第四章 總結
第二部 分 發展可快速偵測光氣之螢光探針
1.2 光氣螢光探針之發展與其偵測機制
所示。當光氣存在於系統中時，其作為交聯劑 (cross-linking agent)，兩個分子會和 同一光氣分子各進行一次加成-離去(addition-elimination) 反應而連接在一起，如此
圖1-1 (a) 上圖為以FRET為基礎的光氣感測系統示意圖，下圖為兩個螢光分子與 光氣反應前後分子結構圖。(b) 光氣感測系統進行光氣滴定 (0.03-5 eq) 實驗之螢 光光譜圖，λex = 343 nm (箭頭代表隨著光氣濃度增加螢光強度的變化)。兩個螢光 分子溶於氯仿中，濃度為1 × 10-3 M，以1：1先混合在一起，再加入TEA (10 equiv.)，
然後進行滴定實驗。140
自2007年後陸續發展的代表性光氣螢光探針整理如表1-3所示，149大部分的探 針均以o-phenylenediamine (OPD) 為反應基團，和光氣反應後分子結構的改變影響 了螢光團的螢光性質，造成螢光波長位移的現象，這種機制的光氣探針之反應速 率和靈敏度分別依賴於光氣介導的醯基化反應的速率和探針與反應產物之間的螢 光信號對比度。這些代表性光氣螢光探針最低偵測極限(limit of detection，LOD) 從 奈莫耳 (nanomolar) 至微莫耳 (micromolar) 的範圍；反應速率從幾秒內至20分鐘，
且大部分對光氣是有選擇性。儘管有些創新，但在靈敏度、反應速率和選擇性方 面優化的螢光探針的開發還具有一些挑戰。
表1-3 代表性光氣螢光探針之整理表。
其中 2016 年 Yoon 教授及其研究團隊第一個發表了可區分光氣和神經毒劑類 似物 (nerve-agent mimic) DCP (diethyl chlorophosphate) 的螢光比例探針 PY-OPD。
143於 pyronins 螢光團上修飾 o-phenylenediamine (OPD) 基團，150,151而此基團上的 一級胺會與光氣或 DCP 進行親核性取代反應 (醯基化或磷酸化)，分子結構上的轉 變使得原本光誘導電子轉移 (photoinduced electron transfer，PET) 造成的螢光淬滅 (quenching) 被抑制，導致螢光強度大幅度的增強 (turn-on) 放出綠色螢光。而此 PY-OPD 感測分子與光氣反應進行醯基化後，會再進行分子內合環 (cyclization) 反 應形成穩定的五元環結構 (benzimidazolone)，大大的改變了 pyronins 螢光團的螢 光性質，meso 位由推電子的胺基轉變為拉電子的尿素基團，縮小 HOMO-LUMO 之間的能階差，造成螢光放射波長紅移並放出紅色的螢光，如圖 1-2 所示，藉由不 同的螢光放射可偵測並區分出光氣和 DCP。
圖 1-2 上圖為 PY-OPD 螢光探針與光氣和 DCP 反應前後分子結構和螢光變化示 意圖；下圖右為 PY-OPD 螢光探針 (10 μM 於氯仿) 逐漸加入三光氣 (0-2 equiv.) 之螢光光譜圖，λex = 580 nm；下圖左為 PY-OPD 螢光探針 (10 μM 於氯仿) 逐漸加 入 DCP (0-100 equiv.) 之螢光光譜圖，λex = 470 nm (內插圖為加入光氣或 DCP 前後 螢光顯色圖：A 為 PY-OPD，右 B 為 PY-OPD-phosgene，左 B 為 PY-OPD-DCP；
箭頭代表隨著光氣或 DCP 濃度增加螢光強度的變化)。143
2017年Tian教授及其研究團隊發表了以BODIPY螢光團為基礎的光氣螢光探 針 8-EDAB ，149不 同 於 大 部 分 探 針 以 OPD 為 反 應 基 團 ， 其 以 8-EDAB 以 ethylenediamine (EDA) 為反應基團，但感測光氣的機制和前者類似，即和光氣進 行兩次的加成離去反應，合環形成五圓環的2-imidazolidone結構，如圖1-3 (a) 所示。
meso位推拉電子性的改變直接影響了BODIPY螢光團的螢光性質，從原本放出藍色 螢光的8-EDAB轉變為放出綠色螢光的反應產物8-EDAB-phosgene，如圖1-3 (b) 所 示。雖然在感測機制上並無新意，但此探針的靈敏度、反應速率和選擇性這三個 方面可以說是所有代表性探針中最好的，且其偵測極限可至0.12 nM，也是至今所 有光氣探針中唯一可以秒為單位檢測光氣濃度至亞奈莫耳 (subnanomolar) 的濃度，
為快速檢測低濃度光氣提供實質的策略。
圖1-3 (a) 8-EDAB螢光探針與光氣應前後分子結構和螢光變化示意圖 (內插圖為 加 入 光 氣 前 後 螢 光 顯 色 圖 ： 左 邊 藍 色 螢 光 為 8-EDAB ， 右 邊 綠 色 螢 光 為 8-EDAB-phosgene) 。 (b) 8-EDAB 螢 光 探 針 (10 μM 於 乙 腈 ) 逐 漸 加 入 三 光 氣 (0-0.6equiv.) 之螢光光譜圖，λex = 390 nm (箭頭代表隨著光氣濃度增加螢光強度的 變化)。149