第34卷第丨期 2021年3月
海南师范大学学报（自然科学版）
Journal of Hainan Normal University(Natural Science)
Vol.34 No.l
Mar.2021
Doi ： 10.12051/j.issn. 1674-4942.2021.01.002
基于聚集诱导发光的甲醛荧光探针
唐琳，郝梦菲，李敢，丁丰泽，李巧，王恩举**
(海南师范大学化学与化工学院，海南海口571158)
摘要：甲醛能使D N A受损，引起肝肾功能障碍，并最终导致恶性肿瘤，被世界卫生组织确定 为一类致癌物，因此，非常有必要开发能快速、方便检测甲醛的方法。本研究通过缩合4-二苯胺基 苯甲醛与对硝基苯乙腈，再还原硝基合成了 一个能选择性检测甲醛的荧光探针(PAN)。P A N具有 聚集诱导发光性能，
在含水体积分数为80%以上的乙腈/水中能产生明亮的绿色荧光。在含水体积 分数为70%的乙腈/水中，P A N的焚光很弱，加入甲醛能迅速发生胺醛缩合反应并产生聚集诱导荧 光，发出明亮的绿色荧光。其它所选7种常见含活性羰基的化合物都不能引起探针的发射光谱发 生明显变化，总之，该探针具有较好的灵敏性、选择性，且具有一定的实用价值。
关键词：荧光探针；聚集诱导发光增强；甲醛；胺醛缩合
中图分类号:066丨.1 文献标志码:A 文章编号：1674-4942(2021 )(H-0008-04
Fluorescence Probe for Formaldehyde
Bad on Aggregation-induced Emission
TANG Lin, HAO Mengfei, LI Gan, DING Fengze, LI Qiao, WANG Enju*
(College of Chemistry and Chemical Engineering^Hainan Normal University,Haikou 571158, China)
A b s tr a c t：Pormaldehyde can cau DNA damage, which induces liver and kidney dysfunction and eventually leads to can
cers. It has been categorized as a class I carcinogen by the World Health Organization. Thus, the fast and convenient methods for detecting formaldehyde are significant for public health. Herein, a fluorescent probe (PAN) for formaldehyde was de- veloped by incorporating 4-(diphenylamino)benzaldehyde and 4-nitrophenylacetonitrile and then reducing the nitro-group.
The probe exhibits aggregation-induced emission enhancement (AIEE) characteristics and can produce bight green fluorescence in an acetonitrile/water mixture when the volume fraction of water is over 80%. In acetonitrile/water mixture when the volume fraction of water is 70%, PAN is well disperd and emits weak fluorescence, but the addition of formaldehyde gives anaggregation-induced emission enhancement. The other 7 lected active carbonyl compounds did not cau noticeable fluorescence variations. In brief, PAN shows good nsitivity, lectivity and practicality.
K ey w〇r d s：fluorescent probe;aggregation-induced emission enhancement;formaldehyde;aldehyde-amine condensation
甲醛广泛存在于装潢材料中（如木材、涂料），在纺织品、化妆品、消毒剂等日常生活用品中也常常检出 甲醛，许多食品（如：香菇、海鲜干货)在贮藏、加工过程中也会产生甲醛I K2]，总之，在现代生活中甲醛污染几 乎是不可避免的。同时，甲醛还是一种人体内源性物质，许多生化过程能产生甲醛
(如一碳代谢、脱甲基反 应)'甲醛能通过交联反应使D N A受损，引起肝肾功能障碍，并最终导致致命的恶性肿瘤141，被世界卫生组 织确定为一类致癌物。甲醛还会影响人的认知功能，较高浓度的内源性甲醛可能是导致散发性老年痴呆的 原因之一|51。为了更好地预防甲醛污染，了解甲醛的生理和病理作用，非常有必要开发能快速、方便、实时检围脖儿
收稿日期：2020-丨2-28
基金项目：海南省大学生创新训练计划项目
第一作者：唐琳（1999—)，贵州遵义人，本科生，研究方向为有机合成E-m ail: 112丨*************
雷峰塔的传说
*通信作者：王恩举（1970—)，河北张家口人，教授，研究方向为有机合成(E-m ail:****************
第1期唐琳，等：基于聚集诱导发光的甲醛荧光探针9
测甲醛的方法与工具。
荧光探针的灵敏度高，选择性好，操作方便，被广泛应用于各种离子和分子的检测，尤其适合细胞内分 子的观察和成像研究。与传统荧光探针相比，基于聚集诱导发光(AIE)的荧光探针具有许多优异的性能|61：环境因素对发射的影响小，通常为水相检测，常常能观测到发射红移现象，更重要的是聚集
过程使探针分子 与底物的可逆结合变为不可逆，从而提高了探针的灵敏性，缩短了荧光响应时间|71。基于此，本研究合成了 一个含氨基A IE分子(简写为P A N，合成路线见图1)181，在乙腈/水体系中，氨基与甲醛发生胺醛缩合生成溶解 性更小的亚胺类物质，亚胺产物发生聚集并产生聚集荧光，可以高选择、高灵敏地检测甲醛。
1材料与方法
1.1仪器与试剂
B ruker-400型核磁共振波谱仪和Bruker esquire HCT型质谱仪，德国Bruker公司；Hitachi F-7000型炎 光光谱仪，日本Hitachi公司。
4-二苯胺基苯甲醛和对硝基苯乙腈，上海阿拉丁生化科技股份有限公司；其它常用试剂和溶剂（分析 纯)均购自广州化学试剂厂；荧光测试溶剂用水为去离子水。待测甲醛样品储备液为其水溶液（10 mmol)，探针分子储备液为其乙腈溶液（丨〇mmol)，进行荧光测试时用适当比例的乙腈/水稀释至所需浓度。
1.2探针P A N的合成
将4-二苯氨基苯甲醛(0.546 g,2 mmol)和4-硝基苯乙腈(0.324 g，2 mmol)溶于15 m L乙醇中，加人催化 量的哌啶，于75 t下搅拌反应，5 h后薄板检测反应结束，冷却，有红色固体析出，抽滤，用少量乙醇洗涤得化 合物1，产量0.762 g，产率91.3%。化合物1没有进行进一步的纯化和检测，直接投人下一步合成。
将311(：12.2&0(丨.13丨8,5 111〇1〇1)和10‘乙醇加人5011^圆底烧瓶中，搅拌溶解后加人化合物1(0.417 g，l m m〇l)，75 t下搅拌反应3 h，蒸出部分乙醇，加人少量水，用K O H调节PH为8~9，抽
滤，少量水洗涤、干 燥，得黄色固体〇.284g，产率73.4%。'H N M R(400M H z，D M S O-d6)，S(ppm):7.76(d,2H，_/= 8.8 Hz),7.56U, lH)，7.35~7.40(m，6H)，7.10〜7.16(m，6H)，6.94(d，2H J=8.8H z)，6.63(d，2H，_/= 8.8Hz),5.54(s，2H)。l3C N MR(100 M H z,D M S O-d J ,8(PPm) ： 150.2, 148.9, 146.8, 136.8, 130.5, 130.3, 127.9, 126.9, 125.6, 124.7, 121.7,121.3,119.3,114.4,108.2。ESI-MS，m/2:calcd. fo r C27H22N,[M+H]+388.18,found 388.2。
2结果与讨论
2.1探针分子P A N的设计与合成
与伯氨类化合物相比，西佛碱类化合物在水或醇中的溶解度通常显著降低，因此，可以利用胺醛缩合反 应设计基于聚集诱导发光的甲醛荧光探针。探针P A N是一个二芳基取代的丙烯腈类化合物，此类结构通常 都具有聚集诱导发光特性'三苯胺部分具有螺旋桨状扭曲结构，进一步增强了 P A N的聚集诱导发光性能。
10海南师范大学学报（自然科学版)2021 年450 500 550 600 650 700 〇 200 400 600 800 1000
Wavelength/nm
c,lt1l(/(nmol/L)(A) (B)
图2 (A )探针PAN 在不同含水量的乙腈/水混合溶剂中的荧光光谱；（B)探针PAN 对不同浓度甲醛的荧光响应，
插图为探针PAN 加甲醛前后的荧光照片(a ：无甲酸；b ：加入200 M m o l 甲醛>
Figure 2 (A)Fluorescence emission spectra of PAN in acetonitrile/water mixtures with different water frac重庆新高考
tions, (B)fluorescence respon of the probe PAN to different concentrations of formaldehyde, int: fluores
cence photographs of PAN in the abnce(a) and prence (b) of 200 pmol formaldehyde
2.3对甲醛的选择性研究
在实际检测过程中，样品中除了含有甲醛外，还可能含有其它活性羰基化合物。为此，我们选择了 7种 具有代表性的活性羰基类物质，研究它们对P A N 聚集诱导荧光增强的影响及探针对甲醛的选择性。这7种 活性羰基化合物包括乙醛、乙二醛、丙酮醛、甲酸以及苯甲醛、水杨醛和糠醛三个常见的芳香族醛。与这些 醒相比，甲醛的活性相对较高，但乙二醛和丙酮醛的醛基活性也很高，能与绝大多数氨基快速反应。三个芳 香族醛的活性相对较小，但芳香醛与胺缩合生成的西佛碱更稳定，反应平衡
对胺醛缩合是有利的，因此，它 们也可能与探针P A N 缩合引起聚集诱导荧光增强现象。图3为在含水70%的乙腈/水中探针P A N (10 j j i m o l / L)对所选活性羰基化合物（100 pmol/L)的荧光响应，可以看出，只有甲醛能使探针P A N 的荧光发生显著增探针P A N 含有亲水的腈基和氨基，具有一定的水溶性，氨基与甲醛缩合后溶解度显著降低，发生聚集现象并 产生聚集荧光。另外，反应产物发生聚集使原本可逆的胺醛缩合反应可以持续进行，大大提高了探针的灵 敏度。基于胺醛缩合反应的AIE类甲醛荧光探针研究才刚刚起步，目前只有1篇类似研究的报道'本研究 将为甲醛荧光探针研究开辟新的方向。
2.2聚集荧光性能
为了找到合适溶剂体系，首先研究了探针P A N 自身的聚集诱导荧光性能。图2(A)为探针P A N 在乙腈/ 水体系中的发射光谱，在纯乙腈中，探针P A N 发射弱荧光(X ,.x = 400 n m )，增加乙腈/水体系中水的百分含量 (10% ~ 70%)，荧光稍有减弱，最大发射波长由505 n m 红移至约520 n m 。荧光减弱说明溶剂含水对分子荧 光是不利的，而溶剂极性增加引起分子内电荷转移增强，导致探针的红移现象。当水含量达到80%时，开始 发生聚集现象，荧光迅速增强，随着含水量的增加，聚集荧光进一步增强。因此，本研究选择含水70%的乙 腈/水为探针P A N 检测甲醛的溶剂体系，预期在此溶剂体系下，探针分子与甲醛缩合后会发生聚集，产生聚 集诱导荧光增强现象。图2(B)为在含水体积分数为70%的乙腈/水中，随着加人甲醛的增加，探针PAN( 10 fimol/L)在520 run的发射强度，非常清晰地呈
现出荧光强度随甲醛浓度变化的动态过程。在甲醛浓度为0〜 100 |j u n 〇l/L范围内，发射强度快速增加，以后增加速度逐渐减慢，当甲醛浓度达到探针分子的50倍时，荧光 达到最大值，探针对甲醛具有较好的灵敏度。图2(B)插图为在紫外暗箱中、365 run波长的紫外光激发下加 甲醛前与加甲醛后的荧光照片，如图所示，探针分子本身的荧光很弱，加甲醛后呈现明亮的绿色荧光。对于 探针P A N 而言，1个氨基与甲醛缩合生成亚胺对溶解度的影响有限，如果能引入多个氨基，预期会有更高的
迟泽厚
灵敏度和更好的荧光性能。
中独P A N ，及PAN +其它
含活性羰基的化合物450 500 550 600 650 700Wavelength/nm
图3探针PAN(10 nmol/L)对各种常见活性羰基化合物（100 M mol/L )的选择性荧光响应
Figure 3 Selectivity of PAN (10 pmol/L) toward different relevant species (100 pmol/L)3结论
通过缩合对硝基苯乙腈与4-二苯胺基苯甲醛，再还原硝基成氨基合成了一个基于聚集诱导发光增强的 甲醛荧光探针。在乙腈/水中，当含水体积分数达到80%以上时，能观察到明显的聚集诱导荧光增强现象。 当含水体积分数小于70%时荧光很弱，此时加入甲醛能快速发生胺醛缩合，并产生聚集诱导发光增强现象, 这是由于P A N 与甲醛反应生成了溶解度更低的席夫碱。为了研究P A N 的选择性，本研究测试了另外7种含 活性羰基的化合物对P A N 荧光的影响，发现它们在相同条件下都不能使探针发生聚集诱导荧光增强现象。 总之，该探针具有较好的灵敏性、选择性，且具有一定的实用价值。
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第1期 唐琳，等：基于聚集诱导发光的甲醛荧光探针 11强，加入其他含活性羰基化合物引起的荧光变
化很微弱，荧光亮度用裸眼根本无法区别。因此，该探针P A N 对甲醛具有高选择性荧光增强响应。
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