CN101490059A - 可用作爆炸物探测标记物的卟啉原衍生物 - Google Patents

可用作爆炸物探测标记物的卟啉原衍生物 Download PDF

Info

Publication number
CN101490059A
CN101490059A CNA2007800266041A CN200780026604A CN101490059A CN 101490059 A CN101490059 A CN 101490059A CN A2007800266041 A CNA2007800266041 A CN A2007800266041A CN 200780026604 A CN200780026604 A CN 200780026604A CN 101490059 A CN101490059 A CN 101490059A
Authority
CN
China
Prior art keywords
derivative
porphyrinogen
group
porphyrinogen derivative
ttf
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CNA2007800266041A
Other languages
English (en)
Inventor
杨·O·杰普森
健·A·尼尔森
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
SYDDANSK UNI
Original Assignee
SYDDANSK UNI
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by SYDDANSK UNI filed Critical SYDDANSK UNI
Publication of CN101490059A publication Critical patent/CN101490059A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C07—ORGANIC CHEMISTRY
    • C07D—HETEROCYCLIC COMPOUNDS
    • C07D495/00—Heterocyclic compounds containing in the condensed system at least one hetero ring having sulfur atoms as the only ring hetero atoms
    • C07D495/22—Heterocyclic compounds containing in the condensed system at least one hetero ring having sulfur atoms as the only ring hetero atoms in which the condensed system contains four or more hetero rings
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C07—ORGANIC CHEMISTRY
    • C07D—HETEROCYCLIC COMPOUNDS
    • C07D519/00—Heterocyclic compounds containing more than one system of two or more relevant hetero rings condensed among themselves or condensed with a common carbocyclic ring system not provided for in groups C07D453/00 or C07D455/00
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T436/00—Chemistry: analytical and immunological testing
    • Y10T436/17—Nitrogen containing
    • Y10T436/173076—Nitrite or nitrate

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Investigating, Analyzing Materials By Fluorescence Or Luminescence (AREA)
  • Plural Heterocyclic Compounds (AREA)
  • Analysing Materials By The Use Of Radiation (AREA)
  • Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)

Abstract

本发明涉及一种对爆炸物化学品具有选择性结合亲合力的基于卟啉原的传感器。通过与靶分子的结合，所述卟啉原衍生物发生可探测到的电磁辐射的吸收和发射。

Description

可用作爆炸物探测标记物的卟啉原衍生物
技术领域
本发明涉及一种来源于卟啉原的、对爆炸物化学品具有选择性结合亲合力的传感器。更具体而言，本发明涉及具有腔体的卟啉原衍生物，所述卟啉原衍生物在传感器暴露于含有靶分子的环境中时选择性结合靶分子。通过与靶分子的结合，卟啉原衍生物发生可被探测到的电磁辐射的吸收和放射。而且，本发明涉及在金属表面上形成自组装分子单层(SAM)，所述SAM使本发明的卟啉原衍生物与被分析物介质接触从而实现高灵敏度的分析。
背景技术
化学传感器通常实现两个目标：(1)开发能够确定分子或分子种类的特异性化学识别元件，和(2)开发一种信号转换单元，在该单元中，所述分子的存在使得材料的物性发生可测定的变化。虽然这两个目标不总是可分割的，但成功的化学传感器的设计需要这两个目标都得到满足。大多数转换方法是基于光学测定、电阻测定、表面声波测定或电容率测定。这些已得到良好开发的方法因为其易操作性、灵敏性和成本而占主导地位。不过，这些探测器中的化学识别元件的开发远远滞后。
在通常的传感器制造中，制备由基质和粘合剂组成的固体塑料块，该固体塑料块与聚合物/交联剂基质和靶分子化学性结合。由于靶分子可逆地与粘合剂结合，所以可以除去靶分子。其留下的腔体永久性定形为与靶分子的形状相似。探测爆炸物或爆炸残余物的方法需要诸如与质谱或化学发光检测联用的液相色谱或气相色谱等复杂的分析仪器。相关的仪器往往较大、较昂贵、难以维护并且需要熟练的操作人员。如果必需进行实验室分析，则需要大量的证明文件以进行样品运送，这样增加了样品污染的可能性。对某些爆炸物而言，可以进行免疫测定，但这非常繁琐而且保存期较短。
现在已经在土壤中发现了大量的有机污染物。例如用于农药、药物、染料和塑料制造的含硝基官能团的异型生物质化合物。这样的化合物也用于矿业和种植业，并且它们是包括地雷在内的弹药中的主要填充物。最常见的残余物包括2，4，6-三硝基甲苯(TNT)、六氢-1，3，5-三硝基-三嗪(RDX)、八氢-1，3，5，7-四硝基-1，3，5，7-四氮杂环辛烷(HMX)以及相关的杂质和环境转化产品。
这样的化合物污染了制造地、储存地以及军事设施所在地。此外，据估计，目前所用的地雷中有约90％存在渗漏，使得TNT扩散到土壤中。与许多其他的污染物不同，这些污染物中某些对土壤的亲合力很小，迁移迅速从而污染地下水。由于发现较高的TNT水平可能抑制生物活性，所以这引起了人们的关注。除了污染自身这样的直接结果外，这种类型的污染物可能是存在爆炸物的隐患。由于地雷杀死和致残前战区(特别是在世界偏远穷困地区)中的人民，因此知晓地雷的存在将具有重大的人道主义价值。
处理土壤污染的第一个要求是能够探测受污染的地点。希望得到实用且相对便宜的探测系统目的是为了便于更广泛地得到施用。目前可用的探测方法能够探测污染物，但这些方法既不便又昂贵。
提及与土壤样品有关的信息时，各种观察都针对特定的地点和时间。因此，除非测量地点和/或时间是已知的并且在分析中加以考虑，否则，属性值(即污染物浓度)的获知并无意义。获得成本效率高的、精确的地点评定的关键决策是待收集的土壤样品的数量、位置和类型。当样品没有准确代表模型方案所假定代表的区域时，必将发生地点评定错误。当污染物在整个土壤中不均匀分布时，例如发生象爆炸物污染时的情况，这是一个特殊问题。
由于需要大量的样品来有效地评价一个地点，所以受污染土壤的评定可能昂贵且耗时。
现有的评价环境样品的实验室方法具有较高的灵敏度，并且能够评价多种化学品，但与该方法相关的时间和成本往往限制了其有效性。因而，对于许多应用而言，需要经济可行、坚固耐用且快速响应的用于受污染土壤的测绘系统。
通常通过收集样品并采用例如酶免疫测定和高效液相色谱等各种技术在实验室中对样品进行分析来监控被爆炸物污染的土壤。
通常通过采用金属探测器、狗或人力搜索相关区域来进行地雷的探测。在军事排雷中，目标是采用强力尽快清扫雷区，通常80％～90％的清除率是可接受的。另一方面，人道主义排雷更加困难和危险，因为需要完全除去所有的地雷并且使经清除的雷区恢复正常使用。目前，大多数人道主义排雷都是采用手持金属探测器来进行，手持金属探测器通过利用时变电磁场来引发目标物中的电涡流并由此产生可探测的磁场，从而找到目标物。老式地雷含有金属部分(例如，撞针)，但现代地雷含极少量的金属或者根本不含金属。提高探测器的灵敏度以探测更小量的金属也使得探测器对金属废料非常灵敏，而这些金属废料经常出线在可能存在地雷的区域。此外，金属探测器虽然精密，但仅在寻找地下的异常物方面成功，而不能提供关于是否存在爆炸剂的信息。人道主义排雷的一个主要问题是区分“哑”目标物和地雷。确定并去除无害目标物是一个耗时耗财的过程。狗具有非常发达的嗅觉，可经训练以探测微量爆炸物。不过，该技术需要对狗及其操控者进行大量的训练，而且狗的注意广度有限，使其难以保持连续操作。现在已经出现了许多地雷探测技术包括探地雷达(GPR)、红外热成像和先进的金属探测器作为对目前所用方法的补充。这些技术的共有特点是它们探测地下的“异常物”但不能指示是否存在有爆炸剂。基本上，GPR体系通过采用宽频带天线向地下发射短电磁脉冲来工作，然后测量来自地下的反射以形成矢量。天线位移能够通过并列显示连续矢量来构建图像。尽管需要高频来获得良好的空间分辨率，但电场的穿透深度与频率成反比，过高的频率在几厘米之后就不起作用了。
因此，频率范围的选择是在分辨率和穿透深度之间的一种权衡。虽然可以将探测器调整为灵敏到足以探测现代地雷中的少量金属，但实际上这并不可行，因为这将导致同时探测到更小的碎片，增加误报率。
WO 0177664A2公开了所谓的分子压印聚合物爆炸物传感器。所述传感器对诸如2，4，6-三硝基甲苯(TNT)和1，3，5-三硝基苯(TNB)等爆炸物具有选择性结合的亲合力。该聚合物传感器包括卟啉单元，当所述聚合物暴露至爆炸物时，该卟啉单元在电磁辐射的吸收和/或发射方面产生可探测的变化。不过，该文献并未披露本发明中所用的四-TTF杯[4]吡咯。
WO03031953A2公开了用于感测硝基芳烃的方法和设备。所述方法能够利用发光的(例如发荧光和/或电发光的)具有芳基取代基的聚乙炔和/或发光的具有其他取代基的聚乙炔来感测硝基芳烃。在具体的实施方式中，所述方法利用发荧光和/或电发光的具有芳基取代基的聚乙炔和/或发荧光和/或电发光的具有其他取代基的聚乙炔的薄膜。该文献没有披露本发明中所用的四-TTF杯[4]吡咯。
WO0177650A1公开了采用表面增强型(谐振)拉曼散射(SE(R)RS)探测在样品中探测被分析物的方法，所述方法包括下述步骤：a)将样品与试剂混合，以使样品中存在的所有被分析物均与试剂反应，从而形成衍生化的被分析物，其中衍生化的被分析物包含发色团；b)将衍生化的被分析物与SE(R)RS活性底物混合，从而使衍生化的被分析物粘附于活性底物上；和c)通过SE(R)RS探测来探测衍生化的被分析物，其中探测到的所有衍生化被分析物均与样品中存在的被分析物相关。可被探测到的被分析物的实例包括醛类、胺类、爆炸物、滥用药物、治疗剂、代谢物和环境污染物。样品可以是任何一种更容易被发现的靶分析物的配制品。不过，在与试剂反应之前，样品也适合溶解或者转化为溶液形式。这样，当探测爆炸物或滥用药物时，可以采集空气样品或呼吸样品，以及吸收在合适的底物上的任何靶分析物。然后，可通过用诸如二甲基甲酰胺(DMF)、丙酮或四氢呋喃(THF)等合适的溶剂洗涤而将所有的靶被分析物从底物中除去。例如，在从蒸汽相中确定TNT或RDX时，可首先将蒸汽收集在诸如TENAX等合适的材料上，并以少量的溶剂洗涤该材料从而在溶液中产生少量的爆炸物。用于此目的的溶剂优选二甲基甲酰胺。
WO0026638A1公开了一种用于探测流体中的被分析物的传感器，该传感器包含底物，该底物具有对被分析物有响应的第一有机物质和第二有机物质。所述传感器具有信息存储和处理设备以及流体递送设施。该设备将来自探测器的响应与所存储的理想响应进行比较以探测被分析物是否存在。该文件对上述体系的使用方法进行了说明，其中对第一有机物质和第二有机物质进行感测，并探测了被分析物。该方法用于此类设备：将流体递送至传感器，并以探测器测定传感器的响应。此外，将该响应与所存储的被分析物的理想响应进行比较以确定被分析物是否存在。在不同的实施方式中，所测定的流体可以是气体、液体或固体中提取的流体。虽然该文献提到包含聚合物(例如，聚(苯胺)、聚(噻吩)和聚(吡咯))的传感器底物的适用性，但并没有提示本发明所设想的四-TTF杯[4]吡咯适于TNT感测。
US20040234958A1公开了采用表面增强型(谐振)拉曼散射(SE(R)RS)探测在样品中探测被分析物的方法，所述方法包括下述步骤：a)将样品与试剂混合，以使样品中存在的所有被分析物均与试剂反应，从而形成衍生化的被分析物，其中衍生化的被分析物包含发色团；b)将衍生化的被分析物与SE(R)RS活性底物混合，从而使衍生化的被分析物粘附于活性底物上；和c)通过SE(R)RS探测来探测衍生化的被分析物，其中探测到的所有衍生化的被分析物均可样品中存在的被分析物相关。
在制备能够通过较弱的非共价相互作用识别特定的化学物质的超分子主体体系方面已进行了大量的工作。将氧化还原活性成分引入到主体分子中是一种通过例如增加的供体-受体相互作用来增强客体识别过程的方法。在本文中，使用四硫富瓦烯(TTF)显得特别引人注目。迄今为止，已出现了合成大量含TTF的体系来研究主体-客体结合的实例。不过，在几乎所有的情况中，都仅观察到了与中性客体的较弱的相互作用。
本发明人已发表了一篇文章(J.AM.CHEM.SOC.2004，126，16296-16297)，文章中公开了本发明的卟啉原衍生物(即，权利要求1所述的化合物)之一(四-TTF杯[4]吡咯2a)，已将该化合物排除在本发明的保护范围外。不过，本发明人所知的现有技术并未披露四-TTF杯[4]吡咯，例如通过与TNT相互作用而用于探测爆炸物的用途。
本发明人惊讶地发现四-TTF杯[4]吡咯以及本发明的卟啉原衍生物对于爆炸物化学品(例如TNT)的感测具有优异的性能。
发明内容
本发明提供一种选择性结合包括爆炸物化学品在内的靶分子的卟啉原衍生物(例如，四-TTF杯[4]吡咯)。更具体而言，本发明涉及的是通式2所示的卟啉原衍生物
Figure A200780026604D00151
R1～R16独立地代表任何有机基团或无机基团，限制条件是排除对这样的化合物的保护：其中R1～R8为-S-CH2-CH2-CH3，R9～R16为甲基。
因而，这将包括通式2所示的卟啉原衍生物：其中R1～R8独立地选自由下述基团组成的组
i)SRA，其中RA代表C1～C20烷基链或者-CH2CH2O(CH2CH2O)n基团(n＝0～5)；
ii)COORB，其中RB代表C1～C20烷基链或者-CH2CH2O(CH2CH2O)n基团(n＝0～5)；
iii)CH2Ar，其中Ar代表芳基基团；和
iv)CH2XRC，其中X代表O、S或N原子，RC代表C1～C20烷基链或者-CH2CH2O(CH2CH2O)n基团(n＝0～5)。
本发明基于上述的卟啉原衍生物能选择性结合爆炸性标记物的能力。该衍生物作为中性电子受体的有效接受体，所述中性电子受体为例如1，3，5-三硝基苯(TNB)、1，3-二硝基苯(1，3-DNB)、2，4，6-三硝基甲苯(TNT)、2，4-二硝基甲苯(2，4-DNT)、2，6-二硝基甲苯(2，6-DNT)、2，4，6-三硝基苯酚(TNP)、2，4-二硝基苯酚(2，4-DNP)、2，6-二硝基苯酚(2，6-DNP)、四氟对苯醌、四氯对苯醌和对苯醌的溶液形式，在TNB、TNT和四氟对苯醌的情况中，也包括固体状态。可通过添加氯阴离子从而阻断该中性底物识别过程。
在本工作之前，几乎没有出现通过杯[4]吡咯结合中性底物的报道。将本发明的卟啉原衍生物设计为利用杯[4]吡咯在不存在阴离子的情况中通常存在1，3-交替构象的事实。在该构象中，期望每对相同的TTF供电子体以类夹心形式通过电荷转移(CT)相互作用来保持缺电子客体。还期望通过吡咯NH氢键供体和π-π堆积提供额外的稳定性。
本发明还提供一种包括上述的卟啉原衍生物的分光法的传感器。所述传感器可包括光纤或其他波导传感器，从而探测包括诸如TNT、TNB和TNP及其类似物和降解物等爆炸物在内的靶分子的存在，所述传感器包括：至少一个具有近端和远端的用于传输光能的光纤单元，所述近端设置在探针室内，所述远端上设有或者结合有本发明的卟啉原衍生物，其中该卟啉原衍生物能够与靶分子化学性结合；用于产生激发光能的光源单元，所述光源单元与所述光纤单元有效连接以使该激发光能穿过该光纤单元；以及该传感器还包括探测单元，该探测单元与该光纤单元有效连接，用于探测由所述聚合物产生的发射和/或吸收信号。
在另一个实施方式中，本发明涉及用于探测爆炸物存在的表面声波传感器，所述传感器应该包含与该传感器结合的卟啉原衍生物。尤其是，本发明的表面声波传感器包括：上述卟啉原衍生物的膜，该膜设置在诸如氧化铝或压电晶体物质(例如石英晶体)等底物上，其中该卟啉原衍生物能够与含爆炸物的流体化学性结合；输入转换器和输出转换器，该输入转换器和输出转换器设置在该膜或底物上；以及信号发生器，该信号发生器与该输入转换器有效连接，用于沿延迟线产生表面声波。
本发明的另外的方案、实施方式和优点将在下述描述中部分阐述，或者可以通过实践或采用本发明方案而获知。目标和优点可以通过本说明书和所附权利要求书所特别指出的特征和结合得以实现和获得。应当理解的是，前述概括性描述和下述详细描述都仅是示例性和说明性的，不能视作对所要求保护的发明的限定。
术语“流体”在此以最宽泛的含义来使用，即，当提到流体时，包括诸如蒸汽等气体和例如水、溶剂等液体，等等。
附图说明
图1：本发明的卟啉原衍生物2a的X-射线晶体结构。
图2：图示TNB和本发明的卟啉原衍生物2a之间的氢键相互作用(虚线)的X-射线晶体结构。
图3：显示四-TTF杯[4]吡咯2a和两个固体状态的TNT分子之间的络合作用的X-射线晶体结构。
图4：显示因四-TTF杯[4]吡咯2a和TNB之间的络合作用而发生的固体状态中颜色由黄到黑的变化的照片。
图5：下述物质的吸收光谱(CH2Cl2，25℃)：(a)四-TTF杯[4]吡咯2a(1.0mM)；(b)四-TTF杯[4]吡咯2a+2当量TNB；(c)四-TTF杯[4]吡咯2a+2当量TNB+5当量四丁基氯化铵(TBAC1)；和(d)以H2O洗涤之后的四-TTF杯[4]吡咯2a(1.0mM)。
图6：下述物质的吸收光谱(CH2Cl2，25℃)：(a)四-TTF杯[4]吡咯2a(2.0mM)；(b)四-TTF杯[4]吡咯2a+2当量TNT；和(c)四-TTF杯[4]吡咯2a+2当量TNB+5当量四丁基氯化铵(TBAC1)。
图7：显示将溶解在CHCl3中的四-TTF杯[4]吡咯2a的气溶胶喷雾在含少量TNB的沙子上之前(左图)和之后(右图)的颜色变化的试验。
式1：合成本发明的卟啉原衍生物(四-TTF杯[4]吡咯)的通用方法。
式2：说明与在四-TTF杯[4]吡咯和缺电子客体TNB或TNT(由变形的矩形表示)的CH2Cl2溶液中添加/除去氯阴离子相关的构象变化的卡通图示。
式3：四-TTF杯[4]吡咯衍生物2a的合成。
式4：四-TTF杯[4]吡咯衍生物2b的合成。
式5：四-TTF杯[4]吡咯衍生物2c的合成。
式6：四-TTF杯[4]吡咯衍生物2d的合成。
式7：四-TTF杯[4]吡咯衍生物2e的合成。
式8：四-TTF杯[4]吡咯衍生物2f的合成。
式9：四-TTF杯[4]吡咯衍生物2g的合成。
式10：四-TTF杯[4]吡咯衍生物2h的合成。
式11：四-TTF杯[4]吡咯衍生物2i的合成。
式12：单吡咯并-TTF衍生物1c的合成。
式13：单吡咯并-TTF衍生物1d的合成。
式14：单吡咯并-TTF衍生物1e的合成。
式15：单吡咯并-TTF衍生物1f的合成。
式16：单吡咯并-TTF衍生物1g的合成。
式17：单吡咯并-TTF衍生物1h的合成。
式18：单吡咯并-TTF衍生物1i的合成。
具体实施方式
此处所用的术语“本发明的卟啉原衍生物”是指具有下述模具状结构的分子：该结构将可相互作用的部分预先组织起来，填补靶分子上的结合位点的空隙，所述靶分子包括诸如2，4，6-三硝基甲苯(TNT)、1，3，5-三硝基苯(TNB)和1，3，5-三硝基苯酚(TNP)等爆炸物化学品。所述可相互作用的部分的几何形状使其具有对爆炸物化学品可选择性结合的特性。术语“选择性结合”旨在表示与对具有类似结构的非-模板分子(例如，诸如氯-硝基-苯等杀虫剂)相比，本文的卟啉原衍生物对爆炸物化学品所表现的优先且可逆的结合。选择性结合包括本发明的卟啉原衍生物对爆炸物化学品的亲合性和特异性。
本发明还提供用于探测爆炸物的方法，所述方法包括：使本发明的卟啉原衍生物暴露于含爆炸物的环境中以使爆炸物散发出的蒸汽和/或微粒与该卟啉原衍生物相接触，并探测该卟啉原衍生物的电磁辐射吸收和/或发射的任何变化，这种探测到的变化指示在环境之内、环境之上或环境相关处该爆炸物的存在。
在优选的实施方式中，本发明的卟啉原衍生物可与诸如由人、动物或机器所配备的剂量计类计量器(dosimeter-like badge)等合适的底物相结合，以探测爆炸物蒸汽。当配备有该计量器的人或动物进入含爆炸物蒸汽的区域时，爆炸物蒸汽与卟啉原衍生物结合从而使其吸收和/或发射辐射。
在另一个优选的实施方式中，本发明涉及用于探测包括诸如TNT、TNB或TNP以及其类似物和降解物等爆炸物在内的靶分子的存在的光纤传感器设备，该传感器设备包括：至少一个具有近端和远端的用于传输光能的光纤单元，所述近端设置在探针室内，本发明的上述卟啉原衍生物设置或结合在该光纤单元的远端上，其中该卟啉原衍生物能够与该靶分子化学性结合；用于产生激发能的光源单元，该光源单元与该光纤单元有效连接以使所述激发光穿过该光纤单元；该传感器设备还包括探测单元，该探测单元与该光纤单元有效连接，用于探测由所述聚合物产生的吸收信号和/或发射信号。
适合光源单元的非限制性实例包括氩激光器、蓝光激光器、可调激光器、发光二极管(LED)等。
适合探测单元的非限制性实例包括分光光度计、光谱仪(气相光谱仪或质谱计)、光电倍增管、安装有CCD照相机的单色仪、石英晶体微量天平(QCM)、滤光片、肉眼等。
在本实施方式中，该便携设备可采用调制激光二极管进行激发和采用小型光传感器模块进行探测，输出结果进入微处理器控制的门控积分器。此外，设计中可加入复式光开关以使多个传感器连接在一个控制体系中，使其能够监控诸如在建筑物、地铁站、大型购物中心、机场等中的大型区域。
使用时，爆炸物或含爆炸物的液体所散发的蒸汽或微粒(如果存在的话)与本发明的卟啉原衍生物相结合，并使其变色。来自光源单元的光沿着光纤传播至光纤远端，光在该远端发生了变化，该变化是由于光与卟啉原衍生物的相互作用而引起的。发生了变化的光沿同一光纤或另一光纤返回至探测单元，探测单元对返回的光信号进行解释。当爆炸物蒸汽与聚合物结合时该聚合物吸收光谱发生改变，探测正是基于这种改变。
作为选择，可将传感器的远端(工作端)封闭在半透膜中以将被分析的含爆炸物介质与探针隔开。膜的一个功能是尽可能远地隔开爆炸物(即，样品中那些可以与探针结合的成分)和干扰物(即，可能存在但不希望存在的化合物，不希望它们存在是因为它们会干扰所希望的测定反应的进行，或者它们自身会参与反应，与所试图探测的爆炸物竞争并扭曲或覆盖所要测定的信号)。
在另一个优选的实施方式中，本发明涉及用于探测爆炸物或含爆炸物的液体所散发的蒸汽或微粒的存在的SAW(表面声波)传感器。该SAW传感器包含与该传感器结合的本发明的上述卟啉原衍生物。
本发明的另一个目的是提供一种易于合成的化学物质，该化学物质易于附着在表面上，并促进分子结合配对物的表面固定化，使得所述表面能以高灵敏度捕获所述分子结合配对物，并尽可能地减少非特异性结合。在该方面，自组装单层(SAM)提供了一条获得这样的固定化的方便的途径。本领域技术人员将认识到，如果卟啉原具有至少一个可接近的(即，无空间位阻的)-SH基团(巯基)，则本发明的卟啉原衍生物可以固定在或结合在例如金表面上。因此，本发明还涉及通式2的卟啉原衍生物(参见前述内容和权利要求1)，其中至少一个侧基(R)具有可用于与表面结合的游离巯基。
术语“自组装单层”是指自发地化学吸附在表面上的分子的相对有序的组装，其中所述分子的取向近似于彼此平行并大致垂直于所述表面。每个分子都包括附着于表面的官能团，以及与该单层中的相邻分子相互作用的部分，从而形成相对有序的排列。参见Laibinis，P.E.；Hickman，J.；Wrighton，M.S.；Whitesides，G.M.Science 245，845(1989)；Bain，C.；Evall，J.；Whitesides，G.M.J.Am.Chem.Soc.111，7155-7164(1989)；Bain，C.；Whitesides，G.M.J.Am.Chem.Soc.111，7164-7175(1989)和J.Christopher Love，Lara A.Estroff，Jennah K.Kriebel，Ralph G.Nuzzo，George M.Whitesides Chem.Rev.105，1103-1169(2005)，每篇文献都通过引用加入本文。
在本发明的某些方案，将多个上述传感器类型集成在高密度平台中，优选为集成在硅芯片上或者公知的其他底物材料上。在优选方案中，将多个传感器集成在单个芯片上。
实施例
实施例1：四-TTF杯[4]吡咯2a的合成和表征
合成四-TTF杯[4]吡咯(本发明的卟啉原衍生物)的通用方法概述于式1中。在CH2Cl2和Me2CO的混合物中以过量的TFA(三氟乙酸)处理单吡咯并-TTF1a，以18％的产率得到作为黄色固体的四-TTF杯[4]吡咯2a。对其进行充分表征，包括X-射线晶体结构分析(图1)。适用于X-射线晶体学的晶体通过下述方法制备：使Me2CO层缓慢扩散到含四-TTF杯[4]吡咯的CH2Cl2溶液中，得到作为黄色针状物的2a(图4)。
四-TTF杯[4]吡咯2a和TNB之间的相互作用以及四-TTF杯[4]吡咯2a和TNT之间的相互作用的初始证据来自X-射线晶体学。通过使戊烷层缓慢扩散到以1:2的比例含有四-TTF杯[4]吡咯2a和TNB或TNT的CH2Cl2溶液中来生长衍射级别的晶体。所得的对于2a和TNB之间的络合作用的结构分析(图2)显示含两个不同的四-TTF杯[4]吡咯2a单元的固态结构。这些络合物中的每一个都含有两个客体分子TNB，这两个TNB各有两个硝基基团指向NH质子，并且参与固态中的氢键相互作用。在第二个络合物中，一个客体分子具有两个指向NH质子的硝基基团，而另一个客体仅有一个指向NH质子的硝基基团。在这两个络合物中，成对TTF之间的晶面间距为6.80
Figure A200780026604D0022174850QIETU
～7.10
Figure A200780026604D0022174850QIETU
。所得的对于2a和TNT之间的络合作用的结构分析(图3)显示含一个四-TTF杯[4]吡咯2a单元和两个客体分子TNT的固态结构，这两个TNT各有两个硝基基团指向NH质子，并且参与固态中的氢键相互作用。在该络合物中，成对TTF之间的晶面间距为
Figure A200780026604D00221
将2当量的TNB或TNT添加到四-TTF杯[4]吡咯2a的CH2Cl2溶液中使得颜色立即从黄色变为绿色，并且在紫外-可见光谱中出现中心在λ＝677nm(TNB)和λ＝625nm(TNT)处的吸收带。据认为，该观察结果分别反映了存在于四-TTF杯[4]吡咯2a和TNB或TNT中的供体单元和受体单元之间的CT相互作用的存在。将阴离子添加到四-TTF杯[4]吡咯中使平衡从1，3-交替构象移动到相应的锥形构象。将5当量TBAC1添加到含四-TTF杯[4]吡咯2a和TNB或TNT的CH2Cl2溶液中使得颜色从绿色变回为黄色，并且紫外-可见光谱中的中心在λ＝677nm(TNB)和λ＝625nm(TNT)处的吸收带消失(图5和图6)。将氯阴离子添加到四-TTF杯[4]吡咯2a和TNB或TNT的溶液中导致氯离子和用于与四-TTF杯[4]吡咯2a的NH质子发生氢键相互作用的缺电子客体之间的竞争，从而导致1，3-交替构象和锥形构象之间的竞争。不过，由于四-TTF杯[4]吡咯2a和氯离子之间的高结合常数，平衡主要向锥形构象移动。由于处于1，3-交替构象的四-TTF杯[4]吡咯2a中存在的空穴不再可用于结合，这因而导致了缺电子客体TNB或TNT的释放(式2)。通过以H2O洗涤而将TBAC1盐从有机CH2Cl2相中提取出来，从而重新得到了四-TTF杯[4]吡咯/TNB络合物和四-TTF杯[4]吡咯/TNT络合物，并因而恢复了CH2Cl2溶液的绿色。据推测，在不存在阴离子的情况中，主体-客体络合物的形成通过来自主体四-TTF杯[4]吡咯2a的两个NH质子和存在于客体TNB或TNT中的一个或两个硝基之间的氢键相互作用而得以增强。对该假设的支持通过1H NMR光谱分析而显而易见。例如，四-TTF杯[4]吡咯2a的1HNMR谱(CDCl3，298K)在δ＝7.10ppm处显示共振信号，该信号被归属为游离NH质子。通过将两当量的TNB添加到该溶液中，由于对一个或多个客体的氢键相互作用，与NH质子的共振相对应的信号位移到δ＝7.79ppm处。在该混合物中，发现TNB的CH质子在δ＝9.20ppm处共振，推测这是由于其夹在两个屏蔽的TTF子单元之间。通过添加5当量的TBAC1，观察到TNB中的CH共振基本上在其原来的位置δ＝9.35ppm。另一方面，通过释放一个或多个客体，四-TTF杯[4]吡咯的NH质子进一步向低场位移(δ＝10.80ppm)，这是出现在NH质子和氯离子之间的氢键相互作用所致。
实施例2：四-TTF杯[4]吡咯2a～2i的合成
如式3～式11所示合成四-TTF杯[4]吡咯2a～2i(本发明的卟啉原衍生物)。在CH2Cl2和Me2CO的混合物中，在存在或不存在四丁基氟化铵(TBAF)、四丁基氯化铵(TBAC1)或四丁基溴化铵(TBABr)的情况中，以过量的TFA处理单吡咯并-TTF衍生物1a～1i，以13％～55％的产率得到作为黄色化合物的四-TTF杯[4]吡咯2a～2i。通过常规技术对四-TTF杯[4]吡咯2a～2i进行充分表征。根据文献步骤(Hansen等，J.Mater.Chem.2004，14，179-184和Jeppesen等，J.Org.Chem.2000，65，5794-5805)制备所需的单吡咯并-TTF衍生物1a～1b，其中如式12～式18所示制备单吡咯并-TTF衍生物1c～1i。
实施例3：四-TTF杯[4]吡咯2a～2i和TNB之间的结合研究
为了进一步了解四-TTF杯[4]吡咯和TNB之间的连接强度，采用1H NMR光谱滴定技术确定TNB和某些不同的四-TTF杯[4]吡咯之间的结合常数。这些研究的结果列于表1中，表明与不具有芳香族取代基的四-TTF杯[4]吡咯(例如2a)相比，具有芳香族取代基的四-TTF杯[4]吡咯(例如2e和2f)对TNB具有更高的亲合性。
表1.在298K通过1H NMR光谱确定的四-TTF杯[4]吡咯2a、2c～2f和TNB之间的结合常数
Figure A200780026604D00241
a通过添加TNB的浓CDCl3溶液(还包含初始浓度的所研究的四-TTF杯[4]吡咯2a或2c～2f)滴定四-TTF杯[4]吡咯2a、2c～2f的CDCl3溶液，从而计算稀释效应。采用Conners等式阐明1:2络合的结合常数，估算误差<15％。
实施例4：四-TTF杯[4]吡咯2a和不同的硝基化芳烃之间的结合研究
在CH2Cl2或CHCl3中将四-TTF杯[4]吡咯2a与硝基化芳烃客体TNB、1，3-DNB、TNT、2，4-DNT、2，6-DNT、TNP和2，4-DNP混合，产生绿色溶液，而用未硝基化的客体四氟对苯醌进行同样的实验，产生棕色溶液。采用1HNMR光谱滴定技术对四-TTF杯[4]吡咯2a与TNB、1，3-DNB、TNT、2，4-DNT、2，6-DNT、TNP和2，4-DNP之间的结合强度进行量化，这些研究的结果总结在表2中。
表2.在298K通过1H NMR光谱确定的四-TTF杯[4]吡咯2a与客体TNB、1，3-DNB、TNT、2，4-DNT、2，6-DNT、TNP和2，4-DNP之间的结合常数
Figure A200780026604D00251
a通过添加所研究的客体(TNB、1，3-DNB、TNT、2，4-DNT、2，6-DNT、TNP和2，4-DNP)的浓CDCl3溶液(还包含初始浓度的四-TTF杯[4]吡咯2a)滴定四-TTF杯[4]吡咯2a的CDCl3溶液，从而计算稀释效应。采用Conners等式阐明1:2络合的结合常数，估算误差<15％。
实施例5：通过肉眼探测沙子中的爆炸物
将含有少量TNB的沙子放置在不含任何TNB的沙子的封闭区域上。通过将溶解在CHCl3中的四-TTF杯[4]吡咯2a的气溶胶喷雾在所述沙子的封闭区域上，含TNB的沙子区域发生明显的颜色变化(图7)。

Claims (14)

1.通式2所示的化合物
Figure A200780026604C00021
其中，R1～R16独立地代表任何有机基团或无机基团，限制条件是排除对这样的化合物的保护：其中R1～R8为-S-CH2-CH2-CH3，R9～R16为甲基。
2.如权利要求1所述的化合物，其中R1～R8独立地选自由下述基团组成的组：
i)SRA，其中RA代表C1～C20烷基链或者-CH2CH2O(CH2CH2O)n基团，n＝0～5；
ii)COORB，其中RB代表C1～C20烷基链或者-CH2CH2O(CH2CH2O)n基团，n＝0～5；
iii)CH2Ar，其中Ar代表芳基基团；和
iv)CH2XRC，其中X代表O、S或N原子，RC代表C1～C20烷基链或者-CH2CH2O(CH2CH2O)n基团，n＝0～5；
限制条件是排除对这样的化合物的保护：其中，R1～R8为-S-CH2-CH2-CH3，R9～R16为甲基。
3.如权利要求1所述的化合物，所述化合物选自下述化合物：
Figure A200780026604C00041
Figure A200780026604C00051
Figure A200780026604C00061
和
Figure A200780026604C00071
4.一种用于探测爆炸物的试剂盒，该试剂盒包括：
(1)权利要求1所述的式2结构的卟啉原衍生物，当TNT、TNB或TNP与该卟啉原衍生物结合时，该卟啉原衍生物在电磁辐射的吸收和/或发射方面产生可探测的变化；
(2)用于探测由该卟啉原衍生物产生的电磁辐射的吸收和/或发射的任何变化的单元，所探测到的变化指示在环境之内、环境之上或环境相关处该爆炸物的存在。
5.如权利要求4所述的试剂盒，其中所述卟啉原衍生物具有下述结构式：
Figure A200780026604C00072
6.一种用于探测含硝基爆炸物的存在的光纤传感器设备，该传感器设备包括：
i)至少一个用于传输光能的光纤单元，该光纤单元具有近端和远端，该近端设置在探针室内；该远端设置有权利要求1所述的卟啉原衍生物，其中所述的卟啉原衍生物能与所述的含硝基爆炸物发生化学性结合；
ii)用于产生激发光能的光源单元，该光源单元与所述的光纤单元有效连接以使该激发光能穿过该光纤单元；和
iii)探测单元，该探测单元与该光纤单元有效连接，用于探测由所述卟啉原衍生物产生的发射信号。
7.如权利要求6所述的传感器设备，其中所述的含硝基爆炸物选自由TNT、TNB和TNP组成的组中任一或其组合。
8.如权利要求7所述的传感器设备，其中所述光源单元选自由氩激光器、蓝光激光器、可调激光器和发光二极管组成的组中任一或其组合。
9.如权利要求8所述的传感器设备，其中所述探测单元选自由分光光度计、光谱仪、光电倍增管、安装有CCD照相机的单色仪、滤光片和肉眼组成的组中任一或其组合。
10.一种探测包括爆炸物化学品的靶分子的存在的方法，该方法包括下述步骤：
i)提供一种光纤传感器设备，该传感器设备包括：
A)至少一个用于传输光能的光纤单元，该光纤单元具有近端和远端，所述近端设置在探针室内；该远端设置有权利要求1所述的卟啉原衍生物，其中所述卟啉原衍生物能够与该靶分子发生化学性结合；
B)用于产生激发能的光源单元，该光源单元与所述的光纤单元有效连接以使该激发光能穿过该光纤单元；和
C)探测单元，该探测单元与该光纤单元有效连接，用于探测由所述卟啉原衍生物产生的发射信号；
ii)使所述卟啉原衍生物暴露于含有该爆炸物的环境中以使该爆炸物与该卟啉原衍生物接触，和
iii)探测由所述卟啉原衍生物产生的电磁辐射的吸收和/或发射的任何变化，所探测到的变化是指示在环境之内、环境之上或环境相关处该爆炸物的存在。
11.如权利要求10所述的方法，其中所述爆炸物化学品选自由TNT和TNB组成的组中任一或其组合。
12.如权利要求11所述的方法，其中所述光源单元选自由氩激光器、蓝光激光器、可调激光器和发光二极管组成的组中任一或其组合。
13.如权利要求12所述的方法，其中所述探测单元选自由分光光度计、光谱仪、光电倍增管、安装有CCD照相机的单色仪、石英晶体微量天平QCM、滤光片和肉眼组成的组中任一或其组合。
14.权利要求1所述的卟啉原衍生物用于探测爆炸物化学品的应用，其中，所述的卟啉原衍生物通过与所述的爆炸物化学品的相互作用，该卟啉原衍生物的颜色由黄变绿。
CNA2007800266041A 2006-05-15 2007-05-15 可用作爆炸物探测标记物的卟啉原衍生物 Pending CN101490059A (zh)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DKPA200600678 2006-05-15
DKPA200600678 2006-05-15

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN101490059A true CN101490059A (zh) 2009-07-22

Family

ID=38582104

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CNA2007800266041A Pending CN101490059A (zh) 2006-05-15 2007-05-15 可用作爆炸物探测标记物的卟啉原衍生物

Country Status (4)

Country Link
US (1) US8378093B2 (zh)
EP (1) EP2069361A2 (zh)
CN (1) CN101490059A (zh)
WO (1) WO2007132430A2 (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105017148A (zh) * 2015-06-23 2015-11-04 陕西师范大学 双八羟基喹啉铝荧光配合物及其在检测2,4,6-三硝基苯酚中的应用

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CA3029712A1 (en) * 2009-09-09 2011-03-17 Sensa Bues Ab Drug detection in exhaled breath
CN102947697B (zh) 2010-03-31 2015-12-16 丹麦技术大学 用于检测气或液相中的分析物或其混合物的多传感器阵列
US9265458B2 (en) 2012-12-04 2016-02-23 Sync-Think, Inc. Application of smooth pursuit cognitive testing paradigms to clinical drug development
US9380976B2 (en) 2013-03-11 2016-07-05 Sync-Think, Inc. Optical neuroinformatics

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6170318B1 (en) 1995-03-27 2001-01-09 California Institute Of Technology Methods of use for sensor based fluid detection devices
GB0008618D0 (en) 2000-04-08 2000-05-31 Univ Strathclyde Analyte detection & apparatus therefor
AU2001271247A1 (en) * 2000-04-10 2001-10-23 The Johns-Hopkins University Polymeric food spoilage sensor
US7214543B2 (en) 2001-10-12 2007-05-08 University Of Florida Research Foundation, Inc. Method and apparatus for sensing nitroaromatics

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105017148A (zh) * 2015-06-23 2015-11-04 陕西师范大学 双八羟基喹啉铝荧光配合物及其在检测2,4,6-三硝基苯酚中的应用
CN105017148B (zh) * 2015-06-23 2017-05-17 陕西师范大学 双八羟基喹啉铝荧光配合物及其在检测2,4,6‑三硝基苯酚中的应用

Also Published As

Publication number Publication date
WO2007132430A2 (en) 2007-11-22
US20110003396A1 (en) 2011-01-06
US8378093B2 (en) 2013-02-19
EP2069361A2 (en) 2009-06-17
WO2007132430A3 (en) 2008-04-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Germain et al. Optical explosives detection: from color changes to fluorescence turn-on
Singh Sensors—An effective approach for the detection of explosives
US8377713B2 (en) Detection of explosives through luminescence
Sang et al. Highly sensitive and selective detection of 2, 4, 6-trinitrophenol using covalent-organic polymer luminescent probes
Khan et al. Sensitive fluorescence on-off probes for the fast detection of a chemical warfare agent mimic
Anderson et al. TNT detection using multiplexed liquid array displacement immunoassays
Zhu et al. Molecular engineered optical probes for chemical warfare agents and their mimics: Advances, challenges and perspectives
Harper et al. Identification of dominant odor chemicals emanating from explosives for use in developing optimal training aid combinations and mimics for canine detection
US7482168B2 (en) Photoluminescent polymetalloles as chemical sensors
Wang et al. Sensitive and selective detection of phosgene, diphosgene, and triphosgene by a 3, 4‐diaminonaphthalimide in solutions and the gas phase
US8557596B2 (en) Fluorescence detection of nitrogen-containing explosives and blue organic LED
Gui et al. Copper ion-mediated glyphosate detection with N-heterocycle based polyacetylene as a sensing platform
JP4767249B2 (ja) ニトロ化合物の検知または分析における感知物質としての蛍光共役ポリマーを含む化学センサーおよびそれらの使用
Dai et al. A naphthalimide-based fluorescent sensor for halogenated solvents
CN101490059A (zh) 可用作爆炸物探测标记物的卟啉原衍生物
Kumar et al. Highly sensitive detection of nitro compounds using a fluorescent copolymer-based FRET system
Zarei et al. Design and fabrication of optical chemical sensor for detection of nitroaromatic explosives based on fluorescence quenching of phenol red immobilized poly (vinyl alcohol) membrane
Desai et al. Recent advancements for the recognization of nitroaromatic explosives using calixarene based fluorescent probes
US20060051872A1 (en) Synthesis and use of inorganic polymer sensor for detecting nitroaromatic compounds
US20100291698A1 (en) Detection of nitro- and nitrate-containing compounds
US8557595B2 (en) Fluorescence detection of nitrogen-containing explosives and blue organic LED
More et al. 2 H-Pyran-2-one-Functionalized Diketopyrrolopyrrole Dye: Design, Synthesis, and Explosives Sensor
US7927881B2 (en) Inorganic polymers and use of inorganic polymers for detecting nitroaromatic compounds
Tripathi et al. Ratiometric fluorescence “Turn On” probe for fast and selective detection of TNT in solution, solid and vapour
Chakraborty et al. Small Electron-Rich Isomeric Solid-State Emitters with Variation in Coplanarity and Molecular Packings: Rapid and Ultralow Recognition of TNT

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C02 Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001)
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

Open date: 20090722