專利名稱：：可用作爆炸物探測標(biāo)記物的卟啉原衍生物的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種來源于卟啉原的、對爆炸物化學(xué)品具有選擇性結(jié)合親合力的傳感器。更具體而言，本發(fā)明涉及具有腔體的卟啉原衍生物，所述卟啉原衍生物在傳感器暴露于含有靶分子的環(huán)境中時(shí)選擇性結(jié)合靶分子。通過與靶分子的結(jié)合，卟啉原衍生物發(fā)生可被探測到的電磁輻射的吸收和放射。而且，本發(fā)明涉及在金屬表面上形成自組裝分子單層(SAM)，所述SAM使本發(fā)明的卟啉原衍生物與被分析物介質(zhì)接觸從而實(shí)現(xiàn)高靈敏度的分析。
背景技術(shù)：
：化學(xué)傳感器通常實(shí)現(xiàn)兩個(gè)目標(biāo)(1)開發(fā)能夠確定分子或分子種類的特異性化學(xué)識別元件，和(2)開發(fā)一種信號轉(zhuǎn)換單元，在該單元中，所述分子的存在使得材料的物性發(fā)生可測定的變化。雖然這兩個(gè)目標(biāo)不總是可分割的，但成功的化學(xué)傳感器的設(shè)計(jì)需要這兩個(gè)目標(biāo)都得到滿足。大多數(shù)轉(zhuǎn)換方法是基于光學(xué)測定、電阻測定、表面聲波測定或電容率測定。這些己得到良好開發(fā)的方法因?yàn)槠湟撞僮餍浴㈧`敏性和成本而占主導(dǎo)地位。不過，這些探測器中的化學(xué)識別元件的開發(fā)遠(yuǎn)遠(yuǎn)滯后。在通常的傳感器制造中，制備由基質(zhì)和粘合劑組成的固體塑料塊，該固體塑料塊與聚合物/交聯(lián)劑基質(zhì)和靶分子化學(xué)性結(jié)合。由于靶分子可逆地與粘合劑結(jié)合，所以可以除去靶分子。其留下的腔體永久性定形為與靶分子的形狀相似。探測爆炸物或爆炸殘余物的方法需要諸如與質(zhì)譜或化學(xué)發(fā)光檢測聯(lián)用的液相色譜或氣相色譜等復(fù)雜的分析儀器。相關(guān)的儀器往往較大、較昂貴、難以維護(hù)并且需要熟練的操作人員。如果必需進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室分析，則需要大量的證明文件以進(jìn)行樣品運(yùn)送，這樣增加了樣品污染的可能性。對某些爆炸物而言，可以進(jìn)行免疫測定，但這非常繁瑣而且保存期較短。現(xiàn)在已經(jīng)在土壤中發(fā)現(xiàn)了大量的有機(jī)污染物。例如用于農(nóng)藥、藥物、染料和塑料制造的含硝基官能團(tuán)的異型生物質(zhì)化合物。這樣的化合物也用于礦業(yè)和種植業(yè)，并且它們是包括地雷在內(nèi)的彈藥中的主要填充物。最常見的殘余物包括2，4,6-三硝基甲苯0^丁)、六氫-1,3，5-三硝基-三嗪(1^^)、八氫-1，3,5,7-四硝基-l,3，5,7-四氮雜環(huán)辛烷(HMX)以及相關(guān)的雜質(zhì)和環(huán)境轉(zhuǎn)化產(chǎn)品。這樣的化合物污染了制造地、儲存地以及軍事設(shè)施所在地。此外，據(jù)估計(jì)，目前所用的地雷中有約90%存在滲漏，使得TNT擴(kuò)散到土壤中。與許多其他的污染物不同，這些污染物中某些對土壤的親合力很小，遷移迅速從而污染地下水。由于發(fā)現(xiàn)較高的TNT水平可能抑制生物活性，所以這引起了人們的關(guān)注。除了污染自身這樣的直接結(jié)果外，這種類型的污染物可能是存在爆炸物的隱患。由于地雷殺死和致殘前戰(zhàn)區(qū)(特別是在世界偏遠(yuǎn)窮困地區(qū))中的人民，因此知曉地雷的存在將具有重大的人道主義價(jià)值。處理土壤污染的第一個(gè)要求是能夠探測受污染的地點(diǎn)。希望得到實(shí)用且相對便宜的探測系統(tǒng)目的是為了便于更廣泛地得到施用。目前可用的探測方法能夠探測污染物，但這些方法既不便又昂貴。提及與土壤樣品有關(guān)的信息時(shí)，各種觀察都針對特定的地點(diǎn)和時(shí)間。因此，除非測量地點(diǎn)和/或時(shí)間是已知的并且在分析中加以考慮，否則，屬性值(即污染物濃度)的獲知并無意義。獲得成本效率高的、精確的地點(diǎn)評定的關(guān)鍵決策是待收集的土壤樣品的數(shù)量、位置和類型。當(dāng)樣品沒有準(zhǔn)確代表模型方案所假定代表的區(qū)域時(shí)，必將發(fā)生地點(diǎn)評定錯誤。當(dāng)污染物在整個(gè)土壤中不均勻分布時(shí)，例如發(fā)生象爆炸物污染時(shí)的情況，這是一個(gè)特殊問題。由于需要大量的樣品來有效地評價(jià)一個(gè)地點(diǎn)，所以受污染土壤的評定可能昂貴且耗時(shí)?，F(xiàn)有的評價(jià)環(huán)境樣品的實(shí)驗(yàn)室方法具有較高的靈敏度，并且能夠評價(jià)多種化學(xué)品，但與該方法相關(guān)的時(shí)間和成本往往限制了其有效性。因而，對于許多應(yīng)用而言，需要經(jīng)濟(jì)可行、堅(jiān)固耐用且快速響應(yīng)的用于受污染土壤的測繪系統(tǒng)。通常通過收集樣品并采用例如酶免疫測定和高效液相色譜等各種技術(shù)在實(shí)驗(yàn)室中對樣品進(jìn)行分析來監(jiān)控被爆炸物污染的土壤。通常通過采用金屬探測器、狗或人力搜索相關(guān)區(qū)域來進(jìn)行地雷的探測。在軍事排雷中，目標(biāo)是釆用強(qiáng)力盡快清掃雷區(qū)，通常80%90%的清除率是可接受的。另一方面，人道主義排雷更加困難和危險(xiǎn)，因?yàn)樾枰耆ニ械牡乩撞⑶沂菇?jīng)清除的雷區(qū)恢復(fù)正常使用。目前，大多數(shù)人道主義排雷都是采用手持金屬探測器來進(jìn)行，手持金屬探測器通過利用時(shí)變電磁場來引發(fā)目標(biāo)物中的電渦流并由此產(chǎn)生可探測的磁場，從而找到目標(biāo)物。老式地雷含有金屬部分(例如，撞針)，但現(xiàn)代地雷含極少量的金屬或者根本不含金屬。提高探測器的靈敏度以探測更小量的金屬也使得探測器對金屬廢料非常靈敏，而這些金屬廢料經(jīng)常出線在可能存在地雷的區(qū)域。此外，金屬探測器雖然精密，但僅在尋找地下的異常物方面成功，而不能提供關(guān)于是否存在爆炸劑的信息。人道主義排雷的一個(gè)主要問題是區(qū)分"艦"目標(biāo)物和地雷。確定并去除無害目標(biāo)物是一個(gè)耗時(shí)耗財(cái)?shù)倪^程。狗具有非常發(fā)達(dá)的嗅覺，可經(jīng)訓(xùn)練以探測微量爆炸物。不過，該技術(shù)需要對狗及其操控者進(jìn)行大量的訓(xùn)練，而且狗的注意廣度有限，使其難以保持連續(xù)操作?，F(xiàn)在已經(jīng)出現(xiàn)了許多地雷探測技術(shù)包括探地雷達(dá)(GPR)、紅外熱成像和先進(jìn)的金屬探測器作為對目前所用方法的補(bǔ)充。這些技術(shù)的共有特點(diǎn)是它們探測地下的"異常物"但不能指示是否存在有爆炸劑?；旧希珿PR體系通過采用寬頻帶天線向地下發(fā)射短電磁脈沖來工作，然后測量來自地下的反射以形成矢量。天線位移能夠通過并列顯示連續(xù)矢量來構(gòu)建圖像。盡管需要高頻來獲得良好的空間分辨率，但電場的穿透深度與頻率成反比，過高的頻率在幾厘米之后就不起作用了。因此，頻率范圍的選擇是在分辨率和穿透深度之間的一種權(quán)衡。雖然可以將探測器調(diào)整為靈敏到足以探測現(xiàn)代地雷中的少量金屬，但實(shí)際上這并不可行，因?yàn)檫@將導(dǎo)致同時(shí)探測到更小的碎片，增加誤報(bào)率。WO0177664A2公開了所謂的分子壓印聚合物爆炸物傳感器。所述傳感器對諸如2,4,6-三硝基甲苯(TNT)和1，3,5-三硝基苯(TNB)等爆炸物具有選擇性結(jié)合的親合力。該聚合物傳感器包括卟啉單元，當(dāng)所述聚合物暴露至爆炸物時(shí)，該卟啉單元在電磁輻射的吸收和/或發(fā)射方面產(chǎn)生可探測的變化。不過，該文獻(xiàn)并未披露本發(fā)明中所用的四-TTF杯[4]吡咯。WO03031953A2公開了用于感測硝基芳烴的方法和設(shè)備。所述方法能夠利用發(fā)光的(例如發(fā)熒光和/或電發(fā)光的)具有芳基取代基的聚乙炔和/或發(fā)光的具有其他取代基的聚乙炔來感測硝基芳烴。在具體的實(shí)施方式中，所述方法利用發(fā)熒光和/或電發(fā)光的具有芳基取代基的聚乙炔和/或發(fā)熒光和/或電發(fā)光的具有其他取代基的聚乙炔的薄膜。該文獻(xiàn)沒有披露本發(fā)明中所用的四-71杯[4]吡咯。WO0177650A1公開了采用表面增強(qiáng)型(諧振)拉曼散射(SE(R)RS)探測在樣品中探測被分析物的方法，所述方法包括下述步驟a)將樣品與試劑混合，以使樣品中存在的所有被分析物均與試劑反應(yīng)，從而形成衍生化的被分析物，其中衍生化的被分析物包含發(fā)色團(tuán)；b)將衍生化的被分析物與SE(R)RS活性底物混合，從而使衍生化的被分析物粘附于活性底物上；和c)通過SE(R)RS探測來探測衍生化的被分析物，其中探測到的所有衍生化被分析物均與樣品中存在的被分析物相關(guān)。可被探測到的被分析物的實(shí)例包括醛類、胺類、爆炸物、濫用藥物、治療劑、代謝物和環(huán)境污染物。樣品可以是任何一種更容易被發(fā)現(xiàn)的耙分析物的配制品。不過，在與試劑反應(yīng)之前，樣品也適合溶解或者轉(zhuǎn)化為溶液形式。這樣，當(dāng)探測爆炸物或?yàn)E用藥物時(shí)，可以采集空氣樣品或呼吸樣品，以及吸收在合適的底物上的任何靶分析物。然后，可通過用諸如二甲基甲酰胺(DMF)、丙酮或四氫呋喃(THF)等合適的溶劑洗滌而將所有的耙被分析物從底物中除去。例如，在從蒸汽相中確定TNT或RDX時(shí)，可首先將蒸汽收集在諸如TENAX等合適的材料上，并以少量的溶劑洗滌該材料從而在溶液中產(chǎn)生少量的爆炸物。用于此目的的溶劑優(yōu)選二甲基甲酰胺。WO0026638A1公開了一種用于探測流體中的被分析物的傳感器，該傳感器包含底物，該底物具有對被分析物有響應(yīng)的第一有機(jī)物質(zhì)和第二有機(jī)物質(zhì)。所述傳感器具有信息存儲和處理設(shè)備以及流體遞送設(shè)施。該設(shè)備將來自探測器的響應(yīng)與所存儲的理想響應(yīng)進(jìn)行比較以探測被分析物是否存在。該文件對上述體系的使用方法進(jìn)行了說明，其中對第一有機(jī)物質(zhì)和第二有機(jī)物質(zhì)進(jìn)行感測，并探測了被分析物。該方法用于此類設(shè)備將流體遞送至傳感器，并以探測器測定傳感器的響應(yīng)。此外，將該響應(yīng)與所存儲的被分析物的理想響應(yīng)進(jìn)行比較以確定被分析物是否存在。在不同的實(shí)施方式中，所測定的流體可以是氣體、液體或固體中提取的流體。雖然該文獻(xiàn)提到包含聚合物(例如，聚(苯胺)、聚(噻吩)和聚(吡咯))的傳感器底物的適用性，但并沒有提示本發(fā)明所設(shè)想的四-TTF杯[4]吡咯適于TNT感測。US20040234958A1公開了采用表面增強(qiáng)型(諧振)拉曼散射(SE(R)RS)探測在樣品中探測被分析物的方法，所述方法包括下述步驟a)將樣品與試劑混合，以使樣品中存在的所有被分析物均與試劑反應(yīng)，從而形成衍生化的被分析物，其中衍生化的被分析物包含發(fā)色團(tuán)；b)將衍生化的被分析物與SE(R)RS活性底物混合，從而使衍生化的被分析物粘附于活性底物上;和c)通過SE(R)RS探測來探測衍生化的被分析物，其中探測到的所有衍生化的被分析物均可樣品中存在的被分析物相關(guān)。在制備能夠通過較弱的非共價(jià)相互作用識別特定的化學(xué)物質(zhì)的超分子主體體系方面已進(jìn)行了大量的工作。將氧化還原活性成分引入到主體分子中是一種通過例如增加的供體-受體相互作用來增強(qiáng)客體識別過程的方法。在本文中，使用四硫富瓦烯(TTF)顯得特別引人注目。迄今為止，已出現(xiàn)了合成大量含TTF的體系來研究主體-客體結(jié)合的實(shí)例。不過，在幾乎所有的情況中，都僅觀察到了與中性客體的較弱的相互作用。本發(fā)明人已發(fā)表了一篇文章(J.AM.CHEM.SOC.2004，126，16296-16297)，文章中公開了本發(fā)明的卟啉原衍生物(即，權(quán)利要求1所述的化合物)之一(四-TTF杯[4]吡咯2a)，已將該化合物排除在本發(fā)明的保護(hù)范圍外。不過，本發(fā)明人所知的現(xiàn)有技術(shù)并未披露四-TTF杯[4]吡咯，例如通過與TNT相互作用而用于探測爆炸物的用途。本發(fā)明人驚訝地發(fā)現(xiàn)四-TTF杯[4]吡咯以及本發(fā)明的B卜啉原衍生物對于爆炸物化學(xué)品(例如TNT)的感測具有優(yōu)異的性能。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明提供一種選擇性結(jié)合包括爆炸物化學(xué)品在內(nèi)的靶分子的葉啉原衍生物(例如，四-TTF杯[4]吡咯)。更具體而言，本發(fā)明涉及的是通式2所示的卟啉原衍生物<formula>formulaseeoriginaldocumentpage15</formula>R1R16獨(dú)立地代表任何有機(jī)基團(tuán)或無機(jī)基團(tuán)，限制條件是排除對這樣的化合物的保護(hù)其中WR8為-S-CH2-CH2-CH3，R9R"為甲基。因而，這將包括通式2所示的卟啉原衍生物其中WRS獨(dú)立地選自由下述基團(tuán)組成的組i)SRA，其中RA代表dC20烷基鏈或者-CH2CH2O(CH2CH2O、基團(tuán)(n=05);ii)COOK8,其中RB代表C,C20烷基鏈或者-CH2CH2O(CH2CH2O)n基團(tuán)(n=05);iii)CH2Ar，其中Ar代表芳基基團(tuán)；禾口iv)CH2XRe，其中X代表O、S或N原子，Re代表C,C2o烷基鏈或者-CH2CH20(CH2CH20)n基團(tuán)(11=05)。本發(fā)明基于上述的卟啉原衍生物能選擇性結(jié)合爆炸性標(biāo)記物的能力。該衍生物作為中性電子受體的有效接受體，所述中性電子受體為例如1，3，5-三硝基苯(TNB)、1，3-二硝基苯(l，3-DNB)、2，4,6-三硝基甲苯(TNT)、2，4-二硝基甲苯(2,4-DNT)、2，6-二硝基甲苯(2，6-DNT)、2,4，6-三硝基苯酚(TNP)、2,4-二硝基苯酚(2，4-DNP)、2,6-二硝基苯酚(2,6-DNP)、四氟對苯醌、四氯對苯醌和對苯醌的溶液形式，在TNB、TNT和四氟對苯醌的情況中，也包括固體狀態(tài)?？赏ㄟ^添加氯陰離子從而阻斷該中性底物識別過程。在本工作之前，幾乎沒有出現(xiàn)通過杯[4]吡咯結(jié)合中性底物的報(bào)道。將本發(fā)明的卟啉原衍生物設(shè)計(jì)為利用杯[4]吡咯在不存在陰離子的情況中通常存在1,3-交替構(gòu)象的事實(shí)。在該構(gòu)象中，期望每對相同的TTF供電子體以類夾心形式通過電荷轉(zhuǎn)移(CT)相互作用來保持缺電子客體。還期望通過吡咯NH氫鍵供體和71-71堆積提供額外的穩(wěn)定性。本發(fā)明還提供一種包括上述的卟啉原衍生物的分光法的傳感器。所述傳感器可包括光纖或其他波導(dǎo)傳感器，從而探測包括諸如TNT、TNB和TNP16及其類似物和降解物等爆炸物在內(nèi)的靶分子的存在，所述傳感器包括至少一個(gè)具有近端和遠(yuǎn)端的用于傳輸光能的光纖單元，所述近端設(shè)置在探針室內(nèi)，所述遠(yuǎn)端上設(shè)有或者結(jié)合有本發(fā)明的卟啉原衍生物，其中該卟啉原衍生物能夠與耙分子化學(xué)性結(jié)合；用于產(chǎn)生激發(fā)光能的光源單元，所述光源單元與所述光纖單元有效連接以使該激發(fā)光能穿過該光纖單元；以及該傳感器還包括探測單元，該探測單元與該光纖單元有效連接，用于探測由所述聚合物產(chǎn)生的發(fā)射和/或吸收信號。在另一個(gè)實(shí)施方式中，本發(fā)明涉及用于探測爆炸物存在的表面聲波傳感器，所述傳感器應(yīng)該包含與該傳感器結(jié)合的卟啉原衍生物。尤其是，本發(fā)明的表面聲波傳感器包括上述卟啉原衍生物的膜，該膜設(shè)置在諸如氧化鋁或壓電晶體物質(zhì)(例如石英晶體)等底物上，其中該卟啉原衍生物能夠與含爆炸物的流體化學(xué)性結(jié)合；輸入轉(zhuǎn)換器和輸出轉(zhuǎn)換器，該輸入轉(zhuǎn)換器和輸出轉(zhuǎn)換器設(shè)置在該膜或底物上；以及信號發(fā)生器，該信號發(fā)生器與該輸入轉(zhuǎn)換器有效連接，用于沿延遲線產(chǎn)生表面聲波。本發(fā)明的另外的方案、實(shí)施方式和優(yōu)點(diǎn)將在下述描述中部分闡述，或者可以通過實(shí)踐或釆用本發(fā)明方案而獲知。目標(biāo)和優(yōu)點(diǎn)可以通過本說明書和所附權(quán)利要求書所特別指出的特征和結(jié)合得以實(shí)現(xiàn)和獲得。應(yīng)當(dāng)理解的是，前述概括性描述和下述詳細(xì)描述都僅是示例性和說明性的，不能視作對所要求保護(hù)的發(fā)明的限定。術(shù)語"流體"在此以最寬泛的含義來使用，即，當(dāng)提到流體時(shí)，包括諸如蒸汽等氣體和例如水、溶劑等液體，等等。圖l:本發(fā)明的卟啉原衍生物2a的X-射線晶體結(jié)構(gòu)。圖2:圖示TNB和本發(fā)明的卟啉原衍生物2a之間的氫鍵相互作用(虛線)的X-射線晶體結(jié)構(gòu)。圖3:顯示四-TTF杯[4]吡咯2a和兩個(gè)固體狀態(tài)的TNT分子之間的絡(luò)合作用的X-射線晶體結(jié)構(gòu)。圖4:顯示因四-TTF杯[4]吡咯2a和TNB之間的絡(luò)合作用而發(fā)生的固體狀態(tài)中顏色由黃到黑的變化的照片。圖5:下述物質(zhì)的吸收光譜(CH2Cl2，25°C):(a)四-TTF杯[4]吡咯2a(l.OmM);(b)四-TTF杯[4]吡咯2a+2當(dāng)量TNB;(c)四-TTF杯[4]吡咯2a+2當(dāng)量TNB+5當(dāng)量四丁基氯化銨(TBAC1);和(d)以H20洗滌之后的四-TTF杯[4]吡咯2a(1.0mM)。圖6:下述物質(zhì)的吸收光譜(CH2Cl2,25°C):(a)四-TTF杯[4]吡咯2a(2.0mM);(b)四-TTF杯[4]吡咯2a+2當(dāng)量TNT;禾口(c)四-TTF杯[4]吡咯2a+2當(dāng)量TNB+5當(dāng)量四丁基氯化銨(TBAC1)。圖7:顯示將溶解在CHC13中的四-TTF杯[4]吡咯2a的氣溶膠噴霧在含少量TNB的沙子上之前(左圖)和之后(右圖)的顏色變化的試驗(yàn)。式1:合成本發(fā)明的卟啉原衍生物(四-TTF杯[4]吡咯)的通用方法。式2:說明與在四-TTF杯[4]吡咯和缺電子客體TNB或TNT(由變形的矩形表示)的CH2Cl2溶液中添加/除去氯陰離子相關(guān)的構(gòu)象變化的卡通圖示。式3:四-TTF杯[4]吡咯衍生物2a的合成。式4:四-TTF杯[4]吡咯衍生物2b的合成。式5:四-TTF杯[4]吡咯衍生物2c的合成。式6:四-TTF杯[4]吡咯衍生物2d的合成。式7:四-TTF杯[4]吡咯衍生物2e的合成。式8:四-TTF杯[4]吡咯衍生物2f的合成。式9:四-TTF杯[4]吡咯衍生物2g的合成。式10:四-TTF杯[4]吡咯衍生物2h的合成。式11:四-TTF杯[4]吡咯衍生物2i的合成。式12:單吡咯并-TTF衍生物lc的合成。式13:單吡咯并-TTF衍生物ld的合成。式14:單吡咯并-TTF衍生物le的合成。式15:單吡咯并-TTF衍生物lf的合成。式16:單吡咯并-TTF衍生物lg的合成。式17:單吡咯并-TTF衍生物lh的合成。式18:單吡咯并-TTF衍生物li的合成。具體實(shí)施例方式此處所用的術(shù)語"本發(fā)明的卟啉原衍生物"是指具有下述模具狀結(jié)構(gòu)的分子該結(jié)構(gòu)將可相互作用的部分預(yù)先組織起來，填補(bǔ)耙分子上的結(jié)合位點(diǎn)的空隙，所述靶分子包括諸如2，4,6-三硝基甲苯(TNT)、1，3，5-三硝基苯(TNB)和1，3,5-三硝基苯酚(TNP)等爆炸物化學(xué)品。所述可相互作用的部分的幾何形狀使其具有對爆炸物化學(xué)品可選擇性結(jié)合的特性。術(shù)語"選擇性結(jié)合"旨在表示與對具有類似結(jié)構(gòu)的非-模板分子(例如，諸如氯-硝基-苯等殺蟲劑)相比，本文的卟啉原衍生物對爆炸物化學(xué)品所表現(xiàn)的優(yōu)先且可逆的結(jié)合。選擇性結(jié)合包括本發(fā)明的卟啉原衍生物對爆炸物化學(xué)品的親合性和特異性。本發(fā)明還提供用于探測爆炸物的方法，所述方法包括使本發(fā)明的n卜啉原衍生物暴露于含爆炸物的環(huán)境中以使爆炸物散發(fā)出的蒸汽和/或微粒與該卟啉原衍生物相接觸，并探測該卟啉原衍生物的電磁輻射吸收和/或發(fā)射的任何變化，這種探測到的變化指示在環(huán)境之內(nèi)、環(huán)境之上或環(huán)境相關(guān)處該爆炸物的存在。在優(yōu)選的實(shí)施方式中，本發(fā)明的卟啉原衍生物可與諸如由人、動物或機(jī)器所配備的劑量計(jì)類計(jì)量器(dosimeter-likebadge)等合適的底物相結(jié)合，以探19測爆炸物蒸汽。當(dāng)配備有該計(jì)量器的人或動物進(jìn)入含爆炸物蒸汽的區(qū)域時(shí)，爆炸物蒸汽與卟啉原衍生物結(jié)合從而使其吸收和/或發(fā)射輻射。在另一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方式中，本發(fā)明涉及用于探測包括諸如TNT、TNB或TNP以及其類似物和降解物等爆炸物在內(nèi)的靶分子的存在的光纖傳感器設(shè)備，該傳感器設(shè)備包括至少一個(gè)具有近端和遠(yuǎn)端的用于傳輸光能的光纖單元，所述近端設(shè)置在探針室內(nèi)，本發(fā)明的上述卟啉原衍生物設(shè)置或結(jié)合在該光纖單元的遠(yuǎn)端上，其中該卟啉原衍生物能夠與該靶分子化學(xué)性結(jié)合；用于產(chǎn)生激發(fā)能的光源單元，該光源單元與該光纖單元有效連接以使所述激發(fā)光穿過該光纖單元；該傳感器設(shè)備還包括探測單元，該探測單元與該光纖單元有效連接，用于探測由所述聚合物產(chǎn)生的吸收信號和/或發(fā)射信號。適合光源單元的非限制性實(shí)例包括氬激光器、藍(lán)光激光器、可調(diào)激光器、發(fā)光二極管(LED)等。適合探測單元的非限制性實(shí)例包括分光光度計(jì)、光譜儀(氣相光譜儀或質(zhì)譜計(jì))、光電倍增管、安裝有CCD照相機(jī)的單色儀、石英晶體微量天平(QCM)、濾光片、肉眼等。在本實(shí)施方式中，該便攜設(shè)備可采用調(diào)制激光二極管進(jìn)行激發(fā)和釆用小型光傳感器模塊進(jìn)行探測，輸出結(jié)果進(jìn)入微處理器控制的門控積分器。此外，設(shè)計(jì)中可加入復(fù)式光開關(guān)以使多個(gè)傳感器連接在一個(gè)控制體系中，使其能夠監(jiān)控諸如在建筑物、地鐵站、大型購物中心、機(jī)場等中的大型區(qū)域。使用時(shí)，爆炸物或含爆炸物的液體所散發(fā)的蒸汽或微粒(如果存在的話)與本發(fā)明的卟啉原衍生物相結(jié)合，并使其變色。來自光源單元的光沿著光纖傳播至光纖遠(yuǎn)端，光在該遠(yuǎn)端發(fā)生了變化，該變化是由于光與卟啉原衍生物的相互作用而引起的。發(fā)生了變化的光沿同一光纖或另一光纖返回至探測單元，探測單元對返回的光信號進(jìn)行解釋。當(dāng)爆炸物蒸汽與聚合物結(jié)合時(shí)該聚合物吸收光譜發(fā)生改變，探測正是基于這種改變。20作為選擇，可將傳感器的遠(yuǎn)端(工作端)封閉在半透膜中以將被分析的含爆炸物介質(zhì)與探針隔開。膜的一個(gè)功能是盡可能遠(yuǎn)地隔開爆炸物(即，樣品中那些可以與探針結(jié)合的成分)和干擾物(即，可能存在但不希望存在的化合物，不希望它們存在是因?yàn)樗鼈儠蓴_所希望的測定反應(yīng)的進(jìn)行，或者它們自身會參與反應(yīng)，與所試圖探測的爆炸物競爭并扭曲或覆蓋所要測定的信號)。在另一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方式中，本發(fā)明涉及用于探測爆炸物或含爆炸物的液體所散發(fā)的蒸汽或微粒的存在的SAW(表面聲波)傳感器。該SAW傳感器包含與該傳感器結(jié)合的本發(fā)明的上述卟啉原衍生物。本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種易于合成的化學(xué)物質(zhì)，該化學(xué)物質(zhì)易于附著在表面上，并促進(jìn)分子結(jié)合配對物的表面固定化，使得所述表面能以高靈敏度捕獲所述分子結(jié)合配對物，并盡可能地減少非特異性結(jié)合。在該方面，自組裝單層(SAM)提供了一條獲得這樣的固定化的方便的途徑。本領(lǐng)域技術(shù)人員將認(rèn)識到，如果卟啉原具有至少一個(gè)可接近的(即，無空間位阻的)-SH基團(tuán)(巰基)，則本發(fā)明的卟啉原衍生物可以固定在或結(jié)合在例如金表面上。因此，本發(fā)明還涉及通式2的卟啉原衍生物(參見前述內(nèi)容和權(quán)利要求1)，其中至少一個(gè)側(cè)基(R)具有可用于與表面結(jié)合的游離巰基。術(shù)語"自組裝單層"是指自發(fā)地化學(xué)吸附在表面上的分子的相對有序的組裝，其中所述分子的取向近似于彼此平行并大致垂直于所述表面。每個(gè)分子都包括附著于表面的官能切，以及與該單層中的相鄰分子相互作用的部分，從而形成相對有序的排列。參見Laibinis,P.E.;Hickman,J.;Wrighton，M.S.;Whitesides,G.M.Science245，845(1989);Bain,C.;Evall,J.;Whitesides,G.M.J.Am.Chem.Soc.Ill,7155-7164(1989);Bain,C.;Whitesides,G.M.J.Am.Chem.Soc.111，7164-7175(l卿)和J.ChristopherLove，LamA.Estroff,JennahK.Kriebel，RalphG.N認(rèn)o，GeorgeM.WhitesidesChem.Rev.105，1103-1169(2005)，每篇文獻(xiàn)都通過引用加入本文。在本發(fā)明的某些方案，將多個(gè)上述傳感器類型集成在高密度平臺中，優(yōu)選為集成在硅芯片上或者公知的其他底物材料上。在優(yōu)選方案中，將多個(gè)傳感器集成在單個(gè)芯片上。實(shí)施例實(shí)施例1:四-TTF杯[4]吡咯2a的合成和表征合成四-TTF杯[4]吡咯(本發(fā)明的B卜啉原衍生物)的通用方法概述于式1中。在CH2Cl2和Me2CO的混合物中以過量的TFA(三氟乙酸)處理單吡咯并-TTFla，以18。/。的產(chǎn)率得到作為黃色固體的四-TTF杯[4]吡咯2a。對其進(jìn)行充分表征，包括X-射線晶體結(jié)構(gòu)分析(圖1)。適用于X-射線晶體學(xué)的晶體通過下述方法制備使Me2CO層緩慢擴(kuò)散到含四-TTF杯[4]吡咯的CH2C12溶液中，得到作為黃色針狀物的2a(圖4)。四-TTF杯[4]吡咯2a和TNB之間的相互作用以及四-TTF杯[4]妣咯2a和TNT之間的相互作用的初始證據(jù)來自X-射線晶體學(xué)。通過使戊烷層緩慢擴(kuò)散到以1:2的比例含有四-TTF杯[4]吡咯2a和TNB或TNT的01202溶液中來生長衍射級別的晶體。所得的對于2a和TNB之間的絡(luò)合作用的結(jié)構(gòu)分析(圖2)顯示含兩個(gè)不同的四-TTF杯[4]妣咯2a單元的固態(tài)結(jié)構(gòu)。這些絡(luò)合物中的每一個(gè)都含有兩個(gè)客體分子TNB，這兩個(gè)TNB各有兩個(gè)硝基基團(tuán)指向NH質(zhì)子，并且參與固態(tài)中的氫鍵相互作用。在第二個(gè)絡(luò)合物中，一個(gè)客體分子具有兩個(gè)指向NH質(zhì)子的硝基基團(tuán)，而另一個(gè)客體僅有一個(gè)指向NH質(zhì)子的硝基基團(tuán)。在這兩個(gè)絡(luò)合物中，成對TTF之間的晶面間距為6.80A7.10A。所得的對于2a和TNT之間的絡(luò)合作用的結(jié)構(gòu)分析(圖3)顯示含一個(gè)四-TTF杯[4]吡咯2a單元和兩個(gè)客體分子TNT的固態(tài)結(jié)構(gòu)，這兩個(gè)TNT各有兩個(gè)硝基基團(tuán)指向NH質(zhì)子，并且參與固態(tài)中的氫鍵相互作用。在該絡(luò)合物中，成對TTF之間的晶面間距為6.90A7.5QA。將2當(dāng)量的TNB或TNT添加到四-TTF杯[4]吡咯2a的CH2Cl2溶液中使得顏色立即從黃色變?yōu)榫G色，并且在紫外-可見光譜中出現(xiàn)中心在人-677nm(TNB)和X-625nm(TNT)處的吸收帶。據(jù)認(rèn)為，該觀察結(jié)果分別反映了存在于四-TTF杯[4]吡咯2a和TNB或TNT中的供體單元和受體單元之間的CT相互作用的存在。將陰離子添加到四-TTF杯[4]吡咯中使平衡從1，3-交替構(gòu)象移動到相應(yīng)的錐形構(gòu)象。將5當(dāng)量TBAC1添加到含四-TTF杯[4]吡咯2a和TNB或TNT的012<:12溶液中使得顏色從綠色變回為黃色，并且紫外-可見光譜中的中心在A^677nm(TNB)和？^625nm(TNT)處的吸收帶消失(圖5和圖6)。將氯陰離子添加到四-TTF杯[4]吡咯2a和TNB或TNT的溶液中導(dǎo)致氯離子和用于與四-TTF杯[4]吡咯2a的NH質(zhì)子發(fā)生氫鍵相互作用的缺電子客體之間的競爭，從而導(dǎo)致1,3-交替構(gòu)象和錐形構(gòu)象之間的競爭。不過，由于四-TTF杯[4]吡咯2a和氯離子之間的高結(jié)合常數(shù)，平衡主要向錐形構(gòu)象移動。由于處于1，3-交替構(gòu)象的四-TTF杯[4]吡咯2a中存在的空穴不再可用于結(jié)合，這因而導(dǎo)致了缺電子客體TNB或TNT的釋放(式2)。通過以H20洗滌而將TBAC1鹽從有機(jī)CH2Cl2相中提取出來，從而重新得到了四-TTF杯[4]吡咯/TNB絡(luò)合物和四-TTF杯[4]吡咯/TNT絡(luò)合物，并因而恢復(fù)了CH2Cl2溶液的綠色。據(jù)推測，在不存在陰離子的情況中，主體-客體絡(luò)合物的形成通過來自主體四-TTF杯[4]吡咯2a的兩個(gè)NH質(zhì)子和存在于客體TNB或TNT中的一個(gè)或兩個(gè)硝基之間的氫鍵相互作用而得以增強(qiáng)。對該假設(shè)的支持通過&NMR光譜分析而顯而易見。例如，四-TTF杯[4]吡咯2a的'HNMR譜(CDCl3，298K)在5=7.10ppm處顯示共振信號，該信號被歸屬為游離NH質(zhì)子。通過將兩當(dāng)量的TNB添加到該溶液中，由于對一個(gè)或多個(gè)客體的氫鍵相互作用，與NH質(zhì)子的共振相對應(yīng)的信號位移到S=7.79ppm處。在該混合物中，發(fā)現(xiàn)TNB的CH質(zhì)子在^9.20ppm處共振，推測這是由于其夾在兩個(gè)屏蔽的TTF子單元之間。通過添加5當(dāng)量的TBAC1，觀察到TNB中的CH共振基本上在其原來的位置^9.35ppm。另一方面，通過釋放一個(gè)或多個(gè)客體，四-TTF杯[4]吡咯的NH質(zhì)子進(jìn)一步向低場位移(5-10.S0ppm)，這是出現(xiàn)在NH質(zhì)子和氯離子之間的氫鍵相互作用所致。實(shí)施例2:四-TTF杯[4]吡咯2a2i的合成如式3式11所示合成四-TTF杯[4]吡咯2a2i(本發(fā)明的卟啉原衍生物)。在CH2Cl2和Me2CO的混合物中，在存在或不存在四丁基氟化銨(TBAF)、四丁基氯化銨(TBACl)或四丁基溴化銨(TBABr)的情況中，以過量的TFA處理單吡咯并-TTF衍生物lali，以13%55%的產(chǎn)率得到作為黃色化合物的四-TTF杯[4]吡咯2a2i。通過常規(guī)技術(shù)對四-TTF杯[4]吡咯2a2i進(jìn)行充分表征。根據(jù)文獻(xiàn)步驟(Hansen等，J.Mater.Chem.2004,14,179-184和Jeppesen等，J.Org.Chem.2000,65,5794-5805)制備所需的單吡咯并-TTF衍生物lalb，其中如式12式18所示制備單吡咯并-TTF衍生物lcli。實(shí)施例3:四-TTF杯[4]吡咯2a2i和TNB之間的結(jié)合研究為了進(jìn)一步了解四-TTF杯[4]吡咯和TNB之間的連接強(qiáng)度，釆用^NMR光譜滴定技術(shù)確定TNB和某些不同的四-TTF杯[4]吡咯之間的結(jié)合常數(shù)。這些研究的結(jié)果列于表1中，表明與不具有芳香族取代基的四-TTF杯[4]妣咯(例如2a)相比，具有芳香族取代基的四-TTF杯[4]吡咯(例如2e和2f)對TNB具有更高的親合性。表1.在298K通過NMR光譜確定的四-TTF杯[4]卩比咯2a、2c2f和TNB之間的結(jié)合常數(shù)四-TTF杯[4]吡咯Ka'(NT')3Ka2(M")a2c924122d1105202e30010002f200140024a通過添加TNB的濃CDCl3溶液(還包含初始濃度的所研究的四-TTF杯[4]吡咯2a或2c2f)滴定四-TTF杯[4]吡咯2a、2c2f的CDCl3溶液，從而計(jì)算稀釋效應(yīng)。采用Conners等式闡明l:2絡(luò)合的結(jié)合常數(shù)，估算誤差<15%。實(shí)施例4:四-TTF杯[4]吡咯2a和不同的硝基化芳烴之間的結(jié)合研究在CH2Cl2或CHC13中將四-TTF杯[4]吡咯2a與硝基化芳烴客體TNB、1,3-DNB、TNT、2,4-DNT、2,6-DNT、TNP和2,4-DNP混合，產(chǎn)生綠色溶液，而用未硝基化的客體四氟對苯醌進(jìn)行同樣的實(shí)驗(yàn)，產(chǎn)生棕色溶液。采用NMR光譜滴定技術(shù)對四-TTF杯[4]吡咯2a與TNB、1，3-DNB、TNT、2，4-DNT、2，6-DNT、TNP和2，4-DNP之間的結(jié)合強(qiáng)度進(jìn)行量化，這些研究的結(jié)果總結(jié)在表2中。表2.在298K通過'HNMR光譜確定的四-TTF杯[4]P比咯2a與客體TNB、1,3-DNB、TNT、2,4-DNT、2,6-DNT、TNP和2，4-DNP之間的結(jié)合常數(shù)<table>tableseeoriginaldocumentpage25</column></row><table>a通過添加所研究的客體(TNB、1,3-DNB、TNT、2,4-DNT、2,6-DNT、TNP和2,4-DNP)的濃CDC13溶液(還包含初始濃度的四-TTF杯[4]吡咯2a)滴定四-TTF杯[4]吡咯2a的CDC13溶液，從而計(jì)算稀釋效應(yīng)。釆用Conners等式闡明1:2絡(luò)合的結(jié)合常數(shù)，估算誤差<15%。實(shí)施例5:通過肉眼探測沙子中的爆炸物將含有少量TNB的沙子放置在不含任何TNB的沙子的封閉區(qū)域上。通過將溶解在CHCl3中的四-TTF杯[4]吡咯2a的氣溶膠噴霧在所述沙子的封閉區(qū)域上，含TNB的沙子區(qū)域發(fā)生明顯的顏色變化(圖7)。權(quán)利要求1.通式2所示的化合物其中，R1～R16獨(dú)立地代表任何有機(jī)基團(tuán)或無機(jī)基團(tuán)，限制條件是排除對這樣的化合物的保護(hù)其中R1～R8為-S-CH2-CH2-CH3，R9～R16為甲基。2.如權(quán)利要求1所述的化合物，其中WRS獨(dú)立地選自由下述基團(tuán)組成的組i)SRA，其中RA代表C!C20垸基鏈或者-CH2CH2O(CH2CH2O)n基團(tuán)，n=05;ii)COORB，其中RB代表dC20烷基鏈或者-CH2CH2O(CH2CH2O)n基團(tuán)，n=05;iii)CH2Ar，其中Ar代表芳基基團(tuán)；和iv)CH2XRe，其中X代表O、S或N原子，Re代表QC2。烷基鏈或者-CH2CH20(CH2CH20)n基團(tuán)，n=05;限制條件是排除對這樣的化合物的保護(hù)其中，R1R8為-S-CH2-CH2-CH3，R9R16為甲基。3.如權(quán)利要求1所述的化合物，所述化合物選自下述化合物<formula>formulaseeoriginaldocumentpage3</formula><formula>formulaseeoriginaldocumentpage4</formula><formula>formulaseeoriginaldocumentpage5</formula><formula>formulaseeoriginaldocumentpage6</formula>4.一種用于探測爆炸物的試劑盒，該試劑盒包括-(1)權(quán)利要求1所述的式2結(jié)構(gòu)的卟啉原衍生物，當(dāng)TNT、TNB或TNP與該卟啉原衍生物結(jié)合時(shí)，該卟啉原衍生物在電磁輻射的吸收和/或發(fā)射方面產(chǎn)生可探測的變化；(2)用于探測由該卟啉原衍生物產(chǎn)生的電磁輻射的吸收和/或發(fā)射的任何變化的單元，所探測到的變化指示在環(huán)境之內(nèi)、環(huán)境之上或環(huán)境相關(guān)處該爆炸物的存在。5.如權(quán)利要求4所述的試劑盒，其中所述卟啉原衍生物具有下述結(jié)構(gòu)式<formula>formulaseeoriginaldocumentpage7</formula>6.—種用于探測含硝基爆炸物的存在的光纖傳感器設(shè)備，該傳感器設(shè)備包括i)至少一個(gè)用于傳輸光能的光纖單元，該光纖單元具有近端和遠(yuǎn)端，該近端設(shè)置在探針室內(nèi)；該遠(yuǎn)端設(shè)置有權(quán)利要求1所述的卟啉原衍生物，其中所述的卟啉原衍生物能與所述的含硝基爆炸物發(fā)生化學(xué)性結(jié)合；ii)用于產(chǎn)生激發(fā)光能的光源單元，該光源單元與所述的光纖單元有效連接以使該激發(fā)光能穿過該光纖單元；和iii)探測單元，該探測單元與該光纖單元有效連接，用于探測由所述卟啉原衍生物產(chǎn)生的發(fā)射信號。7.如權(quán)利要求6所述的傳感器設(shè)備，其中所述的含硝基爆炸物選自由TNT、TNB和TNP組成的組中任一或其組合。8.如權(quán)利要求7所述的傳感器設(shè)備，其中所述光源單元選自由氬激光器、藍(lán)光激光器、可調(diào)激光器和發(fā)光二極管組成的組中任一或其組合。9.如權(quán)利要求8所述的傳感器設(shè)備，其中所述探測單元選自由分光光度計(jì)、光譜儀、光電倍增管、安裝有CCD照相機(jī)的單色儀、濾光片和肉眼組成的組中任一或其組合。10.—種探測包括爆炸物化學(xué)品的耙分子的存在的方法，該方法包括下述步驟i)提供一種光纖傳感器設(shè)備，該傳感器設(shè)備包括A)至少一個(gè)用于傳輸光能的光纖單元，該光纖單元具有近端和遠(yuǎn)端，所述近端設(shè)置在探針室內(nèi)；該遠(yuǎn)端設(shè)置有權(quán)利要求1所述的葉啉原衍生物，其中所述卟啉原衍生物能夠與該靶分子發(fā)生化學(xué)性結(jié)合；B)用于產(chǎn)生激發(fā)能的光源單元，該光源單元與所述的光纖單元有效連接以使該激發(fā)光能穿過該光纖單元；和C)探測單元，該探測單元與該光纖單元有效連接，用于探測由所述P卜啉原衍生物產(chǎn)生的發(fā)射信號；ii)使所述卟啉原衍生物暴露于含有該爆炸物的環(huán)境中以使該爆炸物與該卟啉原衍生物接觸，和iii)探測由所述卟啉原衍生物產(chǎn)生的電磁輻射的吸收和/或發(fā)射的任何變化，所探測到的變化是指示在環(huán)境之內(nèi)、環(huán)境之上或環(huán)境相關(guān)處該爆炸物的存在。11.如權(quán)利要求10所述的方法，其中所述爆炸物化學(xué)品選自由TNT和TNB組成的組中任一或其組合。12.如權(quán)利要求11所述的方法，其中所述光源單元選自由氬激光器、藍(lán)光激光器、可調(diào)激光器和發(fā)光二極管組成的組中任一或其組合。13.如權(quán)利要求12所述的方法，其中所述探測單元選自由分光光度計(jì)、光譜儀、光電倍增管、安裝有CCD照相機(jī)的單色儀、石英晶體微量天平QCM、濾光片和肉眼組成的組中任一或其組合。14.權(quán)利要求1所述的卟啉原衍生物用于探測爆炸物化學(xué)品的應(yīng)用，其中，所述的卟啉原衍生物通過與所述的爆炸物化學(xué)品的相互作用，該葉啉原衍生物的顏色由黃變綠。全文摘要本發(fā)明涉及一種對爆炸物化學(xué)品具有選擇性結(jié)合親合力的基于卟啉原的傳感器。通過與靶分子的結(jié)合，所述卟啉原衍生物發(fā)生可探測到的電磁輻射的吸收和發(fā)射。文檔編號C07D495/22GK101490059SQ200780026604公開日2009年7月22日申請日期2007年5月15日優(yōu)先權(quán)日2006年5月15日發(fā)明者健·A·尼爾森,楊·O·杰普森申請人:南丹麥大學(xué)