用于检测和去除4-硝基酚的聚合物荧光探针

《Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry》：Polymeric fluorescent probes for the detection and removal of 4-nitrophenol

4-NP检测分离新方法：合成含氨基的聚硼酰二吡咯荧光探针，通过ESPT机制实现低至2.8×10??mol/L检测限，分离效率达67.9%-68.9%。

　　

Fan Fan|Jiao He|Junyu Chen|Xinjian Cheng

武汉工业大学化学与环境工程学院，中国武汉430073

摘要

4-硝基酚（4-NP）对环境和人类健康构成威胁。开发一种高效检测和分离4-NP的方法具有重要意义。在本研究中，首先制备了硼-二吡咯甲烷（BODIPY）荧光团。随后，通过席夫碱形成反应制备了一种含有炔基的小分子荧光探针（BD-Ac）。同时，制备了可逆加成-断裂链转移（RAFT）试剂（CTA-1、CTA-2），并与2-（羟甲基）丙烯酸乙酯和叔丁基乙烯基氨基甲酸酯共聚，得到了三种含有氨基（?NH₂）的非荧光大分子P-01、P-02和P-03。这三种聚合物P-01、P-02和P-03通过与小分子荧光探针BD-Ac的炔基-胺点击反应，合成了三种荧光大分子P-1、P-2和P-3。通过凝胶渗透色谱（GPC）测试确认，它们的分布较窄，PDI值分别为1.08、1.05和1.06。由于存在激发态质子转移（ESPT）现象，4-NP能够猝灭这三种荧光大分子的荧光。检测限（LOD）分别为2.8 × 10^?7 mol/L、3.4 × 10^?7 mol/L和4.8 × 10^?7 mol/L。该方法不仅能识别4-NP，还能实现其高效分离，分离效率分别为67.9%、68.9%和60.3%。所制备的聚合物荧光探针可能在分析和环境科学领域得到应用。

引言

4-硝基酚（4-NP）是一种非常常见且广泛使用的硝基芳香族化合物，被用作炸药制造、制药、染料、农药、橡胶添加剂等多种工业领域的关键中间体[1]。在制药行业中，4-NP是合成对乙酰氨基酚和苯乙酰氨基酚等药物的核心中间体。在橡胶添加剂中，其抗氧化作用可以延缓橡胶在高温等环境条件下的氧化降解，从而提高橡胶产品的耐老化性能[2]。由于4-NP的分子结构中含有硝基和羟基，因此具有强毒性、致癌性和水溶性。在自然条件下，4-NP的降解半衰期相对较长。传统的生物处理方法难以有效去除它们，导致其在环境中持续存在并积累。长期接触4-NP常会导致肝肾功能损伤、神经系统紊乱和内分泌系统失衡等问题[3][4][5][6]。因此，快速且高灵敏度地检测4-NP具有重要的科学和社会意义。

目前已开发出多种检测4-NP的技术，主要包括电化学分析方法、液相色谱方法、气相色谱-质谱方法等。例如，Jiang等人使用专为电化学分析设计的电极来检测环境中的4-NP[7]。这种方法成本低廉且响应速度快，但实际应用中硝基芳香族化合物具有腐蚀性和酸性，导致还原反应的选择性降低。Vargas-Berrones等人采用固相微萃取-气相色谱/质谱技术检测水溶液中的4-NP[8]。Xie等人制备了涂有介孔二氧化硅和磁性氧化石墨烯的聚合物，并结合色谱技术实现了水溶液中4-NP的检测[9]。然而，这些方法通常依赖精密仪器，成本高、维护复杂，对实验条件和操作技能要求严格。因此，一种简单、经济、方便、快速且可靠的硝基化合物荧光分析方法受到许多研究人员的重视。

荧光分析方法具有检测速度快、特异性高、操作简便以及适用于大量水样快速筛选的优点。如今，荧光探针广泛应用于科学研究、食品安全、医疗技术等领域。荧光检测中最关键的步骤是设计和合成不同的荧光材料。目前广泛使用的荧光材料包括聚合物荧光探针、硅量子点（SiQDs）和掺杂二氧化硅[10,11]、半导体量子点（QDs）[12,13]以及具有聚集诱导发光（AIE）特性的材料[14,15]，这些材料已被广泛研究和应用。

大多数荧光探针[16]具有高灵敏度、良好选择性、低成本和操作简便的特点。荧光基团在特定波长的光激发下会产生荧光变化，通过检测这种荧光变化可以实现被测物质的定性或定量分析。荧光探针可分为小分子荧光探针和大分子荧光探针。与小分子荧光探针相比（见表S1），大分子荧光探针具有斯托克斯位移大、可逆恢复、靶向能力强、光稳定性高、信号持久性好、生物相容性强以及安全性高等优点。基于这些优势，大分子荧光探针可应用于疾病检测、环境检测、食品检测等领域[17][18][19][20][21][22]。

目前，已经开发出了多种4-NP的分离方法，包括膜分离、固相萃取等。例如，Fang等人开发了一种填充纳米银的超滤催化膜用于有机污染物的分离[23]。Liang等人制备了吸附剂，并利用固相萃取技术从废水中分离4-NP[24]。在所有方法中，吸附法操作简单、成本可控且适应性强，是一种实用且有效的治疗方法。

有许多合成大分子荧光探针的方法。其中，可逆加成-断裂链转移（RAFT）聚合[25]因其可在温和条件下进行且分子设计灵活而受到研究人员的关注。与传统自由基聚合相比，RAFT聚合克服了传统自由基聚合无法有效控制分子量、产物分子量分布宽以及反应系统兼容性有限的问题。因此，RAFT聚合制备的聚合物具有分子量可控、链端功能化容易和分子量分布窄等优点。例如，Barthet等人将RAFT/MADIX技术应用于丙烯酰胺和2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸钠与疏水性单体4-叔丁基苯乙烯的胶束共聚[26]。Reyhani等人利用红细胞中的血红蛋白（Hb）通过RAFT过程驱动可控自由基聚合[27]。McKenzie等人通过高频超声波证明声化学诱导RAFT聚合具有有效的时间控制[28]。Wang等人结合酶催化和RAFT聚合制备了改性纤维素材料[29]。然而，使用RAFT聚合技术高效识别和分离4-NP仍是当前研究中的关键挑战。

在本研究中，我们首先合成了两种RAFT试剂和一种含有炔基的荧光分子。在引发剂AIBN和RAFT试剂的作用下，单体2-（羟甲基）丙烯酸乙酯和叔丁基乙烯基氨基甲酸酯分别共聚，形成了三种含有-NH₂基团的非荧光大分子P-01、P-02和P-03。随后，通过炔基-胺点击反应将荧光基团连接到聚合物上，从而制备出大分子荧光探针P-1、P-2和P-3。进一步研究了这些荧光探针的性能，包括对硝基化合物的选择性检测和分离能力。结果表明，4-NP可以在短时间内（10分钟、20分钟、30分钟）有效沉淀和分离，分离效率分别为67.9%、68.9%和60.3%。在ESPT机制下，4-NP会显著猝灭大分子荧光探针的荧光，检测限可达0.48 μM。成功实现了4-NP的灵敏检测和良好分离。

化学材料与试剂

氢氧化钾（KOH）、2,4-二甲基-1H-吡咯、2,3-二氯-5,6-二氰基-p-苯醌（DDQ）、4-硝基硫酚、7-溴-1-庚烷、4-氨基苯甲醛、三氟化硼二乙醚（BF₃·Et₂O）、饱和碳酸氢钠（NaHCO₃）、三氟乙酸（TFA）、无水硫酸钠（Na₂SO₄、1-十二烷硫醇、溴化苄基、还原铁粉、4-乙炔基苯甲醛、叔丁基乙烯基氨基甲酸酯、2-（羟甲基）丙烯酸乙酯，均购自J&K China Chemical

1H核磁共振（NMR）分析

小分子（CTA-NO₂、CTA-1、BD-NH₂和BD-Ac）的结构通过1H NMR进行分析，结果如图1所示。小分子CTA-2的结构见图S1。所有小分子的测试均使用氯仿-d作为溶剂。水峰和溶剂峰的化学位移分别为1.56 ppm和7.26 ppm。从图1a可以看出，小分子CTA-NO₂中苯环的氢原子位于7.3 ppm和8.12 ppm处。

结论

通过炔基-胺点击反应，将小分子荧光探针BD-Ac连接到非荧光聚合物P-01、P-02和P-3上，成功制备出了荧光聚合物探针P-1、P-2和P-3。这些聚合物探针能够高效识别和分离4-NP，并表现出显著的荧光猝灭现象，同时在较宽的pH范围内稳定。此外，它们能够吸附并去除4-NP，4-NP的吸附效率达到67.9%

CRediT作者贡献声明

Fan Fan：撰写初稿、进行研究。Jiao He：获取资金、整理数据。Junyu Chen：整理数据、构思研究方案。Xinjian Cheng：撰写、审稿与编辑、监督项目。

利益冲突声明

所有作者声明不存在任何利益冲突。

致谢

作者感谢国家自然科学基金（NSFC，编号：41573106）的财政支持。