《分析化学》第51卷第2期封面文章|基于曼尼希反应的聚集诱导发光效应用于灵敏检测甲醛

2023-03-24 16:45:04

《分析化学》SCI 、EI 收录，中文核心期刊

基于曼尼希反应的聚集诱导发光效应用于灵敏检测甲醛

吴金丹^# 曹莹姿^#陈凯欣查勇超刘鸿燊周平李楠^*

（暨南大学生命科学技术学院生物医学工程系，生物材料广东高校重点实验室，广州510632）

关键词: 甲醛；荧光检测；聚集诱导发光；曼尼希反应；分子探针

DOI: 10.19756/j.issn.0253-3820.221482

ANALYTICAL CHEMISTRY

封面文章介绍

基于“螺旋桨”式的分子设计，合成了一种结构简单的具有聚集诱导发光特性的分子探针四羟基四苯基乙烯，利用其与1,2,4,5-苯四胺四盐酸盐和溶液中甲醛分子发生曼尼希反应，形成聚集态光致发光体，体系荧光增强，且聚集诱导发光强度与溶液中甲醛浓度相关。因此，通过测定反应液的荧光强度可实现水溶液中甲醛的定量检测。本方法简单、灵敏，为水溶液中痕量甲醛的检测提供了一种新策略，在生物分析、临床诊断、环境监测和生产评估等领域中有良好的应用潜能。

研究背景

甲醛是一种典型的活性羰基物质，长期摄入甲醛可引起支气管哮喘甚至鼻咽癌和白血病，也可导致新生婴儿畸形，甚至死亡。内源性甲醛水平异常可导致蛋白质和 DNA 损伤，引起神经退行性疾病，如阿尔茨海默氏症，其患者大脑中内源性甲醛水平升高。因此，外源性环境污染物与内源性代谢异常过程中的微量甲醛检测引起广泛关注。溶液中甲醛的检测方法主要包括分光光度法、电化学法、高效液相色谱法、气相色谱法和质谱法等，这些方法仍存在灵敏度低、成本高、过程繁琐耗时和样品制备复杂等问题。具有聚集诱导发光（Aggregation-induced emission, AIE）特性的有机分子具有优良的生物相容性和光致发光稳定性，将其作为灵敏的荧光探针应用于生物成像和荧光传感引起了研究者的广泛关注。本研究设计并合成了含苯酚基团的AIE 探针—四羟基四苯基乙烯（TPE-4OH），此探针与富电子苯胺化合物在甲醛诱导下发生曼尼希反应形成聚集体，使得TPE-4OH分子内苯环振动和内旋受限，产生AIE现象。在最佳实验条件下，AIE荧光强度随甲醛浓度增加而增大，因此通过测量AIE荧光强度可实现水溶液中甲醛的定量检测。基于AIE原理荧光法检测水溶液中的甲醛浓度的报道较少，本方法通过“一锅法”反应直接检测溶液中的甲醛浓度，简单便捷，易于操作。

图1 四羟基四苯基乙烯（TPE-4OH）探针基于聚集诱导发光（AIE）效应检测水溶液中甲醛的原理示意图

研究内容

采用红外光谱和核磁共振波谱（NMR）对合成的TPE-4OH分子进行表征。红外图谱中出现芳香环的C=C 伸缩振动、苯环的C—H面外变形振动以及酚羟基的伸缩振动（图2A），核磁共振谱图显示了芳香族质子、酚羟基和碳的特征峰（图2B 和2C）。这些结果表明成功制备了TPE-4OH。

图2 TPE-4OH分子结构表征：（A）傅里叶变换红外光谱；（B）¹H 核磁共振谱图；（C）¹³C核磁共振谱图

TPE-4OH 分子的荧光性质如图3A显示。TPE-4OH 的最佳激发波长为260 nm，在该波长激发下，最佳发射波长为400 nm。TPE-4OH的最佳激发和发射光谱呈对称分布，符合荧光分子的光致激发特征（图3B）。

图3 （A）不同激发波长（a~f：220.0、240.0、260.0、280.0、300.0和320.0 nm）下TPE-4OH 的荧光光谱；（B）TPE-4OH 的激发光谱（a）和发射光谱（b）

在1,2,4,5-苯四胺四盐酸盐（BTA）存在条件下，考察了TPE-4OH的荧光对甲醛的响应。将甲醛分子加入到BTA与TPE-4OH共存体系中，在320 nm处观察到一个明显的荧光发射峰（图4A曲线d）。相较于单独的TPE-4OH分子，聚集体的最佳激发波长移至290 nm（图4B曲线a），相应的最佳发射波长移至320 nm（图4B曲线b）。采用硫酸奎宁（量子产率为0.55，溶剂为0.05 mol/L H₂SO₄）为参照测定荧光量子产率，反应后荧光量子产率由0.21增至0.55。

图4 （A）不同反应体系（a，BTA、b，TPE-4OH、c，BTA+TPE-4OH、d，BTA+TPE-4OH+甲醛）的荧光光谱；（B）曼尼希反应产物的最佳荧光激发光谱（a）和发射光谱（b）

考察了BTA 浓度、溶液pH 值和反应时间对甲醛检测的影响。在0~200.0 μmol/L 浓度范围内，随着BTA 浓度逐渐增加，体系在320 nm 处的荧光强度先逐渐增加，当其浓度大于80.0 μmol/L时，荧光强度反而逐渐减小（图5A）。溶液中的盐和质子会影响曼尼希反应，实验结果显示，曼尼希反应产物的荧光强度随体系pH 值不同而变化，适宜的酸性条件如pH=6.0时，有利于曼尼希反应顺利进行（图5B）。在BTA浓度为80.0 μmol/L且pH=6.0时，体系的荧光强度在290 min时仍维持在较高水平。考虑到检测的时间，采用50.0 μmol/L BTA，荧光强度随反应时间的变化在90 min后趋于稳定（图5D）。因此，最佳实验条件为20.0 μmol/L TPE-4OH、50.0 μmol/L BTA、pH 6.0 和室温反应90 min。

图5 检测体系在320 nm处的荧光强度与（A） BTA浓度、（B）溶液pH值、反应时间（（C） 25.0~290.0 min和（D） 30.0~100 min）的关系

采用本方法检测不同浓度的甲醛，检测体系在320 nm 处的荧光强度随着甲醛浓度的增加而逐渐增强（图6A），甲醛浓度分别在1.0~100 μmol/L 和100~2000 μmol/L范围内，与荧光强度呈两段线性关系（图6B 和6C），相关系数分别为0.999 和0.998，检出限为1.0 μmol/L。

图6（A）体系检测不同浓度甲醛的荧光光谱；（B、C） 320 nm 处荧光强度与甲醛浓度的关系曲线

本研究选择检测水溶液中甲醛时常见的干扰物质（如乙醛、丙二醛、癸醛、苯甲醛、葡萄糖及丙酮酸等）进行选择性实验，结果表明，本方法对甲醛具有良好的选择性，常见的羰基化合物不干扰检测。采用本方法检测血清样品中甲醛浓度，加标回收率在93.7%~106.4%之间， RSD<8.6%，表明本方法用于检测血液样品中甲醛浓度具有较高的准确性和较好的重现性，具有临床检测血清中甲醛浓度的应用潜力。

本文发表于《分析化学》2023，51（2）：194-203

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作者简介

作者：吴金丹，暨南大学生命科学技术学院2021级在读硕士生，研究方向为新型生物传感探针的制备及其在传感检测中的应用。