甲醛熒光試紙的制備及其傳感檢測
——推薦一個研究型大學綜合化學實驗

業思晨，陳瓊，吳瓊友，劉盛華，尹軍，原弘

華中師范大學化學學院，農藥與化學生物學教育部重點實驗室，武漢 430070

1 引言

綜合化學實驗是在基礎實驗的基礎上，融合了多個化學二級學科知識開設的一門具有系統性、連續性、交叉性的實驗課程。綜合有機化學實驗側重于考查多步連續反應、結構表征和性質測試等內容，旨在進一步鞏固學生實驗操作技能、提高學生綜合交叉實驗能力。但結合學生課堂表現與綜合教學考核結果來看，我們發現部分實驗內容的實用性、趣味性和學生的學習熱情及主觀能動性還有待進一步提高。因此，基于綜合化學實驗教學理念，進一步將實驗項目內容與日常實際應用有機結合，引入內容覆蓋面廣、應用性強的實驗項目，對提高學生的學習積極性、拓展學生“學以致用”的實踐能力、推進研究創新型教學[1]、培養適應社會發展需求的應用型人才具有十分重要的現實意義。

甲醛(FA)，又稱蟻醛，是一種具有窒息性剌激臭味的無色氣體。數十年來，甲醛已成為許多大規?；瘜W工業生產過程中的重要平臺試劑，在紡織、食品、醫藥等領域也有著廣泛應用[2]。然而，外源性甲醛作為室內第三大化學污染物，已被世衛組織(WHO)確定為致癌致畸形物質[3]。過度暴露在高濃度的甲醛環境中將損害人體免疫系統，誘發神經蛋白質錯誤折疊，進而引發各種神經退行性疾病、心臟病變，甚至腫瘤等[4]。目前環境中釋放的甲醛主要來源于人造板材家具中的膠粘劑、燃料及煙葉的不完全燃燒、用脲醛樹脂生產的劣質仿瓷餐具及食品防腐劑殘留等[5]；室內甲醛也因其對人體的累積危害而備受關注，因此對不同環境下甲醛進行快速定性/定量檢測至關重要。

傳統的甲醛檢測方法主要有氣相色譜法、電化學傳感器、質譜法和高效液相色譜法等[6,7]。但由于操作流程復雜、樣品制備耗時、靈敏度低、儀器昂貴等原因，這些方法所受限制較大，不適合對日常生活中的甲醛進行快速檢測。與上述方法相比，基于有機小分子熒光傳感器的可視化檢測技術具有極高的靈敏性和選擇性[8]，易于快速、準確、便捷地檢測環境樣本中的甲醛含量，且不受時間和場地的限制。在眾多熒光團中，1,8-萘酰亞胺作為一種光穩定性好、易于修飾、熒光量子效率高的經典熒光團[9]，在熒光傳感器領域已經被廣泛的使用。

基于以上背景，為了促進師范大學高等教育實驗教學改革和化學學科拔尖創新人才的培養，我們緊密聯系熒光傳感器這一當前研究熱點[10]，選取課題研究成果中具備科研完整性及教學可行性、且實踐性強的內容，轉化為研究型綜合實驗項目“甲醛熒光試紙的制備及其傳感檢測”。本實驗旨在指導學生合成一種以肼為檢測基團的甲醛熒光傳感器。該傳感器以肼與甲醛之間的縮合反應作為響應機制[11]，并通過熒光信號來判斷甲醛含量的高低。學生通過熒光光譜對傳感器性質及其在溶液中對甲醛的響應性進行評估，同時制備操作便捷的甲醛檢測試紙對甲醛蒸氣進行實際檢測。通過本實驗，學生能夠了解熒光材料的發光原理及傳感器設計的機理，并掌握紫外分光光度計和熒光分光光度計的使用方法；培養學生進行多步有機合成實驗及文獻檢索、問題探究的能力；實驗中融入了甲醛試紙制備的應用實踐，可激發學習者的創新意識和專業認同感；通過科學與教育的深度融合，推動學生由傳統學習應試型向探索創新型人才的轉化。

2 實驗目的

(1) 了解甲醛熒光傳感器的檢測原理及傳感機理；

(2) 掌握甲醛熒光傳感器的制備方法；

(3) 了解紫外、熒光分光光度計的原理及操作方法；

(4) 通過制備甲醛試紙快速可視化檢測甲醛，開拓學生創新思維，強化化學理論的實際應用教學。

3 實驗原理

3.1 熒光探針的制備

本實驗選擇具有優異光物理性質的1,8-萘酰亞胺為熒光團[12]，首先以4-溴-1,8-萘酐為初始原料，乙醇胺為反應物制備溴代萘酰亞胺中間體。隨后，利用該中間體與水合肼之間的芳香族親核取代反應(SNAr)，可制備含有聯氨(NHNH2)甲醛識別單元的1,8-萘酰亞胺水合肼化合物Naph-FA。兩步反應的實驗路線設計如圖1所示。

圖1 Naph-FA的合成路線

3.2 光誘導電子轉移(PET)

光誘導電子轉移是光電轉換體系中的重要過程之一，其定義為在受到光激發后，電子給體(D)或受體(A)兩者之間發生的電子轉移效應[13]。在本實驗設計的基于PET機理的萘酰亞胺水合肼熒光傳感器中，在光誘導下，聯氨基團裸露氨基上的孤對電子會轉移至處于激發態的萘酰亞胺熒光團上，使得激發態熒光分子LUMO軌道上的電子無法正常躍遷回基態，從而導致熒光淬滅。因此，在未檢測甲醛分析物之前，傳感器化合物幾乎無熒光；如圖2所示，在與待測物甲醛反應之后，肼作為甲醛的相互作用位點能與甲醛發生醛亞胺縮合反應生成腙，形成C＝N雙鍵，軌道能級發生變化，PET過程受到抑制，導致熒光顯著增強，從而實現快速檢測甲醛的目的。

圖2 傳感器檢測甲醛的反應原理及傳感機理

4 試劑和儀器

4.1 反應試劑

實驗中所需化學試劑如表1所示。

表1 實驗主要使用的藥品試劑

4.2 實驗儀器

實驗操作需用到的玻璃儀器有圓底燒瓶、球形冷凝管、燒杯、抽濾瓶、石英比色皿等，其他所需大型儀器如表2所示。

表2 實驗主要使用的儀器

5 實驗步驟

5.1 Naph-FA的制備

取干燥潔凈的100 mL圓底燒瓶，先后加入4-溴-1,8-萘酐(500 mg，1.8 mmol)、乙醇胺(220 mg，3.6 mmol)，以及10 mL乙醇，升溫至80 °C回流1 h。反應完成后冷卻至室溫，得到淡黃色沉積物，過濾收集固體并用少量乙醇洗滌，得到N-(2-羥基乙基)-4-溴-1,8-萘酰亞胺中間體。

取N-(2-羥基乙基)-4-溴-1,8-萘酰亞胺(82 mg，0.51 mmol)和80%水合肼(0.77 mL，3.3 mmol)于50 mL圓底燒瓶中，加入8 mL的2-甲氧基乙醇，升溫至80 °C回流反應2 h，冷卻至室溫后析出固體，過濾，并用2 mL乙醚、正己烷反復洗滌5-6次，直至固體呈橙黃色顆粒狀，即為目標化合物N-(2-羥基乙基)-4-肼基-1,8-萘酰亞胺(Naph-FA)。稱量并計算產率。

5.2 探針溶液中甲醛識別的熒光光譜測試

用含有1%的二甲亞砜的水溶液配制3 mL濃度為10 μmol·L?1的Naph-FA溶液，測試并記錄其與不同濃度(0、4、8、10、15、20、30 μmol·L?1)甲醛溶液反應前后熒光吸收光譜與熒光發射光譜的變化。學生分組配制不同濃度梯度的溶液，送樣交由測試中心老師，在指導下與教師共同完成測試。

5.3 甲醛試紙的制備

用含1%的二甲亞砜的乙醇溶液配制10 mL濃度為10 mmol·L?1的Naph-FA溶液，取白色濾紙置于溶液中靜置1 min，使探針溶液潤濕濾紙，均勻浸潤后將濾紙取出，在室溫干燥5 min后得到甲醛試紙。

5.4 甲醛蒸氣的熒光檢測

分別配制10 mL濃度為0，10，30，50，100，300，500 μmol·L?1，和1，3，5 mmol·L?1的甲醛溶液于50 mL燒杯中，在40 °C下進行密封20 min處理，得到不同濃度的穩定甲醛氣體氛圍，取附著Naph-FA的試紙于100 μmol·L?1的甲醛氣氛中靜置5 min，在日光燈及手提紫外燈照射下分別拍照記錄試紙顏色的變化。隨后，取相同的甲醛試紙分別置于上述濃度梯度的甲醛氣氛中靜置5 min，記錄試紙顏色變化趨勢。

5.5 實驗注意事項

(1) 實驗過程中遵守實驗室基本安全規范，在反應制備以及甲醛溶液配制的過程中始終拉低通風櫥，保持室內通風良好，并按照規定操作使用大型儀器設備，確保實驗安全。

(2) 在甲醛蒸氣檢測的實驗中，可在裝有甲醛溶液的燒杯中再固定一個干燥的小燒杯，對該裝置進行密封處理后，將其放置在磁力加熱攪拌器上低溫加熱20 min。隨后在杯口密封處打開小口，快速將甲醛試紙放入干燥的小燒杯中，再次密封處理靜置5 min。結束實驗后，撤去實驗裝置，取出試紙，關閉通風櫥10 min以保證沒有甲醛氣體，再進行后續實驗。

(3) 完成測試后需開展實驗數據及圖片的處理，制作甲醛熒光試紙比色卡，用于工業溶劑中甲醛含量測定。

(4) 對圖譜熒光強度及甲醛試紙顏色變化進行合理分析，當結果與預期不一致時可做到依據實驗過程出現的問題分析誤差；課后撰寫科研論文式實驗報告，要求實驗報告書面整潔、格式規范且邏輯通順，并能對思考題詳細分析給出合理答案。

6 結果與討論

6.1 產率分析

反應結束后，能夠以96%的產率得到中間體N-(2-羥基乙基)-4-溴-1,8-萘酰亞胺，產物烘干后為淡黃色固體；并以90%的高產率得到最終產物N-(2-羥基乙基)-4-肼基-1,8-萘酰亞胺(Naph-FA)，為橘黃色固體。

6.2 光學性質分析

本實驗通過紫外吸收光譜和熒光發射光譜測試Naph-FA對甲醛響應的光物理性質，并于Origin軟件中分別繪制吸光度、熒光強度與甲醛濃度的關系曲線。圖3a顯示，在含1% DMSO的水溶液中，Naph-FA在439 nm處出現最大吸收峰。隨著甲醛溶液濃度增大其吸光度變化不大，但整體表現出微弱的升高趨勢。由圖3b可知，Naph-FA在檢測甲醛之前幾乎無熒光，當與甲醛發生作用時，能迅速觀察到熒光強度變化，其最大發射波長位于550 nm處，且熒光強度隨甲醛濃度的升高而顯著增強，并呈現梯度變化。當用30 μmol·L?1的甲醛處理探針1 min后，熒光強度增強了約45倍。這些現象歸因于甲醛與Naph-FA的聯氨識別基團發生了縮合反應，導致熒光出現顯著變化。這些研究結果表明：Naph-FA對甲醛高度敏感，具有快速響應特性。

圖3 (a) Naph-FA在含不同濃度甲醛(0-30 μmol·L?1)的H2O (pH 7.4，1% DMSO)中對甲醛的紫外吸收光譜；(b) Naph-FA在含不同濃度甲醛(0-30 μmol·L?1)的H2O中對甲醛的熒光響應，λex = 439 nm Naph-FA經甲醛溶液處理1 min后記錄光譜

6.3 甲醛蒸氣檢測效果評價

為了能夠檢測環境中的甲醛蒸氣，本實驗利用Naph-FA構建了熒光試紙系統。如圖4所示，于白色濾紙條上附著濃度為10 mmol·L?1的Naph-FA。在自然光下，試紙呈化合物本身的橙黃色，在手持紫外燈(365 nm)下照射無明顯熒光。當試紙暴露于密封的100 μmol·L?1甲醛氣氛后，Naph-FA迅速識別甲醛蒸氣并進行反應，在自然光下試紙顏色轉變為肉眼可見的亮黃色；而在紫外燈照射下，顯示出明亮黃綠色熒光。該結果表明：以Naph-FA為基本材料制備的甲醛試紙可作為檢測甲醛蒸氣的一種簡便傳感器，也可為揮發性有機化合物的檢測提供重要參考，具有實際應用的潛力。

圖4 甲醛試紙的制備及甲醛蒸氣檢測

6.4 熒光比色卡的制作及潛在應用

基于甲醛試紙的快速可視化辨別能力，本實驗接著測試了與不同濃度甲醛作用后試紙顏色的變化趨勢。結果表明：甲醛蒸氣的檢測反應均在5 min內完成，能迅速觀察到試紙顏色發生變化并達到穩定。此外，如圖5所示，隨著甲醛蒸氣濃度由0 μmol·L?1升高至5 mmol·L?1，甲醛試紙在紫外燈(365 nm)照射下，其顏色呈現出由淺棕色轉變為明亮黃綠色熒光的變化趨勢，且甲醛濃度越高，試紙熒光越強。該變化趨勢與溶液中的熒光變化趨勢一致。通過該熒光試紙系統的檢測結果，按甲醛濃度梯度排列制作的熒光檢測比色卡，可用于檢測工業溶劑中的甲醛含量范圍。

圖5 探針Naph-FA在試紙條件下對不同濃度的甲醛蒸氣的熒光檢測

7 思考題

(1) 肼可以作為甲醛的檢測基團，舉例說明是否存在其他的檢測基團？

(2) 設計甲醛傳感器的原材料，應該具備哪些基本性質？

(3) 簡述甲醛傳感器的檢測原理與傳感機理。

8 教學組織運行方式建議

本實驗將科研課題研究成果應用于綜合性化學實驗的教學，將熒光傳感器檢測甲醛的過程轉化為實驗教學內容。以綜合設計實驗及大學生創新實驗等課程形式開展教學，授課對象主要為大三年級本科生。教學學時為8學時，主要分為課前調研、制備實驗(4學時)和性質測試(4學時)三個階段。我們從各小組實驗基礎理論的調研、實驗方案的制定與實施、課后實踐應用的開發及科研論文式實驗報告的撰寫等方面進行教學實踐，圍繞這幾方面并結合學生團體協作能力及個體表現對最終教學效果進行評價。

(1) 在課前調研階段，應發揮“云課堂”教學平臺線上學習功能，推進資源空間與物理空間的融合，旨在培養學生的科研探究精神及現代學習理念。教師在云端平臺為學生提供電子版課件資料及參考文獻，要求學生復習分析化學課程中熒光分析法部分內容，理解熒光分光光度計內部構造及測試原理；熟悉甲醛危害、應用及污染來源，并初步了解熒光技術的前沿研究進展；依據文獻知識初步設計實驗方案，結合有機化學課程所學理論知識對甲醛檢測的原理進行合理分析，并對實驗現象作出猜想假設。

(2) 傳感器制備實驗階段(4學時)，學生在教師指導下進行反應裝置的搭建和投料反應，由授課教師全程巡視實驗進展及安全情況，并引導學生正確處理意外情況；在實驗進行的2小時中，采取翻轉課堂“以研促教”的形式，以學生為中心進行互動式小組討論，對萘酰亞胺母體的結構特點及肼位點識別甲醛的反應機理進行分析，提高師范生的能力；且實驗教學過程應做到對學生不同情況進行具體問題具體分析，做到教學效率最大化。

(3) 在測試實驗階段(4學時)，由教師進行標準化儀器操作演示實驗，并對學生分組，在教師協助下完成紫外吸收光譜以及熒光發射光譜的測試實驗。此外，學生在教師指導下拓展探針應用制備甲醛試紙用于甲醛蒸氣的檢測，觀察并記錄實驗現象；課后經過數據分析及圖像處理完成實驗報告，并鼓勵學生將課堂所學融入校園生活，豐富甲醛試紙的應用。

9 科教融合模式的可行性分析

本轉化實驗將前沿科研成果轉化為教學資源，可加強學生課題式實驗項目的訓練，認識完整的科研過程。該實驗綜合性強，在內容上集多個化學二級學科以及與化學相關的物理、材料等跨一級學科于一體。其中涵蓋了基礎有機化學中的親核加成-消除反應、芳香親核取代反應和縮合反應等常見反應類型；分析化學中的熒光分析法及紫外-可見吸收光譜法；無機化學中的化學基本理論概念以及大學物理課程中的光電子躍遷等內容。具有高度交叉性，體現了該項目教學理論與實驗操作的多樣性。此外，在此基礎上利用傳感器的光學性質制作簡易試紙檢測甲醛，體現了學用并重的教學特點。該實驗可實施性強，且結合了實驗室具體條件，合成路線操作簡單，反應時長較短、產率高，適合在本科實驗教學中實施。該實驗兼具目的創新性和科研完整性，便于開展研究性學習，有利于培養學生主觀能動性及嚴謹的科研態度[14]。

本項目所制備的甲醛試紙靈敏度高且實驗現象明顯，具備實驗趣味性和實際應用前景，課時時間合適。此外，實驗中引入大型精密儀器的綜合運用，可拓寬本科生科研視野，提升實驗內容先進性。專業數據分析軟件的使用，有利于提高學生實驗數據處理和剖析問題的能力。此外，該科研轉化內容已在本校大學生創新創業項目中施行并取得良好成果。綜上所述，該實驗有利于提高學生靈活運用現代化學實驗方法解決實際問題的科學實踐能力，具備科教融合可行性。

10 結語

本實驗引導學生通過簡單的芳香親核反應合成了以肼為甲醛識別單元的萘酰亞胺熒光傳感器。該項目具有多學科交叉融合的特點，立意新穎、實用性強、實驗安全性高、可重復性強、科研流程完整，且相較于其他耗時昂貴或需要大型儀器才能檢測甲醛的傳統技術，該傳感器對甲醛蒸氣具有高效、靈敏的檢測性能，讓學生能夠在溫和的條件下實現對甲醛的快速、低成本、可視化檢測，加強科學研究與生活實踐之間的聯系。此外，該實驗延伸性強，鑒于傳感器材料良好的水溶性以及萘酰亞胺母體優異的光物理特性，后續可對傳感器的應用加以拓展，用于生物活體內甲醛的熒光成像，推動本科生盡早進入課題組開展科研活動。因此，將科學研究的前沿成果納入實驗、把實驗的核心思想融入科研，教學模式和內容的多維化利于培養學生的邏輯思維以及對實驗問題、科研理論的探索精神，從而推動創新型人才的培養。