）, 7.06（dd, 8H）, 6.94（t, 2H）,5.40（s, 1H）, 1.93（d, 6H） （图S3）。13C NMR（126 MHz, CDCl3）δ177.3, 174.9, 170.2, 166.4, 148.1,145.7, 143.3, 141.4, 140.9, 136.8, 135.3, 133.4,131.3, 127.7, 127.6, 127.3, 125.9, 123.3, 122.5,120.2, 119.8, 109.9, 29.7, 29.4（图S4）。 HRMS（ESI）：C34H29N2O2Pt，理论值693.1955 [M+H]+，实测值693.1959 [M+H]+（图S6）。

2.2.3 聚集诱导发光性能测定

以乙腈为良溶剂、去离子水为不良溶剂，在50 µmol/L浓度下分别在纯乙腈以及含水量为10%～90%的乙腈/水混合溶剂中测定PtppyTPA的发光光谱；激发波长为365 nm，发射波长范围为475～700 nm。

2.2.4 发光检测

将2.0 mL浓度为50 µmol/L的PtppyTPA的乙腈/水溶液（含水量为50%）加入比色皿，测定初始发射强度（I0）；向比色皿中加入相应浓度的分析物，测定发光强度（I）。激发波长为365 nm。

2.2.5 拟合公式及检测限

利用Stern-Volmer方程（公式（1））拟合检测数据[26]：

其中，加入分析物前后的发光强度分别用I0及I表示；c为分析物的浓度；ka及kb分别为高/低效猝灭组分的分布因子，ka+kb= 1；KSV为猝灭常数，表示发光检测效率。

采用公式（2）计算检测限（LOD）D[27]：

其中，信号振幅m1及m0分别为信号振幅（849）和噪声振幅（0.1）。

2.2.6 密度泛函理论（DFT）计算

采用M062X泛函和def2-TZVPD基组对铂（Ⅱ）配合物及硝基芳烃的几何构型进行优化。单点能由最优几何构型的空间坐标计算得出；由Gaussian 16 A03开展DFT计算，前线轨道波函数及能级分析、福井函数分析由Multiwfn 3.8完成，前线轨道及福井函数双描述符等值面由VMD 1.9.3计算并绘制。

3 结果与讨论

3.1 吸收/发射光谱

图2为铂（Ⅱ）配合物Pt（ppy）（acac）及Ptppy-TPA的紫外/可见吸收光谱。如图2所示，Pt（ppy）-（acac）及PtppyTPA的吸收带主要分布在250～450 nm。与Pt（ppy）（acac）相比，PtppyTPA在250～450 nm的吸光强度显著提高，这归因于TPA基团的光吸收天线效应[28]。图3为铂（Ⅱ）配合物Pt（ppy）-（acac）及PtppyTPA的发射光谱。如图3所示，Pt-（ppy）（acac）及PtppyTPA的最大发射峰分别位于485 nm及526 nm。与Pt（ppy）（acac）相比，Ptppy-TPA的最大发射峰红移了41 nm，这归因于TPA基团的电子供体特征。Pt（ppy）（acac）的发射光谱呈现了精细结构，这表明Pt（ppy）（acac）具有金属到配体的电荷转移跃迁激发态（MLCT）。而PtppyTPA的发射光谱无精细结构，表明PtppyTPA的激发态由配体内部的电荷转移跃迁（IL）主导。光谱实验表明，TPA基团的修饰引起铂（Ⅱ）配合物的激发态由MLCT向IL转变[29]。值得注意的是，PtppyTPA在CH2Cl2中的发光效率为2.1%，与Pt（ppy）（acac）相比（14.1%）出现显著下降（补充文件S1.1），这是由于TPA基团的转动导致了Ptppy-TPA激发能的热消散[23]。

图2 Pt（ppy）（acac）及PtppyTPA在CH2Cl2 （10 µmol/L）中的吸收光谱Fig. 2 The absorption spectra of Pt（ppy）（acac） and Ptppy-TPA （10 µmol/L） in CH2Cl2

图3 铂（Ⅱ）配合物Pt（ppy）（acac）及PtppyTPA的发射光谱Fig. 3 The emissive spectra of Pt（Ⅱ） complexes Pt（ppy）-（acac） and PtppyTPA

3.2 聚集诱导发光

铂（Ⅱ）配合物在乙腈中具有良好的溶解性，而在水中溶解性不佳，提高乙腈溶液的含水量会导致铂（Ⅱ）配合物的溶解度下降，从而析出并聚集。因此，乙腈中含水量越高，聚集驱动力越大[30]。因此，选用乙腈/水混合溶剂体系，并逐步提高含水量，考察了铂（Ⅱ）配合物的发光变化（图4～5）。如图4～5所示，Pt（ppy）（acac）在纯乙腈中发光微弱，随着含水量逐渐提高至90%，Pt（ppy）（acac）的发光强度无明显变化，因此Pt（ppy）（acac）为典型的AIE惰性分子。然而，当含水量增至80%～90%，Pt（ppy）（acac）在573 nm出现了新的发射峰，这是由于聚集效应缩小了铂（Ⅱ）配合物的分子间距，产生了金属到金属再到配体的电荷转移过程（MMLCT）[31]。PtppyTPA在含水量0～30%的乙腈/水溶液中几乎不发光，当含水量提高至50%，PtppyTPA的发光强度出现了显著的提高，并在50%含水量下呈现最大的发光强度。Ptppy-TPA在0～90%含水量乙腈中逐渐降低的吸光度（图5（c））及在乙腈中的动态光散射（图5（d））证实了聚集体的形成。因此，PtppyTPA具有AIE活性，并在含水量为50%的乙腈溶液中呈最大的发光强度，αAIE值为12.4。因此，TPA的引入可有效激活铂（Ⅱ）配合物的AIE性能。继续提高乙腈中的含水量，PtppyTPA呈现明显的发光衰减，这是由于在高含水量下所形成的大粒径聚集体的内部分子得不到有效辐照导致的（图5（d））。

图4 Pt（ppy）（acac） （a）及PtppyTPA（b）在0～90%含水量乙腈（50 µmol/L）中的发射光谱及发光变化（c）Fig. 4 Emissive spectra of Pt（ppy）（acac） （a） and PtppyTPA（b） and luminescent variation（c） in acetonitrile（50 µmol/L） with water contents of 0-90%

图5 Pt（ppy）（acac）（a）及PtppyTPA（b）在0～90%含水量的乙腈（50 µmol/L）中的发射照片；PtppyTPA在0～90%含水量的乙腈（50 µmol/L）中的吸收光谱（c）及在50%与90%含水量乙腈中所生成聚集体的粒径分布（d）Fig. 5 Luminescent photographs of Pt（ppy）（acac）（a） and PtppyTPA（b） in acetonitrile（50 µmol/L） with water contents of 0-90%. Absorption spectra in acetonitrile（50 µmol/L） with water contents of 0-90%（c） and granulometric distribution of aggregates in acetonitrile with water contents of 50%， and 90%（d） for PtppyTPA

3.3 硝基芳烃的发光检测

发光检测利用分析物与发光探针相互作用所产生的光信号响应包括发光强度变化及发光颜色变化实现对目标分析物的检测[32-33]，其具有操作简单、灵敏度高、响应速度快、抗背景干扰性强及可实现特异性检测等优势[3]。硝苯地平属于钙通道阻滞剂类药物，通过抑制血管平滑肌细胞内钙离子的进入而起到扩张血管、降低血压的作用，主要适用于治疗高血压和心绞痛等心脏疾病。实现对硝苯地平快速、高效的检测关乎患者用药安全，具有重要研究意义。

在递增的加入量下，分别测定了NFD、ClNTFT、BrFNBz及NTFT对PtppyTPA的AIE发光的猝灭曲线（图6）。如图6所示，PtppyTPA在含水量为50%的乙腈中表现出强烈的AIE发射，最大发射波长为531 nm，发光强度为832。随着硝基芳烃加入量逐渐提高，PtppyTPA的AIE强度逐渐降低。加入2.7 µmol的NFD使PtppyTPA的AIE强度降至20，降幅达97.6%；加入100 µmol的ClNTFT、BrFNBz或NTFT可使PtppyTPA的AIE强度分别降至55，90，155，降幅分别达93.4%、89.2%、81.4%。

图6 PtppyTPA检测NFD（a）、ClNTFT（b）、BrFNBz（c）及NTFT（d）的发光猝灭曲线Fig. 6 The luminescence quenching curves of PtppyTPA for the detection of NFD（a）， ClNTFT（b）， BrFNBz（c） and NTFT（d）

根据图6利用公式（1）绘制了PtppyTPA检测硝基芳烃的Stern-Volmer曲线（图7）并计算了发光检测效率（表S1）。如表S1及图7所示，PtppyTPA对NFD、ClNTFT、BrFNBz和NTFT的发光检测效率（KSV）分别为11.12，0.27，0.25，0.21 L/mmol，即PtppyTPA对于NFD具有最高的发光检测效率。根据公式（2），PtppyTPA对NFD、ClNTFT、BrFNBz及NTFT的检测下线分别为7.1，291.0，314.3，374.2 µmol/L。

图7 PtppyTPA检测硝基芳烃的拟合曲线Fig. 7 The fitting curves of PtppyTPA for the detection nitroaromatics

基于PtppyTPA对NFD优异的检测效率，考察了PtppyTPA对NFD的检测特异性（图8）。如图8所示，向含水量为50%的PtppyTPA乙腈溶液中依次叠加加入2.7 µmol的ClNTFT、BrFNBz、及NTFT后，PtppyTPA的发光强度出现一定下降；再叠加加入2.7 µmol的NFD，PtppyTPA的发光显著猝灭。利用ImageJ分析了发光照片中白圈内的发光强度。与原始发光强度（164）相比，依次叠加加入ClNTFT、BrFNBz、NTFT及NFD后，图片中对应白圈位置的发光强度分别为126，125，121，31。因此，在ClNTFT、BrFNBz及NTFT共存下，PtppyTPA可实现对NFD肉眼可分辨的特异性检测。对比已报道的NFD检测方法，高效液相色谱-质谱联用检测法、电化学检测法具有更低的检测限，但涉及复杂且繁琐的样品制备和检测过程，存在对测试人员技术要求高、检测过程耗时等弊端。本项基于AIE探针的发光检测法，样品制备过程和检测操作过程简便，响应速度快且具有肉眼可分辨的特异性发光检测的优势（表S2）。

图8 依次叠加加入2.7 µmol的ClNTFT、BrFNBz、NTFT及NFD后PtppyTPA的发光变化Fig.8 The luminescence variation of PtppyTPA after superposed addition of ClNTFT， BrFNBz， NTFT， and NFD（2.7 µmol） in sequence

3.4 发光检测机理

基态的铂（Ⅱ）配合物获得激发能首先形成激发单重态，随后铂的重原子效应诱发系间窜跃形成激发三重态，再经辐射跃迁返回基态[34]。如分析物与处于激发三重态的铂（Ⅱ）配合物分子存在电荷转移或荧光共振能量转移，则铂（Ⅱ）配合物会将激发能转移至分析物，并导致发光猝灭[35-36]。图9为PtppyTPA及4种硝基芳烃的前线轨道电子密度等值面。如图9所示，PtppyTPA的HOMO主要分布在三苯胺、苯基吡啶的苯环及铂原子上，LUMO主要分布在苯基吡啶及铂原子上。PtppyTPA的HOMO、LUMO能级及能隙分别为-5.064，-1.934，3.130 eV；NFD、ClNTFT、BrFNBz和NTFT的LUMO分别为-1.822，-2.947，-2.815，-2.780 eV，即NFD的LUMO能级略高于PtppyTPA，而ClNTFT、BrFNBz及NTFT的LUMO能级低于PtppyTPA，因此可推断PtppyTPA与4种硝基芳烃均存在电荷转移。与ClNTFT、BrFNBz及NTFT相比，NFD的LUMO与PtppyTPA的LUMO呈现最小的能级差，反映出高效的电子转移过程。因此，NFD与PtppyTPA具有最高的电子转移效率，证实了PtppyTPA对NFD的高检测效率。

图9 PtppyTPA及硝基芳烃的前线轨道等值面Fig.9 Front orbital contours of PtppyTPA and nitroaromatics

发光探针发射光谱与分析物吸收光谱的交叠可用于判定荧光共振能量转移作用的发生与否[3]。图10为PtppyTPA的发射光谱及4种硝基芳烃的吸收光谱。如图10所示，PtppyTPA的发射光谱与4种硝基芳烃的吸收光谱无交叠，因此Ptppy-TPA与NFD、ClNTFT、BrFNBz及NTFT之间不存在荧光共振能量转移作用。综上，PtppyTPA对4种硝基芳烃的检测机理为电子转移机理。

图10 硝基芳烃的吸收光谱与PtppyTPA的发射光谱Fig.10 Absorption spectra of nitroaromatics and emissive spectra of PtppyTPA

福井（Fukui）函数是一种广泛用于模拟化学反应性和区域选择性的概念密度泛函描述符，通常表示分子中原子或基团上发生亲核或亲电反应的区域及程度[37]。根据上述发光检测机理研究，PtppyTPA与硝基芳烃的电子转移过程属于亲核过程。因此，硝基的亲核性轨道权重福井函数（fw+）可用于描述硝基芳烃的电子接受能力，即可考察发光探针对分析物的检测效率。

图11为PtppyTPA及硝基芳烃的轨道权重双描述符等值面。如图11所示，PtppyTPA的亲核（黄色实心）区域主要分布于吡啶环、部分分布于乙酰丙酮及TPA基团的单取代苯基上；亲电（绿色透明）区域主要分布于铂原子、乙酰丙酮单元上。值得注意的是，TPA基团呈现出亲电性质主导的等值面分布，印证了TPA基团的富电子特性。NFD、ClNTFT、BrFNBz及NTFT的亲核区域主要分布于硝基上，并占据主导地位，体现出硝基的缺电子性质。NFD、ClNTFT、BrFNBz及NTFT分子中硝基的fw+分别为0.621，0.467，0.474，0.453。NFD的fw+显著大于ClNTFT、BrFNBz及NTFT，这再次印证了PtppyTPA对NFD的高效发光检测效率。

图11 PtppyTPA及硝基芳烃的轨道权重双描述符Fig. 11 The orbital weighted dual descriptor of PtppyTPA and nitroaromatics

4 结论

本文合成了三苯胺基团修饰的铂（Ⅱ）配合物PtppyTPA。研究表明，三苯胺基团的引入可有效激活PtppyTPA的AIE性能，并使PtppyTPA在含水量为50%的乙腈溶液中呈现最高强度的AIE发光。利用AIE活性的PtppyTPA为发光探针，实现了对4种硝基芳烃包括NFD、ClNTFT、BrFNBz及NTFT的发光检测。PtppyTPA对NFD呈现出最高的发光检测效率（11.12 L/mmol）及最低的检测线（7.1 µmol/L）。PtppyTPA对4种硝基芳烃的检测机理为电子转移机理，而不存在荧光共振能量转移。前线轨道能级分析及轨道权重福井函数印证了PtppyTPA对NFD的高效发光检测效率。本研究为以硝苯地平为代表的硝基芳烃的高效发光检测提供了实验依据。

本文补充文件和专家审稿意见及作者回复内容的下载地址：http://cjl.lightpublishing.cn/thesisDetails#10.37188/CJL.20230282.