（有机化学专业论文）新型荧光分子传感器的合成及其分析应用.pdf

摘要 摘要 荧光分子传感器在生命科学、材料科学和环境科学等领域有许多重要应用， 是当今化学学科的一个热点和前沿研究领域。荧光分析法具有灵敏度高、选择 性好、取样少、简便快速等优点。大多数无机化合物本身并不发荧光，还有一 些物质本身的荧光强度不足以进行荧光分析，如蛋白质等，利用特定的荧光探 针与待测分子形成的配合物所产生的荧光强度的变化，可对这些物质进行测定， 从而扩大了荧光分析法的应用范围。本文合成了三种新型荧光探针，并研究了 其在金属离子荧光分析等领域的重要应用，各章内容可归纳如下： 第1 章：介绍了荧光分子传感器的概念及类别。综述了含香豆素基及三氮 烯基等基团的荧光分子传感器的合成、类别及其分析应用。 第2 章：将两种不同的香豆素类衍生物通过亚胺键连接合成了一种含香豆 素基的荧光分子试剂。 第3 章：研究上述合成的荧光试剂对铜离子的选择性识别作用。利用 a m h m c 与铜离子络合后荧光增强的原理，建立了痕量铜离子的荧光分析法， 并将该法用于不同水样中铜离子的检测，结果令人满意。 第4 章：以4 羟基香豆素为原料，通过硝化，还原等一系列反应，得到3 氨基4 羟基香豆素，再与一系列的芳香醛缩合得到了一系列新型含香豆素环的 s c l l i f r 碱类衍生物。 第5 章：将联苯胺和2 氨基苯并噻畔两种具有荧光特性的试剂结合在一起， 合成了新荧光试剂双( 2 重氮氨基苯并噻唑) 联苯( b d a b t b ) 。 第6 章：双( 2 重氮氨基苯并噻唑) 联苯与汞离子配合，使其荧光发生猝灭。 建立了b d a b t b 测定h g ( i i ) 的新型荧光分析方法，并应用于不同水样中汞含量 的检测，结果令人满意。 关键词：荧光传感器：香豆素；三氮烯；荧光猝灭效应 ! 旦! ! 坠! ! 一 一一 a b s t r a c t c o n s i d e r a b l er e s c a t c h i n t e r e s th a s b e e nf o c u s e do nt h ed e v e l o p m e n to f c h e m o s e n s o r si nt h ef i e l do fl i f es c i e n c e ，m a t e r i a ls c i e n c ea n d e n v i r o n m e n t a ls c i e n c e d 谢n gt i l el a s t2 0y e a r s s p e c t r o f l u o r o m e t r y h a sp l a y e dm o r ea n dm o r e 蚰鲫恤t r o l e i nm a n ya p p l i c a t i o nf i e l d sf o ri t sm e r i t s ，s u c ha sh i p s e n s i t i v i t y , h i g hs e l e c t i v i t ya n d s i m p l i c i t y m o s th e a v ym e t a l si r o n sc a nn o tb ed e t e r m i n e db ys p e c t r o t l u o r o m e t 吼 、砌l eaf l u o r e s c e n tc o m p l e xf o r m e di nt h er e a c t i o nb e t w e e nh e a v ym e t a l 1 0 i l sa n d o r g a l l i cr e a g e n t sc a n b ed e t e m l i n e db ys p e c t r o f l u o r o m e t r y w i t ht h ed e v e l o p m e n to f s p e c 仃o n u o r o m e t i t i sn e c e s s a r yt os y n t h e s i z e s o m eh i ps e l e c i v e a 1 1 dh i 班 s e n s i t i v ef u o r e s c e n tp r o b e s t h et h e s i sw a sc o m p r i s e d o ff i v ep a r t s c h a p t e r l ：t h ec o n c e p ta n dc l a s s i f i c a t i o no ff l u o r e s c e n c e c h e m o s e n s o rw e r c i n t r o d u c e d t h es y n t h e s i so fc o u r n a r i nd e r i v a t e sa n dt r i a z e n ed e r i v a t e sc h e m o s e 咖r a n dt h e i ra p p l i c a t i o nw e r ed e s c r i b e d c h a p t e r 2 ：an e wc o u m a r i n f l u o r e s c e n c ep r o b ew a ss y n t h e s i z e db y t w od i f f e r e n t c o u m a r h ld e r i v a t i v e sv i aa n i m i n el i n k a g e c h a p t e r 3 ：t h ec h e l a t ec o m p l e xw a sf o r m e db y t h er e a c t i o nb e 帆e na m h m c a 1 1 dc u ( i i ) i nt h es o l u t i o no fc h 3 c n h 2 0 ( v v = 3 ：1 ) ，w h i c hr e s u l t e di n n u 0 佗s c e n c e e r l h a l l c e m e n t t h er e a c t i o ns h o w e dah i g hs e l e c t i v i t ya n ds e n s i t i v i t yf o rc u ( i i ) a n e w s p e c t r o f l u o r i m e t r i cm e t h o df o rt h ed e t e r m i n a t i o no f t r a c ec u o dw i t ha m h m c w 弱 d e v e l o p e d c h a p t e r 4 ：3 觚l i n 0 4 h y d r o x y c o u m a r i n w a s s y n t h e s i z e d f r o m4 h y d r o x y c o 哪撕nt m 0 u g hn i t r a t i o n ， r e d u c t i o nr e a c t i o n ， f o l l o w e db yc o n d e n s a t i o n o f 3 - a m i n o 4 h y d r o x y c o 眦a r i n w i t has e r i e so fa r o m a t i ca l d e h y d e s t 0 y e l l dt h e c o r r e s p o n d i n gn o v e ls c h i f f b a s e c h a p t e r 5 ：an e w f u o r e s c e n tr e a g e n tb i s ( 2 - d i a z o a m i n o b e n z o t h i a z o y l ) 舭眦i d l n e ( b d a b t b ) w 嬲s y n t h e s i sb yc o m b i n i n g b e n z o t h i a z o l ew i t hb e n z i d i 鹏t h r o u 曲 t r i a z e n eg r o u p c h a p t e r 6 ：t h ec h e l a t ec o m p l e xw a sf o r m e db yt h er e a c t i o nb e 眦e n b d a b t b i l l a b s t r a c t a n dh g ( i i ) ，w h i c hr e s u l t e di nf l u o r e s c e n c eq u e n c h m e n t t h er e a c t i o ns h o w e dah i g h s e l e c t i v i t ya n ds e n s i t i v i t yf o rh g ( i i ) an e ws p e c t r o f l u o r i m e t r i cm e t h o df o rt h e d e t e r m i n a t i o no ft r a c eh g ( i i ) w i t hb d a b t bw a sd e v e l o p e d i th a sb e e nu s e df o rt h e d e t e r m i n a t i o no ft r a c eh g ( i i ) i nw a t e rs a m p l ew i t hs a t i s f a c t o r yr e s u l t s k e y w o r d s ：c h e m o s e n s o r , c o u m a r i n ，t r i a z e n e ，f l u o r e s c e n c eq u e n c h i n ge f f e c t s 符号说明 a q 8 氨基喹啉 a m h m c 7 一氨基3 ( ( 4 羟基香豆素2 亚甲基) 氨基) 4 甲基香豆素 b d a b t b k b r c d c l 3 t m s e x e m d m s o - d 6 d m f d n a d m f 双( 2 - 重氮氨基苯并噻唑) 联苯 溴化钾 重氢氯仿 四甲基硅烷 激发 发射 重氢二甲基亚砜 n ，n 二甲基甲酰胺 脱氧核糖核酸 n ，n 一二甲基甲酰胺 v 学位论文独创性声明 学位论文独创性声明 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及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得直昌太堂或其他教育 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谢意。 学位论文作者签名( 手写) ： ：2 一i 阍笠签字日期：2 j ，3 年i 月己口日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解直昌太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借 阅。本人授权直昌太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，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编本学位论文。同时授 权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名( 手写) ：i 2i ：司钍导师签名( 手写) ： 签字r 期：2 , 0 5 年p 月矽日 签字日期：矽加彩年? 月砂日 第1 章绪论 1 1 引言 第1 章绪论 当今世界，科学的发展日新月异。在以新材料科学、信息科学、生命科学 和空间科学为代表的一些领域，各国科学家竞相施展才华。著名化学家，1 9 8 7 年诺贝尔化学奖得主，j e n 首次提出超分子化学这个概念，它超越了有机化学领 域分子的局限性，在化学家面前展示了非常广阔的前景。超分子化学的诞生和 发展极大地激发了化学家的想象力和创造力。自从2 0 世纪6 0 年代末p e d e r s e n s 合成并发现冠醚以来，人们对分子识别的兴趣与日俱增。所谓分子识别就是主 体( 或受体) 对客体( 或底物) 选择性结合并产生某种特定功能的过程，是组装及组 装功能的基础。荧光分子传感器及开关是这一领域的研究热点及超分子化学和 光物理相结合的成就【l j 。 在生物工程方面，人工模拟生命的过程又是生物工程的研究核心，它包括 生物反应中心，光合作用及基因复制等的模拟研究。在这些研究的过程中，科 学家采用生物传感器检测生物体内所发生的变化，即将生物传感器与被测单元 通过各种方式“组装”起来，通过调控单元完成开关动作，经过精心设计的荧光分 子传感器，由于荧光具有灵敏度高，易于检测等优点，可以研制成智能化的生 物传感器，用于细胞生物学上，测量离子或传递者浓度，荧光传感测量法是非 侵入性的，对样品不具破坏性，目前其它方法无法替代的【2 。3 1 。 一个完整的荧光分子传感器体系一般由三个部分组成，即荧光团、间质和 受体。这三个部分分工明确，各司其职。荧光团部分专管光能的吸收和荧光的 发射，受体部分则用于结合客体，这两个部分被间质隔开，仅靠间质相连成一 个分子，其结果是构成了一个在选择性识别客体的同时给出光学信号变化的荧 光分子传感器。在荧光分子传感器中主体和客体间通过不同的作用方式相结合， 它们的形成主要依赖一些弱相互作用，如分子内氢键、芳香r - r 和v a nd e rw a a l s 作用等。但也有一些是通过共价键形成的，如硼酸衍生物与糖和羰基化合物的 结合即是其中的一类。荧光分子传感器在对客体的分析和检测中有一些突出的 优点，通过荧光强度的变化可以直观地体现客体的存在。它具有高的灵敏度， 甚至单个分子也能被检测到。荧光传感测量法是非侵入性的，对样品不具破坏 第l 章绪论 性，是其它分析方法，如包括火焰光度测定、原子吸收光谱、离子选择性电极 分析等无法取代的h 矧。在本文中，我们将根据荧光分子传感器识别客体分子结 构不同加以分类为：阳离子荧光分子传感器、阴离子荧光分子传感器和中性分子 荧光分子传感器三大类，然后在每类中再根据发生荧光变化的原理不同加以细 分。 1 2 荧光分子传感器原理 设计荧光分子传感器的原理有许多，例如光致电子能量转移p e t ( p h o t o i n d u c e de l e c t r t o nt r a n s f e r ) 机理、内部电子转移i c t ( i n t e m a lc h a r g et r a n s f e r ) 机 理、单体激态复合m e ( m o n o m e re x c i m e r ) 机理、电子能量转移e e t ( e l e c t r o n i c e n e r g yt r a n s f e r ) 1 6 1 。本文仅以比较常用的荧光分子传感器p e t 机理为例简 单介绍荧光分子传感器的原理。 1 2 1 荧光分子传感器的基本概念 1 2 1 1 荧光产生的条件 荧光是物质从激发态失活到多重性相同的低能状态时所释放的辐射。化合 物能够产生荧光的最基本的条件是它发生多重性不变的跃迁时所吸收的能量小 于断裂最弱的化学键所需要的能量。其次，在化合物的结构中必须有荧光基团 如c = o 、n = o 、- n = n 、c = n 、- c = s 等。当这些基团是分子的共扼体系的一部 分时，则该化合物可能产生荧光。 1 2 1 2 量子产率、s t o k e s 位移 荧光量子产率( 荧光效率，e f ) 被定义为荧光发射量子数与被物质吸收的光子 数之比，也可表示为荧光发射强度与被吸收的光强之比。0 f 与分子结构及环境有 关。在分子中连接有荧光助色团( 一般为给电子取代基如- n i - 1 2 、o h 等) 、增加稠 合环、提高分子的刚性、增大共扼程度、增加溶剂的极性、降低体系温度以及 氢键等均可使0 f 提高。 荧光发射是光吸收的逆过程。荧光光谱与吸收光谱有类似镜象的关系，但 2 第1 章绪论 荧光光谱总是较相应的吸收光谱红移，这被称为s t o k e ss h i f t 。 s t o k e ss h i f t = l o ”k x l k ) ( 1 一1 ) 其中，k 和k 分别为最大激发波长和最大发射波长( n i n ) 。产生s t o k e ss h i f t 的主要原因有两个，一是跃迁到激发态高振动能级的激发态分子，首先以更快 的速率发生振动弛豫，散失部分能量，到达零振动能级，二是激发态分子的构 型很快一步调整，以达到较低能级的稳定态，这又损失部分能量，二者都将导 致荧光量子的能量低于被吸收光子的能型4 1 。 1 2 2 荧光分子传感器p e t 体系的原理 荧光分子传感器一般可以归结为三种方式：即整合型、扭曲型和间隔型三种 方式，见图1 1 。其中以间隔型最具代表性，其它两种可看作是无间隔基的形式。 以间隔型为例，光致电子能量转移( p e t ) 过程如图1 2 所示。 f l u o r e s c e n c e ro f r e c 。p 协，o f l u o r o p h o r e spacero 第1 章绪论 p e f l u o r o p h o rs p a c e r r e c e p t o r a p e f l u o r o p h o r es p a c e rr e c e p t o r b 图1 2 “o f f - o n ”型荧光分子传感器的p e t 过程不意图 一个完整的荧光分子传感器p e t 体系包括荧光团、间质、受体三部分，荧 光团和受体通过间质连接起来如图1 2 所示。当用合适的光照这一体系，使荧光 团由基态( s ) 到激发单线态( s i ) ，s l 态的能量用来活化受体去还原荧光团，发生从 受体到荧光团的电子迁移即p e t 过程，光子能量用来完成这一过程。一旦受体 同客体结合，客体挠动了受体性质，提高了受体的氧化能力，禁阻了p e t 过程， 光子的能量使荧光团的激发态发射荧光。图1 2 a 形象地说明了荧光分子传感器 “o f f - o n ”开光p e t 体系的原理。从分子轨道理论对荧光分子传感机制进行了深入 的阐述。在图1 3 中，光照使荧光团最高占有轨道上一个电子跃迁到最低空轨道 上，形成s 激发态。自由的受体最高占有轨道上一个电子迁移弥补了荧光团电 子跃迁留下的空位。受体结合了客体，电子受到束缚，p e t 过程禁阻，荧光团 激发态跃迁到高能轨道上的电子回迁，放出能量发射荧光，实现荧光分子传感 器及开关o n 状态( 图1 3 ) 。 e 图1 3 荧光分子传感器在o f r 状态下前线分子轨 荧光分子传感器p e t “o n o f f 过程是“o f f - o n ”的逆转，两种类型的传感器的理 论基础是类似的。在这种荧光分子的p e t 体系中，受体在未结合客体时，适当 的光照荧光团，激发态发射荧光是荧光的o n 状态。当受体结合了客体，在光照 下，发生由荧光团到受体客体的p e t 过程，处于荧光的o f f 状态。图1 4 形象 4 第1 章绪论 地说明了这种传感器的机理。 e l u m 0 h o m o h 1 ) n u b o u n dr e c e p t o r 图1 4 荧光分子传感器在“0 1 1 ”状态下前线分子轨道能级图 应该认识到，p e t 过程并非光电型荧光分子传感器所特有，以质子化和氧 化还原方式调控的荧光分子传感器同样存在这一过程，它们在开和关状态下的 p e t 过程及前线分子轨道能级也是类似的，只是完成中断p e t 过程的方式不同 而已。氧化还原型传感器完成中断p e t 过程如见图1 5 所示。 图1 5 氧化还原型荧光分子传感器的p e t 过程示意图 1 3 金属离子识别与荧光传感 1 3 1 基于p e t 的荧光传感体系 在对金属离子识别体系中，基于光诱导电子转移p h o t o i n d u e e de l e c t r o n t r a n s f e r 的模式最为常见7 10 1 。 第l 章绪论 作为荧光开关的p e t 体系由发光基i 羽( f l u o r o p h o r e ) 、具有客体结合位点的受 体( r e c e p t o r ) 和连接臂( s p a c e r ) 组成，荧光团和受体通过连接臂连结在一起。若受 体分子中发光基团的激发态能量可以氧化分子的受体部分，则当受体分子受光 激发后，受体部分的最高占有轨道( h o m o ) 的电子向发光基团的h o m o 转移， 从而阻止发光基团的荧光发射过程，即光诱导电子转移荧光猝灭( p e t f l u o r e s c e n c eq u e n c h i n g ) 。结合客体后，受体部分氧化电位升高，上述p e t 过程 动力学上不再占优势，结果是恢复了发光基团本身的荧光，即实现了荧光的开 过程。p e t 过程的引发和禁阻分别导致荧光开关“o n o f t 和“o f f - o n ”行为，荧光强 度的变化直观地体现了客体的存在，可用于对客体的分析和检测。早期利用p e t 原理的报告是旷传感器j ，受体分子往往含有脂肪胺，脂肪胺氮上的孤对电子 向芳香环转移，荧光猝灭。结合h + 离子后，电子转移被抑制，荧光恢复。目前， p e t 原理已用于对阳离子、阴离子和中性分子的荧光传感。综合近年来识别金 属离子客体的荧光传感和开关的研究进展，可将其分为三种类型： 1 3 1 1 简单的荧光开关体系 在该体系中，存在单一的受体和荧光发色团，客体通过与受体结合影响体 系的p e t 过程，但并不参与p e t 过程。如利用氮杂冠醚与芳香环连接合成的受 体因冠醚环的大小可识别不同的金属离子。d e s i l v a 等人【l2 j 报道了化合物l 对n a + 的较好的识别传感。其主要作用在于二氮杂1 5 冠5 单元对n a + 离子有极强的配 合能力，配体对n a + 离子的包合导致受体兀电子骨架中n 中心的去络合，禁阻 了p e t 过程，体现出对n a 十离子较强的荧光“o f f - o n 开关行为。而化合物2 也是 p e t 的典型代表。 h n c 6 2 第1 章绪论 h a y a s h i 等【1 3 j 4 】将葸和香豆素等荧光发色团与具有选择配位能力的窝穴配体 结合开发出对碱金属离子l ( + 、n a + 的p e t 化合物3 ，4 。在这两种化合物中，芳 烃荧光发色团连结到比单环冠醚配合能力更强的穴键配体上，由于p e t 过程， 芳烃和n 原子所在的受体之间形成分子内激基复合物，荧光被猝灭。当碱金属 离子进入穴状配体时，禁阻了p e t 过程，荧光明显增强，表现出对碱金属离子 的荧光传感行为。 m e o 34 在上述碱金属离子的荧光传感开关体系中，发色团均为拥有较大兀电子体 系的有机基团。最近f r e e m a n t l e 等【l5 】报告了一个对碱金属离子的全新p e t 荧光 传感体系5 ，荧光发色团为三联吡啶e u ( i i i ) 配合物，属于金属中心激发态类型， 这一体系新颖之处在于一个离子客体，引起第二个离子的荧光发射。同时铜系 离子的延迟发光( 寿命可以达到毫秒级) 的观测可以给c 离子的分析带来方便， 分析的灵敏度大幅度提高。这一传感体系在医学和生理学上被用作标记，消除 了放射免疫分析的危险性。同时，利用p e t 作用，测定活体细胞中的c a 2 + 、m g + 、 l i + 离子浓度的荧光探针，在生物医学领域有着广泛的应用前景。 1 3 1 2 具有氧化还原活性的金属离子客体荧光开关p e t 体系 前面介绍的荧光开关体系中涉及的金属离子客体，没有或仅有微弱的氧化还 原活性，不足以成为p e t 过程的电子给体或受体来控制p e t 过程，而只是借助 与受体相互作用影响p e t 过程。而当金属离子客体具有较大的氧化还原活性能， 能够引发到达或离开客体的p e t 过程，即p e t 决定于客体与荧光发色团相关的 氧化还原电位，无论发生何种方向的p e t 过程都使荧光猝灭，即“o n o f f ，开关 现象。f e ( i i i ) 离子作为一种重要的氧化还原活性客体，针对它的p e t 荧光开关体 系己有诸多报道。 7 第1 章绪论 1 3 1 3 复杂的金属离子客体荧光开关p e t 体系 荧光团和受体的复合应用以及受体接受金属离子客体形式的多样性使荧光 开关p e t 体系具有更为新奇的功能。在一个p e t 体系中，同一个受体可以在接 受第一个客体后，利用第一个客体与第二个客体的相互作用，再接受第二个客 体时产生了富于变化的荧光开关效应。如d e s i l v a 1 6 l 提出的6 ，冠醚受体络合b a 2 + 离子后，先是呈现“o f f - o n ”开关变换。第二个客体s c n 进入时与b a 2 + 离子络合， 又呈现“o n o f f ，开关变换。这是因为b a 2 + 离子进入冠醚空腔，阻碍了从受体到 荧光发色团的p e t 过程。而s c n 。离子与b a 2 + 离子形成络合物作为中性分子客体 结合于冠醚空腔中，冠醚只具有协调配体作用，因此又启动了p e t 过程。单一 输入呈现y e s 态，而双重输入呈现n o 状态，这种逻辑现象已经被大量应用。 r 0 1 5 在一个p e t 体系中采用两个不同受体也在被广泛地研究。1 w a t a 和a l ( e 【1 6 1 设计了化合物7 ，分子中冠醚单元是n a + 离子的受体，而氨基单元是h + 离子的受 体，同时提供足够浓度的两种阳离子才能获得荧光开关“o n ”状态。 诹 6 ：x x 1 3 2 基于分子内电荷转移的荧光传感体系 分子内电荷转移( i c t ) 是分子识别的一种重要机制。i c t 基态由于涉及到电 荷分离，其偶极矩显著高于基态，因而i c t 基态的形成与发光对介质环境极为 敏感；同时激发态i c t 光物理过程受制于分子中电子给体和受体的电子得失能 8 第1 章绪论 力。因此，分析物种可籍由改变i c t 荧光体的得失电子能力或介质微环境性质 而被传感，识别【1 7 舶】。t s i e n 等1 2 0 之1 】设计的受体分子通过双荧光激发波长的强度 比实现了对c a 2 + 、n a + 、m 9 2 + 的识别。h a y a s h i t a 等【2 2 】设计了质子解离钠离子型 的发光离子载体8 ，该分子由于丙基的定位作用使主客体间的结合常数增大。光 照时，氮上的电荷转移到芘环上，形成i c t 激发态。通过结合钠离子前后芘的 两个荧光发射强度之1 ：1 , ( 1 4 5 9 1 3 8 7 ) 进行检测。 啖h q l 卢 m e 89 此外，利用分子内扭转电荷转移( t i c t ) 模式建立荧光传感体系，如合成大环 氮杂冠醚的化合物9 通过t i c t 途径可实现a g + 的识别。 以上所述用于识别金属离子客体的荧光开关体系中，由于冠醚对金属离子 尺寸的识别作用，以冠醚衍生物为受体的识别体系居多，与客体的相互作用主 要基于配位键、氢键、静电力几种方式。随着新型受体的不断出现，磷配体， 特别是近年来出现- 的杯芳烃类主体化合物己被广泛应用于对主族金属、镧系、 锕系以及过渡金属元素的识别研究。这是因为杯芳烃本身具有紧密相邻的多个 羟基和一个兀体系洞穴，使杯芳烃及其衍生物几乎能与所有的金属离子形成配 合物，在识别金属离子方面具有独特的性能。而将冠醚残基引人到杯芳烃所得 到的杯冠醚，能够对金属离子进行选择性识别，具有很好的应用前景。 1 4 金属离子客体荧光分子传感器的研究进展 金属离子与生命科学、环境科学、医学领域都是密不可分，其识别、检测 9 第1 章绪论 分析在分析化学中占有着重要的地位，尤其生命科学的更深层次研究是2 1 世纪 的重点，科学工作者力图从分子水平详尽地研究和准确地了解生命从产生到死 亡的全过程以及解释各种生理现象和防治疾病。如人体中l i + 离子含量的异常会 使人呈现狂暴或痴呆症，血液中l i + 、n a + 离子含量的测定一直是人们致力于研 究的课题。多种酶和某些蛋白质就是含有金属离子的生物功能大分子，如羧肽 酶含z n 2 + ，磷酸酯酶含m 9 2 + ，c u 2 + 和z n 2 + ，氨肽酶含m 9 2 + 和z n 2 + ，钙调蛋白含 c a 2 + ，铜蓝蛋白含c u 2 + 等，这些金属离子在这类物质的反应性能及作用中十分重 要。此外像重金属汞、铅和镉等对生物体有害，也需要在环境中对其进行早期 检测。因此科学家们纷纷展开针对碱金属、碱土金属、以及重金属离子具有高 选择性的荧光分子化学传感器及荧光分子开关的设计、合成研究，这对于金属 离子的选择萃取、分离、输送以及检测具有重要的应用价值，前景广泛。 1 4 1 含香豆素荧光团的荧光分子传感器的研究 香豆素及其衍生物在溶液中具有高的量子效率和大的s t o k e ss h i f t ( 7 0 - 1 0 0 n m ) ，通过对其母体进行化学修饰，可实现可见光区域连续的波长变化。科学家 们常常用它们设计荧光分子传感器的材料，如化合物1 0 1 4 。 1 0 1 2 o 1 3 c 0 2 e t o 1 9 9 3 年，g o c m e n 和b l a c k b u m 等人【2 3 。2 4 1 用苯并穴状配体与葸荧光发色团相 连的荧光分子传感器1 0 和l l 。它们均对k + 、n a + 离子体现p e t 荧光络合增感效 l o 第1 章绪论 应c h e f ( c h e l a t i o n e n h a n c ef l u o r e s c e n c ee f f e c t ) 。 1 9 9 4 年，c r o s s l e y 等人用氮杂冠醚配体与葸荧光发色团相连的荧光分子传 感器1 3 【2 5 j 和1 4 1 2 6 1 。荧光分子1 3 对l i + 离子络合形成金属激发态复合物，使体系 通过p e t 过程，使葸荧光团发射荧光，呈现荧光增强现象。同样，荧光分子传 感器1 4 对k + 离子体现相似的作用，具有较好的选择性识别。n i s h i d a 2 7 1 等人报 道了以二氮杂1 8 冠6 单元为配体和二个香豆素荧光团相连构成的荧光分子传感 器1 5 ，在溶剂萃取实验中，对c a 2 + 离子体现出荧光增强的现象。b u o r s o n 等人【2 8 】 报道了氮杂冠醚配体与蒽荧光发色团相连荧光分子传感器1 6 。在乙腈水混合溶 液中，对碱土金属和铝离子有较强络合能力。香豆素部分在发挥荧光团作用同 时，羰基也参与对金属离子的络合，增加了络合物的稳定性，荧光明显增强。 这一p e t 传感器可以在水中作为探针，测定活体细胞中的c a 2 + 、m 9 2 + 、l i + 离子 浓度，因此在生物医学领域有着广阔的应用前景。 厂- 、 1 4 1 6 第1 章绪论 2 0 0 2 年，s u z u k i 等人【2 9 1 报道了以p 一二酮为受体的荧光分子传感器1 7 。它 可以在生理条件下，测定生物细胞内m 9 2 + 离子的浓度，具有广阔的应用前景。 荧光分子与m 9 2 + 离子形成络合物，使其吸收光谱发生红移从4 2 5a m 移至4 4 5 n m ，荧光光谱发生2 0n m 的红移。 1 7 i o 八 1 8 c h e n 等人【3 0 j 报道了以氮杂1 5 冠5 为受体的荧光分子传感器1 8 。在乙腈溶 液中，可以在5 0 倍碱金属离子( l i + ，n a + ，k + ) 、碱土金属( m 孑+ ，c a 2 + ，b a 2 + ) 和 1 当量的重金属( c u 2 + 、z n 2 + 、c o “、n i 2 + 、m n 2 + 、f e ”、h 9 2 + 、p b 2 + ) 离子存在下， 选择性识别p b 2 + 离子，荧光分子可以与p b 2 + 离子形成1 ：1 和2 ：2 的络合物形式， 发生光诱导电荷转移p c t ( p h o t oi n d u e dc h a r g et r a n s f e r ) 过程，导致体系呈现荧光 增感效应。 2 0 0 3 年l i m 等人【3 1 】设计合成含冠醚1 2 n 4 受体的荧光分子传感器1 9 。它 在生理条件下，能测定生物细胞内z n 2 + 离子的浓度，具有广阔的应用前景。 a r d u i n i 等人【3 2 1 报道了荧光分子传感器2 0 。在甲醇水( v v = l ：1 ) 乙酸盐缓冲溶液 ( p h = 5 0 1 中，m 9 2 + ，c a 2 + 等离子存在下， 合增感效应。 。弋。日 1 9 它可以选择性对a 1 3 + 离子识别，产生络 2 0 第1 章绪论 1 4 2 含三氮烯基团的荧光分子传感器的研究 三氮烯类试剂( t r i a z e n e )要是指含分析功能团( n = n n h ) 的一大类化合 物，它具有很好的配位功能，且分析灵敏度很高。该类试齐j j ( r 1 n = n n h r 2 ) 是 测定i b 、l i b 族的金属离子的优良显色剂，自2 0 世纪3 0 年代就开始广泛地用于 c d 2 + 、h 9 2 + 、n i 2 + 、c u 2 + 、c 0 2 + 等金属离子的定性检验。至2 0 世纪8 0 年代，随 着表面活性剂引入反应体系，使该类试剂的应用范围进一步扩大，可用于t 1 ”、 p t 4 + 、c n 。、p d 2 + 以及表面活性剂的定量检验，近年来还将三氮烯结构连在聚合物 中，扩大了研究范围，成为新兴的研究领域。 近年来，本实验室冯锋教授等人【3 3 _ 3 6 】报道了以三氮烯为受体的荧光分子传 感器2 l 一2 4 。该物质在弱碱性条件下，三氮烯结构( n n - n h - ) 中的h 容易解 离，使得3 个氮原子之间形成大共轭兀键，能够与金属离子形成配合物，产生 荧光增强或猝灭，从而用于检测痕量金属离子，该类传感器的选择性也不错， 并且检测限低，能够用于水溶液中痕量重金属离子的检测。 2 3 葛、筠 ，o 0 第1 章绪论 1 4 4 含芘荧光团的阴离子荧光分子传感器 在乙腈溶液中，芘及其芘衍生物通常在2 1 0n m 和3 3 0n l l l 有尖锐的吸收峰， 4 0 0n m 左右有个较宽的荧光发射峰，量子效率为0 6 5 。许多科学家常用芘及其 芘衍生物设计荧光分子传感器。 1 9 9 9 年n i h s z i w a a t 3 9 】报道了芘衍生物作为受体的阴离子荧光分子传感器3 l 对p 2 0 7 2 。离子具有选择性。在甲醇溶液中，它和p 2 0 7 玉离子形成激态复合物 ( p 2 0 7 ( 6 0 ) 2 】2 ，而h p 0 4 、h 2 p 0 4 、a c o 、s c n 、c i 、和b r - 离子对其荧光光谱 没有影响。在此基础上，又合成了荧光分子传感器3 2 和3 3 1 4 0 1 ，在丙酮溶液中， 荧光分子传感器3 2 对a e o 、h 2 p 0 4 。、c i 。呈现荧光淬灭效应，淬灭效果分别为： a c o - h 2 p 0 4 c l ；在乙腈溶液中，荧光分子传感器3 3 对a c o 。、h 2 p 0 4 、c i 。呈 现荧光增感效应，增感效果分别为：a c o h 2 p 0 4 - c 1 0 4 。 2 0 0 2 年c o r m a 等人【4 1 1 报道了把带季胺盐的芘衍生物嫁接到层离沸石上的荧 光分子传感器3 4 。它在水溶液中，通过p f 6 和i 与离子交换反应，对i 离子产生 荧光淬灭作用。 3 1 3 3 驴沁 一 9 3 4 吵。 李 第1 章绪论 1 4 5 含其它芳香荧光团的阳离子荧光分子传感器 含有c = c ，n = n 等双键的化合物有顺反异构互变现象，经过精心设计的此 类分子可在光照或温变等条件下进行异构体互变，实现开关动作。如荧光分子 传感器3 5 【4 2 】和3 6 【4 3 】分子可以利用光化学方法实现顺反结构的可逆转化，而它们 对金属阳离子的配位能力截然不同，顺式比反式要大的多。 3 53 6 n a k a m u r a 等人【4 4 4 7 】设计合成以大环索醚为受体的荧光分子传感器3 7 对 h 9 2 + 离子、3 8 对c s 2 + 离子具有识别能力。这些化合物分子中大环冠醚和大环索 醚与不同的金属离子络合，形成金属的激发态复合物，从而通过分子内部的电 荷转移( i c t ) 方式，来实现分子的开与关，来达到荧光的淬灭目的。这些化合物 都不溶于水，在有机溶剂和水的混合相中，与金属离子的络合比都为2 ：1 ，且具 有较好的选择性。 2 0 0 1 年m c f a r l a n d 等人【4 8 】设计合成以大环索醚为受体和联苯荧光团的一类 荧光分子传感器，在乙腈溶液中，同时存在碱金属离子( l i + ，n a + ，k + ) 和碱土金 属( m 9 2 + ，c a 2 + ) 等离子- f ，它可以选择性识别c a 2 + 离子，其它离子对其荧光光谱 没有干扰。 r s l q h ：d v s 3 7 1 6 3 8 第1 章绪论 1 4 6 含芳香杂环化合物荧光团的阳离子荧光分子传感器 1 9 8 9 年，s a e r a 4 9 】报道螺吡喃类互变异构体是较为典型的构造异构荧光分子 传感器，如荧光分子传感器3 9 具有螺吡喃结构的传感器，在不同光的作用下， 可逆异裂和吡喃螺c o 再次键合，分别产生了颜色不同的开和关两种形式。有 一个配位基团与吡喃氧原子相邻，并在以生色打开形式的化合物3 9 a 中做为鳌 合位点，对c a 2 + 、c 1 1 2 十、p b 2 + 具有选择性络合能力，整体结构对这三种金属离子 客体呈现荧光增感效应，而化合物荧光分子3 9 本身则没有这种功能。 3 93 9 a 1 9 9 8 年w i n k l e r 等人【5 0 】报道类似的荧光分子传感器4 0 a l ，4 0 a 2 则有所不同， 化合物4 0 a l 在紫外光照射下，转化为易于与金属离子配位的形式4 1 b i ，相反在 可见光照射下，4 1 b l 又可回到4 0 a i 的形式。同时，传感器4 1 a 2 在金属离子存在 下，又可发生开环反应，直接成为与金属离子的络合形式4 1 b 2 ，产生不同程度 的荧光增强现象。其对c a 2 + 的反应远不如z n 2 + ，这是因为离子半径大，络合效 果较差。 b 当 r 一 f 4 0a l ，r 5 h 4 1 b 1 4 0 a 2 r = n 0 2 4 1b 2 1 9 9 7 年，d u j o l s 等人洲开发成功了水中c u 2 + 离子的长波荧光化学计量仪， 即荧光分子传感器4 2 。化学计量仪是分子尺寸或更大的一种组装，用非生物的 受体去接受客体，伴随着人工可见的信号来识别被分析物的荧光化学计量仪。 我们己知c u 2 + 离子对几类多氮配体有很高的亲核力。但不足的是它对其他过渡 金属离子也显示一定的亲和力。铜离子能快速促使氨基酸水解，利用这一特性 将分子识别与反应活性结合起来产生一个亲水型分子罗丹明b 酰肼4 2 ，化合物 1 7 第1 章绪论 在水溶液中与c u 2 + 离子产生4 2 a 与4 2 b 平衡，4 2 与c u 2 + 离子的络合物4 2 b 由于 产生了大兀电子体系的荧光团，从而呈现较强的荧光并使溶液变成粉红色。 4 2 4 2 c j 一乙 4 2 b 1 9 9 0 年，d e s i l v a 和t s i e n 等人【5 2 5 3 1 分别报道了以氨基酸为配体的荧光分子 传感器4 3 对c a 2 + 离子和4 4 对n a + 离子具有高度选择性。他们发现在这两个分子 结构中，芳香胺的n 原子上连结着羰基，对c a 2 + 离子和n a + 离子的络合效果很 好。两个荧光分子传感器的双官能团模式使c a 2 + 离子和n a + 离子产生的荧光增强 幅度变大，体现出对c a 2 + 离子和n a + 离子较强的荧光增感效应。幅度变大，体现 出对c a 2 + 离子和n a + 离子较强的荧光增感效应。 4 34 4 在此基础上，合成的荧光分子传感器4 5 5 4 1 对m 9 2 + 离子具有同样的识别功能。 1 8 第1 章绪论 2 0 0 4 年g u n n l a u g s s o n 报道了荧光分子传感器4 6 ，与上述传感器4 3 有类似的 作用。 4 5 1 5 本论文的研究内容 本论文主要开展三方面的研究。( 1 ) 将具有良好荧光特性的荧光团如香豆素， 芳胺类化合物等和具有高灵敏显色的分析官能团三氮烯结构结合在一起，设计 合成了新型荧光分子传感器，同时将合成出的新型荧光分子传感器用于重金属 离子的检测，并成功应用于不同水样品中重金属离子的痕量检测。( 2 ) 4 羟基香 豆素类衍生物具有很好的生理活性，可以用作医药及中间体。s c l l i f r 类化合物则 具有多种生理活性。将3 氨基4 羟基香豆素与一系列芳香醛缩合，得到一类含 有香豆素环的s c i l i 矸类化合物。并将这些化合物用于抗菌活性的测试。( 3 ) 将两 种不同的香