CN104956206A - 经由发光猝灭检测分析物的方法 - Google Patents
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Abstract
一种用于基于发光响应检测分析物的传感元件,所述传感元件包括作为涂层提供在基材上的发光三芳基胺化合物。
Description
技术领域
本发明涉及分析物、特别是爆炸物或爆炸物相关物质的检测。
背景技术
即使在低浓度下可靠地检测特定化合物的能力是持续的挑战,且持续需要提供实现该目的的新型方法和设备。特别迫切需要检测通常用于恐怖分子袭击和战区的爆炸物和爆炸物相关化合物。尽管经常谈论脏弹、生物和核恐怖主义以及简易爆炸装置(IED),大部分武器仍使用硝基芳族和硝基脂族物质作为爆炸物、引爆剂、促进剂或爆炸物示踪剂。因此,仍明确需要能以适当的高灵敏度和选择性检测这些物质。
许多商购传感器依赖于目标分析物(目标分子)存在于环境中时产生的次级产物的检测。例如,在该类传感器中,目标分析物可通过化学反应分解以产生另一种分子,然后检测该分子本身。该检测方法实际上是间接的,同时灵敏度由于从取样到检测所耗的时间而可能稍显低效。其它检测方法要求直接接触取样。后面这些方法的缺点在于,它们依赖于其中存在有待取样(例如擦拭)爆炸物分析物的基材的特定区域。
一种直接检测目标分析物的方法依赖于使用发光化合物。当一些化合物暴露于特定波长的光时,它们吸收光(光致激发)并发射出不同波长的光(发光,其可为荧光或磷光)。可测量/检测该发射出的光。然而,某些分析物分子还可与(激发的)发光化合物相互作用,从而导致发射光的强度提高或降低。也可检测该变化,且因此可用于指示分析物分子的存在。体现发光猝灭方法的传感器可商购获得。传感材料由含发光共轭聚合物的薄膜组成。这些传感器可表现出高灵敏度,但就选择性而言存在改进的空间,尤其是当试图检测爆炸物或爆炸物相关物质时。由于日用品如化妆品、咖啡和溶剂可导致与爆炸物和爆炸物相关物质相同的发光强度定性降低,因此可发生假阳性的情况。这对这些现有共轭聚合物传感器的适用性是极大的限制。
与该背景相反,希望提供一种不具有这些缺点的传感器技术。特别希望提供一种传感器技术,其对关键分析物如爆炸物和爆炸物相关物质显示出高灵敏度,且允许通过本身对那些分析物具有特异性和选择性的特征响应识别该类关键分析物的存在。以此方式,日常化学品的存在将给出与所需爆炸物和爆炸物相关物质不同的响应。
发明内容
在一个实施方案中,本发明提供了一种检测分析物的方法,所述方法包括:
(i)使含三芳基胺结构部分的发光化合物与分析物相互作用并测量所述化合物由于暴露于该分析物的发光性质;
(ii)检测在步骤(i)中测得的发光性质与所述化合物在步骤(i)中的发光性质测量之前的发光性质之间的差异;和
(iii)基于在步骤(ii)中检测到的发光性质差异确定是否存在分析物。
本发明还提供了一种用于基于发光响应检测分析物的传感元件,所述传感元件包括作为涂层提供在基材上的含三芳基胺结构部分的发光化合物。所述传感元件用于使用本发明方法的传感器设备中。
本发明还提供了一种用于基于测得的发光变化而检测分析物的传感器设备,所述传感器设备包括本发明的传感元件。所述传感器设备使用本发明的方法。
除非上下文另外要求,否则在整个说明书和随后的权利要求中,措辞“包含”及变型如“包括”和“含”应理解为意指包含所述的整体或步骤,或整体或步骤的组,但不排除任何其它整体或步骤,或整体或步骤的组。
在本说明书中,提到的任何在先公开文献(或由其推导出的信息)或者任何已知内容不被且不应被视为承认或认可或以任何方式暗示该在先公开文献(或由其推导出的信息)或已知内容构成本说明书试图涉及的领域中的公知常识的一部分。
附图说明
参照附图阐述本发明的实施方案,在所述附图中:
图1为传感设备的组件的示意图;
图2为当常规共轭聚合物传感设备暴露于各种分析物时,光致发光强度相对于时间的图;
图3为当包括所示三芳基胺化合物的传感设备暴露于各种分析物时,光致发光强度相对于时间的图;
图4为当包括所示三芳基胺化合物的传感设备暴露于各种分析物时,光致发光强度相对于时间的图;
图5为当包括不含三芳基胺的树枝状大分子的传感设备暴露于各种分析物时,光致发光强度相对于时间的图;
图6为当包括所示三芳基胺化合物的传感设备暴露于各种分析物时,光致发光强度相对于时间的图;
图7为当包括所示三芳基胺化合物的传感设备暴露于各种分析物时,光致发光强度相对于时间的图;
图8为当包括所示三芳基胺化合物的传感设备暴露于各种分析物时,光致发光强度相对于时间的图;
图9为当包括实施例6的三芳基胺化合物的传感设备暴露于溶于各种日常化学品和化学品组合中的对硝基甲苯(pNT)时,光致发光强度相对于时间的图;
图10a为当包括图10b所示三芳基胺化合物的传感设备暴露于各种分析物时,光致发光强度相对于时间的图;
图11为当包括所示三芳基胺化合物的传感设备暴露于各种分析物时,光致发光强度相对于时间的图;
图12为当包括所示三芳基胺化合物的传感设备暴露于各种分析物时,光致发光强度相对于时间的图;和
图13为当包括所示三芳基胺化合物的传感设备暴露于不同分析物时,光致发光强度相对于时间的图。
具体实施方式
根据本发明,发现某些包含三芳基胺结构部分的化合物在暴露于特别感兴趣的分析物分子(即爆炸物和爆炸物相关物质)时,显示出特征发光响应。该响应特性意味着这些化合物在所述的直接传感方法学类型中具有很大的潜力。与所述方法相关的基本机理当然是已知的,但本发明被认为代表了本领域中的显著进步。
广义而言,本发明的方法包括:
(i)使含三芳基胺结构部分的发光化合物与分析物相互作用并测量所述化合物在暴露于该分析物期间的发光性质;
(ii)检测在步骤(i)中测得的发光性质与所述化合物在步骤(i)中的发光性质测量之前的发光性质之间的差异;和
(iii)基于在步骤(ii)中检测到的发光性质差异确定是否存在分析物。
就本发明的方法而言,步骤(ii)可以以各种方式进行。在一个实施方案中,该步骤可基于在步骤(i)中测量发光性质之前对所述含三芳基胺结构部分的化合物的发光性质的实际测量进行。在该实施方案中,本发明提供了一种检测分析物的方法,所述方法包括:
(a)激发含三芳基胺结构部分的发光化合物并测量所述化合物的发光性质;
(b)使所述化合物与所述分析物相互作用并测量所述化合物由于暴露于分析物的发光性质;
(c)检测在步骤(a)和(b)中测得的发光性质的差异;和
(d)基于在步骤(c)中检测到的发光性质差异确定是否存在分析物。
该实施方案依赖于因发光化合物暴露于分析物而导致测得的发光性质发生变化。该实施方案的实时实施包括在对分析物取样之前,激发并测量发光性质。为了获得可相对于其评估发光响应的任何随后变化的对照或基准读数,测定该化合物的初始发光响应(即在暴露于分析物之前)是重要的。
在某些实施方案中,本发明所用的三芳基胺化合物可对各种分析物显示出有利的选择性。具体地,所述化合物可在爆炸物分析物和/或爆炸物示踪剂存在下显示出发光猝灭。更具体地,所述化合物在包含一个或多个硝基的分析物和/或爆炸物示踪剂存在下显示出发光猝灭。优选地,所述化合物在硝基芳族分析物存在下显示出发光猝灭。
广义而言,由于本发明提供了一种现有技术的可行替代方案,因此被认为其是有价值的。然而,特别的意义在于如下事实:当与基于相同原理操作的现有传感器中所用的化合物(如共轭聚合物)相比时,根据本发明所用的三芳基胺化合物对某些分析物显示出根本不同的发光响应。更特别地,本发明所用的三芳基胺化合物可对分析物显示出特征发光响应,该响应允许相对于会以另外方式影响检测的日常化学品容易地检测爆炸物和爆炸物相关物质。换言之,本发明所用的三芳基胺化合物可提供对爆炸物和爆炸物相关物质的定性检测选择性。更具体地,所述三芳基胺化合物可在爆炸物和爆炸物相关物质存在下显示出可检测的发光响应(降低或提高),而在非爆炸物相关(日常)物质如香料、咖啡等存在下无发光响应或无显著发光响应。在替代的实施方案中,所述三芳基胺化合物可在爆炸物和爆炸物相关物质存在下显示出特定的发光响应(例如降低),而在非爆炸物相关(日常)物质存在下显示出相反的发光响应(就所给实例而言,为提高)。当检测感兴趣的分析物时,这些响应特性是有利的。
当根据本发明所用的三芳基胺化合物可用于选择性检测各种目标分析物(并且对任何给定化合物,可研究该范围)时,据信所述化合物具有与选择性检测作为分析物的爆炸物和爆炸物相关物质有关的独特价值。就本发明而言,这些分析物为含氮种类,且包括爆炸物本身以及相关(功能性)物质如促进剂、爆炸物示踪剂等。
就具体实例而言,分析物可选自2,4,6-三硝基甲苯(TNT高性能炸药)、2,3-二硝基-2,3-二甲基丁烷(通常用于Semtex爆炸物中的爆炸物示踪剂)、2,4,6-三硝基间二甲苯(TNX)、2,4,6-三硝基氯苯(苦基氯)、2,4,6-三硝基苯酚(苦味酸)、苦味酸铵(炸药D)、2,4,6-三硝基间甲酚(TNC)、2,4,6-三硝基间苯二酚(收敛酸)、2,4,6-三硝基苯甲醚(TNA,苦味酸甲酯)、2,4,6-三硝基苯乙醚(TNP,苦味酸乙酯)、2,4,6-三硝基苯胺(苦酰胺,1-单氨基-2,4,6-三硝基苯,MATB)、1,3-二氨基-2,4,6-三硝基苯(DATB)、1,3,5-三氨基-2,4,6-三硝基苯(TATB)和2,4,6-N-四硝基-N-甲基苯胺(特屈儿,2,4,6-三硝基苯基甲硝胺)、2-氨基-4,6-二硝基甲苯、4-氨基-2,6-二硝基甲苯、2-氨基-4-硝基甲苯、3,5-二硝基苯胺、1,3-二硝基苯、1,4-二硝基苯、1,2-二硝基苯、2,4-二硝基甲苯、2,3-二硝基甲苯、2,6-二硝基甲苯、硝基甲烷、3-硝基苯胺、2,4,6-三硝基苯胺、硝胺如1,3,5-三硝基全氢-1,3,5-三嗪、和硝基酯如[3-硝基氧基-2,2-双(硝基氧基甲基)丙基]硝酸酯。应理解的是,发现这些或其它硝化分析物可与其它化合物一起存在于爆炸物混合物中。还应理解的是,所述分析物必须具有足以进行检测的蒸气压。
本发明依赖于使用某些具有特有结构特征和光学性质的特定化合物。就结构而言,所述化合物可广泛地归类为发光三芳基胺,三芳基胺结构部分的存在对所述化合物在本发明上下文中的适用性被认为是重要的。
所述三芳基胺化合物必须还显示出可用于本发明中的合适光学性质。换言之,所述化合物必须能与分析物分子相互作用,由此导致发光强度的可检测变化。优选地,所述化合物为荧光的。
此外,可用于本发明中的三芳基胺化合物通常以固相、常常作为基材上的涂层/膜用于传感器设备中。明显重要的是所述化合物在以该形式提供时,保留所需的光学性质。下文将更详细论述用于本发明上下文中的传感器设备。
更详细地表征所述化合物的结构,它们可被视为包含三芳基胺结构部分的共轭化合物。一般而言,一个或多个,优选一个共轭分子结构结合至所述三芳基胺结构部分的三个芳基中的每一个上。所述共轭分子结构以使得与芳基保持共轭的方式键合至芳基上。所述共轭分子结构可相同或不同。
就本发明而言,术语“共轭分子结构”意指包含至少5个碳原子具有提供电子离域的交替单键和多重键的结构。所述共轭分子结构可包括烯基、炔基和/或共轭环状结构部分。与本发明中所用的三芳基胺化合物连接的共轭分子结构的存在对所述化合物在本发明上下文中的适用性是至关重要的。这可参照据信所述化合物在本发明中发挥作用的基本机理理解。所述化合物对光子的吸收产生了单重激发态。分析物分子可与激发的三芳基胺化合物相互作用,从而导致该激发态氧化,其结果是不发光。该效应称为氧化性发光猝灭。所述共轭分子结构可为至少部分共轭的,条件是保留就本发明而言的预期功能。
有利地,发现用于本发明中的三芳基胺化合物在暴露于爆炸物和爆炸物相关物质时显示出选择性发光猝灭。与此相反,所述化合物在日常化学品存在下可显示出定性地不同荧光响应。应理解的是,为了发生氧化性发光猝灭,分析物必须具有足以将所述三芳基胺化合物在激发时形成的激子分离的电子亲和性。如何调节共轭分子的光学和电子性质是本领域所公知的,且这可适用于本发明所用的三芳基胺化合物的光学和电子性质。
所述共轭分子结构可为聚合物特性,就此而言,它在其结构中包含重复单元。然而,这并非是必需的,所述共轭分子结构可为非聚合物特性。在后一情况下,所述共轭分子结构可包括线形和/或支化结构部分。当支化时,所述共轭分子结构可为树枝状结构。在树枝状大分子的情况下,所述三芳基胺结构部分可位于该树枝状大分子的中心、位于树枝块(dendron)中或者二者。
应理解的是,所述三芳基胺结构部分正是通过其结构提供了整个化合物结构中的支化。所述三芳基胺结构部分可为提供支化的分子的唯一部分,或者它可提供数个支化点中的一个,这取决于所述共轭分子结构的构造。由此可理解的是当所述三芳基胺化合物为聚合物时,所述三芳基胺结构部分可为主链的一部分、侧链基团的一部分或者二者。还应理解的是,所述物质中可存在多于一个三芳基胺基团。例如,在聚合物中,三芳基胺基团可作为沿该聚合物主链重复的“单体单元”的一部分存在。树枝状大分子的各个DENDRON也可包含一个或多个三芳基胺基团。在存在超过一个三芳基胺基团且其依次连接的情况下,各个芳基可连接在两个或更多个氮原子上。
所述共轭分子结构可包含一个或多个可直接一起或者经由一个或多个烯基或乙炔基连接的芳基或杂芳基。所述共轭分子结构与三芳基胺基团的芳基结构部分的连接可经由该共轭分子结构的芳基、杂芳基、烯基或乙炔基碳原子进行。然而,典型地,连接经由所述共轭分子结构的芳基或杂芳基结构部分进行。当连接经由杂芳基进行时,这可经由杂原子连接。在杂芳基中,杂原子可为N、O或S。芳基通常为苯环,且这些通常在2、3、4、5或6位被取代以提供该共轭分子结构的剩余部分。杂芳基通常为5或6元环结构,且可选自噻吩、吡啶、嘧啶、三嗪等。也可能使用多芳环结构。也可能使用稠合环芳基和杂芳基环体系,包括萘、蒽、咔唑、芴等。还可能的是所述三芳基胺化合物的两个或更多个芳基通过共轭分子结构连接。然而,基本要求是存在于所述三芳基胺化合物中的共轭分子结构的数量和组合必须使得所述化合物的单重激发态可被分析物氧化。应进一步理解的是,所述芳基和/或杂芳基可被其它非共轭基团取代以提供所需的溶解度和加工性。非穷举的合适的非共轭(表面)基团包括在下文中。
就分子式而言,所述共轭分子结构可由式(I)表示:
其中各个Ar表示芳基结构部分;R1、R2、R3为由上文所定义的结构部分构成的相同或不同的共轭分子结构;X1、X2、X3独立地选自将Ar与相应的基团R1、R2、R3连接的共轭结构部分和/或氮原子;且x、y和z独立为0、1、2、3或4。
当x、y或z大于1时,相应的基团X1、X2和X3可相同或不同。例如,当x为2时,基团Ar和基团R1之间的连接基为式-X1-X1-,其中各个X1可相同或不同。
当X1、X2和X3中的一个或多个为氮原子时,则该氮原子与共轭基团或结构部分直接键合,从而使得孤对的氮原子可与共轭基团或结构部分相互作用。典型地,当X1、X2和X3中的一个或多个为氮原子时,该氮原子通常为三芳基胺取代的结构部分的一部分。
在一个实施方案中,芳基可选自苯基、萘基、蒽基、苊基、芴基和 基。在一个实施方案中,各个Ar基团相同且为苯基。在另一实施方案中,各个Ar基团为苯基且R1、R2、R3相同。
X1、X2、X3通常独立地选自芳基、杂芳基、烯基或乙炔基。
还可能的是X1、X2和X3中的一个或多个为聚合物链或共轭树枝状大分子的共轭重复单元。
在一个实施方案中,当x和y为0时,R1和R2可与所述分子的三芳基胺结构部分的两个芳基和氮原子一起构成聚合物链的主要部分,剩余的芳基、X3(存在的话)和R3提供了链支化。替代地,所述基团中的一个如R1可为聚合物链,该分子的剩余部分作为聚合物链的悬垂基团(侧链)存在。在这种情况下,基团R1还必须提供聚合物主链的连接点。剩余基团R2和R3可为上文所定义的共轭分子结构如树枝块或简单的线形共轭种类。
当然,式(I)所示结构可为支化化合物如树枝状大分子的一部分。在这种情况下,R1、R2和R3中的至少一个必须为树枝块。替代地,R1、R2和R3可简单地为线形共轭序列,即N原子位于中心。
当至少一个共轭分子结构为树枝块时,所述化合物可由式I表示,其中R1、R2和R3中的一个或多个可为相同或不同的下式基团:
-(DENDRON)-B
其中DENDRON表示含多个支链的共轭树枝状分子结构,所述各个支链用末端芳基或杂芳基封端,且B表示与封端支链的末端芳基和/或杂芳基相连的任选表面基团。DENDRON的各个支链可相同或不同。当存在时,DENDRON中的表面基团可相同或不同。当在特定支链上不存在表面基团时,该支链用端芳基或杂芳基封端。
在该实施方案中,所述分子所提供的外表面提供了控制该分子的溶解度和加工性的要素,因此内部电子结构的变化应该是可能的,而不会不可接收地影响加工性能,反之亦然。因此,该实施方案可提供独立地优化电子和加工性能的机会,这应该给出了电子优化物质的改善的加工性。
表面基团可包括卤素、C1-10烷基、C2-10烯基、-C(O)R(其中R为氢或C1-10烷基)、-CO2R(其中R为氢或C1-10烷基)、羟基、C1-10烷氧基、C2-10烯基氧基、C1-10烷基硫基、C2-10烯基硫基、C1-10卤代烷基、C2-10卤代烯基、C1-10卤代烷氧基、C2-10卤代烯基氧基、氨基、C1-10烷基氨基、二(C1-10)烷基氨基、C6-14芳氧基、-O2SR或-SiR3(其中各个R相同或不同且表示氢、C1-10烷基或C2-10烯基)。其它合适的取代基包括羟基C1-10烷基和羟基卤代C1-10烷基如羟基C1-4烷基或羟基卤代C1-4烷基。能进一步反应的表面基团可相互作用以提供交联。在这种情况下,表面基团可选自例如烯烃、(甲基)丙烯酸酯、含氧杂环丁烷的基团或含硅基团。
更特别地,DENDRON可为相同或不同的下式基团:
-[A-(ARM)d]-B
其中A为所述DENDRON的第一芳基或杂芳基结构部分;ARM对于第一代树枝状大分子表示一个或多个烯基、炔基、芳基或杂芳基结构部分的基团,或者对于更高代树枝状大分子表示由A延伸的树枝状臂;d等于或大于2;且B如前文所定义。
在另一实施方案中,式(I)化合物可由式(Ia)表示:
其中x、y、z、X1、X2、X3、R1、R2和R3如上文所定义。
在一个实施方案中,各个X1、X2、X3、R1、R2和R3占据亚苯基环上的邻、间或对位。优选地,各个X1、X2、X3、R1、R2和/或R3处于相对于氮原子的对位。因此,在另一方面,式(I)化合物可由式(Ib)表示:
其中x、y、z、X1、X2、X3、R1、R2和R3如上文所定义。
在一个实施方案中,X1、X2和X3为取代的噻吩基,优选下式的取代的2,5-噻吩基:
因此,在另一实施方案中,式(I)化合物可由式(Ic)表示:
其中R1a、R2a和R3a表示R1、R2和R3所示的共轭分子结构的剩余部分。在一个实施方案中,R1a、R2a和R3a通过相同类型的取代芳基或取代苯基结构部分键合至噻吩基。
因此,在另一实施方案中,式(I)化合物可由式(Id)表示:
在一个实施方案中,当m为1时,R1b、R2b和R3b独立地选自C1-C20烷基或C1-C20烷氧基;当m为2或更大时,为上文所定义的任选取代的ARM。
在一个实施方案中,当m为1时,各个R1b、R2b和R3b优选占据苯环的对位。在这种情况下,R1b、R2b和R3b相同或不同、优选相同的C1-C20烷氧基如C2-C15烷氧基或C3-C10烷氧基。
在一个实施方案中,当m为2时,各个R1b、R2b和R3b相同或不同,优选相同,ARM为任选取代的苯基结构部分。当苯基结构部分被取代时,取代基B可选自C1-C10烷基和C1-C10烷氧基。优选地,与噻吩环连接的苯基结构部分在间位被ARM基团取代。
在另一实施方案中,当m为2时,各个ARM具有位于对位且选自C1-C10烷基或C1-C10烷氧基的基团B。
在一个实施方案中且就式(Ia)和(Ib)化合物而言,R1、R2和R3各自通过相同或不同、优选相同的选自如下的取代芳基键合至苯基结构部分:取代的苯基、取代的萘基、取代的蒽基、取代的苊基、取代的芴基或取代的基,优选取代的芴基。
在这种情况下,式(I)化合物可由式(Ie)表示:
其中R1c、R2c和R3c表示R1、R2和R3所示共轭分子结构的剩余部分。例如,R1c、R2c和R3c可独立地选自任选取代的芳基或任选取代的杂芳基;n在每次出现时独立地为1、2或3;R4和R5在每次出现时独立地为C1-C10烷基,C1-C10烷氧基,不同长度的二醇,可交联基团如乙烯基、甲基丙烯酸酯或氧杂环丁烷,其可经由柔性链连接。
在一个实施方案中,式(I)或(Ie)的化合物表示为式(If)的化合物:
其中R1c、R2c和R3c、R4和R5如上文对式(Ie)所定义。
在一个实施方案中且参照式(Ie)和(If),R1c、R2c和R3c相同且表示任选取代的苯基或任选取代的芴基。
在另一实施方案中,式(I)、(Ie)和(If)的化合物可表示为式(Ig)的化合物:
其中R1c'、R2c'和R3c'表示R1、R2和R3所示共轭分子结构的剩余部分。例如,R1c'、R2c'和R3c'可独立地选自任选取代的芳基或任选取代的杂芳基;o在每次出现时独立地为1、2或3;R4和R5在每次出现时独立地为C1-C10烷基,C1-C10烷氧基,不同长度的二醇,可交联基团如乙烯基、甲基丙烯酸酯或氧杂环丁烷,其可经由柔性链连接。在一个实施方案中,R1c'、R2c'和R3c'相同且表示取代的苯基。在另一实施方案中,R1c'、R2c'和R3c'相同且表示用C1-C20烷基或C1-C20烷氧基取代1或2次的苯基。
本文提到了某些任选取代的基团。可能的取代基的实例包括卤素、C1-10烷基、C2-10烯基、-C(O)R(其中R为氢或C1-10烷基)、-CO2R(其中R为氢或C1-10烷基)、羟基、C1-10烷氧基、C2-10烯基氧基、C1-10烷硫基、C2-10烯基硫基、C1-10卤代烷基、C2-10卤代烯基、C1-10卤代烷氧基、C2-10卤代烯基氧基、氨基、C1-10烷基氨基、二(C1-10)烷基氨基、C6-14芳氧基、-O2SR或-SiR3(其中各个R相同或不同且表示氢、C1-10烷基或C2-10烯基)、C6-14芳硫基、C6-14芳基和5-10元杂芳基,且其中所述取代基自身未被取代或者被取代,或者氟代。其它合适的取代基包括羟基C1-10烷基和羟基卤代C1-10烷基如羟基C1-4烷基或羟基卤代C1-4烷基。
用于本发明中的三芳基胺化合物的具体实施例包括如下:
本发明所用的三芳基胺化合物可通过使用已知技术或者其改进制备。例如,参见WO01/59030;Ellen J.Wren,Karyn Mutkins,MuhsenAljada,Paul L.Burn,*Paul Meredith*和George Vamvounis Polym.Chem.,2010,1,1117-1126。
其中可使用本文所述的三芳基胺化合物的传感器设备具有常规设计且以常规方式操作。典型的设备示于图1中。使用激发源来提供与所述化合物相互作用的电磁辐射,所述辐射用于导致所述化合物发光。所述化合物提供在合适的基材上,由此形成传感元件。激发源可为LED、激光、阴极灯等。所述设备还包括接收来自所述化合物的光的光检测器。该检测器传送表征由所述化合物发出的光强度的输出信号。所述设备还包括元件部分(微处理器),其可使光检测器的输出可视化或者以其它方式表现以进行解析。所述设备还包括一个或多个用于调节和检测该设备部件的温度的温度控制元件,这是最佳操作所必需的。
就本发明而言,所述三芳基胺化合物作为涂层/膜提供在基材上,其中待分析的气体在基材之上或之中通过或输送。此处,措辞“传感元件”用于指代该涂覆的基材。令人感兴趣的是,发现基材所呈现的形式会影响三芳基胺化合物在选择性检测感兴趣的分析物分子(爆炸物和爆炸物相关物质)中的功效。因此,发现非平面基材可能是优选的。取决于几何形状,基材物质可能必须对用于激发所用三芳基胺化合物的光波长是有效透明的。基材物质必须还对目标分析物无反应性。
还发现三芳基胺化合物的涂层/膜厚度会影响检测功效。所述厚度可通过对基材和三芳基胺化合物的给定组合进行试验而优化。涂层/膜厚度通常为至多100nm如10-100nm。所述化合物可通过常规技术沉积。
在一个实施方案中,所述基材可呈管状,其中所述化合物提供在该管的内表面上。所述管通常具有圆形横截面。所述管的最佳直径以及制备该管的合适材料可通过实验确定。在优选实施方案中,所述化合物提供在毛细管的内表面上。所述毛细管可由玻璃如硼硅酸盐玻璃,或二氧化硅制成。所述毛细管通常具有100μm至1mm的内径。毛细管的长度通常不大于100mm。具有所需外径和内径的可用毛细管可商购获得且可切割成合适的长度。例如,这种管可具有如下尺寸:长度=30或54mm,外径为5mm,且内径为0.5mm。
图1显示了用于传感器设备中的组件的简化布置。该图显示了在其内表面上涂覆有光学活性三芳基胺化合物薄膜的毛细管。通过暴露于合适波长的光而激发所述化合物,且使用合适的检测器测量该化合物对该暴露的响应(就光致发光而言)。然后,使激发的化合物暴露于待分析的空气(在该图中称为“被污染的空气”)中。还检测由于存在于所述空气中的分析物与所述激发的化合物相互作用而导致的发光强度的任何变化。预先测定激发化合物对一系列分析物的响应,这能解析获得的结果。然而,本发明所用三芳基胺化合物的定性响应本身可立即识别爆炸物和爆炸物相关物质,即使当存在有日常化学品如化妆品和香料时。
具有所述三芳基胺化合物的基材(即传感元件)应不时更换,因此可被视为是可消耗的。所述设备的传感能力还可通过安装具有三芳基胺化合物的基材而调整/调节,其中所述三芳基胺化合物对感兴趣的分析物具有所需的传感能力。然后,还可能需要基于所用的化合物进行其它改变如设备操作温度、激发波长等。应由此理解的是,传感元件本身为用于适于接收所述基材的传感设备中的商品。传感元件也构成本发明的一部分。
本发明还提供了一种传感设备,其包括本文所述的传感元件。
参照下文非限制性实施例和对比实施例阐述本发明的实施方案。
对比实施例1
发现包含荧光共轭聚合物的常规设备在暴露于标准TNT源(图2中未示出,其包括在用于校验正确操作的设备中)时显示出~1-2%的荧光降低。然而,当将所述设备暴露于一系列日常化妆品、化学品、溶剂等时,由于荧光信号降低,大部分都被“检测出”。将该设备以一次一种的方式暴露于各种物质。该常规设备不能容易地识别爆炸物和日常化学品。
实施例1
用含以三苯基胺为中心的噻吩的化合物通过如下方式涂覆具有如下尺寸长度=54mm、外径=5mm且内径为0.5mm的玻璃毛细管的通道:使用氮气流将所述物质在甲苯中的溶液吹过该毛细管。然后,将涂覆的毛细管相继暴露于一系列日常化学品和硝基芳族化合物(参见图3)的蒸气。未使用物质的蒸气混合物。暴露于硝基芳族化合物导致荧光信号猝灭,而所有日常化学品给出了增强的荧光信号。以此方式,所述传感设备显示出选择性。
在图3中,X轴(时间)表示从所述设备暴露于特定物质的实验开始时的时间。
实施例2
用含以三苯基胺为中心的噻吩的树枝状大分子(图4)通过如下方式涂覆如上文的玻璃毛细管的通道:使用氮气流将所述物质在甲苯中的溶液吹过所述毛细管。然后,将涂覆的毛细管相继暴露于一系列日常化学品和硝基芳族化合物的蒸气。如实施例1那样,结果表明所述树枝状大分子在暴露于一系列日常化学品的蒸气时显示出荧光信号增强,而在暴露于硝基芳族化合物DNT和pNT时,显示出猝灭。因此通过添加树枝块进行的结构改性并未改变基本传感性能。
对比实施例2
在玻璃毛细管(与实施例1相同)内测试联芴树枝状大分子(参见图5,已知其被硝基芳族化合物蒸气强烈猝灭)以确定其是否具有与在三苯基胺系化合物中观察到的相同选择性特征。遵循对实施例1和2中化合物所述的相同测试程序。荧光信号表明,对除萘之外的所有日常化合物以及硝基芳族化合物具有猝灭响应。甲苯显示出猝灭/增强的组合,这可能是由于溶胀导致传感膜光学性能发生变化所致。该行为与初始对比实施例1类似。
实施例3
测试图6中所示的以三苯基胺为中心的芴树枝状大分子以确定三苯基胺噻吩组合对于所观察到的选择性是否必需。仅芴系化合物(如实施例2中所述的化合物)未显示出选择性。所有测试再次如实施例1、2和对比实施例2那样通过用所述传感化合物涂覆传感元件(具有与实施例1相同尺寸的玻璃毛细管)内部而进行。结果显示出与对其它三苯基胺系化合物观察到的相同的选择性行为:仅硝基芳族化合物显示出荧光猝灭,而日常化学品导致荧光信号增强。还发现与所述含噻吩的化合物相比,所述单芴化合物对光氧化更稳定。
实施例4
通过将实施例2所用树枝状大分子的噻吩单元改变为两个芴基单元,观察到对一系列日常化学品和硝基芳族分析物的类似荧光响应(参见图7)。当以与先前实施例类似的方式测试时,发现如实施例3的单芴化合物一样,与用含噻吩的化合物获得的相比,光致发光强度更高且更稳定。重要的是注意到所测试且包括在所述实施例中的所有三苯基胺化合物均显示出对硝基芳族蒸气的选择性。
实施例5
合成三[4-(7-{3,5-双[4-(2-乙基己氧基)苯基]苯基}-9,9-二正丙基芴-2-基})苯基]胺(如图6所示)
将三(4-碘苯基)胺(93.5mg,0.15mmol)(Majumdar,K.C.;Chattopadhyay,B.;Shyam,P.K.;Pal,N.Tetra.Lett.2009,50,6901-6905)、L3(Jeeva,S.;Moratti,S.C.Synthesis 2007,21,3323-3328)(646mg,0.75mmol)、四(三苯基膦)钯(0)(26mg,0.0225mmol)、甲苯(15mL),tBuOH(3mL)和碳酸钠水溶液(2M,7.5mL)的混合物置于真空下,然后用N2回充三次,然后在70℃下回流48小时。在冷却至室温后,分离各层。水相用乙酸乙酯(3×50mL)萃取,合并的有机相用盐水(2×50mL)洗涤,经无水MgSO4干燥,过滤并真空蒸发。残余物通过柱色谱法经二氧化硅使用二氯甲烷:己烷(4:10)作为洗脱液纯化,从而获得浅黄色固体状产物(238mg,65%)。
元素分析(%):C117H207NO6的计算值:C 86.96,H 8.54,N 0.57;实测值:C 86.76,H 8.40,S 0.35。1H NMR(δ,400MHz,CDCl3):7.80-7.82(6H,m,bpH),7.77(6H,J=2,d,ApH),7.61-7.71(32H,m,spH,FH),7.33-7.34(6H,br,FH),7.03-7.06(12H,1/2AA'BB',spH),3.90-3.95(12H,m,OCH2),2.05-2.08(12H,m,PrCH2),1.76-1.80(6H,m,EtCH),1.31-1.59(48H,m,EtCH2),0.91-0.98(36H,m,EtCH3),0.73-0.83(30H,m,PrH)。13C NMR(δ,400MHz,CDCl3):159.2,151.8,151.7,146.7,142.7,142.1,140.3,140.1,139.7,139.5,136.0,133.6,128.4,127.9,126.3,125.6,124.5,124.4,124.2,121.7,121.0,119.9,114.9,70.6,55.5,42.9,39.4,30.5,29.1,23.9,23.1,17.3,14.6,14.1,11.1。λ最大(CH2Cl2)/nm:376(ε/dm3mol-1cm-1:7.6×10-6)。MS(MALDI-TOF,DCTB)分析:C117H207NO6的计算值:2443.60(100.0%),2444.60(97.1%),2445.60(61.0%),2442.59(51.5%),2446.61(29.5%),2447.61(11.9%),2448.61(3.7%),2445.61(2.2%),2446.60(1.4%)。实测值:2443.35(100.0%),2444.33(97.0%),2445.29(60.5%),2442.39(48.6%),2446.26(30.6%),2447.26(11.1%),2448.23(5.5%)。[Mt];T5%417℃;Tg=106℃(DSC);E1/2(Ox)0.37V,相对于二茂铁离子(ferrocenium)/二茂铁偶对;在甲苯中的PLQY(光致发光量子产率)=69%。
实施例6
合成三[4-(7-{7-[3,5-双(4-{2-乙基己氧基}苯基)苯基]-9,9-二正丙基芴-2-基}-9,9-二正丙基芴-2-基)苯基]胺(如图7所示)
将三(4-碘苯基)胺(63mg,0.1mmol)、L4(Liedtke,A.;O'Neill,M.;Wertmoller,A.;Kitney,S.P.;Kelly,S.M.Chemistry of Materials2008,20,3579-3586)(550mg,0.5mmol)、四(三苯基膦)钯(0)(17mg,0.015mmol)、甲苯(15mL)、tBuOH(3mL)和碳酸钠水溶液(2M,5mL)的混合物置于真空下,然后用N2回充三次,然后在70℃下回流48小时。在冷却至室温后,分离各层。水相用乙酸乙酯(3×50mL)萃取,合并的有机相用盐水(2×50mL)洗涤,经无水MgSO4干燥,过滤并真空蒸发。残余物在两个步骤中纯化:首先为经二氧化硅使用二氯甲烷:正己烷混合物(6:10)作为洗脱液的柱色谱法;最后,通过Chromatotron色谱法(2mm二氧化硅板)用二氯甲烷:正己烷混合物(5:100-25:100)洗脱分离级分,从而获得浅黄色固体状化合物(197mg,62%)。
元素分析(%):C234H267NO6的计算值:C 88.11,H 8.44,N 0.44;实测值:C 87.90,H 8.68,N 0.54。1H NMR(δ,400MHz,CDCl3):7.76-7.80(12H,m,FH),7.70(6H,J=2,d,ApH),7.63-7.67(44H,m,spH,FH),7.33-7.35(6H,J=3,d,ApH),7.03-7.05(12H,1/2AA'BB',spH),3.91-3.93(12H,m,OCH2),2.08(24H,m,PrCH2),1.75-1.81(6H,m,EtCH),1.33-1.55(48H,m,EtCH2),0.91-0.98(96H,m,PrH,EtCH3)。13C NMR(δ,400MHz,CDCl3):159.2,151.8,151.7,146.7,142.6,142.0,140.5,140.4,140.3,140.0,1139.9,139.7,136.1,133.6,128.4,127.9,126.2,126.1,125.6,124.4,124.2,121.8,121.4,121.8,121.4,121.0,120.0,119.9,114.9,70.6,55.6,55.5,42.9,39.4,30.6,29.1,16.9,23.9,23.1,17.3,14.6,14.5,11.1。λ最大(CH2Cl2)/nm:379(ε/dm3mol-1cm-1:9.6×10-6)。MS(MALDI-TOF,DCTB)分析:C234H267NO6的计算值:3189.07(100.0%),3190.07(85.7%),3188.07(78.0%),3191.08(53.4%),3187.06(30.4%),3192.08(28.0%),3193.08(12.0%),3194.09(4.0%);实测值:3189.17(100.0%),3188.17(85.9%),3190.17(84.7%),3191.18(60.8%),3187.20(37.3%),3192.19(33.9%),3193.18(19.8%),3194.21(12.4%);[Mt];T5%415℃;Tg=68℃(DSC);E1/2(Ox)0.35V,相对于二茂铁离子/二茂铁偶对;在甲苯中的PLQY(光致发光量子产率)=79%。
实施例7
测试图8中所示的三苯基胺系聚合物以确定三苯基胺系聚合物是否可用于显示必需的选择性。所有测试再次以类似于实施例1、2和对比实施例2的方式通过用传感化合物涂覆传感元件的内部而进行。结果显示出与对其它三苯基胺系化合物观察到的相同的选择性行为:仅硝基芳族化合物显示出荧光猝灭,而日常化学品导致荧光信号可忽略不计的变化。在该实施例中,所述聚合物中的每个重复单元具有2个三苯基胺基团,它们具有共用的苯基。
实施例8
测试实施例6的三苯基胺系化合物以确定在其它化学品存在下是否可检测出硝基芳族化合物(对硝基甲苯)。所有测试再次以类似于实施例1、2和对比实施例2的方式通过用传感化合物涂覆传感元件的内部而进行。图9所示的结果表明,检测出对硝基甲苯,其中相关响应从左至右对应于1-18,18标记为参比点。DNT为2,4-二硝基甲苯,PNT为对硝基甲苯,DNB为1,4-二硝基苯且(p)表示香料样品。
实施例9
测试图10b中所示的三苯基胺系化合物以进一步证实引入三苯基胺的化合物显示出选择性。所有测试再次如实施例1、2和对比实施例2那样通过用传感化合物涂覆传感元件的内部而进行。图10a中两个图所示的结果表明,选择性行为与对其它三苯基胺系化合物观察到的相同:仅硝基芳族化合物显示出荧光猝灭,而日常化学品导致荧光信号增强。
实施例10
研究图11中所示的三苯基胺系化合物以确定引入多个三苯基胺单元的分子是否也显示出选择性。此外,所述结构与许多先前实施例的不同之处在于,三苯基胺不是位于分子的中心,而是位于周边。所有测试再次以类似于实施例1、2和对比实施例2的方式通过用所述传感化合物涂覆传感元件(在这种情况下,为具有如下尺寸的毛细管:长度=54mm,外径=5mm,内径=0.5mm)内部而进行。观察到的行为与其它三苯基胺系化合物的实施例相符,硝基芳族化合物DNT导致荧光信号降低,而乙醇导致少许增强。
实施例11
图12中所示的化合物类似于实施例10所示的化合物,但通过增加芴单元而具有扩展的生色团。所有测试再次以类似于实施例1、2和对比实施例2的方式通过用传感化合物涂覆传感元件(在这种情况下,为具有如下尺寸的毛细管:长度=54mm,外径=5mm,内径=0.5mm)的内部而进行。传感行为类似于实施例10中的单芴化合物的行为,但荧光信号的响应和恢复较慢。
实施例12
合成2-溴-7-[4-(2-乙基己氧基)苯基]-9,9-二正丙基-9H-芴
将2-溴-7-碘-9,9-二正丙基-9H-芴(300mg,0.66mmol)(Liedtke,A.,O'Neill,M.,Wertmoller,A.,Kitney,S.P.和Kelly,S.M.,Chem.Mater.2008,20,3579-3586)、2-[4-(2-乙基己氧基)苯基)]-4,4,5,5-四甲基-1,3,2-二氧杂环戊硼烷(219mg,0.66mmol)(Song,B.J.,Song,Η.M.,Choi,I.T.,Kim,S.K.,Seo,K.D.,Kang,M.S.,Lee,M.J.,Cho,D.W.,Ju,M.J.和Kim,Η.K.,Chem.Eur.J.,2001,17,11115-11121)、碳酸钾(364mg,2.6mmol)、甲苯(3.1mL)、tBuOH(1.3mL)和水(1.3mL)添加至Schlenk管中并用Ar吹扫15分钟,然后在Ar逆流下添加四(三苯基膦)钯(0)(76mg,0.066mmol),再用Ar吹扫所述混合物5分钟。将所述混合物在剧烈搅拌下在62℃下加热3天,然后冷却至室温并用乙酸乙酯(20mL)和水(20mL)稀释。分离有机相并用水(3×20mL)和盐水(50mL)洗涤,经无水MgSO4干燥,过滤并真空蒸发。残余物通过柱色谱法经二氧化硅使用己烷/乙酸乙酯(1:0-49:1)作为洗脱液、随后通过色谱法使用Chromatotron装置经二氧化硅使用己烷:二氯甲烷(1:0-93:7)作为洗脱液纯化。这获得了粘稠无色油状产物(250mg,71%)。
1H NMR(δ,400MHz,CDCl3):7.69-7.66(1H,d,J=12Hz,FlH),7.59-7.42(8H,m,FlH+PhH),7.04-6.98(2H,AA'BB',J=12Hz,PhH),3.91-3.89(2H,d,J=8Hz,OCH 2),2.00-1.90(4H,m,PrH),1.81-1.70(1H,m,CH(CH2)3),1.31-1.59(8H,m,EtHexCH 2),0.91-0.98(6H,m,EtHexCH 3),0.73-0.83(10H,m,PrH)。13C NMR(δ,100MHz,CDCl3):159.2,153.3,151.2,140.5,140.1,138.8,133.9,130.1,128.3,126.4,125.9,121.3,121.1,121.0,120.2,115.1,70.9,55.9,42.9,39.6,30.8,29.3,24.1,23.3,17.4,14.6,14.3,11.3。
实施例13
合成三[4-(7-{4-[2-乙基己氧基]苯基}-9,9-二正丙基-9H-芴-2-基)苯基]胺
将2-溴-7-[4-(2-乙基己氧基)苯基]-9,9-二正丙基-9H-芴(200mg,0.37mmol)、三[4-(4,4,5,5-四甲基-1,3,2-二氧杂环戊硼烷-2-基)苯基]胺(58mg,0.094mmol)(M Nicolas,B Fabre,J.M Chapuzet,J Lessard,J Simonet,Journal of Electroanalytical Chemistry,2000,482,211-216)、碳酸钾(204mg,1.48mmol)、四(三苯基膦)钯(0)(43mg,0.037mmol)、tBuOH(0.7mL)、水(0.7mL)和甲苯(2.1mL)添加至Schlenk管中并用Ar吹扫15分钟。将所述混合物在剧烈搅拌下在110℃下加热3天,然后冷却至室温并用乙酸乙酯(50mL)稀释。分离有机相并用水(3×50mL)和盐水(50mL)洗涤,经无水MgSO4干燥,过滤并真空蒸发。残余物通过色谱法使用Chromatotron装置经二氧化硅用二氯甲烷:己烷(0:1-3:17)洗脱纯化,从而获得浅黄色固体状产物(30mg,20%)。
1H NMR(δ,300MHz,CDCl3):7.77-7.73(6H,m,PhH),7.65-7.53(24H,m,FlH+PhH),7.03-7.00(6H,d,J=11Hz),3.92-3.90(6H,d,J=6Hz,OCH 2),2.07-2.04(12H,m,PrH),1.82-1.76(3H,m,CH(CH2)3),1.60-1.35(24H,m,EtHexCH2),1.00-0.92(18H,m,EtHexCH 3),0.83-0.70(30H,m,PrH);对C117H135NO3的分析:计算值:1603.05(100.0%),1602.04(78.0%),1604.05(64.0%),1605.05(26.5%),1606.06(8.7%),1607.06(2.2%),1605.06(1.0%)。实测值:1602.65(100.0%),1601.70(82.9%),1603.63(72.2%),1604.58(32.2%),1605.55(7.2%),1606.61(3.1%)。
实施例14
合成7-溴-7'-[4-(2-乙基己氧基)苯基]-9,9,9',9'-四正丙基-9H,9'H-2,2'-联芴
将7-溴-7'-碘-9,9,9',9'-四正丙基-9H,9'H-2,2'-联芴(500mg,0.71mmol)(Cavaye,Η.;Shaw,P.E.;Wang,X.;Burn,P.L.;Lo,S.-C.;Meredith,P.Macromolecules 2010,43,10253-10261)、2-[4-(2-乙基己氧基)苯基]-4,4,5,5-四甲基-1,3,2-二氧杂环戊硼烷(236mg,0.71mmol)(Song,B.J.,Song,Η.M.,Choi,I.T.,Kim,S.K.,Seo,K.D.,Kang,M.S.,Lee,M.J.,Cho,D.W.,Ju,M.J.和Kim,Η.K.,Chem.Eur.J.,2001,17,11115-11121)、碳酸钾(392mg,2.8mmol)、甲苯(4.2mL)、tBuOH(1.4mL)和水(1.4mL)添加至Schlenk管中,然后用Ar吹扫15分钟。然后在Ar逆流下添加四(三苯基膦)钯(0)(82mg,0.071mmol),再用Ar吹扫所述混合物5分钟,然后将所述混合物在剧烈搅拌下在62℃下加热3天。在该段时间后,将所述反应冷却至室温并用乙酸乙酯(50mL)和水(50mL)稀释。分离有机相并用水(3×30mL)和盐水(50mL)洗涤,经无水MgSO4干燥,过滤并真空蒸发。残余物通过柱色谱法经二氧化硅使用己烷/乙酸乙酯(96:4)作为洗脱液、随后通过色谱法使用Chromatotron装置经二氧化硅使用己烷:二氯甲烷(0:1-9:1)作为洗脱液纯化。这获得了无色固体状产物(127mg,23%)。
1H NMR(δ,400MHz,CDCl3):7.79-7.73(3H,m,FlH),7.66-7.46(11H,m,FlH+PhH),7.04-6.98(2H,AA'BB',J=12Hz,PhH),3.92-3.90(2H,d,J=8Hz,OCH 2),2.08-1.94(8H,m,PrH),1.80-1.73(1H,m,CH(CH2)3),1.58-1.30(8H,m,EtHexCH 2),0.91-0.98(6H,m,EtHexCH 3),0.73-0.83(20H,m,PrH)。13C NMR(δ,100MHz,CDCl3):159.1,153.4,151.9,151.8,151.3,141.2,140.4,140.2,140.1,140.0,139.5,139.3,134.1,130.2,128.3,126.5,126.5,126.4,126.3,125.8,121.5,121.3,121.2,121.2,121.1,120.2,120.1,120.0,115.0,70.8,55.9,55.7,43.0,42.9,39.6,30.7,29.3,24.1,23.3,17.5,17.4,14.7,14.6,14.3,11.3。
实施例15
合成三[4-(7'-{4-[2-乙基己氧基]苯基}-9,9,9',9'-四正丙基-9H,9'H-[2,2'-联芴]-7-基)苯基]胺(结构示于图10b中)
将7-溴-7'-[4-(2-乙基己氧基)苯基]-9,9,9',9'-四正丙基-9H,9'H-2,2'-联芴(400mg,0.51mmol)、三[4-(4,4,5,5-四甲基-1,3,2-二氧杂环戊硼烷-2-基)苯基]胺(64mg,0.01mmol)(M Nicolas,B Fabre,J.M Chapuzet,J Lessard,J Simonet,Journal of ElectroanalyticalChemistry,2000,482,211-216)、三(邻甲苯基)膦(18mg,0.06mmol)、乙酸钯(II)(3.4mg,0.015mmol)、四正丁基溴化铵(80mg,0.25mmol)、磷酸钾(433mg,2.04mmol)、甲苯(2mL)和水(0.5mL)添加至Schlenk管中并用Ar吹扫15分钟,然后在剧烈搅拌下在100℃下加热3天。在该段时间后,将所述反应冷却至室温并用乙酸乙酯(20mL)稀释。分离有机相并用水(4×50mL)和盐水(50mL)洗涤,经无水MgSO4干燥,过滤并真空蒸发。残余物通过柱色谱法经二氧化硅使用己烷:乙酸乙酯(97:3)作为洗脱液、随后通过色谱法使用Chromatotron装置经二氧化硅使用己烷:二氯甲烷(0:1-9:1)作为洗脱液纯化。这获得了浅黄色固体状产物(32mg,28%)。
1H NMR(δ,400MHz,CDCl3):7.82-7.76(12H,m,FlH),7.68-7.55(36H,m,FlH+PhH),7.35-7.33(6H,d,J=8Hz,PhH),7.03-7.01(6H,AA'BB',J=8Hz,PhH),3.92-3.91(6H,d,J=4Hz,OCH 2),2.11-2.04(24H,m,PrH),1.79-1.73(3H,m,CH(CH2)3),1.57-1.34(24H,m,EtHexCH 2),0.98-0.91(18H,m,EtHexCH 3),0.86-0.70(60H,m,PrH);对C174H195NO3的分析:计算值:2347.52(100.0%),2348.52(95.1%),2349.52(58.4%),2346.51(52.5%),2350.53(27.9%);实测值:2347.26(100.0%),2348.27(99.3%),2349.27(69.5%),2346.26(54.2%),2350.25(41.1%)。
实施例16
合成2,7-双[4,4'-N,N-二苯基苯胺]-9,9-二正丙基芴(结构示于图11中)
将4-(N,N-二苯基氨基)苯基硼酸(1.05g,3.60mmol)(Li,Z.H.;Wong,M.S.,Org.Lett.2006,8,1499-1502)、2,7-二溴-9,9-正丙基芴(490mg,1.20mmol)(Aldred,M.P.;Hudson,R.;Kitney,S.P.;Vlachos,P.;Liedtke,A.;Woon,K.L.;O'Neill,M;Kelly,S.M.Liquid Crystals 2008,35,413-427)、四(三苯基膦)钯(0)(139mg,0.12mmol)、四氢呋喃(15mL)和碳酸钠水溶液(2M,4mL)的混合物置于真空下,然后用氩气回充三次,然后在80℃下加热48小时。在冷却至室温后,分离各层。水相用二氯甲烷(10×50mL)萃取,合并的有机相用盐水(2×100mL)洗涤,经无水Na2SO4干燥,过滤并真空蒸发。残余物通过柱色谱法经二氧化硅使用甲苯:石油醚(1:3)作为洗脱液纯化,从而获得浅黄色固体状产物(610mg,69%)。
元素分析(%):C55H48N2的计算值:C 89.63,H 6.56,N 3.80;实测值:C 89.28,H 6.60,N 3.69。1H NMR(δ,500MHz,CDCl3):7.73-7.7.74(2H,m,FlH),7.55-7.58(8H,m,FlH+TpaH),7.27-7.30(8H,m,TpaH),7.14-7.19(12H,m,TpaH),7.03-7.06(4H,m,TpaH),2.00-2.03(4H,m,PrH),0.73-0.80(4H,m,PrH),0.67-0.70(6H,m,PrH)。13C NMR(δ,125MHz,CDCl3):151.6,147.7,147.0,139.7,139.4,135.6,129.3,127.8,125.5,124.3,124.1,122.9,120.9,119.9,55.4,42.9,17.3,14.5。
实施例17
合成7,7'-双[4,4'-双(N,N-二苯基苯胺)]-9,9,9',9'-四正丙基-9H,9'H-2,2'-联芴(结构示于图12中)
将4-(N,N-二苯基氨基)苯基硼酸(1.15g,4.00mmol)(Li,Z.Η.;Wong,M.S.Org.Lett.2006,8,1499-1502)、7,7'-二溴-9,9,9',9'-四正丙基-2,2'-联芴(871mg,1.33mmol)(Kelley,C.J.;Ghioghis,A.;Qin,Y.;Kauffman,J.M.;Novinski,J.A.;Boyko,W.J.J.Chem.Res.,Miniprint 1999,0401-0418)、四(三苯基膦)钯(0)(153mg,0.13mmol)、四氢呋喃(15mL)和碳酸钠水溶液(2M,4mL)的混合物置于真空下,然后用氩气回充三次,然后在80℃下回流48小时。在冷却至室温后,分离各层。水相用乙酸乙酯(4×50mL)和二氯甲烷(3×50mL)萃取,合并的有机相用盐水(2×100mL)洗涤,经无水Na2SO4干燥,过滤并真空蒸发。残余物通过柱色谱法经二氧化硅使用甲苯:石油醚(1:3)作为洗脱液纯化,从而获得浅黄色固体状产物(722mg,55%)。
元素分析(%):C74H68N2的计算值:C 90.20,H 6.96,N 2.84;实测值:C 90.13,H 7.02,N 2.78。1H NMR(δ,500MHz,CDCl3):7.76-7.7.80(4H,m,Fl),7.64-7.68(4H,m,FlH),7.57-7.60(8H,m,FlH+TpaH),7.26-7.31(8H,m,TpaH),7.15-7.21(12H,m,TpaH),7.03-7.07(4H,m,TpaH),2.05-2.09(8H,m,PrH),0.77-0.84(8H,m,PrH),0.70-0.74(12H,m,PrH)。13C NMR(δ,100MHz,CDCl3):151.71,151.68,147.7,147.1,140.4,140.0,139.7,139.5,135.6,129.3,127.8,126.1,125.5,124.4,124.0,122.9,121.3,121.0,120.0,119.9,55.5,42.9,17.3,14.6。
实施例18
测试图13中所示的三苯基胺系化合物以进一步证实引入三苯基胺的化合物显示出选择性。所有测试再次以类似于实施例1、2和对比实施例2的方式通过用传感化合物涂覆传感元件内部而进行。结果与其它三苯基胺系化合物的实施例相符,硝基芳族化合物DNT导致荧光信号降低,而乙醇导致少许增强。
Claims (12)
1.一种用于基于发光响应检测分析物的传感元件,所述传感元件包括作为涂层提供在基材上的发光三芳基胺化合物。
2.根据权利要求1的传感元件,其中所述涂层具有至多100nm的厚度。
3.根据权利要求1或2的传感元件,其中将所述涂层提供在毛细管的内表面上。
4.根据权利要求3的传感元件,其中所述毛细管具有100μm至1mm的内径和至多100mm的长度。
5.根据权利要求1的传感元件,其中所述三芳基胺化合物包含与三芳基胺结构部分的三个芳基的各个结合的共轭分子结构。
6.根据权利要求1的传感元件,其中所述三芳基胺化合物由式(I)表示:
其中各个Ar表示芳基结构部分;R1、R2、R3为相同或不同的包含一个或多个直接一起或者经由一个或多个烯基或乙炔基连接的芳基或杂芳基的共轭分子结构;X1、X2、X3独立地选自将Ar与相应的基团R1、R2、R3连接的共轭结构部分和/或氮原子;且x、y和z独立为0、1、2、3或4。
7.根据权利要求6的传感元件,R1、R2和R3中的至少一个为树枝块。
8.根据权利要求7的传感元件,其中R1、R2和R3中的一个或多个为相同或不同的下式基团:
-(DENDRON)-B
其中DENDRON表示含多个支链的共轭树枝状分子结构,各个支链用末端芳基或杂芳基封端,且B表示与封端支链的末端芳基和/或杂芳基相连的任选表面基团。
9.一种用于基于发光响应检测分析物的传感器设备,所述传感器设备包括根据权利要求1的传感元件。
10.根据权利要求9的传感器设备,包括用于提供与所述三芳基胺化合物相互作用的电磁辐射的激发源、用于接收来自所述三芳基胺化合物的光的光检测器、使光检测器的输出可视化或以其它方式表现以进行解析的组件,和一个或多个用于调节和检测设备部件的温度的温度控制元件。
11.一种检测分析物的方法,所述方法包括:
(i)使含三芳基胺结构部分的发光化合物与分析物相互作用并测量所述化合物在所述分析物存在下的发光性质;
(ii)检测在步骤(i)中测得的发光性质与所述化合物在步骤(i)中的发光性质测量之前的发光性质之间的差异;和
(iii)基于在步骤(ii)中检测到的发光性质差异确定是否存在所述分析物。
12.根据权利要求11的方法,包括:
(a)激发含三芳基胺结构部分的发光化合物并测量所述化合物的发光性质;
(b)使所述化合物与所述分析物相互作用并测量所述化合物在所述分析物存在下的发光性质;
(c)检测在步骤(a)和(b)中测得的发光性质的差异;和
(d)基于在步骤(c)中检测到的发光性质差异确定是否存在所述分析物。
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