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HORIBA前沿用户报道|Angew. Chem.:区分D2O和H2O的光学探针设计新策略


光学探针 重水 荧光光谱

近日,四川大学卢志云教授团队成功地提出了一种能区分D2O和H2O的光学探针分子的理性设计策略,该项研究在比率型重水光学探针方面获得了突破性的研究成果。

区分D2O和H2O的必要性

重水是由氘和氧组成的化合物,分子式为D2O,在天然水中的含量极少,不到0.1%。无论是作为研究化学和生理变化中使用的材料,还是在原子能技术中的重要应用等等,重水在尖端技术上无疑是一种极为宝贵的资源。

重水的制备主要来自天然水,然而,由于氘与氢的性质差别极小,D2O和H2O的很多化学性质也较为相似,因此,如何利用化学方法将D2O中的H2O中高效区分出来,这是具有挑战性的研究工作。

光学探针新发现

光学探针是化学分析中较为常用的方法,具有操作方便、选择性高等优点,但目前重水光学探针不但种类稀少,而且响应机理复杂。近日,四川大学卢志云教授团队成功地提出了一种能区分D2O和H2O的光学探针分子的理性设计策略,其方法不但简单,而且更为高效。

卢志云教授团队通过文献调研发现:D2O和H2O的酸碱性有一定差异[pH(H2O) = 6.5~7.0,pD(D2O) = ~7.5]。因此,他们推断如果能开发出一种光学探针,其pKa值既能满足pD(D2O) ≥ pKa(探针)≥ pH(H2O),且其去质子化物种的光谱性质还可产生显著变化,那么就有望能实现定性区别H2O和D2O,以及对D2O中H2O的含量进行高效准确的定量检测。

两种探针的开发

基于该策略,作者开发了两种比率型光学探针:NIM-2F和AF,两者都含有酸性较强的酚羟基(-OH),其pKa值(分别为7.05和7.29)均能满足pD(D2O) ≥ pKa(探针)≥ pH(H2O)这一要求。在弱碱性环境中两者的酚羟基能够有效地去质子化,生成相应的酚氧负离子物种(-O-)。

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基于-OH和-O-基团的显著不同的供电子能力,初始物种(含-OH)和去质子化物种(含-O-)在吸收光谱和荧光光谱的性质上也产生了明显差别。

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结果表明,NIM-2F和AF均确能实现对H2O和D2O的定性区分。相较于已知的利用无机荧光材料与水和重水的物理作用差异来对两者进行区分的方法,这种利用水和重水的化学性质差异的光学分子探针对其进行区分的方法更为高效便捷。

在实验过程中,两种探针分子均表现出较高的选择性,除定性区分外,还可以实现对D2O中H2O含量的准确定量检测,且灵敏度令人满意,实验结果也较为理想。

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在定性和定量检测之余,作者借助稳态荧光、瞬态荧光、核磁滴定等多种研究手段,确定了上述探针分子对H2O和D2O的响应机制来自两者在酸碱性上的化学性质差异,而非其他化学或物理性质的差异。

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研究意义与背景

该项研究为发展新型高性能的重水探针分子提供了崭新的理性设计策略,对光学探针的基础研究也具有非常重要的意义。相关研究成果以《A Facile Strategy for the Construction of Purely Organic Optical Sensors Capable of Distinguishing D2O from H2O》为题,于近期发表在《Angew. Chem. Int. Ed.》2019期刊上,DOI: 10.1002/anie.201900806。

团队介绍&论文直达

文章的第一作者是四川大学化学学院的博士研究生罗艳菊和硕士研究生李川,通讯作者是卢志云教授以及郑徐军博士。全部作者为:Yanju Luo, Chuan Li, Wencheng Zhu, Xujun Zheng, Yan Huang, Zhiyun Lu。

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