（无机化学专业论文）有机染料的设计、合成及在光化学传感方面的应用.pdf

复旦大学博士学位论文 摘要 荧光化学传感器和比色化学传感器由于具有较高的灵敏度、可利用光纤技术 实现远距离实时检测、实现裸眼识别等优点，近年来引起了人们极大的兴趣染 料分子由于具有较强的生色能力，在加入底物过程中，通常会在可见光区范围发 生紫外可见吸收光谱和荧光光谱的变化。因此，本论文设计、合成了一系列有机 染料，并研究了其在离子光化学传感方面的应用。 1 设计合成了偶氮喹啉苯酯衍生物1 4 ( 见图a 1 ) ，并研究了与h 矿+ 作用前后 化合物的光物理性质的变化。实验结果表明，偶氮基团的引入改善了喹啉苯酯化 合物的生色能力。苯环上4 _ 位取代基推电子能力的增强不仅使得化合物1 - 3 的吸 收光谱发生红移，而且对化合物和h 矿配位后的光谱变化有很大影响。对于含 推电子基( o c h 3 ，n ( c h 3 ) 2 ) 的化合物2 和3 来说，h 9 2 + 的加入使化合物由 d 结构转变为d 呵【a 结构，增加了分子内电荷转移的程度，导致化合物吸收光谱 的红移；而对于含吸电子基( - n 0 2 ) 的化合物4 来说，h 矿的加入使化合物由 d 可【- a 结构转变为舢【- a 结构，减小了分子内电荷转移的程度，从而导致化合物 吸收光谱的蓝移。强推电子基( n ( c h 址) 的引入将化合物3 在加入h g “前后的 光谱调节至可见光区范围内，使其可用于h 矿的裸眼检测。其它金属阳离子的 存在不干扰h 矿+ 的检测。紫外吸收光谱和1 hn m r 谱均证实化合物与h 矿的键 合部位是喹啉n 原子与酯基o 原子。 2 设计合成了罗丹明衍生物1 - 3 ( 见图a 2 ) ，研究了加入 1 9 2 + 前后化合物的光 物理性质的变化。实验结果表明，在p h 为中性的缓冲溶液中，加入h 酽+ 前，化 合物1 - 3 的紫外可见吸收谱图的吸收峰强度很弱，对应的荧光光谱发射峰也很 弱，此时化合物为关环态；而加入h g z + 后，紫外可见吸收谱图上位于5 5 5 衄附 近分别出现了明显的吸收峰；对应的荧光光谱在5 1 0n m 波长激发下位于5 8 0n m 附近也出现了明显的发射峰，化合物由关环态转化为开环态。相应的颜色和荧 光均发生了明显的变化：颜色由无色变为明显的红色；荧光颜色在3 6 5n m 波长 激发下由无色变为橙红色。化合物l 相比于化合物2 和3 对h 一+ 具有更好的选 择识别性能，其它金属离子的存在不干扰化合物l 对h 9 2 + 的检测。化合物l 有 望发展为同时具有吸收和荧光发射输出信号的h 9 2 + 化学传感器。 3 设计合成了具有不同共轭结构的偶氮羟基喹啉衍生物1 3 ( 见图a 3 ) ，研究 了加入阴离子前后化合物的光物理性质的变化。实验结果表明，偶氮基团的引入 改善了8 - 羟基喹啉的生色能力，并且在乙腈溶液中随着取代基由苯基变为萘基和 蒽基时，化合物的吸收光谱发生红移。结合吸收光谱数据和晶体结构数据可以得 出，在乙腈溶液中化合物的光物理性质主要取决于共轭结构，而在固态条件下化 摘要 合物的光物理性质受共轭结构、分子面间距、二面角以及氢键作用的综合影响。 多环芳烃的引入能够在一定程度上改善化合物对阴离子的键合能力，使化合物均 对f 有较好的响应，并可达到裸眼识别。1 hn m r 表明酚羟基是偶氮喹啉衍生物 响应阴离子的关键部位。 4 设计合成了半菁染料l - 4 ( 见图a 4 ) ，研究了这四个化合物在加入阴离子前 后的光物理性质。在加入碱性较大的阴离子( f 和a c o ) 后，化合物l - 4 的乙腈 溶液的紫外可见吸收光谱均发生了明显的红移，表明1 _ 4 是类较好的阴离子化 学传感器。设计合成了一个查尔酮化合物5 ，加入碱性较大的阴离子( f 和a c o ) 后，紫外可见吸收光谱和荧光光谱均发生变化，有望发展为荧光和生色双功能阴 离子传感器。 5 由于方酸染料与巯基的反应可破坏方酸染料的共轭结构，而加入h 孑+ 后，巯 基与h 矿+ 相互作用可置换出方酸染料。基于这个置换反应，在第六章中，制备 了有机无机杂化介孔材料s q s b a - 1 5 ( 见图a s ) ，可同时用于h f + 的检测和分 离。其它金属阳离子的存在不干扰s q s b a - 1 5 对h 矿的检测，s q s b a - 1 5 有望 发展为同时用于h 矿+ 的检测和分离的有机，无机杂化材料。 关键词：比色化学传感器、汞离子、阴离子 i i 复旦大学博士学位论文 a b s t r a c t f l u o r e s c e n ta n dc o l o r i m e t r i cc h e m o s e n s o r si ns e l e c t i v e l yr e c o g n i z i n gi o n sa n d m o l e c u l e sa r eo fg r e a ti n t e r e s ti n s u p r a m o l e c u l a rc h e m i s t r y t h ea d v a n t a g e so f f l u o r e s c e n c e c h c m o s e n 惜眦h i 曲s e l e c t i v i t y , s e n s i t i v i t ) r a n d s i m p l i c i t y c o l o r i m e t f i cs e n s o r sa r ep o p u l a rd u et ot h e i rc a p a b i l i t yt od e t e c ta n a l y t eb yt h en a k e d e y ew i t h o u tr e s o f l i n gt oa n ye x p e n s i v ei n s t r u m e n t s i nt h i st h e s i s ，as e r i e so fn e w f l u o r e s c e n ta n dc o l o r i m e m cc h e m o s e n s o 巧w e s y n t h e s i z e da n di n v e s t i g a t e df o rt h e i r a p p l i c a t i o n si nt h ed e t e c t i o no fh 旷+ a n da n i o n s t h ed e t a i l sa r e 鹋f o l l o w s ： 1 f o u r8 - h y d r o x y q u i n o l i n eb e n z o a t ed e r i v a t i v e sw i t hd i v e r s ea z o 蜘l b s t i t i l e n 协1 - 4 ( s e ef i g a 1 ) w e r es y n t h e s i z e db yd i a z o - r e a c t i o no f2 - m e t h y l 一8 - h y d r o x y q u i n o l i n e w i t hv a r i o u sa r y l a m i n e s ，f o l l o w e db ye s t e r i f i c a t i o nw i t hb e n z o y lc h l o r i d e a l lt h e p r o d u c t sa l l o w e ds e l e c t i v er e s p o n d i n gt oh 矿，w h i c hw a sc o n f i r m e db yu v - v i s a b s o r p t i o ns p e c t r a d i f f e r e n ts p e c t r a lc h a n g e sw e r eo b s e r v e df o rt h e s ec o m p o u n d s w i t h e l e c t r o n - d o n a t i n gs u b s t i t u e n tc o a t h o c h r o m i cs h i f t ) 0 1 e l e c t r o n - w i t h d r a w i n g s n b s t i t u e n t ( h y p s o c h r o m i cs h i f t ) p a r t i c u l a r l y ，o b v i o u sc o l o rc h a n g ew a sf o u n df o r 5 ( 4 - d i m e t h y l a m i n o p h e n y l a z o ) - 2 - m e t h y l q u i n o l i n 8 - y lb e n z o a t e ( 3 ) i nt h ep r e s e n c eo f h 矿+ ，w h i c hm a d ei tp o s s i b l ef o rd i s t i n g u i s h i n gh 矿f r o mo t h e rm e t a li o n sb yn a k e d e y e 2 t h r e er h o d a m i n ebd e r i v a t i v e s1 - 3 ( s e ef i g a 2 1w e r es y n t h e s i z e da n ds t u d i e da s t a m - o nf l u o r e s c e n tc h e m o s e n s o r sf o rh 9 2 + w h e nh 9 2 + w a sa d d e d , t h es o l u t i o no f t h e s ec o m p o u n d st u r n e df r o mc o l o r l e s st or e d , c o r r e s p o n d i n gt oa p p a r e n tf l u o r e s c e n t c h a n g ef r o mc o l o r l e s st or e d o r a n g ew i t he x c i t a t i o nw a v e l e n g t ha t3 6 5n m e s p e c i a l l y , ar h o d a m i n ebd e r i v a t i v ew i t hq u i n o l i n eg r o u p ( 1 ) d i s p l a y e dh i g i l l ys e l e c t i v i t yf o r n 9 2 + o v e ro t h e rm e t a li o n s ，w h i c hm a d ei tp o s s i b l ef o rd i s t i n g u i s h i n ga 9 2 + f r o mo t h e r m e t a li o n sb yn a k e de y e 3 t h r e e8 - h y d r o x y q u i n o l i n ea z od e r i v a t i v e s1 - 3 ( s e e f i g a 孙w i t h d i v e r s e c o n j u g a t e ds t r u c t u r e sw e r es y n t h e s i z e da n ds t u d i e dt oc h r o m o g e n i c a l l yd e t e c ta n i o n s a l lt h e s ed y e sa l l o w e dd e t e c t i o nf o rf l u o r i d ea n i o ni n c h 3 c nv i ai n s t a n c e d e p r o t o n a t i o no fc o m p o u n d s ，w h i c hw a sc o n f i r m e db yu v - v i sa b s o r p t i o na n d1 h n m rs p e c t r a t h ec h r o m o g e n i cr e s p o n d i n ga b i l i t yi n c r e a s e sa st h es u b s t i t u e n t c h a n g e sf r o mp h e n y lt on a p h t h y lo ra n t h r y l t h i sp h e n o m e n o ni sl i k e l yt ob er e l a t e d t ot h ee n h a n c e m e n to fi n t r a m o l e c u l a rc h a r g et r a n s f e ro c t ) i n d u c e db ye x t e n s i o no f c o n j u g a t e ds t r u c t u r e i i i 摘蔓 4 f o u rh e m i c y a n i n ed e r i v a t i v e s1 - 4 ( s e ef i g a 4 ) w i t hd i v e r s ec o n j u g a t e ds t r u c t u r e s w e r es y n t h e s i z e da n ds t u d i e dt oc h r o m o g e n i c a l l yd e t e c ta n i o n s a l lt h e s ed y e s a l l o w e dd e t e c t i o nf o ra n i o n ss u c ha sfa n da c o i nc h 3 c n , w h i c hi sl i k e l yt ob e r e l a t e dt ot h ee n h a n c e m e n to fi n t r a m o l e c u l a r c h a r g et r a n s f e ro c t ) i n d u c e db y i n s t a n c ed e p r o t o n a t i o no fc o m p o u n d s i na d d i t i o n , ac h a l c o n ed e r i v a t i v ew a s s y n t h e s i z e da sf l u o r e s c e n ta n dc o l o r i m e t r i cc h e m o s e n s o rf o ra n i o n ss u c ha sfa n d a c o 5 m e s o p o r o n ss q s b a - 1 5o l lt h eb a s i so ft h ei n t e r a c t i o no fs q u a r a i n ed y ea n d m e r c a p t o lw a sd e s i g n e da n ds y n t h e s i z e d 佻c h e m o d o s i m e t e rs y s t e md i s p l a y e d h i g h l ys e l e c t i v i t yf o rh 矿o w g ro t h e rm e t a li o n s ，c o r r e s p o n d i n gt oa p p a r e n tc o l o r c h a n g ef i r mc o l o r l e s st ob l u e ，w h i c hm a d ei tp o s s i b l ef o rd i s t i n g u i s h i n gh 矿f r o m o t h e rm e t a li o n sb yn a k e de y e m o r e o v e r , s q s b a - 1 5c o u l da d s o r ba n d s e p a r a t eh 矿 f r o ms o l u t i o n 佻r o u t eb a s e do ng u e s t i n d u c e dd y er e l e a s em e t h o d sm i g h tb eo f i n t e r e s ta san e wr o u t ef o rt h ed e s i g no fn c wa n di m p r o v e dr e g e n e r a t i v es e n s o r m o l e c u l e s k e y w o r d s ：c o l o r i m e t r i cc h e m n s e n s o r s ，h 矿，a n i o n 论文独创性声明 本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。论文中除 了特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或其它机构已经发表或撰写过的 研究成果。其他同志对本研究的启发和所做的贡献均已在论文中作了明确的声明 并表示了谢意。 作者签名：日期： 论文使用授权声明 本人完全了解复旦大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内 容，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。保密的论文在解密后遵守此 规定。 作者签名：导师签名： 日期： 复旦大学博士学位论文 图a 1 偶氮喹啉苯酯衍生物1 4 的结构 ? 跏? ? 器? 辩 9 龟 啦。碡叩舀螂舀 v 节萏 邺 矿痨氆 叩 芦萏 ch 皂萏 0 h o 5 s 2 图a 4 半菁和查尔酮衍生物1 5 的结构 图a 5s q s b a - 1 5 的结构 v l 4 复旦大学博士学位论文 第一章文献综述 1 1 概述 1 9 8 7 年n o b e l 化学奖授予了p e d e r s e n ( 研究冠醚) 1 、c r a m ( 研究主客体化学) 2 和l e h n ( 研究超分子化学) 3 ，标志着化学的发展进入了一个新的时代，超分子 化学的重要意义由此被人们真正认识到。超分子化学的研究是对非共价键弱相互 作用力键合起来的复杂有序且具有特定功能的分子集合体的研究，它的诞生与发 展极大地激发了化学家的想象力与创造力。超分子化学不仅在材料科学和信息科 学中具有重要的理论意义，而且在生命科学中也具有广阔的应用前景，目前这一 领域的研究主要集中在分子识别、化学反应和分子输送三个方面。而分子识别研 究是前提和基础，其对于设计高选择性和高结合强度的人工受体分子具有重要的 理论和实际意义；另外，以分子识别为基础，研究构筑具有特定生物学功能的超 分子体系，对揭示生命现象和过程具有重要意义，并可能给化学研究带来新的突 破。 所谓分子识别是主体( 又称受体) 对客体( 又称底物) 的选择性结合并产生 某种特定功能的过程。因此，分子识别是有目标的结合，它是通过一系列结构确 定的分子问相互作用而组成的模式识别过程4 。分子识别过程可以通过设计某种 能产生和传递特定信息的分子器件来加以检测，在过去曾设计的分子识别中信息 的读出常用电、磁等性质一如氧化还原电位、核磁共振等。而光信号由于可以通 过分子的发光现象或者吸收光谱的变化来探测分子间的相互作用，往往易于传递 和控制，并且灵敏度很高，因此近年来涉及到光信号的荧光化学传感器 ( f l u o r e s c e n tc h e m o s e n s o r ) 和比色化学传感器( c o l o r i m e t r i cc h e m o s e n s o r ) 越来 越受到人们的青睐。 荧光或比色化学传感器通常由以下三个部分组成5 ：( 1 ) 外来分子的接受体 部分( r e c e p t o r ) ，即键合基团和识别基团，它负责识别和结合客体分子； ( 2 ) 发色体部分( c h r o m o p h o r e ) ，即信号基团，它负责产生光信号：( 3 ) 连接体部 分也称隔离基团( s p a c e r ) ，它负责连接发色团和接受体，此外它还起到当外来 物种进入接受体时引起发色体的发光特征发生变化的枢纽作用。荧光化学传感器 和比色化学传感器的优点6 可以概括为以下几个方面：( 1 ) 方便快捷，具有较高 的灵敏度；( 2 ) 可以利用光纤技术实现远距离实时检测；( 3 ) 如果在吸收光谱 上有比较大的变化，可以在不借助于任何仪器的情况下，直接通过颜色的变化来 达到检测的目的，可实现裸眼检测。许多分子结构因素都可用于控制荧光发光效 率和吸收光谱的变化。因此，t l c t 发光、m l c t 发光、l m c t 发光、激基缔合物 和激基复合物发光以及和重原子效应、光诱导电子转移、电子能量转移等相关的 1 第一章文献综述 光物理和光化学特征等都已成功地用于化学传感器的设计中。 1 2 化学传感器的一般设计原理7 化学传感器的设计通常基于以下原理：键合信号输出法、置换法和化学计 量计法等。 1 2 1 键合一信号输出法 目前，基于键合一信号输出法原理设计的化学传感器非常普遍，如图1 1 所 示。键合基团和底物之间键合后，导致受体分子光物理性质的变化，具体表现为 信号单元发生荧光淬灭或增强( 荧光化学传感器) ，或者颜色产生变化( 比色化 学传感器) 。 冒号羹光肄无妄蛹色羹化 。 量号元 m m - t t h t t s - j 元置音i 氇 e l ll 1 健合一信号出法 1 2 2 置换法 基于置换法的化学传感器也包括键合基团和信号基团，所不同的是两者之间 不是通过共价键结合，而是形成一种配合物。当底物被加入到含有这种受体的溶 液中时，底物与键合基团络合而将信号基团置换到溶液中，如果受体分子( 键合 基团信号基团) 的光谱性质和单独的信号基团的光谱性质不同，键合过程就可 以产生荧光或者颜色的变化，可为仪器或者裸眼识别( 见图1 2 ) 。由此可以推论， 对于这类化学传感器，只有键合基团和信号基团之间的络合常数低于键合基团和 底物之间的络合常数，置换过程才可能发生。因此，在设计传感器时，可以通过 选择一种信号基团，其和键合基团的络合常数小于键合基团和目标底物之间的络 合常数，而大于键合基团和干扰离子的络合常数，以增大受体对目标底物的选择 性。 一= 一 i 蟹+ o 一 p + 泉 健合指示剂的蛩体指示剂 图l 工置换法 1 2 3 化学计量计过程 化学计量计过程是在底物的存在下发生的一类特殊的化学反应( 一般是不可 逆的) ，从而引起颜色或荧光发射的差异。严格来说，因为这种化学反应不可逆， 就不能用化学传感器这一术语称谓受体，通常改称其为化学计量计。图1 3 给出 2 复旦大学博士学位论文 了涉及化学计量计过程的两个例子，一个是底物和化学剂量计发生反应后，底物 和化学剂量计通过共价键连接为产物；另一个是底物作为催化剂使化学剂量计发 生不可逆的化学反应生成新的化合物。在两个例子中，最终的产物在化学性质上 和原始的化学计量计完全不同，相应的光谱学性质也发生变化，从而能够实现对 目标底物的检测。这种不可逆体系可以利用选择反应的优势识别特定的底物分 子，因此通常具有较好的选择性。 困+ o m 曰+ o l 口l _ + o 图1 3 化学计量计过程 1 3 荧光化学传摩器 发光可定义为处于激发态时能量的自发发射。根据激发种类的不同可以分 为：化学发光，电致发光，射线发光和声致发光等。根据发光过程的不同又可以 分为：荧光一激发态分子产生一个具有相同自旋多重度的新的分子；磷光一自旋 多重度改变。荧光可定义为荧光分子在特定波长的光激发下所产生的瞬间在长波 方向光的发射8 通过增加激发光的强度可以导致荧光信号的增强，因此，荧光技 术的检测限很低，通常可以比吸收技术小一百万倍，可广泛应用在分析化学，生 物化学，细胞生物学等领域9 。目前，荧光化学传感器的传感原理主要有以下几 种：光致电子转移( p e t , p h o t o i n d u c e de l e c t r o nt r a n s f e r ) 、分子内电荷转移( i c t , i n t r a m o l e c u l a rc h a r g et r a n s f e r ) 、荧光共振能量转移( f r e t , f l u o r e s c c l w er e s o n a n c e e n e r g yt r a n s f e r ) 、激基缔复合物( e x c i m e r e x c i p l e x ) 、刚性效应等 1 3 1 光致电子转移( p e t ) 在各种荧光分子传感器中，利用p e t 原理设计的荧光分子传感器最为常见。 典型的p e t 荧光传感器分子由三部分组成：具有键合底物能力并将键合信息传 递给荧光基团的键合基团( r e c e p t o r ) ，负责光吸收并产生荧光发射信号的荧光 基团( f l u o r o p h o r e ) 其荧光发射强度反映键合基团的结合状态，以及连接键 合集团和荧光基团的连接基团( s p a c e r ) 。键合基团和荧光基团通常为电子给体 或者电子受体m 。 光致电子转移是指电子给体或电子受体受光激发后，激发态的电子给体与电 子受体之间发生电子转移从而导致荧光的淬灭过程。例如，当荧光分子传感器的 键合基团是电子给体，荧光基团是电子受体时，具体p e t 工作过程如下5 ：在光 激发下，具有电子给予能力的键合基团能够将其处于最高能级的电子转入激发态 下荧光基团空出的电子轨道，使被光激发的电子无法直接跃迁回到原基态轨道发 3 第一章文献综述 射荧光，从而导致荧光的淬灭；当键合基团与底物结合后，降低了键合基团的给 电子能力，抑制了p e t 过程，荧光基团中被光激发的电子可以直接跃迁回到原 基态轨道，从而增强了的荧光基团的荧光发射。因此在未结合底物前，传感器分 子表现为荧光淬灭，一旦键合集团与底物相结合，荧光基团就会发射荧光( 见图 1 4 ) 。 ”vhvh 圈i a 荧光。关和。开状态下的荧光基团一受体体系 由于与客底物结合前后的荧光强度差别很大，呈现明显的“关”、“开”状态， 因此这类荧光化学传感器又被称为荧光分子开关。p e t 荧光分子传感器的作用机 制可由前线轨道理论1 1 来进一步说明( 见图1 5 ) 。 e e f l u o r o p h o r e f r e er e c e p t o r h u o r o p h o r e f r e er e c e p t o r 图1 5 荧光。关和。开状杏下的荧光基团一受体体系的前线轨道 1 3 2 分子内电荷转移( i c t ) i c i 荧光化学传感器由推电子基团、吸电子基团通过p 电子体系连接而成， 在基态时表现为极化结构，一端为缺电子部分，另一端为富电子部分；而在光激 发下，偶极矩增大，强化了这种极化特征，容易发生i c t 过程( 如图1 6 ) 1 2 。 64 - 6 1 邮l _ i p - s y s n m j j c l c c u o uw i t h d n w i n g i =b= l 叫i p - s y s t e m j l m l 一彬 一日”m 图1 6 分子内电荷转移的产生原理 i c t 荧光化学传感器的工作原理有两种( 见图1 7 a ) ：当底物是缺电子基团( 阳 4 复旦大学博士学位论文 离子) 时，一种是底物与吸电子基团结合，将增大分子内电荷转移程度，导致荧 光光谱红移；一种是底物与推电子基团结合，则使原来向共轭体系转移的孤对电 子用于与阳离子形成配位键，导致l c r 推拉电子的特征下降，导致荧光光谱蓝移。 当底物是富电子基团( 阴离子) 时，情况相反u 。一般情况下，i c t 荧光化学传 感器对荧光强度的影响不如p e t 荧光化学传感器显著。典型例子是同时含有吸电 子取代基、推电子取代基的电子体系，如氨基邻苯二甲酰亚胺、二苯基烯、氟代 香豆素等。i c t 荧光化学传感器的缺点是对外部环境的变化十分敏感，有较强的 溶剂化效应。 ( a ) r e a c t i o nc o o r d i n a t e ( b ) r e a c t i o nc o o r d i n a t e 田l 7 以分子内麸轭的电荷转移化合物为传寤器的发光部件时，其工作状况的势能图说明 在i c y 中，有一种情况被称为扭曲的分子内电荷转移( t i c tt w i s t e d i n t r a m o l e c u l a r c h a r g et r a n s f e r ) 1 4 e 在具有推拉电子共轭体系的荧光分子中，如果 推电子基( 如二甲氨基) 通过可旋转的单键与荧光团相连接，当荧光团被光子激 发时，由于强烈的分子内光致电荷转移，导致原来与芳环共平面的电子给体绕单 键旋转，而与芳环平面处于正交状态，原来的共轭系统被破坏，部分电荷转移变 为完全的电子转移，形成1 r i c t 激发态( 见图1 7 b ) 。当形成t i c t 激发态时，原 有的i c t 荧光则被淬灭。t i c y 态常常不发射荧光或者发射弱的长波荧光，少数 情况下会出现i c t 与1 1 c t 双重荧光现象。 1 3 3 荧光共振能量转移( f r e t ) f r e t 荧光传感器分子的组成与其他类型传感器有所不同，除了含有键合基 团( r e c e p t o r ) 和连接基团( s p a c e r ) ，还含有两个负责光吸收并产生荧光发射信 号荧光基团( f l u o r o p h o r e ) ，而这两个荧光基团一个是能量给体( e n e r g yd o n o r ， d ) ，另一个是能量受体( e n e r g ya c c e p t o r , a ) 。 荧光共振能量转移是指在一定波长的光激发下，荧光基团中的能量给体( d ) 5 第一章文献综述 产生荧光发射，并通过偶极偶极之间的相互作用把能量无辐射地转移给其附近 的处于基态的能量受体( a ) 荧光基团的过程1 5 。f r e t 过程的发生与很多因素 如光谱重叠的程度、跃迁偶极的相对方向，给体( d ) 和受体( a ) 之间的距离 等有关首先，能量给体( d ) 的发射光谱与能量受体( a ) 的吸收光谱有明显 的重叠，能量受体必须能够在能量给体的发射波长处吸收能量，但能量受体可以 是荧光发射基团，也可以是荧光淬灭基团。对于前一种情形，激发能量给体时， 可以观察到能量受体的荧光发射；而后一种情形，只能观察到能量给体的荧光变 化。其次，能量给体与能量受体相隔的距离必须远大于它们之间的碰撞直径( 有 时甚至相距远达7 0 1 0 0 a ) 时，才可能发生能量给体与能量受体的非辐射能量转 移，又称为长距离能量转移。另外，能量给体( d ) 与能量受体( a ) 还必须以 适当的方式排列。利用f r e t 效率对距离的强的依赖性，f r e t 广泛应用于蛋白 质和核酸的结构及动力学研究、分子结合的测定等领域“。 例如，当荧光分子传感器的两个荧光基团都是荧光发射基团时，具体f r e t 工作过程如下( 见图1 8 ) ：在光激发下，荧光基团中的能量给体( d ) 产生荧光 发射；传感器分子通过键合基团键合底物来调节能量给体( d ) 和能量受体( a ) 之间的距离以及排列方向。如果底物的加入使这些因素均在适当范围，能量给体 ( d ) 可将能量通过非辐射转移给能量受体( a ) ，表现为能量受体c a ) 的荧光 发射：如果底物的加入使这些因素与f r e t 因素不能匹配，则会抑制f r e t 过程， 则 e n e r g ye n e r g y 圈1 8 荧光共振能量转移传感器的作用原理 6 复旦大学博士学位论文 1 3 4 激基缔复合物( e x c i m e r e x c i p l e x ) 基于激基缔复合物( e x c i m e r e x c i p l e x ) 的荧光化学传感器分子的特点是在 一个分子中含有两个荧光基团，如多环芳烃萘、蒽和芘等，并且两个基团处于分 子的合适位置。当两个荧光基团相同时，其中一个荧光基团( 单体) 被激发后， 会和另一个处于基态的荧光基团形成分子内激基缔合物( e x c i m e r ) 。激基缔合物 的荧光发射光谱取代了单体的发射峰，呈现出一个新的强而宽的、长波长的、无 精细结构的荧光发射峰1 。7 。当两个荧光基团不同时，则称之为激基复合物 ( e x c i p l e x ) 。激基缔复合物形成与否的关键是两个荧光基团之间的距离，只有 激发态分子与基态分子之间的距离约为3 5a 时，才能形成激基缔复合物。 基于激基缔复合物( e x c i m e r e x c i p l e x ) 的荧光化学传感器就是利用受体结 合底物后导致激基缔，复合物构型的形成或破坏，使激基缔，复合物的荧光增强或 消失，通过单体、激基缔复合物的荧光光谱变化表达底物识别的信息。因此， 构型的变化是此类信息产生的原因，图1 9 给出了加入底物后可以形成激基缔合 物的荧光化学传感器的工作原理。萘、芘、蒽等荧光团由于具有较长的激发单线 态寿命，容易形成激基缔，复合物，常常被用于此类荧光化学传感器中。 m o n o m e re x c i m e r e m i s s i o nd u et op r o x i m i t y r u b u n i ts i t e 图1 9 基于擞基缔合物的荧光化学传感器的工作原理 1 3 5 刚性效应 提高分子的刚性可增加荧光，这是因为分子的刚性增加后，一方面会减弱分 子的振动，从而使分子的激发能不易因振动而以热能形势释放；另一方面，可增 加分子的共平面性，从而发生f r a n k c o n d o m 跃迁，也有利于荧光的产生。因此 这类化学传感器可以利用分子刚性的变化进而引起的荧光光谱的变化来判断外 来物种是否已被识别，如当主体化合物与底物络合后，所形成的络合物较原来的 主体化合物刚性增强，荧光发射强度就会增强5 。 1 4 比色化学传感器 比色化学传感器的设计原理和荧光化学传感器基本相同，也有激基缔复合 7 第一章文献综述 物( e x e i m e r e x c i p l e x ) 、分子内电荷转移o c t ) 及刚性效应等。与荧光化学传感 器不同的是，比色化学传感器将颜色变化作为信号输出，可以不必借助昂贵的仪 器或者直接用裸眼观察就达到识别目的，所使用的信号基团通常为有机染料和金 属络合物两种。 1 4 1 有机染料作为信号基团 有机化合物在吸收可见光区( 一般是4 0 0 到7 0 0 r i m ) 的电磁辐射后会表现出 特定的颜色，视觉感受到的颜色是吸收的互补色。有机染料的颜色和化学结构有 关，对特定有机染料来说，通过其共轭体系的h o m o 和l u m o 之间的能量差就可 以确定其颜色。其共轭体系越大，基态和激发态之间的能量差就越小，表现为吸 收光谱发生红移1 8 因此，共轭体系的最大吸收波长与共轭体系的长度有关。一 般可通过修饰染料的化学结构来改变其最大吸收波长，如可以在共轭体系上引入 电子给体( o n r 2 、n h r 、n h 2 、o h 、o m e 、o 、x 等) 或电子受体( n 0 2 、s 仍h 、 s 0 3 、c o o h 、c = o 等) 。在一个特定分子中，如果电子给体和电子受体通过共 轭体系相连，则可以观察到分子内电荷转移，产生c r 吸收。当光激发时，部分 电荷会从电子给体转移到电子受体，从而导致体系颜色的改变，这对设计比色化 学传感器非常重要。当底物与电子给体或受体部分键合之后，分子内电荷转移程 度会发生相应的变化，从而引起颜色的变化达到识别目的。例如，阴离子与电子 给体相互作用，会增强给体部分的给电子性质，使更多的电子离域到共轭体系上， 使分子内电荷转移程度增强而发生红移。 1 4 2 金属络合物作为信号基团 过渡金属原子的一个特殊的性质是在其电子结构的d 轨道是部分充满的，因 此，金属络合物中的分子轨道主要是由处于金属和配体定域轨道的部分充满的d 轨道构成的。在这类体系中，光激发下存在几种电子迁移，因此使金属络合物产 生不同的生色机理，主要有微扰分子轨道理论和电荷转移生色机理两种。微扰分 子轨道理论即所形成的金属络合物颜色为d _ d 电子跃迁产生，配位体影响( 微扰) 中心离子，引起中心离子简并轨道分裂，不同的配体对轨道分裂的影响是不同的， 进而影响光谱的吸收。因此，可以通过加入底物后，吸收光谱和颜色的变化来判 断识别过程。电荷转移生色机理即配体到金属( l m c t ) 或者金属到配体( m u 玎) 电荷转移跃迁生色机理。具体来说，l m c t 是指电子直接从配体的全充满轨道跃 迁到金属的未充满的d 轨道中，m l c t 是指从电子从金属全充满的d 轨道跃迁到配 体未充满的反键轨道中。如果底物的加入能够影响这种过程，并诱导出现新的电 荷转移吸收，而这个吸收正好出现在可见光区，就会引起颜色的变化”。 1 4 3 聚合一解聚合过程 这种生色响应原则通常涉及到包含s a p p h y r i n 核的阴离子生色化学传感器。由 8 复旦大学博士学位论文 于形成聚集体和四个在6 2 0 - 7 2 0 范围内的q 带，可见光区的一些s a p p h y r i n 特征是位 于4 1 0n m 处的s o r e t 吸收带。当在其中加入特定的阴离子时，位于4 1 0n m 处的吸 收带强度减弱，同时在4 2 0 岫和4 5 0 n m 处出现两个新的吸收带，这可能是由于阴 离子的加入导致s a p p h y r i n - 聚体和单体的形成。这种解聚合的过程可以通过溶液 颜色的变化检测到”。 在本论文中，涉及到的识别底物主要是金属阳离子h 矿和阴离子f ，故接下 来主要对h 矿和f 相关的化学传感器进行综述。 1 5h 矿等阳离子传感器2 1 金属离子与环境和人的生活密切相关。h g 单质及h 9 2 + 在排入环境后，可以 被水生微生物转化为甲基汞。甲基汞可以通过食物链在生物体内累积起来恐达到 人体后，使人产生严重的恶心、呕吐、腹痛以及肾功能损伤，危害极大。因此， h 矿的检测在环保方面有着重要的意义。迄今对于重金属离子的检测已经发展出 多种方法，如原子吸收光谱、原子发射光谱等。然而这些方法有着很多缺点，如 样品需要处理、检测不够快速、检测价格昂贵等。因此，在许多重要的应用场合， 人们迫切需要快速、准确、低成本并能选择性地分析检测重金属的方法。化学传 感器能较好地满足以上要求。最近的几年里，有关h 9 2 + 等重金属的化学传感器 的研究已有了一些报道。 1 5 1 冠醚类传感器 同碱金属、碱土金属的化学传感器一样，冠醚首先被人们选作h 矿+ 传感器中 的识别基团。 r u r a c k 等人2 3 以硫原子代替冠醚氧原子，合成了一系列化学传感器，使其对 h 9 2 + 等亲硫的重金属离子有较好的选择性。其中，化合物l 以萘酰亚胺作为荧光 基团2 4 ，测试结果表明，加入h 9 2 + 后1 的荧光光谱峰位没有改变，但量子效率大大 增加，这主要是因为冠醚部分在结合金属离子之后，降低了给电子基团的给电子 能力，抑制了分子内电子转移过程( p e r ) 。该传感器选择性较好，灵敏度很高， 最低检出限为5 x 1 0 7m 。因为硼化二吡咯甲基基团有好的光稳定性、高的荧光量 子效率以及能在较长波长下( 约5 0 0r i m ) 激发等特点，r u m c k 等人2 5 又将类似的 结构与硼化二吡咯甲基相连得到化合物2 作为h 矿的化学传感器。最近，他们” 又报道了以吩噻嗪酮为骨架的化合物3 。吩噻嗪酮基团的使用增大了传感器的水 溶性，因而在实际应用中有重要意义。该化合物的荧光在可见光区，j j e x , h 9 2 + 后，荧光淬灭且吸收光谱发生蓝移，其检测限高达p p b 级。对比实验表明，n a + 、 l ( + 、m 矿+ 、c a 2 + 等离子的存在不干扰检测。 9 第一章文献综述 m a r t i n e z m 矗矗睨等人”报道了以三腈基乙烯基为信号基团的化合物4 。化合物 4 可以通过吸收、荧光和电化学三种信号输出方式检测h f + 。加入h ，+ 后，吸收 光谱由5 1 8 n m 蓝移到4 0 0 n l n ，溶液颜色由红色变为黄色；荧光发射强度增加了9 0 倍，阳极电压差增大至3 0 0m v 。这是因为h 矿的加入使h f + 与电子给体键合， 降低了分子内电荷转移程度。最近，他们以方酸引入为信号单元丛，设计合成了 化合物5 。引入方酸既可以通过比色的方法实现信号的输出，又能实现水溶性。 化合物5 可以选择性地识别h 矿和a g + ，并能实现裸眼识别。 ”分囝叫) 4 5 c h a n g 等a 2 9 设计了化合物6 ，其接受器为含有n 、s 的大环结构，该化合物也 对h 9 2 + 表现出比较好的选择性，但是c u 2 + 有干扰。 碍o * 毋 6 除了含s 的冠醚外，含n 的冠醚也被用于h 矿+ 化学传感器的设计。- 早在1 9 9 5 年，p o r t e r 等x 3 0 设计并合成了化合物7 和8 作