Identification qualitative des acides carboxyliques, des acides boroniques et des amines aide fluorophores cruciforme

Cruciformes moléculaires sont définies comme des molécules conjuguées transversale en forme de X, dans lequel deux circuits de conjugaison se coupent à un noyau central. ^1,2,3 Avec substitution donneur-accepteur approprié, ces molécules peuvent localiser spatialement les orbitales moléculaires de frontière (COM), de telle sorte que la plus haute orbitale moléculaire occupée (HOMO) réside dominant le long de l'axe riche en électrons de la molécule, tandis que la plus basse orbitale moléculaire inoccupée (LUMO) présente la plus grande partie de sa densité d'électrons positionné le long du bras-pauvre de la molécule. Cet isolement spatial de FMOs est essentiel dans les applications de ces cruciformes que des capteurs pour les petites molécules, depuis analyte se liant à la croix change invariablement son écart HOMO-LUMO et les propriétés optiques associés. Ce comportement a été démontré dans cruciformes sur la base de 1,4-distyryl-2 ,5-bis (aryléthynyle) benzène, ¹ 1,2,4,5-tetrakisethynylbenzene, ⁴ et benzobisoxazole ^5,6 structurellemotifs. Comme les trois classes de molécules sont intrinsèquement fluorescent, cette méthodologie a permis leur utilisation en tant que capteurs de petites molécules. Dans les trois exemples, cruciformes ont été substitués par de base de Lewis et des groupes pyridine dialkylaniline et sont donc sensibles aux acides de Lewis des analytes, tels que les protons et les ions métalliques. ^1,4,5,7,8,9

En 2011, Bunz et ses collègues ont montré ¹⁰ que les réponses de fluorescence du 1,4-distyryl-2 ,5-bis (aryléthynyle) benzène cruciformes 1 - 3 (Figure 1) considérablement varié en fonction de la structure de l'acide carboxylique utilisé pour induire protonation du cruciforme. Par la suite, Miljanić et al. Ont démontré que benzobisoxazole cruciformes comme 4 (figure 1) montrent également des réponses d'émission de fluorescence très spécifiques en acides carboxyliques structurellement liés, et cette distinction similaire peut être observé chez les acides organoboroniques très similaires, aussi. ¹¹ origines de cettechangements très sélectifs de couleur d'émission sont actuellement pas claires, et sont complexes plus probable - que l'extinction de fluorescence par analytes électrons pauvres, la fluorescence d'un analyte résiduel et protonation induites déplacement des maxima d'émission de cruciformes tout doute jouer un rôle. Néanmoins, la capacité de distinguer entre les analytes structurellement liées est significatif, surtout depuis distinction statistiquement pertinentes peuvent être obtenues sans la nécessité d'effectuer UV exhaustive / absorption Vis ou la caractérisation de fluorescence de la réponse optique du cruciformes à analytes. Au lieu de cela, de simples photographies de couleur d'émission sont suffisamment distinctes pour permettre la discrimination entre les analytes structurellement étroitement liés, surtout si les photos sont prises dans différents solvants ou d'utiliser plus d'un capteur en croix. En utilisant cette méthode rapide, des dizaines d'analytes peuvent être analysés rapidement dans l'après-midi (voir panneaux de figures 3-5), alors que la même analyse exigeraitsemaines si spectroscopie rigoureuse a été employée. En outre, depuis les acides boroniques sont des espèces dynamiques qui peuvent se coordonner nucléophiles par le bore est vide orbitale p, Miljanić utilisé cette fonction pour développer des capteurs hybrides composées de benzobisoxazole cruciforme 4 et simple non-fluorescent boronique additifs B1 et B5 (Figure 4). ^{11, 12} Cette méthode est le suivant: 4 cruciforme et des acides boroniques complexes en un complexe transitoire 4 · n B1 (ou 4 · n B5), la structure précise de ce complexe est actuellement inconnue, mais sa fluorescence diffère de celle de la croix pur . Si cette solution est exposée à des composés basiques de Lewis, on peut remplacer un ou deux groupes-OH sur l'acide boronique, ¹³ modifiant ainsi de manière significative les propriétés électroniques de bore et, à son tour, la fluorescence de l'ensemble du complexe. En utilisant cette méthode "indirecte de détection", la détection des phénols, des amines organiques et des urées, ainsicomme de petits anions organiques et inorganiques, pourrait être atteint.

Dans cet article, nous présentons un tutoriel sur l'utilisation de deux méthodes de détection directe et indirecte à rapidement qualitativement distinguer structurellement liée (a) des acides carboxyliques (Figure 3), (b) des acides boroniques (figure 4), et, du fait d'autrui, ( c) les amines organiques (figure 5). Pour illustrer la large applicabilité des protocoles publiées, le cruciformes de Bunz ont été utilisés pour détecter des acides carboxyliques, tandis que les composés de MILJANIC ont été utilisées pour détecter des acides boroniques, et, grâce à un capteur hybride, petites amines organiques. Nous présumons que ces capteurs pourraient être facilement interchangeables sans conséquences majeures à la qualité de discrimination de l'analyte.

1. Détection d'acides carboxyliques Utilisation Distyrylbis (aryléthynyle) benzène cruciformes

1. Préparer une solution de frais de cruciformes 1-3 avec une concentration de 1,0 x 10 ^-3 mol / L dans le DCM. Il n'est pas nécessaire d'utiliser des solvants de qualité spectroscopiques; ACS pureté de qualité réactif est suffisante.
2. En utilisant les solutions de stock de 1,1 préparer 100 ml chacune de 2,0 x 10 ^-6 solution M de 1-3 dans le dichlorométhane (DCM), l'acétate d'éthyle (EtOAc), acétonitrile (AN), le N, N-diméthylformamide (DMF), l'alcool isopropylique (i PrOH) et de méthanol (MeOH). Il n'est pas nécessaire d'utiliser des solvants de qualité spectroscopiques; ACS pureté de qualité réactif est suffisante.
3. Peser 0,65 mmol (88,2 à 124,2 mg) de l'analyte acide carboxylique A1 - A10 dans 5 ml flacons DRAM, ajouter 5 ml des solutions préparées en 2.1 et agiter le flacon. Si hétérogène, la solution correspondante devrait être laissé au repos (filtration n'est pas nécessaire). Cela conduit à une concent totaleration de 0,13 M (31 g / L) de l'acide carboxylique.
4. Capturez des photos numériques de la fluorescence dans une pièce sombre en l'absence de lumière ambiante. L'installation photographique (figure 2) comprend un appareil photo numérique (EOS 30D) muni d'un objectif (AEF objectif zoom 18-55 mm) et les deux lampes UV (longueur d'onde d'excitation 365 nm). Les flacons non plafonnés doivent être placés sous les deux lampes UV pour une exposition maximale à une distance de 60 cm entre la lentille de la caméra et flacons. Les temps d'exposition variaient pour chaque solution pour produire des images qui reflètent la couleur d'émission (de 0,25 à 15 sec).

2. La détection des acides boroniques Utilisation benzobisoxazole cruciformes

1. Préparer une solution x 10 ^-4 M 1.0 de croix 4 dans le DCM. Il n'est pas nécessaire d'utiliser la qualité spectroscopique solvant; ACS pureté de qualité réactif est suffisante.
2. Préparer cinq solutions individuelles pour chaque analyte d'acide borique, en dissolvant 50 mg (0,24 à 0,41 mmol)de l'analyte dans 3 ml chacune de l'acétonitrile (AN), le 1,2,4-trichlorobenzène (TCB), le dichlorométhane (DCM), le cyclohexane (CH) et du chlorobenzène (CB). Cela devrait aboutir à env. 16,7 g / l de solutions par rapport à l'analyte. Il n'est pas nécessaire d'utiliser des solvants de qualité spectroscopiques; ACS pureté de qualité réactif est suffisante.
3. Transférer 1,8 ml de chacune des solutions d'analyte préparées en 2.2 en cinq 10 x 10 mm cuves en quartz distinctes (couramment utilisé pour la spectroscopie UV / VIS). Ensuite, ajouter 20 ul de la solution de croix préparé en 2.1 dans chacune des cinq cuvettes et mélanger les deux solutions pour homogénéiser. Si l'on observe une précipitation, la solution correspondante devrait tout simplement être laissé au repos (filtration n'est pas nécessaire).
4. Placez tous les cinq cuvettes sur une plaque de verre et les irradier par une lampe UV de poche (365 nm) par le haut. La lampe UV doit être positionné de façon à assurer l'irradiation égale à tous les cinq flacons.
5. Assurez-vous que la pièce est dark (éteindre les lumières, bloquer les fenêtres et autres sources de lumière naturelle et artificielle) et de prendre immédiatement une photographie numérique des couleurs d'émission des solutions. Miljanić et al. ont utilisé deux modèles d'appareils photo numériques: FujiFilm FinePix S9000 et Canon EOS Rebel T3i, avec une distance de 45 cm entre la lentille de la caméra et les cuvettes d'échantillons. La vitesse d'obturation est de 0,5 sec.

3. Détection d'analytes aminé à l'aide Cruciform benzobisoxazole / acides boroniques système de détection hybride

1. Préparer (au moins) 80 ml ​​chacune de 1,0 x 10 ^{-6 m} solutions de croix 4 dans l'acétonitrile (AN), le 1,2,4-trichlorobenzène (TCB), cyclohexane (CH), le dichlorométhane (DCM) et le chloroforme (CF ).
2. Dissoudre B1 (152,6 mg, 0,80 mmol) dans 40 ml de chacune des solutions préparées en 3.1.
3. Dissoudre B5 (97,6 mg, 0,80 mmol) dans 40 ml de chacune des solutions préparées en 3.1.
4. Immédiatement après que les solutions décrites dans les paragraphes 3.2 et 3.3 sont préparés, utilisez lem (2 ml chacune) pour dissoudre l'analyte amine désiré (40 mg, 0,19 à 0,47 mmol). Pour chaque analyte amine, dix solutions doivent être préparées: cinq avec B1 et B5 cinq avec comme additifs. Il n'est pas nécessaire d'utiliser des solvants de qualité spectroscopiques; ACS pureté de qualité réactif est suffisante.
5. Pour chaque substance à analyser, des aliquotes de transfert des dix analyte / acide boronique préparé / cruciforme quatre solutions dans dix cuves en quartz séparées. Placez ces deux séries de cinq cuves (une pour 4/B1, un pour 4/B5) sur une plaque de verre, irradient à 365 nm par une lampe UV de poche, et immédiatement photographie en utilisant les paramètres décrits dans 2.5 ci-dessus.

4. Traitement de l'image et la discrimination de l'analyte numérique

1. Utilisation d'Adobe Photoshop ou un programme de traitement d'image similaire, découper un segment carré représentant de photographies numériques des couleurs d'émission de chaque flacon photographié. Organiser ces découpes dans les panneaux semblables à celles dans les figures 3B, 4 et 5
2. Si la quantification des différences de couleur d'émission est souhaitée, les valeurs R / G / B peuvent être extraites à partir de panneaux en 4.1 et ensuite traitées statistiquement. Librement téléchargeable Couleur Contraste analyseur ¹⁴ peut être utilisé à cette fin. Pour obtenir des écarts-types relatifs des couleurs d'émission d'une substance à analyser par rapport à l'autre (par exemple les composés B1 et B2, la figure 4), l'équation suivante est utilisée:
   
3. L'équation de 4,2 est aussi utilisé pour identifier les analytes d'acides carboxyliques inconnus. Par conséquent, chaque écart est déterminé entre l'analyte inconnu pour toutes les substances de l'ensemble des données d'étalonnage. Le plus petit écart indique que la matière correspondante.

Pour illustrer le potentiel de fluorophores cruciformes dans la détection et la discrimination analytes étroitement liées, trois catégories de résultats sont présentés. Tout d'abord, le 1,4-distyryl-2 ,5-bis (aryléthynyle) benzène cruciformes 1-3 (Figure 1) sont utilisés pour discriminer entre les acides carboxyliques structurellement liés A1-A10 montre la figure 3. Ensuite, benzobisoxazole basée cruciforme 4 (Figure 1) a été utilisé pour analyser les acides boroniques B1-B9 (Figure 4). Enfin, cruciforme 4 est utilisé en combinaison avec des acides borique B1 et B5 pour analyser les analytes amines montrées sur la Figure 5.

Utilisation de fluorophores cruciformes 1-3 en six différents solvants, les réponses fluorescentes ont été jugées dépend de la concentration et de l'identité structurelle d'un acide carboxylique. Figure 3B montre la couleur d'émission enregistré numériquement de tous les fluorophores, les combinaisons d'acides carboxyliques, des solvants. Thest rangée présente 18 couleurs d'émission caractéristique par analyte, qui peuvent être utilisés pour caractériser de manière unique un analyte. En utilisant les valeurs R / G / B de la couleur d'émission, tous les analytes peuvent être discernées par rapport aux acides carboxyliques A1-A10 et identifiés comme indiqué dans le diagramme d'autocorrélation dans la figure 3C.

En utilisant une procédure tout à fait analogue, acides boroniques B1-B9 sont facilement discriminées les unes des autres en utilisant cruciforme 4, comme en témoigne le panneau de couleur d'émission et le graphique de corrélation montre la figure 4.

Analyse des amines est réalisée en utilisant des complexes formés in situ de quatre cruciforme avec un grand excès d'additif acide boronique B1 et B5. À l'heure actuelle, la structure de ces complexes ne sont pas connus, mais ils impliquent probablement soit obligataire NB de coordination, ou une sorte de liaison hydrogène entre les acides boroniques et les atomes d'azote dans la croix. Ces complexes - dont les couleurs d'émission sont dDIFFÉRENTES de celles de la croix pur - peut répondre à des analytes amine de deux manières. Amines plus basique que la pyridine (composés N1-N3 dans la figure 5) déplacer cruciforme 4 à partir de ses complexes avec des additifs acides boroniques, régénérant ainsi les couleurs d'émission des pur cruciforme non complexé 4. D'autre part, les espèces moins basique (c. dérivés de l'aniline et des urées substituées, N4-N12 dans la Figure 5), semblent se lier à la 4 · n ARB (OH) ₂ complexe sans le détruire et cet événement résultats dans la modulation du complexe de émission de fluorescence. Par conséquent, du fait d'autrui méthode de détection est caractérisé par un effet de nivellement, dans lequel les analytes ci-dessus certain seuil de basicité ne peuvent plus être distingués les uns des autres.

Figure 1. fluorophores cruciformes 1-4, bur la base du 1,4-distyryl-2 ,5-bis (aryléthynyle) benzène (3.1) et benzobisoxazole (4) noyaux, peut être utilisée pour distinguer qualitativement aminés structurellement liés carboxyliques, les acides boroniques, les amines, et les autres analytes. Copyright ici pour agrandir la figure .

Figure 2. Configuration pour prendre des photos numériques de couleur d'émission et de transformation en valeurs R / G / B.

Figure 3. (A) a enquêté sur les acides carboxyliques. (B) Tableau de photographies numériques formés par XF 1-3 à l'aide de six différents solvants et dix difacides carboxyliques rents (- = référence; A1 = acide 4-hydroxybenzoïque; A2 = acide 4-hydroxyphénylacétique; A3 = ibuprofène; A4 = aspirine; A5 = l'acide phénylacétique; A6 = acide 4-chlorophénylacétique; A7 = l'acide benzoïque; A8 = 3 ,5-dihydroxybenzoique; A9 = acide 2,4-dichlorobenzoïque; A10 = acide 5-iodosalicylic); photos numériques ont été prises sous irradiation de lumière noire (excitation longueur d'onde 365 nm) (C) diagramme d'autocorrélation formé à partir des réponses fluorescentes (codé. des valeurs R / G / B) des acides carboxyliques A1-A10 à partir de la matrice sur le côté gauche. L'axe z représente l'écart type relatif des valeurs R / G / B pour A1 acide carboxylique. Cliquez ici pour agrandir la figure .

Figure 4. Discrimination structurellely étroitement liée acides organoboroniques B1-B9 (à gauche) peuvent être obtenus en utilisant les solutions de croix 4 dans différents solvants (panneau central; TCB = 1,2,4-trichlorobenzène; CH = cyclohexane; DCM = dichlorométhane, CB = chlorobenzène, un = acéto-nitrile). Sur la droite, diagramme de corrélation de différents analytes «valeurs R / G / B. Cliquez ici pour agrandir la figure .

Figure 5. Discrimination des amines organiques et des urées N1-N12 en utilisant un système de détection hybride composée d'cruciforme 4 et additifs acide borique B1 et B5.

Les protocoles de discrimination qualitative décrite dans le présent document et la vidéo ont un potentiel significatif dans les analyses de qualité de routine, où même un opérateur très peu formés pouvait discerner les différences dans la composition ou ne respectant pas une formule bien définie. Pratique de cette technique pourrait être améliorée par l'utilisation de caméras téléphones portables simples, qui, en combinaison avec le logiciel de motif et de reconnaissance d'image tels que Google Goggles, pourrait correspondre les couleurs des émissions enregistrées dans la base de compositions connues. Photographie simple de couleurs d'émission est d'environ deux ordres de grandeur plus rapide que l'analyse par spectroscopie d'émission de fluorescence rigoureux, et dans de nombreux cas peut correspondre à la spectroscopie dans sa capacité de discerner entre les différents analytes.

Alors que les protocoles présentés sont très sélectifs dans les différences structurelles entre les analytes les plus exigeants, ils ne sont pas très sensibles. Généralement, les concentrations d'analyte de plusieurs gbéliers par litre sont nécessaires pour moduler les couleurs d'émission de cruciformes. Ainsi, nos méthodes sont peu susceptibles de jouer un rôle dans l'analyse des ingrédients de trace. Cependant, leur force réside dans l'analyse d'espèces qui sont disponibles en grandes quantités, mais sont sensibles à la décomposition ou la contrefaçon: les produits pharmaceutiques, les additifs alimentaires, les produits chimiques de base, ou des boissons alcoolisées.

Néanmoins, les fluorophores 1-4 pourraient en principe être rendus plus sensibles en améliorant les affinités de liaison pour des analytes. Comme leur pyridine et fonctionnalités amine sont de nature basique, la modification du noyau pyridine ou l'aniline à des fonctionnalités plus spécifiques ou alcaline serait un début prometteur pour diminuer les limites de détection. Par exemple, 2-méthyl-pyridine et de 2,6-diméthylpyridine sont plus alcaline que la pyridine et donc l'interaction des analytes acides et fluorophores devrait s'améliorer. Une autre façon d'améliorer la détection serait l'utilisation d'une fonctionnalité guanidineà la place de l'amine alkylée. Enfin, la sensibilité du système de détection de l'acide 4/boronic auto-assemblée peut être améliorée par le passage de l'acide borique à une source de bore plus électrophile, tel que PhBF _2, ce qui augmenterait la complexation constante pour le complexe. Plusieurs de ces voies de synthèse sont en cours dans nos laboratoires.

Avertissement existe: l'analyse du signal fluorescent enregistrée avec un appareil photo numérique dépend de l'espace colorimétrique et la vitesse d'obturation en fonction de nos résultats récents ¹⁵ Par conséquent, les valeurs RVB d'une couleur d'émission diffèrent quelque peu selon les réglages de la caméra.. Les réglages suivants peuvent être effectués sur la plupart des appareils photo: la balance des blancs, vitesse d'obturation, la sensibilité du film, l'ouverture focale, format de données (fichiers RAW ou des fichiers JPEG), et l'espace colorimétrique (c. sRGB, Adobe RGB, ou ProPhotoRGB). La meilleure stratégie pour assurer la constance de la réponse de la couleur d'émission est de maintenir l'équilibre des blancs, le filmla sensibilité, et l'ouverture focale constante et ne varie la vitesse de l'obturateur. La plupart des problèmes sont résolus lors de la transformation des valeurs RVB dans les coordonnées de la CIE LUV espace de couleur et utiliser uniquement la teinte coordonnées u 'v' sans aucune information de luminosité. Pour cette transformation, il est important de connaître l'espace colorimétrique de l'image enregistrée. Utiliser-enlevés luminosité coordonnées de couleur, l'identification d'un analyte inconnu est grandement améliorée en ayant des images enregistrées avec différentes intensités RVB.