近日，四川大學(xué)盧志云教授團(tuán)隊成功地提出了一種能區(qū)分D2O和H2O的光學(xué)探針分子的理性設(shè)計策略，該項研究在比率型重水光學(xué)探針方面獲得了突破性的研究成果。

重水是由氘和氧組成的化合物，分子式為D2O，在天然水中的含量少，不到0.1%。無論是作為研究化學(xué)和生理變化中使用的材料，還是在原子能技術(shù)中的重要應(yīng)用等等，重水在技術(shù)上無疑是一種為寶貴的資源。

重水的制備主要來自天然水，然而，由于氘與氫的性質(zhì)差別小，D2O和H2O的很多化學(xué)性質(zhì)也較為相似，因此，如何利用化學(xué)方法將D2O中的H2O中區(qū)分出來，這是具有挑戰(zhàn)性的研究工作。

光學(xué)探針是化學(xué)分析中較為常用的方法，具有操作方便、選擇性高等優(yōu)點(diǎn)，但目前重水光學(xué)探針不但種類，而且響應(yīng)機(jī)理復(fù)雜。近日，四川大學(xué)盧志云教授團(tuán)隊成功地提出了一種能區(qū)分D2O和H2O的光學(xué)探針分子的理性設(shè)計策略，其方法不但簡單，而且更為。

盧志云教授團(tuán)隊通過文獻(xiàn)調(diào)研發(fā)現(xiàn)：D2O和H2O的酸堿性有一定差異[pH(H2O) = 6.5~7.0，pD(D2O) = ~7.5]。因此，他們推斷如果能開發(fā)出一種光學(xué)探針，其pKa值既能滿足pD(D2O) ≥ pKa（探針）≥ pH(H2O)，且其去質(zhì)子化物種的光譜性質(zhì)還可產(chǎn)生顯著變化，那么就有望能實現(xiàn)定性區(qū)別H2O和D2O，以及對D2O中H2O的含量進(jìn)行準(zhǔn)確的定量檢測。

基于該策略，作者開發(fā)了兩種比率型光學(xué)探針：NIM-2F和AF，兩者都含有酸性較強(qiáng)的酚羥基（-OH），其pKa值（分別為7.05和7.29）均能滿足pD(D2O) ≥ pKa（探針）≥ pH(H2O)這一要求。在弱堿性環(huán)境中兩者的酚羥基能夠有效地去質(zhì)子化，生成相應(yīng)的酚氧負(fù)離子物種（-O-）。

基于-OH和-O-基團(tuán)的顯著不同的供電子能力，初始物種（含-OH）和去質(zhì)子化物種（含-O-）在吸收光譜和熒光光譜的性質(zhì)上也產(chǎn)生了明顯差別。

結(jié)果表明，NIM-2F和AF均確能實現(xiàn)對H2O和D2O的定性區(qū)分。相較于已知的利用無機(jī)熒光材料與水和重水的物理作用差異來對兩者進(jìn)行區(qū)分的方法，這種利用水和重水的化學(xué)性質(zhì)差異的光學(xué)分子探針對其進(jìn)行區(qū)分的方法更為便捷。

在實驗過程中，兩種探針分子均表現(xiàn)出較高的選擇性，除定性區(qū)分外，還可以實現(xiàn)對D2O中H2O含量的準(zhǔn)確定量檢測，且靈敏度令人滿意，實驗結(jié)果也較為理想。

在定性和定量檢測之余，作者借助穩(wěn)態(tài)熒光、瞬態(tài)熒光、核磁滴定等多種研究手段，確定了上述探針分子對H2O和D2O的響應(yīng)機(jī)制來自兩者在酸堿性上的化學(xué)性質(zhì)差異，而非其他化學(xué)或物理性質(zhì)的差異。

該項研究為發(fā)展新型高性能的重水探針分子提供了嶄新的理性設(shè)計策略，對光學(xué)探針的基礎(chǔ)研究也具有非常重要的意義。相關(guān)研究成果以《A Facile Strategy for the Construction of Purely Organic Optical Sensors Capable of Distinguishing D2O from H2O》為題，于近期發(fā)表在《Angew. Chem. Int. Ed.》2019期刊上，DOI: 10.1002/anie.201900806。

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文章的作者是四川大學(xué)化學(xué)學(xué)院的博士研究生羅艷菊和碩士研究生李川，通訊作者是盧志云教授以及鄭徐軍博士。全部作者為：Yanju Luo, Chuan Li, Wencheng Zhu, Xujun Zheng, Yan Huang, Zhiyun Lu。

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