廉 潔，任翼飛，楊瑞琴*，郝紅霞

1. 中國人民公安大學(xué)偵查與刑事科學(xué)技術(shù)學(xué)院，北京 100038 2. 中國人民公安大學(xué)信息技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)安全學(xué)院，北京 100038 3. 中國政法大學(xué)證據(jù)科學(xué)教育部重點實驗室，北京 100192

引 言

近年來，境內(nèi)外爆炸恐怖襲擊事件仍不斷發(fā)生，恐怖分子利用各類爆炸物蓄意在人員密集的地鐵、火車、飛機等交通工具以及車站、商場等公共場所制造爆炸事件[1]，實施恐怖主義行為，給國家安全和社會穩(wěn)定造成了重大影響。世界各國對于打擊恐怖主義空前重視，各類爆炸物的現(xiàn)場快速檢測技術(shù)已越來越受到重視[1-3]。

2,4,6-三硝基苯酚(2,4,6-Trinitrophenol, TNP)，又稱苦味酸，是一種常見的猛炸藥，其威力甚至強于2,4,6-三硝基甲苯(2,4,6-Trinitrotoluene, TNT)；TNP除了作為炸藥外，其在染料、醫(yī)藥、殺蟲劑、橡膠、皮革等行業(yè)中也被大量使用，在生產(chǎn)生活中使用廣泛，獲取來源多樣。在使用過程中，TNP極易泄露到環(huán)境中，造成地下水和土壤污染，可經(jīng)皮膚、呼吸道、消化道等途徑侵入人體，TNP是一種環(huán)境污染物，毒性較大且難于生化降解[4]。

由于TNP和TNT等物質(zhì)具有爆炸性和環(huán)境毒性，目前相關(guān)的檢測技術(shù)多種多樣，常見方法包括離子遷移光譜、氣相色譜分析[5]、液相色譜質(zhì)譜分析[6]、電化學(xué)方法、X射線衍射、毛細管電泳法、表面增強拉曼光譜[7-9]等方法，但是這些檢測方法普遍存在一些弊端，例如依賴實驗室大型儀器、樣品的前處理過程繁瑣、對操作人員要求較高等。與以上方法相比，熒光光譜法因其快速、靈敏、成本低廉、操作簡便等優(yōu)勢而倍受青睞。近年來科研人員開發(fā)了大量熒光共軛聚合物，將其熒光光譜應(yīng)用于不同領(lǐng)域[10-12]，利用熒光探針與待測物作用，二者發(fā)生特異性結(jié)合，因其物理、化學(xué)性質(zhì)的改變而引起熒光光譜的顯著變化，從而可以通過直觀的溶液顏色變化、熒光光譜改變等來判斷待測物及其濃度信息，實現(xiàn)快速檢測的目的。本文合成了小分子苝酰亞胺衍生物熒光探針，探針與TNP結(jié)合后形態(tài)變化，導(dǎo)致熒光光譜變化，可以通過分析熒光光譜來快速檢測TNP。該熒光探針?biāo)芤旱臒晒夤庾V具有較高的選擇性和穩(wěn)定性，對TNP的檢測靈敏度高，熒光光譜強度與TNP的濃度呈良好的線性關(guān)系，可實現(xiàn)TNP的快速定量分析。

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

SENS-9000分子熒光光譜儀(北京卓立漢光儀器有限公司)；DHG-9123A電熱鼓風(fēng)干燥箱(上海一恒科學(xué)儀器有限公司)；DF-101S集熱恒溫加熱磁力攪拌器(長城科工貿(mào)有限公司)；TGL-20B高速離心機(上海安亭科學(xué)儀器廠)；CP224S分析天平(賽多利斯科學(xué)儀器有限公司)；10 mm石英比色皿(江蘇宜興分析實驗器件廠)；50Conc紫外-可見分光光度計(VARIAN)；S210 pH計(Mettler Toledo)；KQ-3200DE高功率數(shù)控超聲波清洗器(昆山市超聲儀器有限公司)。

2,4,6-三硝基苯酚、2,4,6-三硝基甲苯、4-硝基苯酚、2,4-二硝基苯酚購于上海安譜實驗科技股份有限公司；苝-3,4,9,10-四羧酸二酐、2-溴乙胺氫溴酸鹽、咪唑、硝基苯、2,4-二硝基甲苯、4-羥乙基哌嗪乙磺酸購于上海阿拉丁生化科技股份有限公司；苯酚、甲苯、氫氧化鈉、氯化鈉、氯化鉀、氯化鋇、磷酸二氫鈉、磷酸氫二鈉、硝酸鈉、硫酸鈉、無水乙醇、二氯甲烷、甲醇、丙酮、四氫呋喃、二甲基亞砜、鹽酸均為分析純，購自北京化工廠；實驗用超純水取自Millipore超純水系統(tǒng)。

1.2 熒光探針的制備

苝-3,4,9,10-四羧酸二酐(Perylene-3,4,9,10-tetracarboxylic dianhydride, PDI)、2-溴乙胺氫溴酸鹽和咪唑在圓底燒瓶中混合攪拌反應(yīng)7 h后，冷卻至90 ℃無水乙醇清洗產(chǎn)物后，取下層粉末狀沉淀固體干燥箱得到暗紅色固體熒光探針PDI-M。熒光探針中加入0.01 mol·L-1稀鹽酸，用超純水配制成1 mmol·L-1的熒光探針溶液，避光保存。

1.3 探針熒光光譜用于TNP的檢測

使用pH 5磷酸鹽緩沖溶液配制濃度為10 μmol·L-1的熒光探針溶液，在比色皿中觀察并測定其熒光特性。配制熒光探針溶液(10 μmol·L-1)與不同濃度的TNP標(biāo)準(zhǔn)溶液，在激發(fā)波長為493 nm條件下測定其熒光發(fā)射強度。

2 結(jié)果與討論

2.1 探針的光譜特征

熒光探針PDI-M在不同激發(fā)波長下，其熒光光譜會有所不同，因此首先對熒光光譜的激發(fā)波長進行了探究。在熒光比色皿中，用熒光光譜儀對探針?biāo)芤杭ぐl(fā)波長進行了考察，在493 nm激發(fā)波長下溶液有較高的熒光強度，發(fā)射波長范圍為513～700 nm，其中最大發(fā)射波長為547 nm，熒光發(fā)射光譜如圖1所示。

圖1 探針PDI-M溶液的熒光發(fā)射光譜

測定熒光探針溶液(10 μmol·L-1)、TNP溶液及TNP溶液和熒光探針溶液(10 μmol·L-1)混合溶液的紫外可見光譜，如圖2。熒光探針PDI-M的最大吸收峰位置在499 nm，TNP溶液的最大吸收峰位置在354 nm處；混合溶液中TNP的存在，使得探針的吸收峰強度迅速減弱，同時混合物的紫外吸收峰發(fā)生紅移，這應(yīng)該是由于溶液內(nèi)分子空間結(jié)構(gòu)發(fā)生變化所致。在更長的波長(約511 nm)附近有新的寬肩線，可能是由于分散狀態(tài)的探針轉(zhuǎn)化為聚集態(tài)而產(chǎn)生的。

圖2 熒光探針緩沖溶液、TNP溶液以及二者混合后的紫外可見吸收光譜

本研究中使用的熒光探針PDI-M是陽離子型苝的衍生物，具有較大的剛性共軛基團，具有較大的電子離域體系，在酸性條件下其五元雜環(huán)基團能夠接受質(zhì)子而使探針帶正電荷，進一步提高了探針的水溶性，正電荷間斥力使得探針分子間分散性較好，熒光效果較好。TNP分子有硝基和酚羥基官能團，是具有吸電子效應(yīng)的缺電子化合物，因酚羥基的存在在水溶液中以帶負電荷的陰離子形式存在。當(dāng)TNP分子和探針PDI-M在溶液中共同存在時，二者可在靜電作用的驅(qū)動下，分子間不斷相互靠近；同時由于分子間π—π作用與電子轉(zhuǎn)移相互作用，整個體系的π電子結(jié)構(gòu)重新分布，誘導(dǎo)探針PDI-M從良好的分散狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榫奂瘧B(tài)，探針溶液內(nèi)苝分子間π—π堆積的生成，導(dǎo)致了熒光的猝滅，而達到檢測TNP的目的。

2.2 常見芳香族化合物和陰陽離子對探針熒光光譜的影響

圖3 加入TNP以及一些干擾物作用后熒光探針體系的熒光光譜圖(a)以及加入前后547 nm處的發(fā)射峰強度變化(b)

Fig.3FluorescencespectraoffluorescenceprobesystemwithTNPorseveralinterferingcompounds(a)andintensitychangesofemissionpeakat547nm(b)

2.3 探針熒光光譜的穩(wěn)定性

在濃度為10 μmol·L-1的熒光探針緩沖溶液中，加入100 μmol·L-1的TNP溶液，立即記錄熒光探針體系的熒光光譜隨著時間的變化過程(圖4)。在TNP加入之后，在30 s時間內(nèi)，探針的熒光光譜在547 nm處的發(fā)射峰迅速下降并接近最低點，在1 min后檢測I547值下降至最低點，且溶液的熒光強度基本不再隨著時間的變化而變化。通過這一實驗表明，該熒光探針體系與TNP的作用效率較高，響應(yīng)時間較短，該熒光光譜穩(wěn)定性好，能夠?qū)崿F(xiàn)對TNP的快速檢測。

圖4 隨反應(yīng)時間變化的熒光探針體系熒光發(fā)射光譜

2.4 探針熒光光譜對TNP的檢測

配制10 μmol·L-1熒光探針緩沖溶液和一系列不同濃度的TNP 3 mL，493 nm激發(fā)波長下測定熒光探針體系的熒光發(fā)射光譜，進行TNP濃度與體系熒光強度變化的關(guān)系考察，得到如圖5(a)所示結(jié)果。由圖可知，熒光探針體系的發(fā)射光譜在TNP加入前后并未發(fā)生峰形的改變，在547 nm處發(fā)射峰隨著TNP濃度的增加而降低，這是熒光猝滅的結(jié)果。隨著TNP含量的增加，547 nm處發(fā)射峰的強度降低，當(dāng)TNP的濃度增加到100 μmol·L-1的時候，547 nm處發(fā)射峰的強度已經(jīng)下降了86%，表明熒光探針的熒光光譜對TNP具有很敏感的響應(yīng)。如圖5(b)所示，在TNP濃度與547 nm處發(fā)射峰的強度I547值的關(guān)系圖中可以看到，在20～80 μmol·L-1的范圍之內(nèi)，發(fā)射光譜的發(fā)射峰強度I547值與TNP的濃度c呈現(xiàn)出良好的線性關(guān)系，其線性回歸方程為I547=907 521.6-9 955c，線性相關(guān)系數(shù)R2=0.992 1，計算得到TNP的檢測限為4.55 μmol·L-1(S/N=3)。由此可見，在一定范圍內(nèi)熒光探針的熒光光譜吸收峰與TNP之間的相互作用具有良好的線性關(guān)系，線性范圍為4.55～80 μmol·L-1，該熒光光譜可用于TNP溶液的定量分析。

2.5 使用熒光光譜檢測模擬塵土中TNP的可行性

在5 g空白土壤中分別加入0，70，100和150 μL濃度為5 mmol·L-1的TNP母液，之后向內(nèi)加入10，9.93，9.9和9.85 mL的10 μmol·L-1的熒光探針緩沖溶液(pH 5磷酸緩沖液)，上述待測塵土溶液的TNP濃度的理論值分別為0，35，50和75 μmol·L-1，將待測溶液渦旋振蕩處理3 min，之后放入超聲清洗器中超聲處理3 min，最后以6 000r·min-1離心5 min，取上層清液用0.22 μm有機濾膜進行抽濾，所得濾液轉(zhuǎn)移至樣品瓶中，493 nm激發(fā)波長下測定濾液的熒光發(fā)射光譜(圖6)。加標(biāo)塵土的熒光探針熒光發(fā)射光譜圖中，混合溶液最強熒光發(fā)射峰仍然位于547 nm處，與圖5中一致，說明探針的熒光光譜并沒有受到塵土樣品中其他干擾物質(zhì)的影響而改變其性能，能夠穩(wěn)定存在于待測樣品溶液中；同時，隨著加入TNP濃度的增大，熒光光譜發(fā)射峰(I547值)不斷降低，待測溶液的熒光強度也越來越弱，分析該熒光發(fā)射光譜可以實現(xiàn)對塵土中TNP含量的檢測。

圖5 TNP檢測的熒光光譜(a)和TNP的濃度與I547值的線性關(guān)系圖(b)

Fig.5FluorescencespectraofTNPdetection(a)andlinearrelationshipbetweenI547valuesandconcentrationofTNP

圖6 添加不同濃度TNP空白塵土的TNP檢測熒光光譜圖

Fig.6FluorescencespectraofTNPdetectionwithdifferentTNPconcentrationsaddedinblankdust

3 結(jié) 論

研究通過分析實驗室制備熒光探針的光譜特性，得到了可用于TNP檢測的熒光發(fā)射光譜，考察了檢測常見干擾物對檢測光譜的影響、熒光光譜的穩(wěn)定性，據(jù)此建立了基于熒光發(fā)射光譜的TNP快速檢測體系。實驗表明，該熒光光譜對TNP檢測的選擇性好，可在1 min達到穩(wěn)定，在4.55～80 μmol·L-1范圍內(nèi)熒光光譜發(fā)射峰強度I547值與TNP的濃度c呈現(xiàn)出良好的線性關(guān)系，據(jù)此擬合了線性回歸方程，該熒光光譜可用于TNP定量檢測。研究還考察了利用熒光光譜檢測塵土樣品的可行性，實驗表明熒光光譜檢測沒有受到塵土基質(zhì)的干擾，該方法可以用于塵土中TNP的定量分析，具有一定的實際應(yīng)用價值。