（有机化学专业论文）含蒽荧光团金属离子探针的设计、合成及性能研究.pdf

中文摘要 荧光分子开关作为超分子化学的重要组成部分，近年来得到了快速发展并成 为化学家的研究热点。本论文结合蒽荧光受体的研究现状及其发展趋势，在该类 物质的功能性分子设计、金属离子识别方面进行了进一步的研究。 设计并合成了一个二苯砜为连接臂含双葸基团的钳状受体分子并通过荧光 和紫外可见光谱实验研究了其对阳离子识别的性质，发现该化合物对h 9 2 + 有 一定的荧光增强作用，对c u 2 + 有一定荧光淬灭作用。 设计、合成了六种新的含硫识别基团的葸类荧光分子探针。通过金属离子滴 定试验，发现该类探针对c u 2 + 和h 9 2 + 离子具有明显的识别作用。特别是在此 基础上设计的9 ，1 0 一- - ( 4 硝基苄硫甲基) 葸对h g ( i i ) 离子络合促进荧光增强 4 2 9 倍，该探针具有高度的专一性，是典型的p e t 体系。 设计并合成了两个以二硫代氨基甲酸基为识别基团的荧光分子。发现h 9 2 十 与二硫代氨基甲酸基配位抑制了p e t 效应，主体荧光得以恢复，发射强度增加。 该类主体分子对h 9 2 + 有较高的选择性。 设计、合成了七种新的由不同识别基团相连接的含双蒽酰胺基荧光基团分子 探针。通过金属离子滴定试验，发现含硫原子探针对c u 2 + 和h 9 2 + 离子具有明 显的荧光淬灭作用，并且这些离子分别和主体分子形成了l ：l 的络合物。 在以上研究的基础上，设计、合成了两个新的由不同识别基团相连接的双芘 环荧光团的荧光探针。发现以3 , 6 二硫杂1 ，8 一辛二胺为连接基团和识别基团的含 双芘环荧光团分子探针对c d 2 + ，c u ”，a r 和h 9 2 + 具有选择性识别作用。 关键词：荧光分子探针，蒽，芘，分子识别，金属离子 a b s t r a c t a sa ni m p o r t a n tc o m p o n e n to ft h es u p e r m o l e c u l a rc h e m i s t r y , t h ef l u o r e s c e n c e m o l e c u l a rs w i t c hh a sd e v e l o p e dr a p i d l ya n db e c o m ei n t e r e s to ft h ec h e m i s t s i nt h i s d i s s e r t a t i o nt h ef u n c t i o n a l d e s i g na n dt h em o l e c u l a rr e c o g n i t i o no fa n t h r a c e n e f l u o r e s c e n tr e c e p t o r sw e r es t u d i e dd e e p l ya c c o r d i n gt ot h et r e n di nt h i sf i e l d af l u o r e s c e n tp r o b ew i t ht w oa n t h r a c e n eg r o u p sl i n k e db y d i p h e n y ls u l f o n ew a s d e s i g n e d i tw a sf o u n dt h a tt h i sp r o b ee x h i b i tf l u o r e s c e n c ee n h a n c e m e n tr e s p o n s et o h 9 2 + a n df l u o r e s c e n c eq u e n c h i n gt oc u 2 + i no r d e rt or e c o g n i z et h et r a n s i t i o na n dt h eh e a v ym e t a li o n s s i xo fa n t h r a c e n e f l u o r e s c e n tp r o b e sw i t hs u l p h u rc o n t a i n i n gr e c e p t o r sw e r es y n t h e s i z e d t h et i t r a t i o n e x p e r i m e n t si n d i c a t e dt h a tt h ef l u o r e s c e n tp r o b e sa r eh i g h l ys e l e c t i v et oc u 2 + a n d h g p a sar e s u l t ，9 ，10 一b i s ( 4 一n i t r o b e n z y l t h i o m e t h y l ) a n t h r a c e n ew a sd e s i g n e da n da 4 2 9 - f o l d sf l u o r e s c e n c ee n h a n c e m e n tr e s p o n s et oh 9 2 + w a s f o u n d i tw a sp r o p o s e dt h a t t h ee n h a n c e m e n tm e c h a n i s mi sat y p i c a lp e t - s u p p r e s s e d p r o c e s s t w of l u o r e s c e n tp r o b e sw i t he a c h h a v i n gt w od i t h i o c a r b a m a t e sg r o u p sa s r e c e p t o r sw e r ed e s i g n e d t h et i t r a t i o ne x p e r i m e n ti n d i c a t e dt h a tt h e s ep r o b e sa r e h i g h l ys e l e c t i v et oh g p ，w h i c hs h o w sap r o n o u n c e df l u o r e s c e n c ee n h a n c e m e n t i tw a s a l s of o u n dt h a tt h er e s p o n s et oh 9 2 + i sat y p i c a lp e t - s u p p r e s s e dp r o c e s s s e v e no fb i s a n t h r a c e n ef l u o r e s e n t p r o b e sl i n k e db yd i f f e r e n th e t e r o c h a i n r e c 印t o r sw e r ed e s i g n e d t h et i t r a t i o ne x p e r i m e n ti n d i c a t e st h a to n l yt h es u l f u r c o n t a i n i n gf l u o r e s c e n tp r o b e ss h o we v i d e n tf l u o r e s c e n c eq u e n c h i n gu p o na d d i t i o n a l c u + a n dh 矿+ t h es t o i c h i o m e t r yo ft h ep r o b e m e t a li o nc o m p l e xw a se s t i m a t e dt ob e 1 1b yan o n l i n e a rc u r v ef i t t i n go ft h ef l u o r e s c e n c et i t r a t i o n t w oh e t e r o c h a i nl i n k e db i s p y r e n ef l u o r e s c e n tp r o b e sw e r es y n t h e s i z e d i t i s f o u n dt h a tw h e n3 , 6 一d i t h i a - l ，8 - d i a m i n o o c t a n ei su s e da ss p a c e ra n da c c e p t o r t h e p r o b ec a nr e c o g n i z ec d 2 十，c u 2 + ，a 矿a n dh 9 2 + r e s p e c t i v e l y k e yw o r d s ：f l u o r e s c e n tp r o b e ，a n t h r a c e n e ，p y r e n e ，m o l e c u l a rr e c o g n i t i o n ， m e t a li o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人己经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤鲞盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 一虢。钢辱一：少夕年罗月7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解丞室叁堂 有关保留、使用学位论文的规定。 特授权丕壅盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位敝作者繇，四癣 签字日期：硼年甲月7 日 导师签名：j 融 签字日期：q 年尹月7 曰 第一章绪论 1 1 概述 第一章绪论弟一早三百下匕 19 8 7 年，n o b e l 化学奖授予p e d e r s o n ，c j ；c r a m ，d j 和l e h n ，j m ，标 志着化学的发展进入了一个新的时代。而由他们发展起来的主客体化学 ( h o s t g u e s tc h e m i s t r y ) 、超分子化学【2 1 ( s u p e r m o l e c u l a rc h e m i s t r y ) 的重要意义也因 此被人们真正认识。超分子化学超越了经典化学的概念范围，可以定义为“超出 分子的化学”，是一个或多个化学物种凭借分子间弱的相互作用力形成的具有较 高复杂性和一定整体性的实体或聚集体的化学【l 3 】。近年来，超分子化学的应用 研究已经受到各国科学家越来越多的重视，进入上个世纪九十年代后，超分子化 学已经迅速发展成为了覆盖化学、物理、生物以及材料等基础学科的极富挑战性 的新领域之一【】，并且一些关于超分子化学的有影响的专著相继问世【7 叫。 超分子的结合是建立在分子识别基础之上的，分子识别是超分子化学研究的 重要内容之一，最早是在解决分子水平上研究生物体系中的化学问题而提出。分 子识别是指不同分子问的一种特殊的、专一的相互作用，它既满足相互作用的分 子间的空间要求，也满足分子间各种次级键力的匹配，可形象地描述为锁和钥匙 间的相互关系。在超分子体系中，受体分子的特殊部位含某种基团，正适合与底 物分子的基团相结合。当受体分子与底物分子遭遇时，两者相互选择协同形成次 级键；或者受体分子按底物分子的尺寸，通过次级键构筑适合底物分子居留的孔 穴结构。因此，分子识别本质上是指主体分子( 受体) 对客体分子( 底物) 选择 性结合并产生某种特定功能的过程。 分子识别是广泛存在的自然现象，特别是在生命过程中，分子识别起着极其 重要的作用。但分子识别作为分子之间发生的事件，需要借助一定的技术手段才 能感知伴随分子事件发生所产生的物理信号。为了使该类事件所包含的信息简单 而有效地向外界传递，人们利用设计的分子器件所发出的光学信号来表达这种信 息。分子荧光作为传感信号具有以下优点：可达到单分子检测的高灵敏性、可开 关、可实现人与分子的通讯、对亚微粒具有可视的亚纳米空间分辨并且是亚毫秒 时间分辨的。另外人们已经积累了许多关于分子结构、超分子结构以及环境因素 对分子荧光影响的知识并在一定程度上揭示了其内在的规律【l 。所以人们设计并 合成了大量能够将分子识别事件通过分子的荧光信号有效表达的复杂荧光分子。 这种在一定体系内，当某一种物质或体系中某一物理性质发生变化时该分子的荧 第一章绪论 光信号能发生相应的改变的分子就可称为某一物质或某一物理性质的荧光分子 探针( f l u o r e s c e n tm o l e c u l a rp r o b e ) ；荧光分子探针正是建立在分子识别和荧光技 术两者有机结合的基础上，通过特定的受体结合目标，实现分子的识别得到分子 信息，并随之通过相应的荧光信号传导机制将这种分子结合信息转换为易于检测 的荧光信号，从而实现在单分子水平上的原位实时检测。荧光分子开关在对客体 的分析和检测中有一些特殊的优点：1 ) 通过荧光强度的变化可以直观体现客体 的存在，它具有高灵敏度，甚至单个分子也能被检测到：2 ) 荧光可以通过简单、 安全、可靠和相对便宜的仪器进行测量；3 ) 荧光传感测量是非侵入性的，对样 品不具破坏性。目前，设计和合成专业化、特殊化的荧光分子探针已经引起了广 泛的关注，是一个十分活跃、精彩纷呈，但又充满着未知和挑战的新研究领域 【1 1 ，1 2 o 金属离子与生命科学、环境科学、医学等领域有着密不可分的联系，对其识 别和检测在分析化学中占有重要地位 1 3 , 1 4 。氢离子以及碱金属、碱土金属离子对 有机荧光分子没有淬灭作用。并且这类探针设计中的预见性强，没有太多悬念， 相关的研究相对较少【l5 1 。过渡金属及重金属广泛地存在于自然界中，它们在生命 过程中具有重要的功能，一些元素在很低浓度时就对生物体产生极强的毒性。这 些元素的检测对生命、环境和医学科学以及工、农业生产等都有重要的意义。 荧光分子探针的主要应用领域是生物、医学和环境监测，所以在水溶液中的 识别才具有潜在的广泛应用价值。另外，许多探针分子的荧光性质会受质子的影 响，在水溶液中可以通过缓冲溶液控制稳定的p h 值，使研究的结果更可靠。 但水分子对金属离子较强的水合作用以及水分子对探针分子识别基团较强的结 合，使水溶液中的金属离子识别比有机溶剂中具有更大的难度【l 6 i 。 通常从灵敏性、选择性、实时性和原位检测性能四方面因素来评价一个荧光 分子探针的性能。 1 2 荧光分子探针识别原理 依据荧光团与受体的连接方式以及荧光信号的类型对荧光探针进行了分类， 主要分为光诱导电子转移( 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 ，p e t ) 、电荷转移 ( c h a r g et r a n s f e r ，c t ) 、激基缔合物( e x c i m e r ) 和电子能量转移( e l e c t r o n i ce n e r g y t r a n s f e r ，e e t ) 及其他等 1 0 】。 1 2 1 光诱导电子转移1 0 , 1 7 1p 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 ) 利用p e t 原理设计的荧光分子探针在阳离子识别中最为常见。这类探针设 2 第一章绪论 计原理明确，特别是对于碱金属、碱土金属和氢离子通常都可获得荧光增强的探 针。典型的p e t 荧光探针体系是由具有电子给予能力的识别基团r ，通过连接 基团s 和荧光基团f 相连而构建的。其中荧光体部分是光能吸收和荧光发射的 场所，主体部分则用于结合客体，这两部分被间隔基隔开，但又靠间隔基相连而 成一个分子，构成了一个在选择性识别客体的同时又给出光信号变化的超分子体 系。在这类探针中，识别基团与荧光团之间的识别信息与荧光信号之间的转化是 靠光诱导电子转移完成的。具体工作过程如下：具有电子给予能力的识别基团能 够将其处于最高能级的电子转入激发态荧光团因电子激发而空出的电子轨道，使 被光激发的电子无法直接跃迁回原基态轨道发射荧光，导致荧光团的荧光淬灭； 然而，当识别基团与客体结合后，降低了识别基团的给电子能力，p e t 过程被 减弱或彻底阻断，使荧光团的荧光发射增强。因此在未结合客体之前，探针分子 不发射荧光，或荧光很弱。一旦受体与客体相结合，荧光团就会发射出强荧光( 见 图1 1 ) 。 图1 - 1p e t 荧光开关一般原理示意图 f i g 1 - 1t h ea b r i d g e dg e n e r a lv i e wo fp r i n c i p l eo fp e t f l u o r e s c e n ts w i t c h e s p e t 荧光探针的作用机制可由前线轨道能量来进一步说明( 见图l 一2 ) 。 e l e h 。筻耐。， h l u u 广1 ) e m i s ；s i o n 图1 - 2p e t 机制的前线轨道理论示意图 f i g 1 - 2f r o n t i e ro r b i t a le n e r g yd i a g r a me l a b o r a t i n gt h em e c h a n i s mo fp e ts w i t c h e s 由于与客体结合前后，荧光强度差别很大，呈明显的“关”，“开状态， 这类探针又被称为荧光分子开关。从中我们可以看出，p e t 体系就好像是一个 荧光开关，由客体来控制它是否发光，客体引起的“o f f - o n 及“o n o f f ”荧光均 第一章绪论 可被设计，只要选择合适的条件，几乎所有受体均可转换成基于p e t 体系的荧 光主体分子。 已报道的这类荧光开关分子中，多数是把脂肪胺或氮杂冠醚作为受体单元。 荧光团和识别基之间的连接基一般是亚甲基、乙撑基或丙撑基等短链烷基，过长 的连接基将使p e t 效果变差。 d es i l v a 的研究组利用多种荧光团，设计了大量的p e t 荧光分子探针，用 于氢质子、碱金属阳离子的识别。化合物1 是一个典型的带氮杂冠醚识别基的 p e t 荧光分子探针【j 引，在甲醇中和k + 络合后，荧光量子产率从0 0 0 3 增加至 0 1 4 。他们还利用萘酰亚胺与葸两个荧光团通过烷基链相连设计了一个比较复杂 的荧光化合物2 。在它的烷基链中间的识别基氮原子靠近葸荧光团，它只与蒽发 生p e t 作用。另外，两个荧光团间的距离较远，没有明显的相互影响。随着p h 值的增加，蒽发射峰的强度急剧降低，用于氢离子识别可作为荧光比例探针 ”】。 1 2 n h 2 3 大多数p e t 荧光分子探针的设计是基于受体与客体的结合，使光诱导电子 转移作用受到抑制，从而荧光团发射出强荧光的原理设计的。但是当与过渡金属 作用时，结果有时发生了变化。由于过渡金属的3 d 电子的氧化还原行为，可以 发生从荧光团到键合的过渡金属的电子转移，或者从过渡金属向荧光团的电子转 移，因此可以通过无辐射能量转移导致荧光淬灭。化合物3 的受体冠醚为硫杂 冠醚，该体系中大环s 4 受体能接受c u + 和c u 2 + ，溶解于乙腈溶液中具有d 1 0 电 子结构的c u + ，抑制了9 一葸甲酸酯荧光团参加的任何热力学允许的p e t 过程， 在4 6 0n l t l 处产生强的荧光发射。当利用化学方法( 用n o b f 4 ) 或电氧化方法 使c u + 转化为c u 2 + 时，相应的铜离子的电子结构变成d 9 ，发生了葸甲酸酯单 元到c u 2 + 的p e t 过程，结果使荧光猝灭，这是一个典型的荧光团- 金属离子 的p e t 过程f 2 0 1 。 总之，氢离子、碱金属以及碱土金属离子通常都可根据p e t 原理设计出荧 4 1 。 。 o n r 乙 ( 第一章绪论 光增强的探针，但是过渡金属或重金属离子识别时情况复杂的多。 1 2 2 电荷转移c t ( c h a r g et r a n s f e r ) 根据转移电荷的来源不同，这类机理又可细分为分子内电荷转移 ( i n t e r m o l e c u l a rc h a r g et r a n s f e r , i c t ) 和扭曲的分子内电荷转移( t w i s t e di n t e r n a l c h a r g et r a n s f e r , t i c t ) 等。一般研究的以i c t 居多，采用这种机理的荧光探针 一般荧光团和识别基团是直接相连的。 典型的i c t 荧光探针分子是由荧光团与识别基团直接相连构成的，这类探 针的荧光团上分别连有推电子基( 电子给体) 和吸电子基( 电子受体) ，且推电子 基或吸电子基团本身又充当识别基团或者识别基团的一部分。当该分子被光激发 后会增加从电子给体向电子受体的电荷转移。当识别基团与客体结合时，会对荧 光团的推拉电子作用产生影响( 减弱或强化电荷转移) ，从而导致荧光光谱的变 化，主要是光谱蓝移或红移。一般情况下，i c t 荧光探针对荧光强度的影响不像 p e t 荧光探针那样显著。 e 图1 3 阳离子对i c t 荧光探针吸收及发射波长的影响 f i g 1 - 3c a t i o ne f f e c to na b s o r p t i o no re x c i t a t i o ns p e c t r a lw a v e l e n g t hf o raf l u o r o p h o r ew i t h a ni c te x c i t e ds t a t e 受体单元为电子接受体的i c t 荧光探针化合物4 ，在探针分子处于未结合 状态时，二甲氨基和氮杂冠醚部分均为电子给体；当冠醚与碱土金属c a 2 + 结合 后，拉电子能力增强，使探针转化成推拉电子体系，荧光发生红移【2 1 1 。多数i c t 荧光探针在结合客体后，荧光光谱移动在2 0n l t l 左右，荧光强度变化不明显。 但化合物5 与c a 2 + 结合后荧光波长蓝移9 5n m 【2 2 】。而化合物6 的荧光强度发 生了显著变化，与l i + 络合荧光增强9 0 倍，与m 9 2 + 络合增加2 2 5 0 倍 2 3 】。 t i c t ( t w i s t e di 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 扭曲的分子内电荷转移) 是 i c t 的特例。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 蛔 朝 毛陀 州 蛔锢 第一章绪论 氨基) 是通过单键与荧光团相连的，当荧光团被光子激发时，由于强烈的分子内 光诱导电荷转移，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t i c t 激发态。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 t 态 常不发射荧光或者发射弱的长波荧光，少数情况下出现i c t 与t i c t 双重荧光 现象 2 4 2 5 1 。 4 ， o o u 5 ，oo 、 l oo u 67 化合物7 表现为双重荧光，短波发射带为局部激发态产生的，长波发射带 来源于t i c t 态，与阳离子键合后，由于氮杂冠醚与阳离子的相互作用，长波 吸收带强度下降1 26 l 。化合物8 较为特殊，表现出三重荧光现象，除了局部激发 态和t i c t 产生的双重荧光外。在激发态，由于全氮杂冠醚的柔软性能导致形 成了激基缔合物，产生了第三重荧光 27 1 。第三重荧光的产生取决于溶剂、p h 和 键合阳离子的微扰作用。 1 2 3 激基缔合物1 3 1 ( e x c i m e r e x c i p l e x ) 两个相同的荧光团，如多环芳烃萘、葸和芘等连接到一个主体分子的合适位 置时，其中一个被激发的荧光团( 单体) 会和另一个处于基态的荧光团形成分子 内激基缔合物。它的发射光谱特性不同于单体，表现为一个新的、强而宽、长波、 无精细结构发射峰。缔合物的形成需要两个荧光团之间轨道的堆叠，形成这种激 基缔合物需要激发态分子与基态分子达到“碰撞”距离3 5a 以内，因此荧光 团间的距离是激基缔合物形成和破坏的关键。可以利用各种超分子作用力改变两 个荧光团之间的距离，从而利用结合客体前后单体激基缔合物的荧光光谱变化 来识别金属离子。萘、蒽和芘等荧光团由于具有较长的激发单线态寿命，易形成 6 ，洲默掣 厂、o 、 洲袅o 一ol 第一章绪论 激基缔合物，常常被用于此类探针中。通常是两个荧光团通过柔性链连接，当客 体与柔性链作用后，改变了荧光团的距离，二者相互靠近形成激基缔合物，见图 1 - 4 。 图1 - 4 客体诱导产生激基缔合物的机理 f i g 1 - 4t h em e c h a n i s mo fg u e s t - i n d u c e de x c i m e r 1 9 9 5 年p a r k e r 合成了化合物9 ，该化合物通过酰胺基团连结了四个萘分 子，当z n 2 + 离子进入分子空腔，受体的腔体收缩，改变了四个萘荧光团的位置， 使单体和基态复合物有不同程度的荧光增强【2 剐。n a k a m u r a 合成的化合物1 0 则 对c a 2 + 有好的选择性，c a 2 + 的结合使具有柔韧性的主体分子发生折叠，两个 蒽荧光团的距离拉近，其激基缔合物荧光发射增强1 2 9 。k a b o 和s a k u r a i 利用氮 杂冠醚主体分子合成的化合物1 1 具有双芘荧光发色团，氮杂冠醚空腔络合金属 离子改变了两侧芘基团之间的距离，不仅使荧光发射增强，也使 m o n o m e r e x c i m e r 荧光强度比例产生大的变化【3 0 1 。这一体系对识别k + 和b a 2 + 的灵敏度最高。 9 1 2 4 荧光共振能量转移3 1 1 ( f l u o r e s c e n c er e s o n a n c ee n e r g yt r a n s f e r ) 荧光共振能量转移也称为非辐射能量转移( n o n r a d i a t i o ne n e r g yt r a n s f e r ) ， u 仰 芦 b 碍最飞 第一章绪论 即处于激发态的物种以偶极偶极相互作用形式将多余能量转移给处于基态的物 种，这一过程被称之为共振能量转移或非辐射能量转移。其中，能量给予者被称 之为给体( d ) ，而接受能量者被称之为受体( a ) 。当d 和a 是荧光活性物种 时，这一过程就称之为荧光共振能量转移。d 与a 之间能量转移的效率与d 的发射光谱和a 的激发光谱重叠的程度以及d 与a 之间的距离密切相关。 在探针分子中，当d 与a 相隔的距离远大于d a 的碰撞直径时，只要d 与a 的基态和第一激发态两者的能级间能量差相当，或者说d 的发射光谱与 a 的吸收光谱有效地重叠，就可以发生从d 到a 的非辐射能量转移。当d 被 激发以后就会和a 形成电子能量转移，其荧光发射光谱特征表现为d 的特征 峰减弱或者消失，代之而起的是a 的发射峰。化合物1 2 中有两个不同的荧光 团，分子中的脂肪叔胺能够通过p e t 淬灭葸的荧光。在酸性条件下，该p e t 过 程被禁阻，但葸被激发后并不发射荧光，而是将能量转移给查耳酮使其发射荧光 【3 2 】。 1 2 形成这种能量共振转移荧光探针的两个主要条件是两个发色团之间碰撞距 离和光谱重叠。这类荧光开关也已经同样广泛的被用于生物体系来研究核酸、磷 脂等在生理条件下的构型和活性变化 3 l 】。 1 2 5 基于其它原理的荧光分子探针 儿 n n hh 1 3 + h g ，+ h o o - h g s 1 4 n h 大多数阳离子荧光分子探针是基于上述原理设计的，还有少量探针是按照其 它原理设计的。对于一些荧光分子探针，由于其他金属离子的影响很难消除，高 度专一性的识别难以实现，而化学变化传感器则能更好的实现高度专一性的识 几 o n h o 几 n h 第一章绪论 别。与一般金属配位作用导致荧光淬灭不同，它可以使配体荧光增强，这使传感 器的灵敏度得到更好的提高，因而其近年来发展很迅速。 化合物1 3 的乙腈溶液中加入汞离子后荧光显著增强( 3 4 倍) 并红移，进 一步用质谱检测发现生成了脱硫产物1 4 。化合物1 3 是对汞离子有选择性的化 学反应荧光分子探针，这类不可逆的化学计量性的识别分子也被称为化学计量剂 ( c h e m o d o s i m e t e r ) 3 3 1 。 朱道本【3 4 j 等人在2 0 0 5 年报道了l ，3 二硫2 硫酮衍生物1 5 和1 7 能对 h 9 2 + 产生化学计量感应。化合物1 5 和1 7 在未与h 9 2 十作用前荧光很弱，当与 h 9 2 + 反应以后分别生成化合物1 6 和1 8 ，荧光增强，而其它金属的影响很小。 s s 警蛋三。湖2 ：。 s 1 7 o h i g hf l u o r e s c e n c e 1 8 尽管前面已经叙述了很多阳离子荧光分子探针识别的作用原理和典型的探 针分子，还是有许多基于其它设计原理的探针分子具有良好的识别效果不能一一 列举，随着该领域研究范围的不断扩展和各种新型荧光分子探针的出现，有理由 相信阳离子荧光分子探针识别的作用原理会越来越丰富。 1 3 荧光团 荧光基团是荧光分子探针的最基本组成部分，作用是将分子识别信息表达为 荧光信号。用做信号识别的荧光发射团多为芳香族化合物：如稠环芳烃，以萘、 葸和芘为主要代表的稠环芳烃类都具有强而稳定的荧光。它们作为结构最简单的 荧光团，经常用于基础理论的研究。另外它们易产生激基缔合物荧光【3 5 】，这一特 性是其它种类的荧光团不能代替的。荧光素( f l u o r e s c e i n ，化合物1 9 ) 和罗丹明 9 第一章绪论 ( r h o d a m i n e ，如罗丹明b ，化合物2 0 ) 为主要代表的咕吨类荧光团【3 6 3 7 1 也是非常 著名的荧光染料，其特点是荧光量子效率高，因此在生物医学用荧光探针领域的 应用非常广泛。 h o 1 9 2 0 c 1 盯 0 菁类荧光染料( 如化合物2 1 ) t 3 8 】是近年来倍受青睐的生物大分子标记用荧 光染料，特点是波长可调范围特别大，可以进入近红外区，能有效避开生物体系 的背景荧光，提高探针的灵敏性。1 ，8 萘酰亚胺( 化合物2 2 ) 也是一类重要的荧 光化合物 3 9 a 0 特别是4 位有强烈供电基团如氨基的衍生物都能够发射强荧光、 光稳定性好、荧光发射波长适中、s t o c k s 位移大，也经常被用于荧光分子探针 的合成。吡咯甲川类荧光团( 化合物2 3 ) 2 3 , 4 1 】的特点是荧光量子效率高，随取代 基变化其荧光波长可调范围大，不易受环境p h 的影响，近年来的几个基于该 荧光团合成的金属离子荧光分子探针颇为引人注目。 r 3 2 l r 4 r 1 2 2 r 6 2 3 r 2 其它常用的荧光团还有吖啶【4 2 、丹磺酰胺 4 3 】、n b d 删和香豆素 4 5 】类等。 尽管，一般来说几乎所有的荧光化合物都可以用作荧光探针的信号基团，但 实际上不同荧光化合物之间性质差别巨大，以一类荧光化合物为荧光团设计的有 效识别结构用于另一类荧光团未必有效。细微的结构差别就可能导致探针性能的 明显不同。在探针中荧光团的选择上除了要考虑以上因素外，还要考虑合成路线 的合理性。这主要是指要便于与识别基团的连接。理论上荧光团的许多位置都可 能以不同方式连接识别基团，但是现实可连接位置及方式是非常有限的。 1 0 第一章绪论 1 4 含蒽荧光团分子识别的研究进展 蒽是多环芳香族化合物中的典型代表，该化合物特点是荧光强度较高，在乙 腈中的量子产率为0 3 6 ，在波长3 4 0n l t l 一3 8 0n l t l 之间由三个清晰明显的吸收 带，其发射谱以波长4 1 5n n l 为中心清晰可见【矧。人们对于芳香族化合物的荧 光研究往往以葸作为典型的例子，研究的很多，至今对葸及其衍生物荧光性质的 研究仍很活跃。葸作为最常见的芳环被广泛应用于荧光受体的设计中 4 7 , 4 8 。 。 下面就该荧光团在分子识别中对不同底物( 阳离子、阴离子和中性小分子) 的研究进展作文献综述。 1 4 1 阳离子识别 受体( 即识别基团) 是为实现对识别目标的选择性结合而设计合成的结构 单元，它决定了荧光分子探针和被识别客体结合的灵敏度和选择性。如果从受体 对某一客体分子有选择性识别能力的角度出发，可以说，受体的结构应当是各不 相同的。只有那种经过设计使与客体分子在结构上相互严密配合的受体，才能对 客体分子具有最大的识别能力。受体与客体的识别作用可以分为：( 1 ) 碱性中心 与酸性中心的氢键作用；( 2 ) 阳离子与阴离子之间的静电作用；( 3 ) 芳环与芳环 之间的7 9 - 7 ts t a c k i n g 作用；( 4 ) 受体与客体在疏水范围的范德华力。影响受体识 别各种客体的因素主要有：受体空穴的大小、空穴的形状、配位数和配体种类等 一1 | 。一般根据这些因素来设计恰当的识别单元。有时识别的任务是识别基团 与荧光基团上的取代基共同完成的；识别基团与荧光基团共用部分结构( 识别基 团与荧光基团之间不是完全独立的) 是i c t 探针的基本结构方式；典型p e t 探针的识别基团与荧光基团之间是相互独立的。荧光分子探针中常用的识别基团 有冠醚、开链聚醚、多乙烯多胺、多羧甲基胺、环糊精、杯芳烃和多肽等。下面 就葸荧光团连接到这些识别单元上对阳离子的识别情况作一个简单介绍。 1 4 1 1 冠醚类化合物 冠醚分子由于具有对介质的两亲性和与金属离子配位的选择性，是识别中最 主要的受体。冠醚通过配位作用与各种金属离子形成具有一定稳定性的配合物； 或者通过氢键与客体分子生成配合物，如伯胺的盐、有机中性分子等。将其和荧 光团连接成的超分子体系是研究最多的一类阳离子荧光分子探针。全氧杂冠醚一 般的含氧数为4 1 0 个，可与l i + 、n a + 、n h 4 + 、k + 、r b + 、c s + 、a g + 、a u + 、c a 2 + 、 s r 2 + 、b a 2 + 、c d 2 + 、h 9 2 + 、p b 2 + 等形成络合物 5 2 1 。 化合物2 4 是具有双受体的类型，它和n a + 结合时发生构象改变，形成2 ：1 第一章绪论 的络合物，结果使葸单体荧光强度和激基缔合物荧光强度比发生显著变化。它的 一个重要特点是第二个n a + 的络合常数比第一个n a + 的要大，说明第一个n a + 的结合使第二个假冠醚采取了更有利于结合第二个n a + 的几何排列【5 3 1 。 氮杂冠醚按环中氮原子的数量可分为单氮杂冠醚、双氮杂冠醚、多氮杂冠醚 和全氮杂冠醚( 大环多胺) 。氮杂冠醚由于空腔及杂原子的不同，表现出对不同 的金属离子显著的选择性。不仅因为它的配位选择性，同时氮杂冠醚与荧光团连 接方便，并且识别信息容易通过p e t 、i c t 等方式影响荧光信号。所以这类冠 醚在荧光分子探针中应用最为广泛。化合物2 5 可用于溶液中n a + 和k + 混合 物测刊5 4 】。其中葸上连有两个主体，苯并1 5 冠5 是n a + 离子好的受体，氮杂 1 8 冠6 是k + 离子好的受体，在碱性条件下，p e t 体系的f r 对是蒽和氮杂 1 8 冠6 ，p e t 过程使蒽的荧光猝灭，加入k + 禁阻了p e t 过程，使荧光增强。 而在酸性介质中，环i 中的n 原子和h + 结合，p e t 的f r 对转为蒽甲基铵 离子和苯并1 5 冠一5 中的苯并基团，则二烷氧基苯对荧光团的p e t 过程使其荧 光猝灭。加入n a + 使荧光增强。a k k a y a 等人采用z n 2 + 的有效受体全氮杂1 8 一 冠6 合成的化合物2 6 中，z n 2 + 的结合使p e t 过程禁阻，荧光增强了1 3 8 7 倍，其优点是可用于水溶液介质中金属离子的传感测赳5 5 】。化合物2 7 能对c d 。2 + 和h 9 2 + 离子进行有效的识别【5 6 】。具有双受体的化合物2 8 则对i + 有高的选 择性。r b + 和受体形成2 ：l 的络合物，其中酚氧原子也参与了络合，结果使两 个蒽荧光团距离拉近，激基缔合物荧光强度显著增强，而单体荧光发射处于“关” 的状态吲。 冠醚中的氧原子为硬碱，对碱金属和碱土金属离子有较强的络合作用。而硫 原子为软碱，当冠醚中部分氧原子被硫原子所替代后对重金属或过渡金属离子有 1 2 第一章绪论 特异的络合能力，能形成稳定的络合物【5 3 】，因此硫杂冠醚引起了人们的关注。前 面p e t 机理一节中已有介绍。 i 丙二酸离子。 j 、 h n 飞 ，3 r h n - r 钳贮奇c h 。 4 5 r = i - n a p h t h y l 何永炳等【7 4 】设计了多分支的含萘荧光团的受体4 4 和4 5 。每种受体都具有 四个酰胺和四个硫脲作为识别基团，从而可以提供多重氢键来紧密结合阴离子。 向4 5 的d m s o 溶液中分别加入丙二酸根、琥珀酸根、戊二酸根、己二酸根、 辛二酸根和癸二酸根离子后，荧光猝灭现象显著( 受体与阴离子结合常数由大到 小排序依次为己二酸根、辛二酸根、癸二酸根、戊二酸根、琥珀酸根、丙二酸根) 。 受体4 5 荧光猝灭是由于识别基一阴离子基团向光激发态葸的p e t 过程所引起 的。而受体4 4 键合相同的二元羧酸根离子后结构刚性增强，荧光表现为增强。 1 7 s i 产 n h 队 第一章绪论 1 4 2 1 3 含五元杂环的荧光受体 崮 4 7 k i m 等【75 】发现以葸为荧光团含有两个咪唑盐的受体4 6 和4 7 对h 2 p 0 4 具有选择性识别的性能。受体4 7 通过两个咪唑盐连接形成葸二聚体，相比受体 4 6 分子柔韧性要小很多，从而提高了受体分子相对于其它阴离子( 特别是f 。) 来识别h 2 p 0 4 。的能力【7 6 】。通过荧光光谱滴定实验可以观察到，4 7 的乙腈 d m s o9 ：1 ( v v ) 溶液加入h 2 p 0 4 后，发生了选择性的荧光猝灭现象。识别的 机理是受体与阴离子键合后，增加了氮原子的电子云密度，建立了从咪唑盐阴 离子向光激发态的蒽的p e t 通道，导致了荧光的猝灭。 1 4 2 2 含金属的荧光受体 4 8 ( h o o h ) 5 0 金属离子和路易斯酸不仅可以和阴离子发生配位，还可用作拉电子基与共轭 体系相连，增强受体对阴离子的结合能力，改变其电化学或波谱特征。受体4 8 和 z n 2 + 形成的络合物与磷酸或a t p 阴离子1 ：1 络合，观测到明显的荧光增强现 第一章绪论 象，而对a c o 、n 0 3 。、h s 0 4 一、c 1 。等阴离子无响应【17 。7 1 。研究发现，a t p 使得 z n 2 ( 4 8 ) 4 + 荧光增强最大( 约3 倍) ，而a d p 和a m p 对体系荧光强度影响较 弱， z n 2 ( 4 8 ) 】4 + 与a t p 的结合常数分别是a d p 和a m p 的l o 倍和3 0 倍。 1 4 2 3 反应型阴离子荧光化学传感器 这类传感器的识别过程不是通过配位或氢键的结合作用，而是通过外来物种 与传感器的反应( 通常是不可逆的) 来改变系统的荧光( 或颜色) ，所以又称为化 学计量测定器( c h e m o d o s i m e t e r ) 。 硼酸基团可以和亲核试剂( 如c n 。) 发生化学反应，生成给电子基 r - b 。( c n ) 3 。这可以用来设计c n 荧光化学传感器，含葸荧光团的受体4 9 则 通过p e t 机理来实现荧光信号的变化【7 8 】。受体4 9 和c n 结合后，建立了 r b 一( c n ) 3 基团向激发态蒽的p e t 通道，导致了荧光的猝灭。 1 4 。3 中性分子的识别 有机中性分子结构较为复杂，既具有其立体结构与构象，又有特定的功能基 团，使其分子识