实验七 芘甲醛荧光化学传感性能测定
一、实验目的
1．了解荧光传感分子的工作原理和分子结构设计思想；
2．掌握芘甲醛的甲醇传感器的工作原理；
3．学习荧光化学传感特性的测试方法。
二、实验原理
荧光化学传感分子是由于外来物种存在而引起其荧光性质（如荧光强度或荧光位移或荧光寿命等）发生显著变化。荧光传感分子在结构上由三个部分构成，分别为：荧光报告器（Reportor）、接收器（Receiver）与连接器（Relay）部分，简称3R结构。此外，荧光传感分子还需要具有高度灵敏性（Sensitivity）和卓越的选择性（Selectivity），简称2S特性。当接收器和外来物种结合后，导致荧光化学传感分子的物理性质变化，如荧光猝灭、荧光增强或荧光峰位位移（即发光颜色改变），进而达到传递某些特定信息的目的。
芘甲醛分子由于醛基的微扰使得芘甲醛不发光。当醇羟基与醛基作用形成氢键后，芘甲醛的荧光量子产率将发生突跃性增大，因而具有识别醇的作用。具体机理是：芘甲醛的激发单线态属于n-π*跃迁，在溶液中不发光；当醛基与醇羟基形成氢键后，使化合物分子的最低激发单线态由于n-π*跃迁转化为π-π*跃迁，发光能力大大增强，从而传递外来物种即醇入侵的信息。芘甲醛在与氢键诱导下n-π*跃迁转化为π-π*跃迁的能级变化如图7-1所示。
图7-1 甲醇诱导芘甲醛发光机理
图7-2是将芘甲醛的正己烷溶液滴入不同溶剂中（所得溶液浓度为50 µmol ⋅ dm−3）测得的荧光响应情况。可见，芘甲醛对于醇类具有很好的荧光响应；对于含氧非醇类溶剂（如DMF、THF和二氧六环等）与不含氧溶剂（如甲苯、氯仿和乙腈等），则几乎没有荧光响应。
图7-2 芘甲醛（50 µmol ⋅ dm−3）在不同溶剂中的荧光响应
1—1,4-二氧六环，2—丙酮，3—四氯化碳，4—DMF，5—环己烷，6—甲苯，7—氯苯，8—三氯甲烷，
9—THF，10—乙腈，11—乙醚，12—乙酸乙酯，13—正己烷，14—甲醇，15—乙醇，16—正丙醇，
17—正丁醇，18—正戊醇，19—正己醇，20—正庚醇，21—正辛醇
以芘甲醛在450 nm处的荧光强度为纵坐标、甲醇的浓度为横坐标作图（如图7-3所示）可以看出：随着甲醇摩尔浓度的增加，芘甲醛的荧光强度剧增，近似一条直线，据此工作曲线可检测一定浓度范围内的甲醇含量。
图7-3 芘甲醛荧光强度与甲醇浓度的关系（芘甲醛浓度50 µmol ⋅ dm−3，甲苯溶剂）
三、仪器与试剂
1．仪器：荧光光谱仪、比色皿、移液器、容量瓶等。
2．试剂：甲醇（光谱纯）、芘甲醛、甲苯（光谱纯）、乙醇、丙酮、DMF等。
四、实验步骤
1．溶液配制
（1）配制不同溶剂的芘甲醛溶液。称取一定量芘甲醛于洁净的10 mL容量瓶内，以甲苯为溶剂定容，配制得浓度为1 mol ⋅ dm−3的甲苯溶液为母液。
（2）用丙酮、DMF、甲醇为溶剂，将芘甲醛母液稀释为浓度为5 mmol⋅ dm−3芘甲醛的丙酮、DMF和甲醇溶液，分别记为1号、2号和3号。
（3）配制不同体积比的芘甲醛甲醇溶液，向上述母液中分别加入0.2 mL、0.4 mL、0.6 mL和0.8 mL的甲醇，得到体积比分别为0.02∶1、0.04∶1、0.06∶1和0.08∶1的芘甲醛甲醇溶液。
（4）向母液中加入一定体积的甲醇，制成未知浓度的样品。
2．荧光光谱测试
（1）开启荧光光谱仪，预热待用。
（2）测试丙酮、DMF和甲醇不同溶剂的芘甲醛溶液的荧光光谱；
（3）测试不同体积比的芘甲醛甲醇溶液的荧光光谱，制作工作曲线；
（4）测试未知浓度的芘甲醛甲醇溶液样品的荧光光谱，在工作曲线中找出。
3．数据处理
测试结果列于表7-1中，并检测出未知浓度为_________。
表7-1 芘甲醛荧光传感检测甲醇及其含量
五、思考与讨论
1．简述荧光化学传感器的工作原理？
2．试分析本实验中芘甲醛作为甲醇的荧光传感分子的局限性。
3．芘甲醛荧光化学传感器对甲醇响应的工作原理是什么？
4．芘甲醛作为荧光传感分子，其报告器功能和接收器功能分别对应哪个基团？
5．芘甲醛荧光化学传感器对乙醇有无响应？
6．何为荧光化学传感分子的3R结构与2S特性？指出芘甲醛分子中每个基团的功能（3R）和2S特性。