Summary
交叉共轭的十字形基于1,4 - 二苯乙烯基-2,5 - 双（芳基乙炔）苯撑苯并二恶唑核的荧光基团可用于定性识别多样化的路易斯酸和路易斯碱的分析物。此方法依赖于添加的分析物时所观察到的cruciforms的发光颜色的差异。在结构上密切相关的物种，可以彼此区分开来。
Abstract
分子cruciforms的X形的系统，在该系统中，两个共轭轴相交于中央纤芯。如果这些分子的一个轴被取代的电子给体，电子受体与其他，cruciforms的HOMO本地化富电子和LUMO沿缺电子的轴。此空间隔离of cruciforms'的前沿分子轨道（FMOS）其作为传感器的使用是必不可少的，因为分析物结合的十字形总是改变它的HOMO-LUMO能隙和相关的光学属性。利用这个原理，1,4 - 二苯乙烯基-2,5 - 双（芳基乙炔）苯和苯并二恶唑cruciforms，分别作为荧光传感器的金属离子，羧酸，硼酸，酚类，胺类，BUNZ和Miljanić团队开发的阴离子。观察到的发光颜色时，这些十字形的混合，分析物的分析物的结构的细节是高度敏感的 - 因为cruciforms电荷没有相分离激发态 - 到溶剂中，观察到发光。在结构上密切相关的物种，可以定性区分于一些分析物类：（ 一 ）的羧酸;（二）硼酸，及（c）的金属。使用从苯并二恶唑cruciforms的硼酸添加剂组成的混合传感系统，我们也能分辨之间的结构相似：（D）小的有机和无机阴离子，（五）胺类，酚类及（f）。用于这种质的区别的方法是极其简单的。的cruciforms一些的，现成的溶剂的稀溶液中（通常为10 -6 M）被放置在紫外/可见小瓶。然后，被分析物的添加，可直接作为固体或在浓溶液中。荧光的变化几乎是在瞬间发生，可以使用半专业数码相机在暗室里通过标准的数字摄影记录。最小的图形操作，面板允许快速待测物之间的区别肉眼可布置成代表切口发射彩色照片。量化的目的，红/绿/蓝值可以从这些照片中提取得到的数字数据进行统计处理。
Introduction
被定义为分子cruciforms的X形交叉共轭分子，其中两个共轭电路相交于中央纤芯。1,2,3与适当的供体-受体取代时，这些分子可以在空间上定位他们的前沿分子轨道（FMOS），从而使最高占据分子轨道（HOMO）驻留显性沿富电子的分子轴，而最低未占据分子轨道（LUMO）具有的缺电子的分子的臂沿其大部分密度。这样的空间隔离FMOS的这些cruciforms作为小分子的传感器应用中是必不可少的，因为分析物结合的十字形总是改变它的HOMO-LUMO能隙和相关的光学属性。此行为已被证明在基于1,4 cruciforms的二苯乙烯基-1,5 -双（芳基乙炔）苯，1 1,2,4,5 - tetrakisethynylbenzene的，4和撑苯并二恶唑5,6结构图案。由于所有三类分子固有荧光，这种方法允许用作小分子传感器。在所有这三个例子，cruciforms取代刘易斯基本吡啶和二烷基苯组，因此响应Lewis酸性分析物的质子和金属离子，如1,4,5,7,8,9。
所示BUNZ和他的同事已经在2011年，10，，1,4 -二苯乙烯基-2,5 -双（芳基乙炔基）苯的荧光响应cruciforms 1 - 3个（ 图1）显着变化，这取决于用来诱导的羧酸的结构质子化的十字形。随后，Miljanić 等人证明 ，撑苯并二恶唑cruciforms如4（ 图1），还将显示高度特异性的荧光发射结构上相关的羧酸的反应，也可以看出，类似的区别非常相似的有机硼酸之间11起源高度选择性的发光颜色的变化目前还不清楚，最有可能是复杂的 - ，电子差分析物，残留分析物的荧光，质子诱导转移的cruciforms最大发射荧光猝灭想必发挥作用。然而，在结构上相关的分析物鉴别的能力是显着的，特别是因为可以得到统计相关的区别到执行详尽的UV / Vis吸收或荧光表征的分析物的光学响应cruciforms，而不需要。相反，简单的发射颜色的照片有足够的区别，允许在结构上密切相关的分析物的鉴别，特别是如果该照片是在不同溶剂中，或使用一个以上的十字形传感器。使用这种快速的方法，可以快速分析几十种分析物在一个下午（参见图3-5中的面板），而同样的分析需要星期，如果采用严格的光谱。此外，硼酸，因为是动态的物种，可以协调的亲核试剂通过硼的空p轨道，Miljanić使用此功能开发撑苯并二恶唑十字形4和简单的非荧光硼酸酸添加剂B1和B5（ 图4）构成的混合型传感器。11， 12此方法操作如下：十字形4和硼酸复杂成瞬态络合物4·ÑB1（或4·ÑB5），在此配合物中的精确结构是目前未知的，但其荧光不同于纯十字形。如果此溶液暴露于路易斯碱性分析物，它们可以代替一个或两个-OH基团上的硼酸，13从而显着改变的电子特性的硼，反过来，整个复合体的荧光。使用这个“替代传感方法，传感酚类，有机胺和脲，以及小的有机和无机的阴离子，可以实现的。
在本文中，我们提出了一个直接和替代检测方法使用教程，快速定性区分结构相关（一 ）羧酸（ 图3），（ 二 ），硼酸（ 图4），并，转承，（ 三）有机胺（ 图5）。要说明报告的协议的广泛适用性，，邦茨cruciforms分别用于检测羧酸，而Miljanić的化合物分别检测硼酸，通过混合传感器，小的有机胺。我们推测，这些传感器可以很容易互换，无重大质量分析物的歧视后果。
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Protocol
1。羧酸类化合物的检测使用Distyrylbis（基乙炔）苯Cruciforms
- 准备新鲜的原液cruciforms 1-3的浓度为1.0×10 -3 mol / L的在DCM。这是没有必要使用分光质量溶剂; ACS试剂级纯度足够。
- 使用从1.1原液制备100毫升2.0×10 -6 M的溶液1-3在二氯甲烷（DCM），乙酸乙酯（EtOAc）纯化，乙腈（AN），N，N-二甲基甲酰胺（DMF），异丙醇（一异丙醇）和甲醇（甲醇）。这是没有必要使用分光质量溶剂; ACS试剂级纯度足够。
- 称出0.65毫摩尔（88.2-124.2毫克）的分析物羧酸A1 - A10在5毫升DRAM小瓶中，加入5毫升2.1编写的解决方案，并摇晃小瓶。如果异构，相应的解决方案应该被静置沉淀（过滤是不必要的），这导致总concent的比为0.13米（31克/升）的羧酸。
- 捕捉在黑暗的房间中没有环境光的荧光数码照片。本发明的照相设置（ 图2）包括一台数码相机（佳能EOS 30D）配有一个客观的（EFS 18-55毫米变焦镜头）和两个UV灯（激发波长365nm处）。不封顶的药瓶应定位在两个UV灯的最大曝光相机镜头和样品瓶之间的距离为60厘米。曝光时间的变化，每个解决方案产生的图像，反映颜色的排放（0.25 - 15秒）。
2。的硼酸类使用苯并二恶唑Cruciforms的的检测
- 准备1.0×10 -4 M溶液在DCM十字形4。这是没有必要使用溶剂质量分光ACS试剂级纯度足够。
- 每个硼酸待测准备五个单独的解决方案，通过溶解50毫克（0.24-0.41毫摩尔）的被分析物在3毫升的乙腈（AN），1,2,4 - 三氯苯（TCB），二氯甲烷（DCM），环己烷（CH），氯苯（CB）。这将导致约。 16.7 g / L的解决方案相对于每个分析物。这是没有必要使用分光质量溶剂; ACS试剂级纯度足够。
- 传输2.2中制备成五个独立的10×10毫米的石英比色皿（通常用于紫外/可见吸收光谱）分析物溶液各1.8毫升。然后，添加20μl的十字形的溶液在2.1到每一个的5个比色皿中，并搅拌上述两种溶液均匀化。如果观察到任何降水，相应的解决方案应该简单地解决（过滤是不必要的）。
- 所有五个试管放置在玻璃板上，他们手持式紫外线灯（365纳米）从顶部照射。紫外线灯应放置在一个时尚，以确保平等地照射到所有五个小瓶。
- 确保房间是DARK（关灯，块窗户和其他来源的自然和人工光源），并立即采取的排放数码照片色彩的解决方案。 miljanić 等 。使用了两种型号的数码相机：富士FinePix S9000和佳能EOS反叛T3i，相机镜头和样品试管之间用45厘米的距离。快门速度是0.5秒。
3。胺分析物的检测使用苯并二恶唑十字/硼酸混合传感系统
- 准备（至少）80毫升1.0×10 -6 M 的解决方案十字形4的乙腈（AN），1,2,4 -三氯苯（TCB），环己烷（CH），二氯甲烷（DCM），氯仿（CF ）。
- 将B1（152.6毫克，0.80毫摩尔）溶解在40毫升的3.1中制备的每一个的解决方案。
- B5（97.6毫克，0.80毫摩尔）溶解在40毫升的3.1中制备的每一个的解决方案。
- 在3.2和3.3所描述的解决方案后，立即编写的，使用米（每次2毫升），溶解所需胺分析物40毫克，（0.19-0.47毫摩尔）。对于每个胺待测，10个解决方案应准备：五B1和B5作为添加剂。这是没有必要使用分光质量溶剂; ACS试剂级纯度足够。
- 对于每个分析物，转让等分的十大准备分析物/硼酸酸/十字形4分为十个不同的石英比色皿的解决方案。这两个五的反应杯套（4/B1 4/B5）放置到玻璃板，由手持式紫外灯在365nm处的照射，并立即使用上述2.5中所述的设置照片。
4。图像处理和数字分析物歧视
- 使用Adobe Photoshop或类似的图像处理程序，切出的代表方段从每个拍摄小瓶的排放颜色的数码照片。这些切口组织成类似于图3B，4板，5
- 如果需要量化发光颜色差异，R / G / B值可以提取4.1板，然后统计处理。可自由下载的色彩对比分析器14可以用于此目的。为了获得一种分析物相对于另一个（ 例如，化合物B1和B2， 图4）的发光颜色的相对标准偏差（RSD），使用下面的公式：
- 从4.2的方程也被用来确定未知的羧酸分析物。因此，每一个未知分析物之间的偏差来确定的校准数据集的所有物质。最小的偏差表示相应的物质。
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Representative Results
为了说明的电位十字形在感测和识别密切相关的分析物的荧光基团，3类结果。首先，1,4 -二苯乙烯基-2 -1,5 -双（芳基乙炔）苯cruciforms 1-3（ 图1）用来区分羧酸的结构上相关的图3所示的A1-A10之间。然后，基于撑苯并二恶唑的十字形4（ 图1）已被用来分析硼酸B1-B9（ 图4）。最后，十字形4中使用硼酸B1和B5分析图5中所示的分析物胺的结合。
使用十字形的荧光基团1-3在6个不同的溶剂，被发现的荧光响应是依赖于浓度和的羧酸的结构身份。 图3B示出的数字记录，可发射颜色的所有的荧光基团，溶剂，羧酸的组合。钍阵列18的特征发射每种分析物的颜色，它可以用于唯一地表征的分析物。使用的发光颜色的R / G / B的值可以看出，所有被分析物相对于羧酸的A1-A10和确定为如图3C中所示的自相关曲线。
用完全类似的方法，硼酸B1-B9很容易使用十字形4彼此区别，就证明了的发光颜色面板和图4中所示的相关性曲线图。
胺的分析是通过使用大量过量的硼酸添加剂B1和B5与原位形成的配合物的十字形4。目前，这些配合物的结构是未知的，尽管它们可能涉及要么协调NB键，或某种硼酸和十字形中的氮原子之间的氢键。这些复合物 - 其排放的颜色分别为different纯十字形 - 可以以两种方式响应分析物胺。胺的碱性比吡啶（化合物N1-N3在图5中）取代十字形4从它的配合物的硼酸添加剂，从而重新产生的发光色的纯的未络合的十字形4。另一方面，碱性较弱的物种（ 即苯胺衍生产品和取代的脲，N4-N12在图5），显示在复杂的调制绑定4·ÑARB（OH）2配合物不破坏它和这个事件的结果荧光发射。因此，替代感测方法的特征在于流平效果，其中，所述分析物的碱度超过一定阈值的不能再被彼此区分。
图1。十字型荧光团1-4，B二叉树1,4 -二苯乙烯基-2,5 -双（芳基乙炔基）苯（1-3）和撑苯并二恶唑（4）细胞核，可以用于结构上相关的羧酸，硼酸，胺，和其它分析物的定性区分。 这里查看大图 。
图2。拍摄数码照片的发光颜色和转型成R / G / B值的设置。
图3（A）调查羧酸（B）形成的数码照片由XF 1-3使用六种不同的溶剂和10个不同的阵列ferent羧酸（ - =参考; A1 = 4 - 羟基苯甲酸; A2 = 4 - 羟基苯基乙酸; A3 =布洛芬; A4 =阿司匹林; A5 =苯乙酸; A6 = 4 - 氯苯基乙酸; A7 =苯甲酸A8 = 3;黑色的光照射下拍摄的（激发波长365nm处）-2,5 -二羟基苯甲酸; A9 = 2,4 -二氯苯甲酸; A10 = 5 iodosalicylic的酸）;数码照片（C）形成的自相关情节从荧光响应（编码在R / G / B值）的羧酸从阵列A1-A10的左侧。 Z轴表示相对标准偏差R / G / B值到羧酸A1。 点击这里查看大图 。
图4。结构性歧视光年密切相关的，使用十字形4的解决方案可以实现在各种溶剂中（中央板; TCB = 1,2,4 - 三氯苯，CH =环己烷，DCM =二氯甲烷中; CB =氯苯有机硼酸B1-B9（左）; AN =乙腈）。在右侧，相关图的各种分析的R / G / B值。 点击这里查看大图 。
图5。有机胺和脲类N1-N12使用混合组成的十字形4和硼酸添加剂B1和B5的感测系统的辨析。
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Discussion
协议本文和视频描述的定性判别重大潜力在例行的质量分析，甚至是最低水平培训的操作员可以辨别成分差异，或偏离一个明确的公式。这种技术的实用性进一步增强了使用简单的手机，相机，结合图形和图像识别软件，如谷歌护目镜，可以匹配的记录到数据库中已知成分的排放颜色。简单的摄影颜色的发射是约两个数量级的速度严格的荧光发射光谱仪分析，并在许多情况下，可以匹配在其辨别能力不同分析物光谱。
虽然所提出的协议拘泥待测物之间的结构性差异有高度的选择性，他们都不是很敏感的。通常情况下，几个G的分析物浓度每升公羊需要调节cruciforms的发光颜色。因此，我们的方法是不可能发挥作用的微量成分分析。然而，他们的优势在于分析物种数量大，但敏感的分解或假冒药品，食品添加剂，基础化学品，或酒精饮料。
然而，荧光基团1-4原则上可以呈现更敏感的，通过提高分析物的结合亲和力。由于他们的吡啶和胺官能的基本性质，在吡啶环的变形或苯胺更具体的或碱性的功能将是一个良好的开端，降低检出限。例如，2 - 甲基吡啶和2,6 - 二甲基吡啶的碱性比吡啶酸性分析物和荧光基团的相互作用，因此应该提高。提高了检测的另一种方法将是使用胍功能代替烷基化胺。最后，自组装4/boronic酸传感系统的灵敏度，可以提高通过切换从硼酸更亲电子的硼源，如PhBF 2，这将增加对络合物的络合常数。这些合成路线是在我们的实验室中进行。
需要注意的存在：记录用数码照相机拍摄的荧光信号的分析依赖于颜色空间和快门速度，根据我们最近的研究结果[15]因此，有所不同的发光颜色的RGB值，这取决于在相机上调整。可以作出以下调整大多数相机白平衡，快门速度，薄膜灵敏度，焦距光圈，数据格式（RAW文件或JPEG文件），色彩空间（ 即 SRGB，Adobe公司RGB或ProPhotoRGB的）。确保恒定的发光颜色响应的最佳策略是保持白平衡，电影敏感性，以及焦距光圈不变，仅改变快门速度。大部分的问题都解决了的CIE坐标的RGB值转化成LUV色彩空间，并且只使用色调坐标U'V'没有任何亮度信息。这一转变，重要的是要知道所记录的图像的颜色空间。使用亮度除去的色坐标，识别未知分析物具有记录图像时，与不同的RGB强度有很大的提高。
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Disclosures
我们什么都没有透露。
Acknowledgments
在佐治亚技术研究所在BUNZ的实验室工作，支持部分的国家科学基金会（NSF-CHE 07502753）和资助鲁普雷希特-卡尔斯-UNIVERSITAT海德堡的工作“，结构式和Innovationsfond DES朗德巴登 - 符腾堡”。在休斯敦大学在Miljanić的实验室工作，资助由美国国家科学基金会职业计划（译文-1151292），在韦尔奇基金会（授出没有。ê-1768），在大学休斯顿（UH）和其小格兰特程序，并德州超导中心在UH。
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Cyclohexane (CH) | Mallinckrodt | 4878-02 | |
| Chlorobenzene (CB) | JT Baker | 9179-1 | |
| 1,2,4-Trichlorobenzene (TCB) | Alfa Aesar | 19390 | |
| Dichloromethane (DCM) - Miljanić | Mallinckrodt | 4879-06 | |
| Acetonitrile (AN) | Mallinckrodt | 2856-10 | |
| Chloroform (CF) | Mallinckrodt | 4440-19 | |
| Dichloromethane (DCM) - Bunz | Sigma Aldrich | 24233 | |
| Ethyl Acetate (EtOAc) | Brenntag | 10010447 | Additional distillation |
| Acetonitrile (AN) | Sigma Aldrich | 34851 | |
| Dimethylformamide (DMF) | Sigma Aldrich | 38840 | |
| 2-Propanol (iPrOH) | Ruprecht-Karls Universität Heidelberg, Zentralbereich Neuenheimer Feld | 69595 | |
| Methanol (MeOH) | VWR | 20847.295 | |
| 4-Hydroxybenzoic Acid (A1) | Fluka | 54630 | |
| (4-Hydroxyphenyl)acetic Acid (A2) | Sigma Aldrich | H50004 | |
| Ibuprofen (A3) | ABCR | AB125950 | |
| Aspirine (A4) | Sigma Aldrich | A5376 | |
| Phenylacetic Acid (A5) | Sigma Aldrich | P16621 | |
| 4-Chlorophenylacetic Acid (A6) | Sigma Aldrich | 139262 | |
| Benzoic Acid (A7) | Merck | 8222571000 | |
| 3,5-Dihydroxybenzoic Acid (A8) | Sigma Aldrich | D110000 | |
| 2,4-Dichlorobenzoic Acid (A9) | Sigma Aldrich | 139572 | |
| 2-Hydroxy-5-iodobenzoic Acid (A10) | Sigma Aldrich | I10600 | |
| 2,6-Dichlorophenylboronic Acid (B1) | TCI | D3357 | |
| 3,5-Bis(trifluoromethyl)phenylboronic Acid (B2) | Sigma Aldrich | 471070 | |
| 4-Mercaptophenylboronic Acid (B3) | Sigma Aldrich | 524018 | |
| 4-Methoxyphenylboronic Acid (B4) | TCI | M1126 | |
| Benzeneboronic Acid (B5) | Alfa Aesar | A14257 | |
| Cyclohexylboronic Acid (B6) | Sigma Aldrich | 556580 | |
| 3-Pyridylboronic Acid (B7) | Sigma Aldrich | 512125 | |
| 4-Nitrophenylboronic Acid (B8) | Sigma Aldrich | 673854 | |
| Pentafluorophenylboronic Acid (B9) | Sigma Aldrich | 465097 | |
| Triethylamine (N1) | Alfa Aesar | A12646 | |
| Piperidine (N2) | JT Baker | 2895-05 | |
| Piperazine (N3) | Aldrich | P45907 | |
| 1,4-Diaminobenzene (N4) | Alfa Aesar | A15680 | |
| 1,3-Diaminobenzene (N5) | Eastman | ||
| 1,2-Diaminobenzene (N6) | TCI | P0168 | |
| 4-Methoxyaniline (N7) | Alfa Aesar | A10946 | |
| Aniline (N8) | Acros | 22173-2500 | |
| 4-Nitroaniline (N9) | Alfa Aesar | A10369 | |
| N,N-Diphenylurea (N10) | Alfa Aesar | A18720 | |
| N,N-Dimethylurea (N11) | Alfa Aesar | B21329 | |
| Urea (N12) | Mallinckrodt | 8648-04 | |
| Canon EOS 30D (objective EFS 18-55 mm zoom lens) | Canon | ||
| Canon EOS Rebel T3i (objective EFS 18-55 mm zoom lens) | Canon | ||
| FujiFilm FinePix S9000 | Fuji |
References
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