1、2023年 第6期广东化工第50卷 总第488期237天然产物荧光探针的提取及荧光淬灭性质天然产物荧光探针的提取及荧光淬灭性质“大学化学实验”课程期末实验考试设计“大学化学实验”课程期末实验考试设计叶嘉文，张伟捷，陈玲*，莫宗文，王海平，刘捷威(五邑大学 生物科技与大健康学院，广东 江门529020)摘要使用天然产物进行荧光检测，可以大大提高其使用的安全性和降低对环境的污染。硝基苯是爆炸物的模型化合物，本实验从金鸡纳树皮中提取奎宁并酸化为硫酸盐。我们发现硝基苯可以对硫酸奎宁乙醇溶液进行有效的荧光淬灭，KSV值为0.2457 mM-1，检测限为78.97 ppm。该实验趣味性高，综合性强，可用于
2、我校“大学化学实验”期末实验考核。该实验便于在本科生课程开展，既包含有机、无机、分析基础操作，也涉及分析、物化公式的理解和运用。在全面考察课程内容知识点的基础上，可以客观、综合地检验学生的学习效果。同时，教学设计体现思政教育。关键词奎宁提取；硝基苯；荧光淬灭；淬灭常数；实验考试中图分类号TQ文献标识码A文章编号1007-1865(2023)06-0237-03The Extraction of Natural Fluorescent Probe and Fluorescence QuenchingProperty:A Designed Experiment for Final Examinat
3、ion of“College Chemistry Experiment”CourseYe Jiawen,Zhang Weijie,Chen Ling*,Mo Zongwen,Wang Haiping,Liu Jiewei(School of Biotechnology and Health Sciences,Wuyi University,Jiangmen 529020,China)Abstract:Using natural substances for fluorescent detecting can greatly improve the security and reduce the
4、 pollution for environment.Nitrobenzene is a modelcompound of explosives.In this experiment,quinine was extracted from peruvian bark and acidified to be the sulfate.And the fluorescence of quinine sulfate inethanol was found to be effectively quenched by nitrobenzene.The KSVvalue is 0.2457 mM-1and t
5、he LOD is calculated as 78.97 ppm.This experiment is interestingand comprehensive,which can be used for the final examination of“College Chemistry Experiment”course.It is convenient for implementing in undergraduateteaching.It not only contains some basic operations of inorganic,organic,and analytic
6、al chemistry,but also the understanding and application in formulas of bothanalytical and physical chemistry.Therefore,the designed experiment is helpful to check the learning outcome of students objectively and synthetically,on the basisof a comprehensive survey of knowledge points.Meanwhile,teachi
7、ng designs embody ideological and political education.Keywords:extraction of quinine；nitrobenzene；fluorescence quenching；quenching constant；experiment examination奎宁是一种从金鸡纳树皮中提取的，重要的天然荧光物质1。奎宁除了可以作为药物和奎宁汽水外，还可以作为一种很好的荧光分子探针，检测卤素离子2-4。荧光检测技术由于其具有选择性高、灵敏度高、无需电学连接和响应速度快等优点，被广泛应用于气体5、溶剂6、压力7、温度8、爆炸物9等检测当
8、中。天然产物荧光探针具有低毒、安全等特点，在人体或者公共场合的检测中非常有优势10。爆炸物为安全检查中最为常见的项目，而爆炸物主要成分为硝基化合物。硝基化合物由于 其 分 子 电 子 的 最 低 未 占 有 轨 道(Lowest UnoccupiedMolecular Orbital,LUMO)较低，非常容易吸收激发态物质的能量而产生荧光淬灭9。使用天然产物荧光物质对硝基化合物进行荧光探测，可以在公共场合使用中，如车站和机场等，大大减少对人体的危害和对环境的污染。“大学化学实验”是培养学生化学学习兴趣、科研思维和能力的重要基础实验课。为了全面、客观地考核学生对课程的掌握度，检验教师的教学效果，
9、选择合适的综合实验进行期末考核是较好的方法。通过引入新创实验作为期末考核实验，可以丰富学生的化学知识，培育科学素养。同时，可以从实验设计、实验药品、实验方法等为出发点，挖掘蕴含的思政教育点，进一步推进学生的全面培养。1实验实验1.1实验目的(1)从金鸡纳树皮提取天然荧光探针奎宁，并制备为硫酸奎宁。将硫酸奎宁配成乙醇溶液，加入一定量的硝基苯，针对硫酸奎宁对硝基苯的荧光传感性能进行评估。(2)将这个实验作为考试融入“大学化学实验”课程，综合无机、有机、物化等考点，并设定多个评分考察。以爆炸物的认知和检测作为课程思政，作为考试实验讨论的一部分。1.2实验原理金鸡纳树皮是最早用于治疗疟疾的中药材，国内
10、外科学工作者研究发现含有多种生物碱，其中奎宁占比最高。常见的从中药材种提取生物碱的方法有冷浸、超声、热回流、微波萃取、临界提取等。由于奎宁易溶于有机溶剂，常用有机溶剂浸泡来提取。蒲含林等人发现超声技术可以提高从金鸡纳树皮种提取硫酸奎宁的效率11。在紫外光下，奎宁溶液显明显的蓝光，其荧光可以被合适的淬灭剂淬灭12。荧光淬灭是指荧光分子与某些物质发生相互作用，导致荧光强度下降的物理或化学过程。氧、卤素、重金属离子及硝基化合物均是著名的荧光淬灭剂。荧光淬灭分动态淬灭和静态淬灭两种。其中，动态淬灭是荧光分子由于扩散而与淬灭剂分子发生的碰撞淬灭，一般过程中荧光分子的寿命会由于淬灭剂的加入而减短，且吸收光
11、谱无明显变化。其过程符合Stern-Volmer方程，如下所示：F0/F=1+KSVQ其中，F0为没有淬灭剂存在时的荧光强度；F为淬灭剂存在时的荧光强度；Q为淬灭剂浓度；KSV称为Stern-Volmer淬灭常数，是双分子淬灭速率常数与单分子衰变速率常数的比率。实际实验中，常以F0/F对Q作图，得到一直线，其斜率为KSV，即可求得淬灭常数。在有些情况下，荧光淬灭是由于荧光分子和淬灭剂分子形成没有荧光的基态配合物的结果，称为静态淬灭。过程中荧光强度和淬灭剂浓度之间的关系如下所示：F0/F=1+KQ该关系式与动态淬灭的相似，只是这里的K指的是不发光的配合物的形成常数13。单独通过分析荧光强度所得到
12、的荧光淬灭数据，难以判断淬灭的类型。一般需要通过分析淬灭过程中荧光寿命、吸收光收稿日期2022-09-07基金项目国家自然科学基金(22101211，22101210，21901189，21821003)作者简介叶嘉文(1990-)，男，广东佛山人，博士，讲师，主要研究方向荧光化合物。*为通讯作者。广东化工2023年 第6期第50卷 总第488期谱，温度和黏度的关系等，来综合判断荧光淬灭类型14。1.3实验过程1.3.1试剂及仪器无水乙醇，浓硫酸，氢氧化钙，氢氧化钠，硝基苯，活性碳，所有试剂及药品均为分析纯，购自阿拉丁公司。金鸡纳树皮为生药材，购自云南瑞丰成中药材公司。超声(JP050S，洁盟
13、)，荧光仪(FluoroMax+，Horiba)，紫外可见分光光度计(U3900，Hitachi)，核磁共振波谱仪(500 MHz，布鲁克)。1.3.2实验准备称取约100 g金鸡纳树皮，粉碎，往粗粉中加入乙醇800 mL，并加入20 g消石灰和70 mL 4%(质量分数)氢氧化钠溶液，搅拌均匀，室温超声2次(每次45分钟)。减压过滤，滤液浓缩，加入适量5%(质量分数)H2SO4溶液，过滤，滤液用活性炭脱色，并用氢氧化钠溶液调节pH为6.5左右，静置11。蒸馏掉部分乙醇后，过滤，真空干燥，得硫酸奎宁，分子式(C20H24N2O2)2H2SO42H2O。奎宁结构见图1。图图1奎宁的化学结构奎宁的
14、化学结构Fig.1The chemical structure of quinine1.3.3光谱实验1.3.3.1硫酸奎宁溶液的配置准确称取一定量的硫酸奎宁(392 mg，0.5 mmol)，用无水乙醇溶解，50.00 mL容量瓶定容，摇匀。配置成0.010 mol/L的硫酸奎宁的乙醇溶液。用移液管取上述浓度的硫酸奎宁溶液0.50 mL，加入到无水乙醇中，用100.00 mL容量瓶定容，摇匀。配置成5.010-5mol/L的硫酸奎宁溶液。1.3.3.2硝基苯溶液的配制分别移液管移取2.00，3.00，4.00，5.00，6.00 mL硝基苯乙醇溶液(硝基苯乙醇=5100，v/v，c=0.48
15、9 M)于10.00 mL容量瓶中，乙醇定容，摇匀。得到硝基苯浓度依此为0.0979，0.147，0.196，0.245，0.293 M的乙醇溶液。1.3.3.3荧光淬灭实验准确移取(1)溶液20.00 mL共6份，分别加入乙酸5.00mL，摇匀。其中第一份溶液不加硝基苯，其余26份溶液分别加入(2)所配置的硝基苯乙醇溶液0.50 mL。得下表所示含不同浓度硝基苯的硫酸奎宁乙醇溶液。表表1各样品硝基苯浓度计算结果各样品硝基苯浓度计算结果Tab.1The result of concentrations of nitrobenzene insamples from 16序号123456硝基苯浓度
16、/mM01.922.883.844.805.751.3.4实验结果我们使用核磁共振波谱对产物进行分析，并对主要的化合物分子上主要的氢进行了归属(如图2所示)。图图2硫酸奎宁在氘代乙醇的核磁氢谱硫酸奎宁在氘代乙醇的核磁氢谱Fig.21H NMR spectrum of quinine sulfate in ethanol-D6接着我们对样品溶液进展了紫外和荧光光谱测试。根据1号溶液(无硝基苯)的紫外可见吸收光谱(如图3所示)，260 nm为苯环内部的*跃迁，330 nm为孤对电子到苯环的n*的跃迁，在常见的紫外灯365 nm下，也有少量吸收。我们选取了330 nm作为最大激发波长，来收集各样品溶液的发射光谱。图图31号溶液的紫外可见吸收光谱及号溶液的紫外可见吸收光谱及16号溶液的荧光发射光谱号溶液的荧光发射光谱Fig.3The UV-vis absorption spectrum of 1 and the fluorescence spectra of 1616号溶液的荧光发射光谱如图3所示，在330 nm紫外光的激发光下，硫酸奎宁乙醇溶液的最大发射峰在437 nm左右，为较强的蓝色荧光