（物理化学专业论文）叶绿素类卟啉化合物离子识别功能的研究.pdf

山东师范大学硕士学位论文 叶绿素类卟啉化合物离子识别功能的研究 中文摘要 荧光分析法是利用物质的荧光性质对物质进行分析的方法，是分子光谱分析的 重要组成部分。用荧光来对物质进行定性和定量分析具有很多优点，首先，荧光 的信号强烈，易于观察；其次，荧光探针的灵敏度高，另外，荧光的检测设备比 较简单。荧光分析技术在近几十年得到了迅速发展，目前己广泛用于工业分析、 食品、医药、生物等领域。卟啉是卟吩外环带有取代基的同系物和衍生物的总 称，该类化合物的共同结构是卟吩核，卟吩是由4 个吡咯环和4 个次甲基桥联起来 的大共轭体系。在分析化学方面，卟啉作为一种具有特殊结构的化合物，常被 用作分子识别和离子识别的主体。本文选择自然界中的卟啉化合物一叶绿素为原 料制备脱镁叶绿素，研究了以脱镁叶绿素为主体对c u 2 + 、m n 2 + 的识别作用，并主要 做了以下工作： 1 以新鲜菠菜为原料，采用乙醇为萃取剂，以蔗糖为固定相吸附剂，以乙醚石 油醚( 1 ：9v v ) 为展开剂，用柱层析法分离得到叶绿素a 、叶绿素b 。叶绿素 a 、叶绿素b 加入h c i o 。，制得脱镁叶绿素a ( p h e o p h y t i na ) 和脱镁叶绿素b ( p h e o p h y t i nb ) 。由吸收光谱分析可知，经纯化后叶绿素的纯度可达9 2 ，叶 绿素生成脱镁叶绿素的转化率为9 5 。本文研究了叶绿素a 、叶绿素b 及脱镁叶 绿素a 、脱镁叶绿素b 丙酮溶液的紫外一可见吸收光谱和荧光光谱，并考察了溶 剂等外界因素对光谱的影响。 2 脱镁叶绿素a 对c u 2 + 离子的识别作用。脱镁叶绿素a 的丙酮溶液和c u 2 + 在6 0 c 水浴中反应5 m i n 后发现荧光强度发生了明显的猝灭，同时伴随着脱镁叶绿素a 的5 0 5 n m 和5 3 5 n m 处的两个特征吸收峰的消失，证明脱镁叶绿素a 和c u 2 + 形成了 稳定的配合物。而在相同的条件下脱镁叶绿素a 和其他的生理离子如f e 3 + 、c a 2 + 、 z n 2 + 、 m n 2 + 、k + 、n a + 、m 9 2 + 、c 0 2 + 、n i 2 + 、a g + 、p b 2 + 、c d 2 + 却没有形成新的配合物， 也没有发生荧光猝灭。脱镁叶绿素a 对c u 2 + 具有选则性，因此可作为荧光探针对 c u 2 + 进行检测。本文通过研究c u 2 + 浓度、反应时间和反应温度对该反应的影响考 察了反应的动力学特征，求出了该反应的活化能1 0 士1k jt o o l 一，还通过实验测得 7 山东师范大学硕士学位论文 了在8 0 x l o 一8 o x l 0 4m o ld m 3 浓度范围内，c u 2 + 浓度和荧光强度成线性关系， 在本实验条件下，脱镁叶绿素a 下对c u 2 + 的检测限为8 0x1 0 。7 m o ld i i l 3 。 3 脱镁叶绿素a 对m n 2 + 离子的识别作用。脱镁叶绿素a 的乙醇溶液和m n 2 + 的醋酸 溶液在6 0 c 水浴中反应4 h 后发现荧光强度发生了明显的猝灭，同时伴随着脱镁 叶绿素a 的5 0 5 n m 和5 3 5 n m 处的两个特征吸收峰的消失，证明脱镁叶绿素a 和 m n 2 + 形成了稳定的配合物。为m n 2 + 的检测提供了一种新的检测方法。 关键词：叶绿素；脱镁叶绿素；荧光光谱；荧光猝灭 中图分类号：0 6 4 1 8 9 8 山东师范大学硕士学位论文 s t u d yo fi o n sr e c o g n i t i o nb yc h l o r o p h y 一p o r p h y r i nc o m p o u n d s a b s t r a c t f l u o r e s c e n c ea n a l y s i si sam e t h o do b t a i n e db ym o n i t o r i n gf l u o r e s c e n c e i ti sa l l i m p o r t a n tc o m p o n e n to ft h em o l e c u l e ss p e c t r u m t h e r ea r ev a r i o u sa d v a n t a g e si n u s i n gf l u o r e s c e n c e f i r s t l y ，i t i sap o w e r f u lv i s u a lp h e n o m e n o n s e c o n d l y ，i t s s e n s i t i v i t yi ss e v e r a lo r d e r so fm a g n i t u d eh i g h e rt h a nt h a to fa b s o r p t i o ns p e c t r o s c o p y t h i r d l y ，as p e c t r o f l u o r i m e t e ri sap i e c eo fe q u i p m e n tc o m m o n l ya v a i l a b l ei nm a n y s c i e n t i f i cl a b o r a t o r i e s f l u o r e s c e n c ea n a l y s i sh a sb e e nr a p i dd e v e l o p m e n ta n db e e n w i d e l yu s e di ni n d u s t r i a la n a l y s i s ，f o o d ，m e d i c i n e ，b i o l o g ya n do t h e rf i e l d si nr e c e n t d e c a d e s p o r p h y r i n sa r ea r o m a t i cc o m p o u n d sc o m p r i s i n gal a r g e2 0 一m e m b e r e d a r o m a t i cr i n ga n dt h e yc a na c ta sl i g a n d s ，c o o r d i n a t i n gt oaw i d ev a r i e t yo fm e t a li o n s v i af o u rn i t r o g e na t o m s i n a n a l y t i c a lc h e m i s t r y ，p o r p h y r i n sa r eo f t e nu s e df o r m o l e c u l a rr e c o g n i t i o na n di o ni d e n t i f i c a t i o nf o ri t s s p e c i a ls t r u c t u r e i nt h i sp a p e r ， p h e o p h y t i n sw e r eo b t a i n e df r o mc h l o r o p h y l l sa n dw e r eu s e dt od e t e c tc u + 、m n 2 + t h e m a i nw o r ko ft h er e s e a r c ha sf o l l o w s ： 1 t h ec h l o r o p h y l l - aa n dc h l o r o p h y l l - ba r es e p a r a t e df r o mf r e s hs p i n a c hl e a v e sb y t h ec o l u m n c h r o m a t o g r a p h y w i t ht h es u c r o s ea si m m o b i l e p h a s e a n d e t h e r - p e t r o l e u m ( 1 ：9 v v ) a sm o b i l ep h a s e t h ep h e o p h y t in aa n dp h e o p h y tin - b w e r eo b a i n e db ym i x i n gc h l o r o p h y l l aa n dc h l o r o p h y l l - bw i t hh c l 0 4 s o l u t i o n b y t h ea b s o r p t i o ns p e c t r a ，w ec a ns e et h a tt h ep u r i t yo fp u r i f i e dc h l o r o p h y l lw a su pt 0 8 7 a n dt h et h ec o n v e r s i o nr a t eo fc h l o r o p h y l l - at op h e o p h y t i n - - aw a sa b o u t 9 5 t h e u v v i ss p e c t r aa n df l u o r e s c e n c ee m i s s i o ns p e c t r ao fc h l o r o p h y l l - a 、 c h l o r o p h y l l - b 、p h e o p h y tin aa n dp h e o p h y tin bw e r es t u d i e d 2 p h e o p h y t i n aw a sm i x e dw i t hac u 2 + i o na q u e o u ss o l u t i o n af l u o r e s c e n c e q u e n c h i n gp h e n o m e n o nw a st h u so b s e r v e dw h e nt h ea c e t o n es o l u t i o no f p h e o p h y t i n aw a sm i x e dw i t ha na q u e o u ss o l u t i o no fc u 2 + i o n s h o w e v e r o t h e r p h y s i o l o g i c a l l yr e l e v a n tc a t i o n sr a r e l yc a u s e da n yq u e n c h i n gf l u o r e s c e n c eo fp h e o a u n d e rt h es a m ee x p e r i m e n t a lc o n d i t i o n s k i n e t i c so ft h ef l u o r e s c e n c ef a d i n g 9 山东师范大学硕士学位论文 p r o c e s sw a si n v e s t i g a t e db ym e a s u r i n gt h ee f f e c t s o fc u 2 + i o nc o n c e n t r a t i o n ， r e a c t i o nt i m ea n dr e a c t i o nt e m p e r a t u r eo nt h ef l u o r e s c e n c ei n t e n s i t yo ft h ep h e o a a c e t o n es o l u t i o n a na c t i v a t i o ne n e r g yo f10a ：lk jm o l 。1w a se s t i m a t e df r o m a r r h e n i u se m p i r i c a lr e l a t i o na s s u m i n gt h a tt h ei n t e r a c t i o nb e t w e e nt h ep h e o aa n d t h ec u ( i i ) i o n sw a st h ef i r s to r d e rr e a c t i o n t h ec a l i b r a t i o ng r a p ho b t a i n e dw i t ht h e f l u o r e s c e n c ew a sl i n e a ro v e rt h ec u 2 + c o n c e n t r a t i o nr a n g eo f8 0 xlo 一一8 0 xl0 。7 t o o ld m 3w i t had e t e c t i o nl i m i to f8 0 x10 7m o ld m 3f o rc u 2 + ion 3 p h e o p h y t i n am i x e dw i t ham n 2 + i o na c e t i ca c i ds o l u t i o n af l u o r e s c e n c eq u e n c h i n g p h e n o m e n o nw a st h u so b s e r v e dw h e nt h ee t h a n o ls o l u t i o no fp h e o aw a sm i x e d w i t ha na c e t i ca c i ds o l u t i o no fm n 2 + i o n sa t6 0 cf o r4h o u r s an e wm e t h o do f d e t e c t i o no fm n 2 + w a sp r o v i d e d k e y w o r d s ：c h l o r o p h y l l ；p h e o p h y t i n ；f l u o r e s c e n c ee m i s s i o ns p e c t r u m ；f l u o r e s c e n c e q u e n c h i n g c l a s s i f i c a t i o n ：0 6 4 1 8 9 1 0 独创声明 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( 注：如 没有其他需要特别声明的，本栏可空) 或其他教育机构的学位或证书使用过的材 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：导师签字： 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解堂撞有关保留、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。 本人授权堂撞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、汇编学位论文。( 保密的学位论文在 解密后适用本授权书) 一虢哆p a 渺新嫁彳协舒 签字日期2 。j 7 l 年厂月刁日 签字日期2 。夕辎7 月矽 山东师范大学硕士学位论文 第1 章文献综述 1 1分子荧光简介 1 1 1 分子荧光的产生 荧光是发射光。当分子从一种电子态向另一个能量较低的电子态跳下时，若 发光，便产生荧光或磷光。 大多数有机分子含有偶数电子，在基态时，这些电子成对地存在于各个原子 或分子轨道中，成对自旋，方向相反，电子净自旋等于零：s = + ( ) = o ，其多 重性m = - 2 s + i = i ( m 为磁量子数) ，因此，分子是抗( 反) 磁性的，其能级不受 外界磁场影响而分裂，称为“单线态”；当基态分子的一个成对电子吸收光辐 射后，被激发跃迁到能量较高的轨道上，通常它的自旋方向不改变，即s = o ，则 激发态仍是单线态，即“单线( 重) 激发态”，如图1 1 。 j i 。 1- 豫 o i s 。一张 - 二0二 ， - u pi c t i i2 ，ip 1r l 上 _ 图1 1 分子能级跃迁与荧光、磷光示意图【1 1 f i g 1 一ls c h e m ef o re n e r g yl e v e lt r a n s t i o no f m o l e c u l e a n dl u m i n e s c e n c e ，p h o s p h o r s c e n c e 如果电子在跃迁过程中，还伴随着自旋方向的改变，这时便具有两个自旋不 配对的电子，电子净自旋不等于零，而等于l ：s = 1 2 + 1 2 = 1 其多重性： m = 2 s + l = 3 ，即分子在磁场中受到影响而产生能级分裂，这种受激态称为“三线 ( 重) 激发态”。处于激发态的分子不稳定，在较短的时间内可通过不同途径释放 多余的能量( 辐射或非辐射跃迁) 回到激态，这个过程称为“去活化过程”。第 山东师范大学硕上学位论文 一单线激发态最低振动能级的电子可通过发射辐射( 光子) 跃回到基态的不同振 动能级，此过程称为“荧光发射， 1 1 。第一电子三线激发态最低振动能级的分子 以发射辐射( 光子) 的形式回到基态的不同振动能级，此过程称为“磷光发射”，。 七l l ：o f _ f 囊 + 跏泼光) q 茸辐射猝灭) 图1 - 2 荧光发射示意图1 1 f i g 1 - 2 f l u o r e s c e n c ee m i s s i o ns c h e m e 其中f 是基态的分子，f 是第一激发单重态，i 。是激发光强度，k l k ：k 。是速 度常数。 1 1 2 定量测定依据 被测物质的荧光强度和溶液浓度之间有一定的定量关系，正是基于这一点，才 实现了荧光光度法对环境样品的分析【2 1 。 根据朗伯一比耳定律，透射光强度与溶液浓度的关系为： ， = 1 0 ( 卜1 ) 式中：厶为入射光强度：，为透射光强度：f 为溶液中荧光物质浓度：b 为液层 厚度：为摩尔吸光系数。 厶一a r = 厶( 1 1 0 。缸)( 1 2 ) 荧光强度尸正比于厶一，和荧光量子产率由，由被定义为由单个吸收光量子 引发的荧光量子数。 由= 煞燃 ( 1 3 ) 1 吸收的量子数 ” 由此，可得下式： f = 七( 厶一，) 由= k 厶( 1 - e 屯_ 。由( 卜4 ) 1 2 山东师范大学硕士学位论文 式中，k 为比例常数，与荧光物质、介质、入射光波长、荧光波长等因素有关。 将上式展开，得： f = k i o 币 2 3 0 3 b c - ( 2 3 0 3 e b c ) 2( 2 3 0 3 历c ) 3 当b e 0 0 5 时，式中第二项以后的各项可忽略不计，则： f = k i o 巾2 3 0 3 b c = k 7 c(1-6) 由此可知，在低浓度时，溶液的荧光强度与荧光物质的浓度之间成线性关系。 1 1 3 影响荧光的因素【3 】 并非所有分子都能呈现易察觉之荧光。能显示易察觉荧光的分子叫做生莹 团，这样的分子一般具有7 c 、7 c 及n 、兀电子共轭结构，至少具有一个芳环或 具有多个共轭双键的有机化合物容易产生荧光，稠环化合物也会产生荧光。饱和 的或只有一个双键的化合物不呈现显著的荧光。最简单的杂环化合物如吡啶、呋 喃、噻吩等不产生荧光。取代基的性质对荧光体的荧光特性和强度均有强烈的影 响。具有刚性结构的分子容易产生荧光。溶剂的性质，体系的p h 值和温度，都 会影响荧光的强度。 1 1 4 荧光的激发光谱和发射光谱【3 】 既然荧光是一种光致放光现象，那么，由于分子对光的选择性吸收，不同波 长的入射光具有不同的激发效率。固定荧光的发射波长，不断改变激发光( 即入 射光) 的波长，并记录相应的荧光强度，所得到的荧光强度对激发波长的谱图称 为莹光的激发光谱( 简称激发光谱) 。如果使激发光的波长和强度保持不变，而 不断改变荧光的测定波长( 即发射波长) 并记录相应的荧光强度，所得到的荧光 强度对发射波长的谱图称为荧光的发射光谱( 简称发射光谱) 。激发光谱反映了 在某一固定的发射波长下所测量的荧光强度对激发波长的依赖关系；发射光谱 反映了在某一固定的激发波长下所测量的荧光的波长分布。 激发光谱和发射光谱可用以鉴别荧光物质，并可作为进行荧光测定时选择合 适的激发波长和测定波长的依据。 1 1 5 荧光的猝灭 荧光猝灭或称荧光熄灭，广义地说是指任何使荧光强度减弱的作用。使荧光 猝灭的因素主要有非辐射跃迁、外加猝灭剂、共振能转移、物理因素等。 1 3 山东师范大学硕士学位论文 与荧光物质分子相互作用而引起荧光强度降低的物质成为荧光猝灭剂。猝灭 过程实际上是与发光过程相互竞争从而缩短发光分子激发态寿命的过程。猝灭过 程可能发生于猝灭剂与荧光物质的激发态分子之间，也可能发生在猝灭剂与荧光 物质的基态分子之间。前一种过程成为动态猝灭，后一种过程成为静态猝灭。静 态猝灭剂一般与荧光物质形成络合物，这类络合物的形成几乎不改变吸收光谱。 1 2荧光分析法简介 1 2 1 荧光分析法的发展背景 1 5 7 5 年西班牙内科医生和植物学家n m o n a r d e s 第一次记录了荧光现象【4 】。 1 8 5 2 年s t o k e s 提出了“荧光这一术语，他还对荧光强度与浓度之间的关系进 行了研究，他似乎还是第一个( 1 8 6 4 年) 提出应用荧光作为分析手段的人。1 8 6 7 年g o p p e l s r o d e r 进行了历史上首次的荧光分析工作，应用于铝桑色素配合物的 荧光进行铝的测定。1 8 8 0 年，l i e b e m a n 提出了最早的关于荧光与化学结构关系 的经验法则。到1 9 世纪末，人们已经知道了包括荧光素、曙红、多环芳烃等6 0 0 种以上的荧光化合物。 荧光分析方法的发展，与仪器应用的发展是分不开的。1 9 世纪以前，荧光 的观察是靠肉眼进行的，直到1 9 2 8 年，才由j e t t e 和w e s t 研制出了第一台光电 荧光计。近几十年来，随着各种新型荧光仪器的问世和精密度的提高，大大推动 了荧光分析法的发展。荧光分析法遍及工业、农业、生命科学、环境科学、材料 科学、食品科学和公安情报等诸多领圳5 1 。 在我国，2 0 世纪5 0 年代初期仅有极少数的分析化学工作者从事荧光分析方 面的工作，到了7 0 年代后期，荧光分析法引起了国内分析界的广泛重视，在全 国逐步形成了一支从事这一领域工作的队伍。而且，在除分析学科以外的其他科 学领域里，应用荧光光谱法作为研究手段的的也日益增多。在仪器方面，也陆续 有几种类型的国产的商品化荧光分光光度计问世，为这一分析方法的发展和普及 提供了一定的物质条件。相信在今后，在我国社会发展的推动下和广大分析工作 者的共同努力下，荧光分析法必将在我国得到迅速的发展。 1 2 2 荧光分析法的优点 荧光分析法之所以发展如此迅速，应用日益广泛，其原因之一是荧光分析法 具有很高的灵敏度。在灵敏度方面，荧光分析法的灵敏度一般要比比色法和分光 1 4 山东师范人学硕士学位论文 光度法高2 - - 3 个数量级。随着现代电子技术的发展，对于微弱光信号检测的灵 敏度已大大提高，荧光分析的灵敏度常可达亿分之几，目前，在与毛细管电泳分 离技术结合，采用激光诱导的荧光检测法时，已能接近或达到对单个分子进行检 测的水平【6 1 。 荧光分析的另一个优点是选择性高。这主要是指有机化合物的分析而言。吸 光物质由于内在的本质差别，不一定都会发光，况且，发荧光的物质彼此之间在 激发波长和发射波长方面可能有所差异，因而通过选择适当的激发波长和荧光测 定波长，便可能达到选择性的目的。此外，由于荧光的特性参数较多，除量子产 率、激发与发射波长外，还有荧光寿命、荧光偏振等。因此，还可以通过同步扫 描、导数光谱、三维光谱、时间分辨和相分辨等一些荧光测定的新技术，以进一 步提高测定的选择性【4 】。 除灵敏度高和选择性好之外，动态线性范围宽，方法简便，重现性好，取样 量少，仪器设备不复杂等等，也是荧光分析法的优点。 当然，荧光分析法也有其不足之处【5 1 。由于不少物质本身不发荧光，不能进 行直接的荧光测定，从而妨碍了荧光分析应用范围的扩展。因此，对于荧光的产 生与化合物结构的关系还需要进行更深入的研究，以便合成为数更多的灵敏度 高、选择性好的新荧光试剂，使荧光分析的应用范围进一步扩大。 1 2 3 荧光分析法的应用 ， 如今，荧光分析法已经发展成为一种十分重要且有效地光谱化学分析手段， 已广泛用于工业、农业、医学、生命科学、环境科学、材料科学、食品科学和公 安情报等诸多领域。 1 2 3 1 荧光技术在药物分析中的应用 2 0 世纪7 0 年代后期，荧光分析法已引起了分析界的广泛重视由于自身具有 发射荧光特性的药物相对较少，而且易受拉曼峰和散射光等背景的干扰，常规荧 光分析法在药物分析中的应用受到限制【5 1 。为了使荧光分析法应用更加广泛，发 展了各类荧光分析方法对于不发荧光的物质可以通过某类化学反应使其转变为 适合于测定的荧光物质，对于荧光较弱的物质可以采取荧光增敏分析法近年来 还发展了各种新型荧光技术，如激光诱导荧光法、同步荧光法、导数荧光法、荧 光探针法、光化学荧光法、时间分辨荧光法、三维荧光法、偏振荧光法、荧光免 1 5 山东师范大学硕士学位论文 疫测定法、荧光成像技术、荧光光纤传感器、“双体系双波长荧光光度法( d s d w f ) 等【4 1 这些方法和技术的应用使荧光分析不断朝着高效、痕量、微观和自动化方 向发展，极大地提高了荧光光谱分析法的灵敏度、选择性和特异性，其应用范围 也在不断扩大。同步荧光分析技术、催化荧光动力学分析法、三维荧光法是几 种常用于药物分析的荧光光谱分析法荧光分析法以其灵敏度高、专属性强的优 点，目前已被广泛用于药物的测定，这在很大程度上改变了药物分析的现状特 别是各种新型荧光分析仪器的问世和新型荧光分析方法的提出使荧光分析法不 断朝着高效、痕量、微观和自动化的方向发展荧光分析法应用于药物分析不仅 大大降低了分析成本、简化了分析手续，而且改善了分析条件、拓宽了荧光分析 的应用领域【5 】可以认为，随着荧光分析方法的不断完善和发展，荧光分析必将 对药物分析产生更深远的影响今后的发展方向是：开发更多专属性的识别药物 分子的化学试剂，探索并提出常规药物荧光分析新方法；与计算机技术紧密结合， 研制出自动化程度高，获得和处理信息速度快的荧光分析仪器；发现和合成选择 性优良的药物荧光试剂；与其他各种现代化的分析仪器和方法联合使用，以更准 确、更灵敏、更专一和更低检测限获得药物及药物与生物大分子相互作用的有关 信息1 6 1 。 1 2 3 2 荧光分析法在水环境中的应用 国内在水体环境监测中应用荧光分析法，主要是用于对单项指标的测定。在 无机物的荧光分析中，经常用直接荧光法进行测定的元素主要有铍、铝、硼、镓、 硒、镁、锌、镉及某些稀土元素等。常采用荧光猝灭法测定的元素有氟、硫、铁、 银、钴、镍、铜、钼、钨等。采用动力学荧光法进行测定的有铜、铍、铁、钴、 锇、银、金、锌、铝、钛、钒、锰、铒、过氧化氢和c n 离子等【5 】。在有机物 的荧光分析中，脂肪族有机化合物本身会发荧光的不岁7 1 ，但有许多都能和某种 有机试剂反应，其产物具有荧光特性，可进行荧光分析。例如，醇、肼、醛、酮、 有机酸、糖类等等。芳香族有机化合物因具有共轭的不饱和体系，很多都能发生 荧光，如：多环芳烃、芳族硝基化合物、芳族羰基化合物、酚和醌、杂环化合物、 油分等【8 】。在这些物质的测定过程中，荧光分析法显示了它高度的灵敏性、选择 性。除了这些常规的荧光分析方法外，基于有机样品的复杂性，一些新的荧光分 析方法也越来越多地应用于有机物的分析，这些方法有同步荧光法、三维荧光 1 6 山东师范大学硕士学位论文 法、导数荧光法、时间分辨荧光法、相分辨荧光法、荧光动力学法等。如，四川 师范大学的徐成刚等人建立了测定甲基汞的荧光分析方法，该方法是基于罗丹 明b 与甲基汞生成有荧光特性的化合物，在激发波长5 7 5i l r n ，发射波长5 9 0n i l 测得。方法检出限为2 酌：i l l ，回收率9 6 1 0 5 蚶9 1 。荧光分析法普遍用于矿物 油的测定，夏达英等人测量了青岛近岸海域表层受油污染海水的含油量为 o 0 1 o 2 2m g 1 ，并对水中矿物油的特性进行了研究【l o 】。冯素玲等应用荧光猝灭 法测定了痕量亚硝酸根，检出限2 7n g m l 】。兰州的赵保卫研究了以汞( i i ) 一 2 ( 27 羟基苯基) 苯并咪唑荧光熄灭体系测定痕量硫化物的新方法。并且用于 实际水样中硫化物的测定，取得了满意的结果【l2 1 。程定玺根据在醋酸介质中。 痕量苯胺对溴酸钾和过氧化氢氧化罗丹明6 g 使其荧光猝灭的反【13 】应有抑制作 用，建立了阻抑动力学荧光法测定痕量苯胺的新方法。樊静等用催化荧光动力 学法测定了痕量甲醛，在硫酸介质中甲醛可以催化溴化钾氧化罗丹明6 g 的反 应，使其荧光猝灭，据此p 建立了催化荧光动力学分析法测定痕量甲醛的新方 法。方法检出限5 8 9 l ，回收率在9 6 0 - - 1 0 6 之间，结果令人满意【14 1 。鲍所 言用动力学荧光法测定了痕量钒的研究【1 5 】，邵建章用动力学荧光法分析了痕量 碘等【1 6 】。 现阶段对水环境中有机污染物相对含量的分析，通常是用化学耗氧量， c o d ，生物化学需氧量，b o d 进行测剥r 7 1 。主要是用于表示溶解性有机物氧化 所必需的氧气量。而用荧光分析进行有机物综合指标的测定，我国还未见相关的 报道。日本、美国等除了用荧光分析进行单项指标的测定外，还将荧光分析法应 用于水体有机物综合指标的测纠1 8 】。日本东芝株式会社的海贺信好与东京理科 大学的角田滕则、石井忠浩用荧光分析法对流经东京和神奈川县的多摩川河进行 了评价，并根据评价结果将水质划分了类别，而该类别的划分与按照传统的 c o d ，b o d 测定值进行的类别划分是相呼应的【1 9 】。由此验证了用荧光分析法对水 质进行评价的可行性。另外，海贺信好，中野壮一朗等，用荧光分析法对全国各 地的自来水及英国、丹麦、美国、法国、德国等国的自来水进行了分析，实验结 果表明有些饮用水有较高的荧光强度，特别是在以湖泊沼泽作为饮用水源的英 国、丹麦、美国，饮用水中有较高的腐殖酸【2 0 1 。而用臭氧、活性炭净水的地方， 由于臭氧的氧化、活性炭的吸附作用，腐殖酸的含量较低。并且，还通过荧光分 1 7 山东师范大学硕士学位论文 析法分析了河流水、湖泊水、地下水、泉水、自来水，证实了腐殖酸广泛存在于 这些水体中。美国的l i s ak l a p p e r 等【2 1 1 ，也对腐殖酸进行了荧光分析。进一步研 究了腐殖酸的荧光特性。 1 3 卟啉类化合物的简介 1 3 1 卟啉类化合物的结构特点 卟啉( p o r p h y r i n s ) 是卟吩( p o r p h i n e ) 环带有取代基的同系物和衍生物的总称， 该类化合物的共同结构是卟吩核，卟吩是由4 个吡咯环和4 个次甲基桥联起来的 的大氕共轭体系瞄】，当其氮上2 个质子被金属离子取代后即成金属卟啉配合物 图1 3 卟吩的结构 f i g 1 - 3s t r u c t u r eo f p o r p h i n e 卟啉类化合物具有以下几个独特的优点：n 电子的共轭平面结构，很适合作 ， 为设计立体结构分子的框架；( 2 ) n b 啉化合物有较大的表面；对轴向配体的空间容 积和相互作用方向的控制余地较大；卟啉化合物的种类具有多样性，母体卟吩 具有4 个中位和8 个口吡咯位置用以立体分子设计；拥有生色基，可以在光 谱上感应卟啉与环绕分子相互作用的微小变化【2 3 1 。卟啉类化合物具有芳香性， 不溶于水，易溶于丙酮，乙醇等有机溶剂，溶液有荧光。 卟啉和金属卟啉在自然界和生物体中广泛存在，如细胞色素、血红素、叶绿素等 都是金属卟啉配合物，在生命过程中起着重要的作用。 1 3 2 卟啉类化合物的应用 由于卟啉具有独特的结构及性能，近年来在医学、生物化学、分析化学、 合成化学、材料科学等领域有着广泛的应用 1 3 2 1 卟啉类化合物在医学医药方面的应用1 2 4 , 2 5 1 在医学方面，卟啉在医药方面的应用主要集中在检测和治疗癌细胞。利用卟 1 8 山东师范大学硕士学位论文 啉及其金属络合物对一些组织有特殊的亲和力，将卟啉化合物注入肿瘤患者体 内，过一段时间卟啉聚集在病变部位，再利用它特殊的电子吸收和荧光吸收与机 体的其他部位相区分( 通过核磁共振或伽玛图像) ，就可确定恶性、良性或水肿 肿瘤及其准确部位。例如g d 卟啉化合物的射线具有增敏作用，可有效诊断癌 症和其他疑难疾病，且对人体几乎无毒。 此外人们还发现，金属钌卟啉全部是抗磁性化合物，其中绝大多数在常态下 是稳定的，是铁卟啉化合物的合适替代物，可作研究过氧化氢酶及肝细胞中药物 代谢的良好模型体系。光动力疗法( p d t ) 是近2 0 年新发展起来的一种治疗恶性 肿瘤的方法，它是利用特定的光敏剂在肿瘤组织中的选择性富集和光动力杀伤作 用，在不影响正常组织功能的前提下，造成肿瘤组织的定向损伤。卟啉是一种良 好的光敏剂，在有氧的情况下，卟啉经一定波长的光照后可吸收能量并激发出单 线态氧而杀死细胞。利用它的这种特性，当卟啉聚集在癌变部位时，用某种波段 的光或激光照射病原，便可杀死癌细胞，从而达到治疗的目的。利用硼酸化的卟 啉作为中子捕获剂，使周围的癌细胞直接转变成无毒细胞，也可达到治疗的目的。 近2 0 年来人们设计并合成了多种卟啉化合物，以寻求理想的光敏药物。 血卟啉衍生物 h p d 是最早用于光疗的卟啉化合物，它能治愈部分早期类型 的肺癌，能减轻患有食道和内支气管非小细胞肺癌病人的症状。日本已把叶绿素 作为光动力疗法( p d t ) 的光敏剂来治疗恶性肿瘤。 1 3 2 2 卟啉类化合物在生物化学方面的应用1 2 弛9 i 在生物化学方面，以卟啉作为主体分子对氨基酸酯的分子识别是近几年超分 子化学研究的热点之一【3 0 彤】。生物大分子间的专一结合现象称为分子识别。配体 上带有某种官能团，有特定空间构象的配合物，与有机分子和生物分子之间也存 在着不同程度的专一结合现象，称为配合物的分子识别。氨基酸是生命体内蛋白 质的重要组分，在主客体化学中，它的分子识别颇受重视。 氨基酸中的氨基、羧基可形成氢键、库仑力、偶极偶极作用力，碳上的取 代基可作为另外的识别点，与主体分子间产生静电力、范德华力、疏水作用、立 体效应等。如果主客体体系中包含有金属离子，氨基之间还会形成配位键。金 属卟啉化合物中含有金属离子及氨基或羟基，因此氨基酸的分子特性使其适合作 为客体分子与人工合成的主体分子与卟啉化合物相结合，从而达到分子识别的目 1 9 山东师范大学硕士学位论文 的。金属卟啉和氨基酸分子之间的作用有以下几种类型，即金属离子与氨基之间 的配位作用，氨基酸中的氨基与卟啉取代基之间的氢键作用。人工设计合成的卟 啉化合物，可有手性识别中心，并提供必要的立体构型以实现氨基酸分子的识别。 如m i z u t a i n ，o g o s h i ，a o y a m a ，m o r i c e 等人【3 4 3 6 】先后合成了锌卟啉、铑卟啉、以氧 化钌为中心的柱状金属卟啉等不同类型的金属卟啉化合物。并通过对金属卟啉的 的修饰实现了对多种氨基酸的识别。m i z u t a i n 和o g o s h i 等并在氯仿中测定了萘 取代的锌卟啉与氨基酸酯结合的平衡常数。金属卟啉除了可以氨基酸、糖类等生 物小分子，还可以识别包括苯醌、胺类、咪唑等各式各样的生物小分子【3 7 】。尽 管这里所举的例子十分有限，但显而易见，卟啉是一个对于研究分子识别非常具 有吸引力的主体化合物。 金属卟啉配合物具有良好的电荷转移能力，可催化多种有机反应。因此，对 高效、高选择性及高稳定性的金属卟啉人工催化受体的合成及性能考察，一直是 国内外仿生化学领域非常活跃的内容之一。在卟啉的催化反应性能的研究方面， 最引人注目的是以金属卟啉作为人工催化受体模拟细胞色素p - 4 5 0 单加氧酶及 过氧化氢酶与温和条件下活化惰性碳氢键和催化过氧化氢歧化反应的工作【3 8 , 3 9 】。 将金属卟啉与生物膜结合，可以得到具有引人注目的区域选择性的细胞色素 p - 4 5 0 的模拟物。如g r o v e s 等【4 0 1 将胆甾衍生物修饰的锰卟啉结合到多组分的氧 化还原膜中，该体系在分子氧的存在下可以催化苯乙烯转化为乙酰苯基，得到 2 0 的转化率。 7 近年来，一些具有多部位协同催化功能的多聚卟啉的成功合成为金属卟啉 人工催化体系的研究提供了新的契机。当多聚卟啉采取一定构像，且卟啉间距 离合适时，可产生协同催化。如c o l l m a n 研究组【4 1 】先后合成了钴卟啉二聚体，当 其处于内向顺式构象时，两个卟啉环处于面对面的平行位置，卟啉环间距正好适 合于氧分子进入两环所形成的空穴，从而对氧的四电子还原反应具有高效的催化 能力。为了控制催化反应的立体化学，他们又进一步制备了异核双金属卟啉，一 个是锇卟啉，另一个是钌卟啉。b o n a r l a w 等4 2 1 制备了三聚锌卟啉，并用来催化 可逆d i e l s a l d e r 反应。 1 3 2 3 卟啉类化合物在仿生化学方面的应用 自然界中的金属卟啉配合物都是与蛋白质或生物膜组装后才充分发挥其功 山东师范人学硕士学位论文 能的，因此卟啉及金属卟啉配合物的超分子自组装就成了卟啉仿生化学的热门课 题。在另一方面，通过超分子组装技术构筑的卟啉超分子体系，在生命、信息和 材料科学等许多相关学科均有潜在的应用价值【4 3 1 。卟啉的基本结构和性能决定 其超分子的自组装可以有氢键、配位键、堆积效应、静电相互作用、疏水相互作 用以及模板驱动自组装等多种形式。卟啉及其金属配合物的超分子自组装及分子 器件研究已成为当代超分子化学的重要分支，它不仅为超分子化学的发展注入了 新的活力，而且为具有实用意义的功能超分子的研究展示了诱人的前景。 1 3 2 4 卟啉类化合物在分析化学方面的应用【4 4 舶】 在分析化学方面，卟啉化合物是一种灵敏度高、稳定性好的金属离子显色剂， 已应用于痕量金属离子的分光光度分析、荧光分析、磷光分析。人们在化学仿生 学的启示下，于2 0 世纪5 0 年代后期将卟啉化合物作为试剂用于分析化学中。 1 9 7 9 年童沈阳首次介绍了卟啉这种超高灵敏度试剂在分析化学中的应用。由于 卟啉化合物具有很大的平面共轭结构，颜色深，与许多金属离子可生成1 ：1 的配 合物，在4 0 0 5 0 0n l n 处有强的吸收带，摩尔吸光系数一般在2x1 0 5 5 1 0 5 m 2 m o l ，可测定c u 、z1 1 、cd 、hg 、pb 、mn 、mg 、pd 、co 、f e 等多种离子。但卟啉显色剂对金属离子的选择性较差，且多数是非水溶性的， 测定时需加表面活性剂或掩蔽剂。新型尾式卟啉如尾式卟啉吡啶( - - - 7 , 胺) 季铵盐 化合物，具有较好的表面活性和选择性，可很方便地用于金属离子的分析。 1 3 2 5 卟啉类化合物在材料科学及能源领域的应用 在材料科学方面，由于金属卟啉化合物作为一种功能性客体，引入夹层化合 物中后，赋予许多优良的性能，因此在光电材料方面用途广泛，可用于磁性材料、 非线性光学材料等。而且卟啉能与许多金属形成金属有机液晶，现今发现cu 、 cd 、zn 、co 金属卟啉都具有液晶性能，如2 ，3 ，7 ，8 ，1 2 ，1 3 ，1 7 ，1 8 八辛硫基四氮 杂卟啉( i i ) 在6 7 6 1 5 1 7 有稳定的介晶相，液晶态为六角柱状相【4 7 1 。卟啉具有 很强的吸光特性，尤其是与过渡金属络合后，使其能发射出很强的磷光，而这种 磷光又可被0 2 猝灭，所以被用作压敏器件的磷光材料。谢腾峰等人【4 8 】的研究表 明，p d 卟啉及其衍生物有非常强的磷光辐射，痕量氧对其磷光辐射有明显的猝 灭作用，利用p d 卟啉的这种功能特性可研制高效能的生物氧传感器。 在能源方面的应用，太阳能利用目前最为活跃，人们研究光能转换主要是模 2 l 山东师范大学硕士学位论文 拟自然界绿色植物的光合作用。目前研究较多的是卟啉和醌类体系，最成功的一 个体系是m o o r e 等人【4 9 】把1 个胡萝b 素分子、1 个卟啉分子和1 个苯醌分子连 在一起，合成了一类化合物，在光照后可实现有效的电荷分离。在这个体系中， 胡萝b 素分子具有天线功能，能吸收太阳光，成为单重态激发态，单重态发生能 量转移，生成卟啉单重态激发态。此外，胡萝b 素分子对卟啉分子还具有保护作 用，由于三重态卟啉对单重态氧具有较强的光敏作用，而胡萝b 素分子还可通过 猝灭三重态卟啉，避免其与单重态氧作用，这个体系是目前最接近活体系统的人 工光合反应模型。此外卟啉化合物还具有分子氧的电催化还原性，用它可作光电 化电池的阴极。国内外已研制出各种各样的叶绿素电池，不过产生的电流很小， 持续时间短，光能的转化率只有1 2 左右，有待进一步改进。 1 4 叶绿素及其衍生物的简介 早在1 8 1 8 年，b e r z e l i u s 就开始了对叶绿素方面的研究5 0 1 。后来采用有机溶 剂从植物中提取叶绿素。在植物细胞中，叶绿素镶嵌在叶绿体的类囊体膜中，是 植物进行光合作用的重要物质。高等植物中主要含叶绿素a 和叶绿素b ，在褐 藻、硅藻类中含叶绿素a 、c 1 、c 2 ；红藻中含