基于弹簧状策略的水相和固态双重视觉荧光响应型酸性物质检测方法

《Micron》：Aqueous and solid-state dual visual fluorescent turn-on sensing for acidic substances by a spring-like strategy

　　

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  这种可视觉激活的荧光传感器在液态和固态下都能良好工作。
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  能够高效选择性地检测真实样本中的酸性氨基酸。
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  可在固态下对酸性气体实现高灵敏度响应。
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  可用于检测被酸污染的物体以及酸性物质泄漏造成的损伤区域。
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  还可作为先进的二维码信息加密材料使用。

引言

分析检测在现代生产和日常生活中起着至关重要的作用，广泛应用于工业[1]、农业[2]、食品[3]、环境[4]以及生物医学[5]等多个领域。例如：基于大分子-纳米粒子的混合材料已被广泛用于生物传感器[6]；新型生物相容性酰胺酞菁则被用于同时电化学检测腺嘌呤和鸟嘌呤[7]。目前常见的检测技术包括电化学[8]、色谱法[9]以及毛细管电泳[10]，但这些方法往往较为复杂、耗时且成本高昂[11]。相比之下，诸如紫外-可见吸收光谱和荧光发射光谱之类的光谱分析方法[12]、[13]因其简单、快速且经济实惠而越来越受到重视。尤其是荧光分析，因其极高的准确度和灵敏度而深受研究人员青睐[14]、[15]、[16]、[17]。已有许多具有独特光学和传感特性的有机及无机化合物及材料被报道出来[18]、[19]、[20]、[21]、[22]、[23]、[24]、[25]、[26]、[27]、[28]、[29]、[30]、[31]、[32]、[33]、[34]。在荧光光谱检测过程中，通常会观察到多种信号，如荧光发射峰位置的变化以及荧光强度的变动。这些信号不仅可以通过仪器检测，用肉眼观察也更为便捷[35]。在这些信号中，淬灭信号极易受外界条件影响，而从暗态到亮态的激活过程则几乎不受干扰[36]。尽管已有大量利用荧光发射光谱并具备视觉激活特性的传感器被用于检测特定物质[37]、[38]、[39]，但它们大多只能在液态环境中工作。而具备视觉激活荧光信号的固态试纸传感器则更为适合现场检测和实际应用，这类传感器具有响应迅速、便于携带且稳定性好的优点[40]、[41]。要设计出一种在液态和固态下都能良好工作的视觉激活荧光传感器则是一项更具挑战性的任务。有一项出色的研究，即利用苝二酰亚胺为基础构建了金属有机框架，可用于在液态和固态下选择性地高效检测全氟辛酸[42]。

与分子化学不同，超分子化学依赖于非共价相互作用[43]。由于具有动态特性，超分子结构具备出色的刺激响应能力以及巨大的应用潜力，因此也在荧光传感器的设计中受到了越来越多的关注[44]、[45]。易于合成的杯吡啶鎓是一种水溶性阳离子大环化合物，它对阴离子客体具有优异的宿主-客体作用，已被广泛应用于多个领域[46]、[47]、[48]。尤其由于其pH敏感性及生物相容性，它成为传感领域中极具应用前景的宿主材料[49]、[50]、[51]、[52]。

荧光分子在发生聚集时通常会出现明显的荧光淬灭现象，甚至完全失去发光能力，这种现象被称为聚集诱导淬灭效应（ACQ）[53]。与之相反，聚集诱导发光效应（AIE）这一概念最早是由唐团队在2001年提出的[54]。四苯乙烯是一种典型的AIE分子，因其合成简单、易于功能化、具有优异的AIE效应以及良好的生物相容性而被广泛使用[55]。TPE及其衍生物已被应用于化学传感器[56]、生物探针[57]以及发光材料[58]等诸多领域，并展现出极高的效率和灵敏度。通过引入离子基团，可以有效提高TPE的水溶性，从而拓展其应用范围[59]。近年来，已有许多阳离子型TPE衍生物被用于分析检测[60]、细胞成像[61]以及发光材料领域[62]，而关于阴离子型TPE衍生物的研究则相对较少。

在本研究中，我们采用类似弹簧的工作机制（见图1），以大环杯吡啶鎓作为宿主，一种阴离子型TPE衍生物Na₄TCBPE作为客体，构建了一种在液态和固态下都能实现视觉激活的超分子荧光传感器：要想让弹簧弹得更高，就需要先施加更大的力。虽然单独的Na₄TCBPE在pH值降低时其AIE效应会增强，但在水溶液中其视觉效果并不理想。当将杯吡啶鎓加入Na₄TCBPE的水溶液后，由于二者在组装过程中产生的静电作用和空间位阻效应的协同作用，Na₄TCBPE的AIE效应会被完全抑制，从而实现“抑制”效应。得益于Na₄TCBPE对酸的高灵敏度，当pH值下降时，杯吡啶鎓与Na₄TCBPE之间的结合会变得松弛，静电作用和空间位阻效应随之减弱，进而显著增强Na₄TCBPE的AIE效应，不仅在水中如此，在固态中更是如此。这就实现了“增强”效应，最终形成了一种对酸具有明显视觉激活特性的荧光传感器。这种超分子荧光传感器具有诸多显著优势（见图2）：（1）能够在液态和固态下通过荧光发射来检测酸性物质；（2）在两种状态下都能观察到明显的视觉激活信号变化；（3）可在环保的水相环境中轻松制备该传感器；（4）只需将组装好的结构干燥即可轻松制备固态版本的传感器；（5）所需原材料容易获取，且用量极少；（6）具有良好的生物相容性；（7）具有较高的选择性和灵敏度。这些特点使得该超分子荧光传感器在实际应用中具有巨大潜力。

氨基酸在制药、食品以及化工等领域有着广泛的应用[63]。作为蛋白质的基本构成单元，它们参与着多种重要的代谢过程。在20种天然氨基酸中，酸性氨基酸谷氨酸（Glu）和天冬氨酸（Asp）尤为重要。谷氨酸不仅参与某些代谢途径，还作为一种兴奋性神经递质发挥作用[64]；而天冬氨酸则是谷氨酸合成过程中的前体，可用于治疗心脏病、肝病、高血压，还有助于预防和缓解疲劳[65]。酸性氨基酸的异常表达可作为体外诊断中的重要生物标志物[66]、[67]。在食品工业中，谷氨酸可用作增味剂[68]，而天冬氨酸则被用作营养补充剂[69]；在化工行业中，天冬氨酸则是合成树脂的原料之一[68]。因此，准确检测酸性氨基酸具有重要意义。得益于杯吡啶鎓-Na₄TCBPE传感器对酸的高灵敏度，该传感器不仅能在纯水中，还能在真实的尿液和苹果汁样本中，通过从暗态到黄绿色的视觉激活荧光信号，实现这两种酸性氨基酸的选择性检测。

在工业生产过程中经常会产生酸性气体[70]。这类气体不仅会对人体健康造成严重危害[71]，一旦排放到大气中还会对生态环境造成不良影响[72]。因此，高效检测酸性气体至关重要。由于固态杯吡啶鎓-Na₄TCBPE传感器对酸性气体蒸汽具有高灵敏度，当将该传感器置于酸性气体蒸汽中时，就能在杯吡啶鎓-Na₄TCBPE试纸上观察到从暗态到黄绿色的视觉激活荧光信号。有趣的是，这种传感器还被进一步用于检测物体表面是否被酸污染，以及酸性物质泄漏造成的损伤区域。更重要的是，基于其对常见且廉价的家用酸性气体蒸汽的敏感性，该传感器还被设计成了防伪材料以及先进的二维码信息加密材料（见图2）。这架起了实验室研究与实际应用之间的桥梁。总而言之，本研究不仅提供了一种在液态和固态下构建视觉激活荧光传感器的通用方法，还在多个领域展示了该传感器众多的实际应用价值。

章节摘要

所用化学品

脯氨酸（Pro）购自Innochem公司；天冬酰胺（Asn）和谷氨酰胺（Gln）购自Aladdin公司；1-甲基吡啶inium氯化物、天冬氨酸（Asp）和谷氨酸（Glu）购自TCI公司；组氨酸（His）和苯丙氨酸（Phe）购自Alfa公司；丙氨酸（Ala）、精氨酸（Arg）、甘氨酸（Gly）、甲硫氨酸（Met）和缬氨酸（Val）购自Ark公司；半胱氨酸（Cys）、异亮氨酸（Ile）、赖氨酸（Lys）、丝氨酸（Ser）、亮氨酸（Leu）、苏氨酸（Thr）、色氨酸（Trp）和酪氨酸（Tyr）购自

杯吡啶鎓-Na₄TCBPE超分子传感器的构建

为防止Na₄TCBPE在水溶液中发生严重的自聚反应，首先测量了不同浓度下Na₄TCBPE的光学透射率（见图S2）。在1?μM至40?μM的测试浓度范围内，450?nm波段上的光学透射率始终保持在100%，且未观察到丁达尔效应，这说明在该浓度范围内Na₄TCBPE不会发生有效自聚。随后又通过进一步实验研究了Na₄TCBPE溶液的稳定性

结论

综上所述，本研究通过采用类似弹簧的工作机制，以大环杯吡啶鎓作为宿主，阴离子型TPE衍生物Na₄TCBPE作为客体，成功构建了一种在液态和固态下都能实现对酸性物质进行视觉激活检测的超分子荧光传感器。该传感器具有诸多显著优势，比如可在环保的水相环境和固态环境中轻松制备，所需原材料易得且用量少

作者贡献说明

王奎：论文撰写——审阅与编辑、论文撰写——初稿撰写、项目指导、项目管理、资金申请、概念构思。 王玉婷：论文撰写——初稿撰写、实验研究、数据整理。 张忠阳：实验研究。 宋佳轩：实验研究。 荣静楠：实验研究。

利益冲突声明

作者声明，他们不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益关系或个人关系。

致谢

作者感谢天津市自然科学基金项目（20JCYBJC00330）提供的资金支持。

Kui Wang|Yu-Ting Wang|Zhong-Yang Zhang|Jia-Xuan Song|Jing-Nan Rong