（有机化学专业论文）荧光分子器件的设计、合成和性质研究.pdf

! 里墨! 堂夔查查鲎竖主兰垡堡塞 中文摘要 本论文首先概述了一类新型的荧光分子器件的最新研究进展。重点探讨了以 光诱导电子转移为机理，对阳离子特别是过渡金属离子进行识别的荧光分子器件 一荧光化学敏感器。目前文献中多数涉及的是对碱金属以及碱土金属离子进行识 别的荧光化学敏感器体系，而对过渡金属离子的检测识别还不多。由于多数过渡 金属离子本身具有荧光淬灭的特性，对过渡金属离子的识别要比碱金属及碱土金 属更为困难。 研究的目的是通过对超分予体系中光诱导电子转移机理的探索，设计合成对 过渡金属离子敏感的荧光化学敏感器，寻找一类适合检测过渡金属离子的荧光敏 感器分子。以光诱导电子转移机理为指导，采用“荧光团一隔离基一金属离子受 体”的结构，将缺电予的荧光团和金属离子受体通过隔离基链接在起。它们可 以通过荧光的变化向外界传递出体系中是否含有过渡金属离子的信息。 研究发现，在没有过渡金属离子存在中时，含有一个受体的以l ，8 一萘二 酰亚胺及其衍生物为荧光团的敏感器分子的荧光被受体淬灭；加入过渡金属离子 后，由于从受体到荧光团之间的分子内光诱导电子转移过程被阻止，荧光团的荧 光得以重新释放出来。由于采用了缺电子的1 ，8 一萘二酰贬胺及其衍生物作为 荧光团可以有效的减少过渡金属离子接近荧光团的机会，也就在一定的程度上减 少了过渡金属离子具有的荧光淬灭性质所导致的体系荧光增强效应较弱的问题。 分别以1 ，8 一萘二酰亚胺和4 一氯一1 ，8 一萘二酰亚胺为荧光团的荧光敏感器体 系都可以对过渡金属离子的存在有良好的响应。 采用含有多个氮原子的多胺以增加金属离子受体上配位点的数目。这些荧光 敏感器不仅仅对体系中存在的过渡金属离予可以作出响应，同时随着多胺链的增 加，体系对过渡金属离子的选择性也有了提高。对过渡金属离子进行识别的荧光 敏感器体系中存在有两种相互抵消的作用：一个是受体和过渡金属离子配位后， 体系的荧光增强效应：另一个是过渡金属本身所具有的荧光淬灭性质对荧光团发 出荧光的淬灭。这两种效应相互竞争的结果将决定荧光敏感器体系荧光增强效应 的强弱。具有较长多胺链的荧光敏感器在荧光增强效应和对过渡金属离子选择性 识别上要更加有优势。 中国科学技术大学博士学位论文 当多胺的两端都连有缺电子的荧光团时，分子在受到激发后单体可以和另 外处在基态的单体分子相互作用，形成分子内的激发络合态。这种分子内的激发 络合态受到激发条件和外来客体分子浓度等因素的影响。在体系中加入过渡金属 离子后，产生了激发态缔合物，位于单体荧光峰长波方向上观察到了一个新的、 没有精细结构的荧光发射峰。具有较短多胺链的荧光敏感器不仅单体表现出了很 强的荧光增强现象，激发态缔合物也有很强的荧光增强效应。隔离基较长的荧光 敏感器分子因为缺少在空间构型上的优势，在体系中加入过渡金属离子后，激发 态缔合物的生成较少，其荧光增强效益也较弱，发出的荧光很容易就被单体的荧 光峰的尾部遮盖而难于发现。 将以上有效的荧光敏感器体系推广到水相中时，当p h = 8 时体系中氮原子 没有完全的去质子化，不能很有效的通过光诱导电子转移过程淬灭体系的荧光。 同时所采用的缺电子荧光团在水溶液中由于体系内的帆t 和肌t 位置发生变化有 荧光增强现象。以上的因素致使荧光敏感器体系在水溶液中检测离子没有达到预 期的目的。 设计合成了一系列带有金刚胺末端的单尾卟啉化合物5 ( 4 ( 一( 1 金刚胺 基) 烷氧基) 苯基1 0 ，1 5 ，2 0 ，三苯基钴镍卟啉( c o n i p c n a ) $ 15 - ( 4 一( 一( 1 一金刚胺基) 烷 氧基) 苯基1 0 ，1 5 ，2 0 三苯基自由碱卟啉( h 2 p c n a ) ，并且将它们在水溶液中与单( 6 - 氧一对硝基苯甲酰基) b 环糊精( n b c d ) 组合成了超分子体系。稳态荧光表明，卟 啉衍生物的荧光被n b c d 强烈淬灭，实验表明，金刚胺基与环糊精的紧密结合 是这种高效率电子转移的原因：同时证实了在体系中存在着两种电子转移机理： 超分子内电子转移和分子问电子转移。稳态荧光实验表明超分子内电子转移的过 程与分子间电子转移反应过程相比较是占主导地位的。 h 生里型兰丝查查堂苎主鲎垡堡苎 a b s t r a c t t h ed i s s e r t a t i o ni sf o c u s e do nt h es t u d yo fn o v e lf l u o r e s c e n tc h e m o s e n s o rw h i c h i sd e s i g n e df o rt h et r a n s i t i o nm e t a li o n s t h ei n v e s t i g a t i o na n dd e v e l o p m e n ti nt h e a r e ao ft h ef l u o r e s c e n td e v i c e s ，e s p e c i a l l yt h ef l u o r e s c e n tc h e m o s e n s o r si n c l u d i n g d e t e c t i n gt h et r a n s i t i o nm e t a li o n sa n dt h ep h o t o i n d u e de l e c t r o nt r a n s f e r ( p e t ) i nt h e s u p r a m o l e c u l a rs y s t e m sh a v eb e e nr e v i e w e d i nt h i sw o r k ，w ed e v e l o p e ds o m en e w f l u o r e s c e n tc h e m o s e n s o r sw h i c hs h o wt h eg o o df l u o r e s c e n c ee n h a n c e m e n t ( f e ) e f f e c ta n ds e l e c t i v i t i e s b a s e do nt h ep e tm e c h a n i s m ，t h ef l u o r e s c e n tc h e m o s e n s o r sw e r ed e s i g n e df o r t h ed e t e c t i o no ft h et r a n s i t i o nm e t a li o n s t h es t r u c t u r e “f l u o r o p h o r e - s p a c e r - a c c e p t o r w e r eu s e di nt h ec h e m o s e n s o r ss y s t e m sw h i c hi n v o l v e de l e c t r o nd e f i c i e n t f l u o r o p h o r e ，t h es p a c e ra n dt h ei o nr e c e p t o r t h ec h e m o s e n s o r s1 ，8 一n a p h t h a l i m i d ea n d4 - c h l o r o 一1 ，8 - n a p h t h a l i m i d ea s f l u o r o p h o r er e s p e c t i v e l y , a na m i n om o i e t ya st h er e c e p t o ra n d ah y d r o c a r b o nc h a i na s t h es p a c e rt ol i n kt h ef l u o r o p h o r ea n dr e c e p t o rw e r ed e s i g n e d f l u o r e s c e n c ei n t e n s i t y o ft h e s es y s t e m si sv e r yw e a kd u et ot h ep r o c e s so ft h ee f f i c i e n ti n t r a m o l e c u l a rp e ti n t h ea b s e n c eo fm e t a lj o n s 。t i t r a t i o no ft h et r a n s i t i o nm e t a li o n sc a n ”s w i t c ho n ”t h e f l u o r e s c e n c ei m m e d i a t e l y t h ei n t e n s i t yo fr e l e a s e df l u o r e s c e n c ei se v e nh i g h e rt h a n t h ee x p e c t e df r o mt h ec o n s i d e r a t i o no ft h ep e ti nt h e s es y s t e m s i tw a sr a t i o n a l i z e d t h a tt h er e c e p t d rb o u n dt ot r a n s i t i o nm e t a l + i o n sa n dt h es o l v a t i o no f t h ef l u o r o p h o r eb y t h ew a t e rm o l e c u l e sf r o mt h eh y d r a t e dt r a n s i t i o nm e t a ls a l t s ，m a ys i g n i f i c a n t l yc a u s e f l u o r e s c e n c ee n h a n c e m e n t t h ep o l y a m i n e sw e r eu s e da st h er e c e p t o rw i t hm u l t i - n i t r o g e na t o m sw h i c hi s s u i t a b l et of 0 1 t nt h ec o m p l e x e sw i t ht h et r a n s i t i o nm e t a li o n s t h ec h e m o s e n s o r s y s t e m sw i t ht h ee l e c t r o nd e f i c i e n t1 ，8 - n a p h t h a l i m i d ea n dt h ep o l y a m i n es h o w e d g o o df e i nt h ep r e s e n c eo f m e t a li o n s w i t hi n c r e a s et h el e n g t ho f t h ep o l y a m i n e s ，t h e c h e m o s e n s o r se x h i b i tt h es e l e e t i v i t i e st ot h ez n 2 + a n dc d 2 + ，w h i c hh a v et h eh i g h f l u o r e s c e n c ee n h a n c e m e n t a n dt h ev a l u e so f f eo f c d 2 + i sh a l f o f t h ez n “ 1 l l 主里型兰垄奎奎兰堕主堂垡堡壅 t h ec h e m o s e n s o r sw i t ht w oe l e c t r o nd e f i c i e n tf i u o r o p h o r ea tt h eb o t he n d so f t h e p o l y a m i n ew e r es y n t h e s i z e d i nt h ep r e s e n c eo ft h em e t a li o n s ，t h ee x c i t e dm o n o m e r c a ni n t e r a c tw i t ha n o t h e rm o n o m e ra n df o r mt h ee x c i m e r t h ee x c i m e rs h o w e da n e w , n os t r u c t u r e ，i n t e n s i v ep e a ka tt h el o n g - w a v eb a n d n o to n l yt h ec h e m o s e n s o r w i t ht h e s h o r tp o l y a n l i n ec h a i ns h o w e dg o o df eb u tt h ee x c i m e ra l s os h o w e d g o o df ee f f e c t t h ec h e m o s e n s o rw i t hl o n g e rc h a i nl a c kt h es p a t i a lp r e d o m i n a n c ea n df o r ml e s s e x c i m e ra f t e ra d d i t i o no fi o n s t h ew e a ke x c i m e rf l u o r e s c e n c ee m i s s i o na r eu s u a l l y c o v e r e db yt h ef l u o r e s c e n tp e a ko f m o n o m e ra n di ti sd i f f i c u l tt of i n di t w h e nt h ec h e m o s e n s o r sw i t ht h es a m ee l e c t r o nd e f i c i e n tf l u o r o p h o r ea n dw a t e r s o l u b l er e c e p t o rw e r es t u d i e di nt h ea q u e o u ss o l u t i o n n og o o df ee f f e c t sw e r e o b s e r v e d t h i si sm a y b ed u et ot h ei n c o m p l e t ed e p r o t o n a t i o no ft h en i t r o g e na t o m s w h i c hc o u l dn o td e p r e s st h ep e tp r o g r e s si nt h es y s t e m s a n di ti sa n o t h e rp o s s i b l e f a c t o rt h a tt h es e n s i t i v i t yo f t h ef l u o r o p h o r et ot h ec h a n g eo f t h es o l v e n tp o l a r i t i e s m o n o t a i l e dp o r p h y r i n s ，c o b a l t - 5 4 - c o 一( 1 一a d a m a n t a n e a m i n o ) a l k y l o x y 】 p h e n y l 一1 0 ，1 5 ，2 0 - t r i p h e n y lp o r p h y r i n a t e ( c o p c n a ，n 。4 ，5 ，6 ) ，a n d n i c k e l 5 一 4 一 c o - ( 1 - a d a m a n t a n e a m i n o ) a l k y l o x y p h e n y l 一1 0 ，1 5 ，2 0 一t r i p h e n y l p o r p l r y r i n a t e 洲i p c n a ，疗= 4 ，5 ，6 ) ，i nw h i c ht h ep o r p h y r i nm o i e t yw a sc o n n e c t e d t o 1 - a d a m a n t a n a m i n ev i aaf l e x i b l eh y d r o c a r b o nc h a i nw a sd e s i g n e da n ds y n t h e s i s e d t h ef l u o r e s c e n c e q u e n c h i n g b e t w e e no ft h e p o r p h y r i n sb y m o n o 6 - o - p n i t r o b e n z o y l - f l - c y c l o d e x t r i n ( n b c d ) w a ss t u d i e d d i s t i n c tf l u o r e s c e n c e q u e n c h i n go c c u r e di nt h e s es u p r a m o l e c u l a rs y s t e m s t h i sq u e n c h i n gw a sa t t r i b u t e dt o t h ep e ti n s i d et h es u p r a m o l e c u l a ra s s e m b l yb e t w e e nt h ep o r p h y r i nd o n o r sa n d c y c l o d e x t r i na c c e p t o r s d e t a i l e ds t e m v o l m e rc o n s t a n t sw e r em e a s u r e da n dt h e y w e r ep a r t i t i o n e di n t od y n a m i cs t e m - v o l m e rq u e n c h i n gc o n s t a n t sa n ds t a t i cb i n d i n g c o n s t a n t s i tw a sd e m o n s t r a t e dt h a tt h ep e ti n t e r a c t i o nb e t w e e nt h ep o r p h y r i n s u b u n i t sa n dn b c di si n d e e de f f e c t i v e 牛国科学技术火学博士学位论文第一章荧光分子探针理论及研究进展 第一章荧光分子探针理论及研究进展 分子识别是一个充满机遇和挑战的研究领域，对分子之间的相互识别的认识 有助于增进人们对生命体系的了解，有助于人们探索生命和化学领域的未知世 界。分子识别设计的研究范围相当广泛，其中有关于对阳离子的识别和检测的研 究吸引了很多科学家。对阳离子的识别和检测不仅对化学有意义，对生物学，l 临床 生化学，以及环境科学都有着重要意义。 在很多生命过程中，如神经传导，肌肉收缩，细胞活性调整都有诸如n a + ，k + ， m 孑+ ，c a 2 + 等阳离子的参与。此外，在很多生物酶中亦有金属离子的用武之地， 甚至是生物酶不可或缺的关键组成部分。l 临床医学上，控制l i + 离子在血液中的 浓度是治疗狂燥症中一个重要环节：高血压患者则需要控制饮食中食盐的摄入量 保持k + ，n a + 离子的平衡；a 1 3 + 离子有毒是人们早已经了解到的，但它却有可能是 a 1 z h e i m e r 症的诱因。再如，海洋化学研究发现海水中所含有的z n “，f e ”，m g ” 对于海中微生物的来说是不可缺少的营养素。还有我们常常在生活中接触到的 h 矿+ ，p b 2 十，c d 2 + 都是对身体脏器有毒害作用的，及时地从生活环境中检测出这 些离子是很有必要的。 原子吸收光谱、离子选择电极、电子探针分析、中子活化分析等离子分析方 法通常花费较贵，且需要比较大量的样品，并很难做到连续监测。人们希望有一 种技术可以方便、准确、及时的检测阳离子的存在与否。而探针技术的发展则顺 应了离子检测的需要，得到了蓬勃地发展。探针技术不仅仅在理论上更加成熟、 系统上更加完善、而且它可以应用的领域也更加广泛。荧光探针方法的晟基本特 点是? 灵敏灶高、适应范围广。灵敏性商指的是即使在体系中存在极为微量的待 检测分子，荧光探针也可以通过荧光的变化显示出来。这对于一些要求尽量减少 来自其它化学成分影响的体系来讲更是如此。 分子探针中所采用的发光基团除了可以发射荧光的基团外，可以发射磷光的 分子也是适合于作为发光基团的。荧光发射的时间大致在1 0 “i 0 叫o s ，磷光可 以达到l o - 6 1 0 s 。通过采用不同的发光基团可以获得不同的相应时间范围。 所以探针技术不仅仅可以应用到一些体系稳态的研究上，还可以对某些体系的动 态过程进行监测，例如可以检测某种不稳定物质的产生和衰变过程。荧光化学敏 中国科学技术大学博上学位论文 第一章荧光分子探针理论段研究进展 感器( f l u o r e s c e n tc h e m o s e n s o rs e n s o r ) 的发展是荧光探针技术发展的一个必然； 很显然和近年来超分子化学的蓬勃发展也是不无关系的。 荧光探针化合物所具有的光物理性质使其可以用来研究一系列不同体系在 不同条件下发生的物理、化学过程，以及探知一些特殊体系的结构信息和相关的 物理化学性质。很多的荧光探针化合物都具有不同程度的分子内电荷转移特征1 ， 它们和不同极性的溶剂相互作用所引起的溶剂变色效应，会导致其紫外吸收、荧 光发射光谱中谱带位置的移动及荧光量子产率的变化。 具有荧光的分子作为探针化合物涉及很广泛的研究领域，当然在不同的领域 中所依据光物理、化学原理不尽相同。除了溶剂变色效应，还有例如荧光淬灭、 荧光增强、光诱导能量转移、光诱导电子转移、激发态缔合物的生成、激发态缔 合物的解离等光物理化学性质的变化都可以在相关问题的研究中得到应用2 。荧 光分子探针的应用领域十分广泛，包括有机化学、分析化学、高分子化学、材料 科学、环境化学，当然不仅限于化学领域，在生物学药理学、临床医学，以至 于信息科学都有其一展身手的广阔舞台3 。 第一节基本原理 发光化合物指的是化合物分子在受到激发跃迁到较高能级后，主要是通过辐 射衰变释放出光子而回到基态。概括地讲，受激分子可以通过辐射过程，非辐射 过程，以及化学反应等途径而释放出能量。一般认为在势能曲线上，激发分子在 其核座标变化不大的范围内发生衰变者，通常是以辐射衰变为主的发光化合物： 在核座标变化较大范围内发生分子衰变者则往往是以非辐射衰变为主4 。按照化 合物分子结构可以将发光化台物区分为以下三类： 1 具有刚性结构的芳香稠环化合物： 2 具有共轭结构的分子内电荷转移化合物； 3 一些金属配合物 总体上，荧光分子敏感器所检测的是环境中存在的阳离子、阴离子、以及感 兴趣的各种化学实体，因此荧光分子敏感器中有关对待检测物种进行识别的受体 的设计问题就显得十分重要5 0 例如受体与离子结合的强弱受到受体化学性质、 2 中国科学技术大学博士学位论文 第一章荧光分子探针理论及研究进展 空间取向、离子性质( 离子半径、所带电荷、配位数、软硬性质等等) 以及测试 所用溶剂性质( p h 值、水溶液中还包括离子强度的大小) 的众多因素的制约。 作为对某种特殊待检测分子有着专一选择性的荧光分子敏感器，其对分子高 度专一的识别就是通过与受体之间有效而专一的相互作用来实现的。就像我们熟 知的存在于生物体系中的酶，它对某一物种的专一性识别就是通过它们之间多种 不同相互作用力互相协同配合的结果。这种具有相互协同能力的待检测分子和酶 之间存在着最大的配位常数，因此也就具有最大的相互识别选择的能力。值得一 提的是目前人们设计受体时所涉及的相互作用力还常常是单一的，如静电相互作 用、疏水作用等。多元化识别的体系，特别是具有更高更专一识别能力的体系， 还处在一个相比较滞后的阶段，这也说明在该研究领域中还存在蓿很多值得深入 探索的问题。 第二节荧光敏感器中的信息传递机制 在荧光化学敏感器的设计中，对具有高度专一选择性受体的设计只是其一。 如何将受体对欲检测物种的识别信息通过荧光团灵敏而迅速的传递出去也是亟 需考虑的一个问题。因此，还必须在受体和荧光团之间设计一种对待测物种与受 体间相互作用能迅速响应并影响发光体发光信息发生变化的结构，使得体系对待 测物种识别的信息可以及时传递出去。不过在有的荧光敏感器中其荧光基团都部 分的参与到离子络合物的形成中，故对离子的选择性不仅仅取决于受体而是受到 整个分子的化学性质，空间构象等诸多因素的影响。对这一类结构的设计考虑， 涉及到了荧光团发光的机制以及可能影响发光强度和其光谱特征的许多光物理 化学问题。 1 n n * 激发态发光体的应用 这一类发光体的最低激发单重态是肌+ 激发。通常来讲，它们在溶液中是典 型的非发光体，已知除了少数的小分予羰基化合物如二乙酰等能发光外，多数的 这类化合物是不发光的。但是如果通过外来物种的扰动使发光体原来的最低激发 3 中国科学技术大学博士学位论文 第一章荧光分子探针理论及研究进展 态由n t r + 态转为觚+ 态，则该发光体之荧光就会大大增强。例如，芘甲醛原有的 n n * f l e 级，会在溶剂改变为甲醇时，使之与醛基间形成氢键，化合物分子的最低 激发单重态由r h c 态转为瓤+ 态，从而使荧光量子产率有一突跃性增大( 1 0 0 倍 以上) 6 ，相应的能级关系如下图( f i g u r el 一1 ) 所示： e s 2 ( n + 、 s 2 ( n + ) 一s l ( n + ) s t ( n 4 ) _ 一 ： ：h u ： ： s o主童 h e x a n em e o h f i g 1h y d r o g e nb o n d i n d u c e dn 霄4 一斌+ s t a t ei n v e r s i o n 故而，若能设计一种荧光化学敏感器，其受体能专一的识别甲醇，并在接受 甲醇后，甲醇的羟基又能面对分子中芘甲醛的醛基并形成氢键，就会使该荧光化 学敏感器分子在接受甲醇后，发光能力大大增强，从而向外传出受体已经识别了 甲醇客体分子的信息。 2 航+ 激发态发光体的应用 通常，抓+ 激发态对溶剂效应并不敏感，但可以利用它的一种特性，即设法 抑制其双键的异构化，从而提高其荧光强度。1 ，6 一二苯基一1 ，3 ，5 一己三烯 化合物7 在半刚性的环境中，由于环境抑制了其双键的旋转，因而发出较强的荧 光。又如，将反式的芪分子包合在d 一环糊精空腔内，双键的异构化得到了抑制， 荧光强度也同样得到了提高8 。上述的现象显然可利用来对其所出的环境秸度的 检测。但同样可以设法使之通过与外来物种间的相互作用，达到向外传递荧光信 息的目的。化合物1 所含的两个硼酸基团可与双糖客体分子作用，形成大环结构， 进而抑制了芪双键的异构化，提高了其荧光量子产率，通过荧光的变化向外界传 递出化合物和双糖客体分子作用的信息。 4 中国科学技术大学博士学位论文 第一章荧光分子探针理论及研究进展 3 电荷转移( c t ) 激发态 l 当荧光团中的供电子基团( 通常是胺基) 和吸电子基团以共轭键相连时，在 光的激发作用下就会发生从给体到受体的电荷转移。随之产生的偶极距变化导致 荧光基团微环境改变，这种变化可以用s t o k e s 位移来描述，极性探针的设计就 是基于此9 。可以想见，阳离子和给体受体间的相互作用将会改变荧光基团的光 物理性质，因为络合的阳离子会影响到分子内电荷转移的效率1 0 。 1 “。8 。“”“。“。g 。“9 ( i i i i ：i ：二：) ：銮) 匝 习，一 i n t e r a c t i o nw i t ht h ea c e e p t o rg r o u p b l u es h j f t c = = = ：= ：= = = = j = 西回虻二盈圄 r e ds h i f t c = = = = = = = = ：= = = = 5 f i g 2s p e c t r a ld i s p l a c e m e n to f p h o t o i n d u c e dc h a r g et r a n s f e rs e n s o r sr e s u l t i n g f r o mi n t e r a c t i o no fab o u n dc a t i o nw i t ha ne l e c t r o n - w i t h d r a w i n gg r o u p 荧光团内作为电子给体的基团在和阳离子作用后，给体的给电子能力被减 5 中国科学技术大学博士学位论文 第一章荧光分子撩针理论及研究进展 弱；由于共轭程度的降低，可以在吸收光谱上观察到伴随着吸光系数降低的蓝移 发生。相反地，阳离子和受体相互作用后，受体的吸电子能力得到了增强，因此 吸收谱图发生了红移并且摩尔吸光系数增大。我们假设，体系在激发态的偶极距 比基态时的大，当阳离子和受体作用后，激发态变得比基态不稳定，于是就可以 在吸收和发射谱上观察到蓝移的发生( 不过在多数情况下荧光谱中仅仅可以观察 到微小的蓝移) 。反之，阳离子和受体的作用将会使得激发态比基态稳定，在吸 收和发射谱上引起红移。荧光谱图的变化遵循和吸收谱图一样的规律，不同的是 除了可以观察到位移外还可以得到荧光量子产率和荧光寿命。所有这些都依赖于 阳离子的电荷和大小，因此希望利用这些变化来选择性的识别阳离子。 作为一种分子内共轭的电荷转移化合物，常常在化合物分子的两端存在着具 有推电子与拉电子效应的基团，而基团推一拉电子能力的变化，很显然就会引起 该分子发光能力的改变。在用这类机制来设计的荧光化学敏感器化合物就存在着 客体影响基团的推电子能力或影响基团的拉电子能力等两类体系。化合物2 将含 氮冠醚与原来的n ，n 二甲氨基氰基芪分子中的氮原子相联，形成了氮杂冠醚基 氰基芪，是该化合物能在接受溶液中的金属离子后影响氮原子的给电子能力，从 而导致该荧光化学敏感器的发光减弱。显然这类化台物是属于通过影响基团给电 子能力的那种“。 0 2 n h k v n ( c 0 ) 3 占暾n h 3 o 切， ( 三 l 另一种化合物是香豆素衍生物，它是在香豆索的3 位处链出一套索状冠醚的 化合物，它在设计上尽量注意使与香豆素的内脂基相靠近。当该冠醚作为金属离 子受体而与金属离子结合后，由于正电荷离子引入并处于香豆素的电子受体部 位，于是就会影响香豆素的发光1 2o 这类体系就是将受体与化合物的电子受体相 连接的离子之一。总的来说，利用这类方法来传递信息可以称之为荧光冗电子体 系的络合诱导去偶方式。 6 中国科学技术大学博士学位论文 第一章荧光分子探针理论及研究进展 利用m l c t 态也是一类常见的荧光敏感器的重要机理。最常见m l c t 是三 联吡啶钉，经激发后可由r u 2 。提供一个电子给一个联吡啶形成r u 3 + 和一个负离 子自由基的联毗啶的m l c t 电子转移态，而后发光。3 是一个利用m l c t 机理 作为荧光化学敏感器的例子一含有r e + 的络合物1 3 。 它是由联吡啶，羰基及酰胺键联接苯胺氮杂冠醚和吡啶所组成的铼络合物， 当以c a 2 + 与之络合时，络合物发光强度能有8 倍的增加，其原因是在无c a 2 + 与 之络合时，联吡啶和羰基铼的m l c t 可因为芳基氮杂冠醚与联吡啶间的l l c t 作用而受到制约，并导致由于通过酰胺基的光诱导电子转移过程时荧光发生淬 灭。不过，当c a 2 + 被冠醚络合，这种不利于发光的失活过程将受到限制，荧光 得到了很大的增加，荧光的变化也就提供了c a 2 + 已经和受体结合的信息。 m e ，n 扩n 勺囝 t i c f 激发态同样也可以用作荧光化学敏感器的设计中。以化合物4 为例可 以看出该化合物有着不太强的推一拉电子结构“，原因是c n 基处于间位，而对 位的氮杂冠醚和n ，n - - - - 甲氨基一样具有推电子性质，但是当该化合物中的冠 醚被c a 2 + 占据时，c d + 正离子的拉电子性质强化了化合物原有的推一拉电子能 力，分子的强烈极化引起t i c t 态的形成，显然这里形成的t i c t 态是不会发光 的。从本例中看出：t i c t 态是分子内最大的电荷分离态，客体的引入可以对这 一状态构成新的扰动，或是减弱了分子内的电荷转移，或是强化了电荷转移，从 而引起化合物发光行为的变化，达到对客体分子捕获时n ； t - 传递信息的目的。 对分子内非共轭体系电子给体和受体间通过光诱导电子转移过程而构成的 信息传递机理，在近年来得到了很大的发展，这显然和超分子化学特别是人工光 合作用机理的研究有关。通常人们研究其电荷分离与重合以及对太阳能利用效率 的问题：在探针技术领域，人们则是利用其作为一种传递受体和客体分子作用的 信息传递机理。 例如化合物5 含有苯胺，萘基，和两个三乙胺基。当调整p h 值使之酸化时， 7 中国科学技术大学博士学位论文 第一章荧光分子探针理论及研究进展 可以改变原来存在的三组分间电荷转移的平衡，即三乙胺和苯胺都可以作为电子 给体与萘发生不同距离的光诱导电子转移。酸化后，第一步应该是脂肪胺成盐， 使- - 7 , 胺的给电子能力下降，而第二步酸化则使苯胺成盐，进一步影响它和蔡间 的电子转移。 4 光诱导电子转移( p e t ) 光诱导电子转移型阳离子敏感器是广为研究的一神荧光敏感器。f i g 。3 描述 了该类型敏感器发生光诱导电子转移的过程。在这里荧光基团作为电子受体，未 配位的离子受体作为电子给体。荧光基团受到激发后，一个电子从最高己占分子 轨道( h o m o ) 跃迁到最低未占轨道( l o m o ) 。这就使得从电子给体的最高已占分 子轨道( h o m o ) 发生电子转移成为可能 子配位后，受体的氧化还原电位升高 进而导致体系的荧光淬灭。当受体和离 从能量上讲，受体的最高已占分子轨道 ( h o m 0 ) 低于荧光基团的能级。如此，光诱导电子转移过程就不再能够发生，荧 光的淬灭也就被抑制了。换句话讲，荧光的发射强度在检测到离子后得到了增强。 e n e r g yl e v e l l u m o l 业h 。m 。e n e r g y l e v e l h o m 0 j l e x z i t e d f l u o r o p h o r e f r e e r e c e p t o r ：立i f f i g 3f r o n t i e ro r b i t a le n e r g yd i a g r a m si l l u s t r a t i n gt h e r m o d y n a m i c so f p e t a n db a c ke l e c t r o nt r a n s f e r 图中( a ) 是在荧光团( 作为电子受体或是给体) 接受光子后与受体( 作为 电子给体或是受体) 间发生了光诱导电子转移，导致荧光团的荧光淬灭a 在( b ) 中是当受体接受了阳离子后，原来作为电子给体或受体的阳离子受体丧失了提供 童 中国科学技术大学博士学位论文 第一章荧光分子探针理论及研究进展 或接受电子的能力，从而使荧光团的荧光不能够被淬灭。前线轨道理论也许可以 帮助我们看得更为清晰一些。 从上图中看出，正是由于受体在和客体分子作用后，其能级的高度发生了改 变，使原来荧光团与受体间可以发生的光诱导电子转移因为能级的改变而不能发 生，因而也就不能淬灭荧光团的激发态，荧光得以释放。需要指出的是，客体分 子的引入导致受体氧化还原电位变化的大小是利用电子转移为枢纽的荧光化学 敏感器设计中的关键问题。 5 激发缔合物和激发单体发光强度的转变 构，宽的发射峰。单体，激发态络合物之间荧光强度的比例和分子的流动性以及 微粘度相关”。如果敏感器中有两个荧光基团，它们之间的距离可以被络合的离 子影响，那么，就可以利用单体，激发态络合物之间的荧光强度之比来识别这种 离子。离子的络合可能有利激发态络合物的产生，也可能会阻止其产生。不论何 种情况，这种可以自标定的定量方法是很有可能在实际中得到应用的。 i 赡 一a o 八爿一尸 篱 趴。啉0 x 八7 如化合物6 1 6 ，人们很容易在其溶液的光谱中观察到芘激发态缔合物的形成。 盘 中国科学技术大学博士学位论文第一章荧光分子探针理论及研究进展 但当某些阴离子化合物如核苷磷酸盐引入其中时，由于引入的阴离子可以和上述 分子中的阳离子通过静电相互作用而嵌入，从而阻止其激发态缔合物的形成，导 致激发态缔合物荧光的迅速淬灭。这也就为我们研究提供了一种信息的来源，可 以探知客体分子已经复合进入上述敏感器的空腔内。 通过对荧光敏感器检测所依据的基本原理的认识，我们下面将就荧光敏感器 的目前的发展状况加以介绍，其中本文将涉及到的荧光敏感器的类型如f i g 4 所 示。 s p a c e d i n t e g r a t e d f i g 4t h es t r u c t u r e 扣f t h ef l u o r e s c e n t s e n s o r s 第三节检测阳离子的荧光敏感器 一、光诱导电子转移( p e t ) 型阳离子敏感器 大部分的光诱导电子转移( p e t ) 型敏感器部有脂肪胺或者芳香胺作为荧光淬 灭基团。事实上，从胺基到芳香碳氢化合物的光诱导电子转移过程导致荧光淬灭 的现象很早就被发现了。多数的该类型敏感器也是在此基础上研究设计的，为此 我们将以不同的受体来分别介绍光诱导电子转移( p e t ) 型阳离子敏感器。 1 具有开链受体的光诱导电子转移型敏感器 各种受体中，最简单的要属只含有一个脂肪胺结构的。最近，r a m a c h a n d a r a m 等人”和m i t c h e l l 等人利用脂肪胺与过渡金属离子的络合开发荧光探针。他们 中国科学技术大学博士学位论文 第一章荧光分子探针理论及研究进展 通过烷基链把发光团与胺连接起来，得到了这些分子。没有金属离子和质子存在 于体系时，氮原予上的孤电子对与荧光团之间发生光诱导电子转移过程，活性荧 光团的荧光被淬灭。阻7 和8 为例，在乙腈中，它们与很多的过渡金属离子相互 作用导致很大的荧光增强( 对7 来说有3 0 倍) ，尤其是那些像c r 3 + ，f e 孙，c 0 2 + ，n i 2 + ， c u 2 + 等通常淬灭荧光的离子。其荧光增强的机理是：金属络合物的形成阻止了光 诱导电子转移过程的发生，而且金属离子的淬灭效应只能部分的抵消这种荧光增 强。另外，d es i l v a 等人”也合成了相似的化合物，它可以作为p e t 类型的d h 敏感器。 h 2 n 7n = 2 8n = 3 o 冬谢m e 2 咿9 园 很多过渡金属荧光敏感器的受体含有多个氨基，因为这样可以增强配位的效 果。最先报道的是葸的衍生物9 ，它是由c z a r n i k 2 0 得到的。9 中的胺基通过光诱 导电子转移过程来淬灭蒽强烈的荧光。在9 的乙腈溶液中加入z n 2 + 可以使荧光增 强1 0 0 0 倍以上，因为配位使光诱导电子转移过程在热力学上不可行。水溶液中， 因为两者之间的配位常数很小，所以同样的实验没有成功。然而，这一结果提示 我们可以利用更加有效的配体去设计更多的薪型化学敏感器。r a m a c h a n d a r a m 和 s a m a n t a 2 1 报道了化台物1 0 可通过与过渡金属离子络合而产生荧光增强。没有与 离子作用时，胺基通过分子内光诱导电子转移过程来淬灭n b d ( 硝基苯并二唑) 的荧光。n b d 的乙腈溶液中加入c r 3 十，c u 2 + ，n t 2 + ，c 0 2 + ，f e 2 + ，m n 2 * 和z n 2 + , 会产生 4 3 到1 2 3 倍的荧光增强，同时光谱还蓝移。受体通过两个胺基与金属离子相配 位。目前还没有文献表明化合物9 和1 0 具有选择性。金属离子浓度很高时，荧 光会剧烈的淬灭，水溶液中荧光会减到1 3 倍。 甜 中国科学技术大学博士学位论文 第一章荧光分子探针理论及研究进展 厂哩夕h 2 1 1 厂鬯罗 1 3 厂n 吲n h 1 2 别的研究小组还合成了含有多胺受体和蒽荧光团的敏感器。f a b b r i z z i 2 2 等合 成了化合物l l ，它在水中或乙腈中荧光可随p h 的变化而变化。当p h 大于4 时， 荧光会降低。因为当氮原子没有质子化时，胺基和蒽之间的光诱导电子转移过程 会淬灭葸的荧光。c u 2 + ，n i 2 + ，z n 2 + 存在时，荧光强度将不再依赖于p h 值。即使 在较低的p h 值时，由于从荧光团到金属中心发生了能量转移，使激发态失活， c u 2 + 和n i 2 十也会导致荧光减弱。当z n 2 + 存在时，从很低的p h 值开始，荧光随着 一 p h 值增加而出现淬灭现象。但p h 达到3 7 以后，荧光开始恢复。当p h 大于6 ， 荧光恢复到原来的强度。在起始阶段，荧光随着p h 增大而减小，是因为这时z n 2 + 与配