引用本文
曹思敏, 刘阳依, 周中能, 陈缙泉, 徐建华. 基于Fluoral-P衍生物的新型甲醛探针的光谱特性研究[J]. 光谱学与光谱分析, 2019,39(3): 828-833.
CAO Si-min, LIU Yang-yi, ZHOU Zhong-neng, CHEN Jin-quan, XU Jian-hua. Study on Spectral Characteristics of a Novel Formaldehyde Probe Based on Fluoral-P Derivatives[J]. Spectroscopy and Spectral Analysis, 2019,39(3): 828-833.
Doi:10.3964/j.issn.1000-0593(2019)03-0828-06  
Permissions
Copyright©2019, 《光谱学与光谱分析》期刊社
《光谱学与光谱分析》期刊社 所有
基于Fluoral-P衍生物的新型甲醛探针的光谱特性研究
曹思敏, 刘阳依, 周中能, 陈缙泉, 徐建华*
华东师范大学精密光谱科学与技术国家重点实验室, 上海 200062
*通讯联系人 e-mail: jhxu@phy.ecnu.edu.cn

作者简介: 曹思敏, 1993年生, 华东师范大学精密光谱科学与技术国家重点实验室硕士研究生 e-mail: 1306289306@qq.com

收稿日期: 2018-02-05
基金: 国家自然科学基金面上基金项目(11674101)资助
摘要

甲醛(HCHO)是目前室内空气主要污染物之一, 长期暴露在过量甲醛环境中会对人的眼睛、 皮肤、 呼吸器官等产生严重危害, 甚至可能导致神经系统功能的丧失[1]以及耳、 鼻和喉癌[2]。 因此, 快速、 高效、 准确地实现甲醛气体的检测, 对于保障人类健康具有重大的意义。 当前有很多种方法可以用于甲醛气体的检测。 例如, 气相色谱法(GC)[3]和高效液相色谱法(HPLC)[4], 色谱仪器能够提供低至μg·m-3级别的浓度检测, 但是仪器较为大型笨重, 并且检测非常耗时, 难以实现实时连续地对甲醛气体浓度的监测; 基于气敏薄膜的半导体气体传感器具备响应时间短, 稳定性高以及可连续监测等优点, 然而这类传感器通常检测限较高(>300 μg·m-3), 并且选择性差[5]; 基于酶的生物传感器通常有较好的灵敏性和选择性, 但是其热稳定性通常较差, 这严重限制了其应用[6]。 比色法和荧光法由于响应速度快, 灵敏度高, 检测限低, 选择性好以及传感器简单便宜等特点, 被广泛地应用于甲醛气体传感器的设计中去[7,8,9]。 这种方法是利用探针分子与甲醛发生特异性结合, 形成新的物质, 从而引起探针吸收光谱的变化或者发出荧光, 实现对甲醛的定量测量。 Descamps等使用4-氨基-3-戊烯-2-酮(Fluoral-P)作为探针分子, 设计了一种手提式的甲醛检测仪[10]。 Fluoral-P是一种烯氨酮结构的物质, 能与甲醛特异性结合形成环状化合物3,5-diacetyl-1,4-dihydrolutidine(DDL)。 由于Fluoral-P自身的特征吸收带与DDL的吸收带相隔较远, 同时与甲醛结合后能够产生大斯托克斯位移的荧光峰, 因而被广泛应用于甲醛检测。 然而, Fluoral-P在空气中有水分子存在的情况下极其不稳定, 容易发生水解, 形成乙酰丙酮和氨气, 严重限制了Fluoral-P在甲醛检测上的应用[10]。 采用紫外可见吸收光谱、 稳态荧光光谱和气相色谱质谱(GC-MS)技术研究了Fluoral-P的一种衍生物, 4-氨基-1,1,1-三氟-3-丁烯-2-酮(3F-FP), 与甲醛溶液相互作用的光学和化学特性。 实验发现, Fluoral-P的水解速率为 k=1.555 9×10-5 L2·mol-2·s-1, 然而, 3F-FP具有非常低(接近0)的水解速率, 水溶液环境下表现出了极好的稳定性。 同时, 3F-FP可以与甲醛反应生成一种类似DDL的环状化合物6F-DDL, 使得3F-FP在430 nm处出现了一个新的吸收带, 并且在峰值489 nm处的荧光强度也得到了明显增强, 增强因子为12, 在峰值处的荧光增长速率为 k=7.881×103 h-1。 下一步我们将使用多孔玻璃作为3F-FP探针的载体, 不仅可以提高3F-FP分子浓度, 也可以增加探针分子与甲醛的接触表面积[11], 荧光增长速率还可以得到进一步的提高, 因此3F-FP分子在甲醛气体检测领域具备了良好的应用前景。

关键词: 甲醛探针; Fluoral-P; 3F-FP; 水解速率; 荧光光谱
中图分类号:O657.3 文献标志码:A
Study on Spectral Characteristics of a Novel Formaldehyde Probe Based on Fluoral-P Derivatives
CAO Si-min, LIU Yang-yi, ZHOU Zhong-neng, CHEN Jin-quan, XU Jian-hua*
State Key Laboratory of Precision Spectroscopy, East China Normal University, Shanghai 200062, China
Abstract

Formaldehyde (HCHO) is one of the main pollutants of indoor air. Exposure to excessive formaldehyde for a long time will cause serious damage to human eyes, skin and respiratory organs, and even lead to loss of the function of nervous system[1], as well as ear, nose and laryngeal cancer[2]. Therefore, a rapid, efficient and accurate detection of gaseous formaldehyde is of great significance to human health. So far, there have been a lot of techniques that can be used for the detection of gaseous formaldehyde, such as gas chromatography (GC)[3] and high-performance liquid chromatography (HPLC)[4]. Although chromatographic apparatus may provide detection limits of several μg·m-3, they are time-consuming and not suitable for real-time and continuous monitoring of formaldehyde concentration because of their weight and bulk. Semiconductor gas sensors based on gas-sensitive films provide a good alternative in indoor formaldehyde monitoring due to their advantages of high stability, short response time and continuous monitoring. However, high detection limit (>300 μg·m-3) and poor selectivity is considered to be a great limitation for such sensors[5]. Enzyme-based biosensors usually have a good sensitivity and selectivity, but their thermal stability is usually poor, which seriously restricts their application[6]. Colorimetric and fluorescence methods are widely applied in the design of formaldehyde gas sensors because of their fast response, high sensitivity, low detection limit, good selectivity, simplicity and low cost[7,8,9]. These methods are based on the combination of probes and formaldehyde which can generate new substances, resulting in the change of absorption spectrum or fluorescence enhancement, so that ones may achieve quantitative detection of formaldehyde. Descamps et al developed a portable formaldehyde detector by using 4-amino-3-penten-2-one (Fluoral-P) as a probe. Fluoral-P[10] is a reagent with enaminone structure which can selectively react with formaldehyde to form cyclic compound 3,5-diacetyl-1,4-dihydrolutidine (DDL). Since the absorption band of Fluoral-P is far apart from the absorption band of DDL, and a fluorescence peak with large Stokes shift can be produced after combined with formaldehyde, it is widely applied for the detection of formaldehyde. However, Fluoral-P is extremely unstable and easy to hydrolyze to form acetylacetone and ammonia under the presence of water, which severely limits its application in formaldehyde detection[10].In this work, we have studied the optical and chemical properties of the interaction between 4-amino-1,1,1-trifluorobut-3-en-2-one(3F-FP), a derivative of Fluoral-P, and formaldehyde solution by UV-vis absorption steady state fluorescence spectroscopy and gas chromatography-mass spectrometry(GC-MS). We found that the hydrolysis rate of Fluoral-P is k=1.555 9×10-5 L·mol-2·s-1, however, 3F-FP has very low hydrolysis rate(close to 0) and shows excellent stability in water environment. Meanwhile, 3F-FP can react with formaldehyde to form cyclic compound 6F-DDL, and a new absorption band appears at 430 nm and the fluorescence peak intensity at 489 nm also gets a significant enhancement and the enhancement factor is 12. The fluorescence growth rate is k=7.881×103 h-1. In the following work, we will use porous glass as the carrier for 3F-FP[11], by which the concentration of 3F-FP and contact surface area between the 3F-FP probe molecule and formaldehyde can be increased, leading to further increase of the fluorescence growth rate. In conclusion, 3F-FP has shown good application prospects in the field of gaseous formaldehyde detection.

Keyword: Formaldehyde probe; Fluoral-P; 3F-FP; Hydrolysis rate; Fluorescence spectroscopy
1 实验部分
1.1 仪器与试剂

双光束紫外-可见分光光度计(TU1901, 北京普析通用); 稳态荧光光谱仪(FluoroMax-4, Horiba); 气相色谱质谱联用仪(Agilent 7890B-5977A, 美国安捷伦)。

使用的所有化学试剂均商业购买且未经任何提纯处理。 甲醛溶液(37%)购自上海麦克林生化科技有限公司; 4-氨基-3-戊烯-2-酮(Fluoral-P, 98%), 4-氨基-1, 1, 1-三氟-3-丁烯-2-酮(3F-FP, 95%)和乙腈(HPLC纯)均购自百灵威科技有限公司; 冰醋酸购自于国药集团化学试剂有限公司; 实验所用的水均为18.2 MΩ · cm-1去离子水。

1.2 方法

在酸性环境下, Fluoral-P与甲醛反应速率更快[11], 因而Fluoral-P, 3F-FP与甲醛反应的相关实验均在酸性环境下进行。 将乙腈与醋酸水溶液(pH=1.73)按体积比5∶ 1混合, 所有溶液均用该混合溶剂配置。 配制200 μ mol· L-1的Fluoral-P和3F-FP溶液各1 mL, 间隔一定时间测量吸收光谱, 得到Fluoral-P和3F-FP的水解过程; 配置10 mmol· L-1 3F-FP溶液1 mL, 加入5 mmol· L-1甲醛溶液1 mL, 反应166 h后测量GC-MS; 配置上述相同3F-FP和甲醛溶液, 混合均匀后, 间隔一定时间测量紫外可见吸收光谱和稳态荧光光谱。 采用2 mm石英比色皿, 荧光光谱使用443 nm激发。

1.3 Fluoral-P水解速率计算

Fluoral-P+2H2O=acetylacetone+N H4++OH+ (1)

t=0 [F]0 [H2O]0 0

t=t [F]t [H2O]t [A]t

Fluoral-P的水解过程可用式(1)表示, Fluoral-P水解后生成产物乙酰丙酮[12]。 其中[F]0和[F]t分别表示初始时刻和t时刻Fluoral-P的浓度, [H2O]0和[H2O]t分别表示初始时刻和t时刻水的浓度, [A]t表示t时刻水解产物乙酰丙酮的浓度。 根据反应方程可以得到t时刻乙酰丙酮和水的浓度分别为[A]t=[F]0-[F]t和[H2O]t=[H2O]0-2([F]0-[F]t)。

根据实验方法, 可以得到Fluoral-P初始浓度为[F]0=200 μ mol· L-1=2× 10-4 mol· L-1, 而水分子初始浓度为[H2O]0= mH2OMH2O×V=6.172 8 mol· L-1≫2× 10-4 mol· L-1=[F]0, 考虑到水分子浓度远远大于Fluoral-P浓度, 因此水解过程中水的消耗可忽略不计, 该三级反应则可简化为一级反应来处理。 水解反应动力学方程可用式(2)表示

d[F]tdt=-k[F]t[H2O]02(2)

式中, k为Fluoral-P水解速率常数, 求解该微分方程得到Fluoral-P的浓度随时间的函数

[F]t=[F]0e-k[H2O]02t+c(3)

考虑到Fluoral-P和水解产物乙酰丙酮的吸收光谱存在重叠, 则吸光度应同时考虑两种物质的共同贡献, 设Fluoral-P和乙酰丙酮在同一波长处的消光系数分别为ε 1和ε 2, 则吸光度可表示为

A=ε1[F]tl+ε2([F]0-[F]t)l(4)

式中, l为吸收厚度。

结合式(3)和式(4)可用Matlab对吸光度变化进行拟合, 从而得到Fluora-P水解速率常数R。

2 结果与讨论
2.1 Fluoral-P与3F-FP水解速率比较

为了比较Fluoral-P和3F-FP水解速率的差异, 首先研究了Fluoral-P和3F-FP在酸性环境下吸收光谱随时间的变化。 Fluoral-P分子在酸性环境下极易发生水解生成产物乙酰丙酮, 其对应的特征吸收带分别位于300 nm[13]和273 nm[14]处。 图1(a)是Fluoral-P在不同时间测得的吸收光谱。 初始时刻, 吸收峰位于296 nm处, 随着水解时间的增加, 296 nm处的吸收峰逐渐下降, 并且峰值逐渐蓝移。 120 min后, 吸收峰蓝移至273 nm处, 随后基本保持不变。 图1(a)表明在该溶液环境中, Fluoral-P发生了水解反应生成乙酰丙酮, 从而引起吸收峰的蓝移。 图1(b)是3F-FP在不同时间测得的吸收光谱。 从图中可以看出, 初始时刻, 其吸收峰位于308 nm处, 与文献报道相一致[15]。 在随后的26 h内, 其吸收峰位置始终保持不变, 整个吸收光谱也只有微小变化, 这表明在26 h内, 3F-FP分子几乎没有发生水解, 表现出了较好的稳定性。

图1 200 μ mol· L-1 (a) Fluoral-P和(b) 3F-FP在室温环境、 乙腈/醋酸(pH 1.73) =5/1 (V/V)的混合溶液体系下的吸收光谱随时间的变化Fig.1 Absorption spectra evolution of 200 μ mol· L-1 (a) Fluoral-P and (b) 3F-FP at room temperature in acetonitrile/acetic acid solution (pH 1.73)=5/1(V/V)

随后, 为了定量描述Fluoral-P和3F-FP水解速率的差异, 我们计算了其水解反应速率常数k。 对于Fluoral-P分子, 我们采用其在296 nm峰值处的数据进行处理, 由于在296 nm处, Fluoral-P和乙酰丙酮均具有较高的消光系数, 两种物质对296 nm处的吸光度贡献都需要考虑。 水解反应初始时刻, 溶液体系中有200 μ mol· L-1 Fluoral-P, 而160 min时Fluoral-P基本完全水解, 溶液体系中有200 μ mol· L-1乙酰丙酮。 分别利用在0和160 min时的吸收光谱计算Fluoral-P和乙酰丙酮在296 nm处的消光系数ε 1和ε 2。 计算得到ε 1=15 450 L· mol-1· cm-1和ε 2=2 000 L· mol-1· cm-1, 与文献报道数据相近[16, 17]。 根据式(3)和式(4), 我们对296 nm处的吸光度数值进行拟合, 得到Fluoral-P浓度随时间变化的曲线如图2(a)所示。 从图中可以看出, 拟合曲线与实验数据基本吻合, 拟合得到Fluoral-P水解速率常数为k=9.335 5× 10-4 L2· mol-2· min-1=1.555 9× 10-5 L2· mol-2· s-1(R2=0.997)。 图2(b)是3F-FP浓度随时间的变化曲线, 在26 h内, 3F-FP浓度基本没有明显改变, 无法进行拟合, 但可以看出3F-FP对应着一个极小的水解速率常数, 接近0。

图2 (a) Fluoral-P和(b) 3F-FP在室温环境、 乙腈/醋酸(pH 1.73)=5/1 (V/V)的混合溶液体系下的浓度随时间的变化Fig.2 Concentrations of (a) Fluoral-P and (b) 3F-FP vs. time at room temperature in acetonitrile/acetic acid solution (pH 1.73)=5/1 (V/V)

2.2 3F-FP与甲醛反应前后GC-MS的比较

为了确定3F-FP与甲醛反应的生成物, 我们进一步对反应后的混合物进行GC-MS实验, 如图3所示。 图3(a)是甲醛与3F-FP反应166 h后测量的GC-MS, 可以看到在7.872 min处存在一个最高峰, 其相应的质谱如图3(c), 该处的峰值对应着3F-FP分子。 同时在15.206 min处还存在一个次高峰, 其对应的质谱如图3(d)所示, 通过质谱分析, 我们发现该处的质谱与6F-DDL分子相吻合。 图3(b)是相应的对照组, 其中没有加入甲醛, 可以看到其GC-MS谱上只在7.879 min处存在一个峰, 对应着3F-FP分子。 GC-MS实验表明甲醛与3F-FP发生反应后生成了环状化合物6F-DDL(反应方程式如Scheme 1所示)。

图3 5 mmol· L-1 3F-FP中分别(a)加入2.5 mmol· L-1甲醛和(b)不加入甲醛, 在室温环境、 乙腈/醋酸(pH 1.73)=5/1 (V/V)的混合溶液体系下反应166 h后的GC-MS, (c)和(d)分别是其在7.879和15.210 min所对应的质谱
2.3 甲醛对3F-FP吸收光谱和荧光光谱的影响Fig.3 GC-MS of 5 mmol· L-1 3F-FP (a) with 2.5 mmol· L-1 HCHO and (b) without HCHO after 166 hours’ reaction at room temperature in acetonitrile/acetic acid solution(pH 1.73)=5/1 (V/V); (c) and (d) are the corresponding mass spectra at 7.879 and 15.210 min, respectively

示意图1 反应物 (Fluoral-P和3F-FP) 以及其与甲醛反应形成的二甲基吡啶衍生物的化学结构Scheme 1 Chemical structures of reagents (Fluoral-P and 3F-FP) and their transformation into lutidine derivatives after reaction with HCHO

我们进一步研究了甲醛对3F-FP紫外可见吸收光谱和荧光光谱的影响。 图4(a)是向5 mmol· L-1 3F-FP中加入2.5 mmol· L-1甲醛后, 在不同时刻测得的吸收光谱。 可以看到, 随着时间的增加, 在430 nm左右处出现了一个新的吸收带, 并且逐渐上升。 图4(b)是5 mmol· L-1 3F-FP中加入2.5 mmol· L-1甲醛后, 在不同时刻测得的荧光光谱。 可以看到, 初始时刻在489 nm处有一个相对较弱的荧光峰, 随后, 这一荧光峰随时间增加而明显升高。 166 h后, 489 nm处的荧光强度增长到初始时刻的12倍以上。 而没有加入甲醛时, 无论是吸收光谱还是荧光光谱在166 h内均没有明显改变。 图4(c)是实验组和对照组在443 nm处的吸光度随时间变化的比较, 加入甲醛的一组, 其吸光度随时间增加而明显增加, 并且曲线呈现出线性增长趋势。 而没有加入甲醛的一组, 其吸光度随时间增加基本没有明显变化, 曲线保持平稳趋势。 图4(d)是实验组和对照组在489 nm处的荧光强度随时间变化的比较, 与吸光度比较的结果相类似, 加入甲醛的一组, 荧光强度随时间增长而明显增加, 并且曲线呈现出线性增长趋势。 没有加入甲醛的一组, 其荧光强度基本不随时间变化。

图4 5 mmol· L-1 3F-FP和2.5 mmol· L-1甲醛在室温环境、 乙腈/醋酸(pH 1.73)=5/1 (V/V)的混合溶液体系下的(a)吸收光谱和(b)荧光光谱随时间的变化; (c)和(d)分别是吸收光谱在443 nm和荧光光谱在489 nm处的强度变化Fig.4 (a) Absorption and (b) fluorescence spectra evolution of 5 mmol· L-1 3F-FP with 2.5 mmol· L-1 HCHO at room temperature in acetonitrile/acetic acid solution (pH 1.73)=5/1 (V/V); (c) absorbance change at 443 nm and (d) fluorescence change at 489 nm

实验结果表明, 在3F-FP中加入甲醛后, 其吸收光谱和荧光光谱发生了明显的改变。 吸收光谱在430 nm处出现了一个新的吸收带, 而荧光光谱在489 nm处的荧光强度也随时间逐渐增强。 Fluoral-P与HCHO发生反应会生成环状化合物DDL, 在410 nm处形成新的吸收带, 并且在510 nm处会有新的荧光峰出现[11]。 图3和图4的实验结果以及前面GC-MS的实验结合表明, 在3F-FP中加入甲醛后, 发生了与Fluoral-P类似的反应生成了环状化合物6F-DDL(反应方程式如Scheme 1所示), 从而引起紫外可见吸收光谱和荧光光谱的相应改变。

由图4可见, 荧光增强相对于吸收增强更加明显, 并且在489 nm处的荧光表现出线性增长的趋势。 因而, 我们对489 nm处的荧光变化进行线性拟合, 如图5所示, 拟合得到曲线斜率为k=7.881× 103 h-1(R2=0.972)。 曲线斜率表示荧光增长速率, 反映了3F-FP与甲醛反应速率的快慢。 这一荧光增长速率还可以通过以下多种方法进一步提高: (1)通过旋涂或溶胶凝胶等方法, 将3F-FP引入固体媒介中可以提高3F-FP浓度, 文献表明Fluoral-P在固体载体中的浓度可以高达几个摩尔级别[10]; (2)在气体实验环境下, 通过采用多孔玻璃等作为探针载体, 可以提高探针分子与甲醛的接触表面积, 从而提高反应速率; (3)通过气体泵浦的方式提高气流速度也可以提高反应速率[11]; (4)还可以选择合适的催化剂从而加快这一反应速率。 总而言之, 3F-FP在气体甲醛检测领域表现出了良好的应用前景。

图5 489 nm处荧光强度变化的线性拟合Fig.5 linear fit of fluorescence at 489 nm

致谢: 感谢法国科学院NIMBE研究所研究员Thu-Hoa TRAN-THI对实验的建议和指导。

The authors have declared that no competing interests exist.

参考文献
[1] Chung P R, Tzeng C T, Ke M T, et al. Sensors, 2013, 13(4): 4468. [本文引用:1]
[2] Salthammer T, Mentese S, Marutzky R. Chemical Reviews, 2010, 110(4): 2536. [本文引用:1]
[3] Hopkins J, Still T, Al-Haider S, et al. Atmospheric Environment, 2003, 37(18): 2557. [本文引用:1]
[4] Levin J O, Andersson K, Lindahl R, et al. Analytical Chemistry, 1985, 57(6): 1032. [本文引用:1]
[5] Lv P, Tang Z A, Yu J, et al. Sensors and Actuators B Chemical, 2008, 132(1): 74. [本文引用:1]
[6] Ma Q, Cui H, Su X. Biosensors and Bioelectronics, 2009, 25(4): 839. [本文引用:1]
[7] Suzuki Y, Nakano N, Suzuki K. Environmental Science and Technology, 2003, 37(24): 5695. [本文引用:1]
[8] Pinheivo H L, de Andrde M V, de Paula Pereira P A, et al. Microchemical Journal, 2004, 78(1): 15. [本文引用:1]
[9] Allouch A, Guglielmino M, Bernhardt P, et al. Sensors and Actuators B Chemical, 2013, 181(3): 551. [本文引用:1]
[10] Descamps M, Bordy T, Hue J, et al. Sensors and Actuators B: Chemical, 2012, 170: 104. [本文引用:1]
[11] Compton B J, Purdy W C. Analytica Chimica Acta, 1980, 119(2): 349. [本文引用:3]
[12] Vignau-Laulhere J, Mocho P, Plaisance H, et al. Analytical and Bioanalytical Chemistry, 2017, 409(26): 6245. [本文引用:1]
[13] Paolacci H, Porterat D, Tran-Thi T H. Sensors and Transducers Journal, 2007. [本文引用:1]
[14] Li Y, Liu Y, Zhou M. Dalton Trans, 2012, 41(13): 3807. [本文引用:1]
[15] Buback M, Tost W, Huebsch T, et al. Cheminform, 1989, 20(36): 1179. [本文引用:1]
[16] Dagnelie R, Crassous A, Tran T H. Journal of Membrane Science, 2010, 365(1): 98. [本文引用:1]
[17] Hammond G S, Borduin W G, Guter G A. Journal of the American Chemical Society, 2002, 81(17): 1834. [本文引用:1]