（高分子化学与物理专业论文）双光子金属离子荧光探针的制备及其性能研究.pdf

t 4 p , at h e s i ss u b m i t t e df o rt h e a p p l i c a t i o no f t h em a s t e r sd e g r e eo fs c i e n c e p r e p a r a t i o na n d r e s e a r c ho ft w o p h o t o n m e t a ii o n sf i u o r e s c e n tp r o b e c a n d i d a t e ：h u a n g b a o l i s p e c i a l t y ：c h e m i s t r ya n dp h y s i c so fp o l y m e r s s u p e r v i s o r ： a s s o c i a t ep r o f e s s o rz h a n gx i a n s h a n d o n gp o l y t e c h n i cu n i v e r s i t y , j i n a n ，c h i n a a p r i l ，2 0 1 1 吣8ii 300m 9iiii-y r 一一| - ，“ll q , l m p 学位论文独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文系在导师指导下本人独立完成的研究成果。文 中引用他人的成果，均已做出明确标注或得到许可。论文内容未包含法律意义上 已属于他人的任何形式的研究成果，也不包含本人已用于其他学位申请的论文或 成果，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。 论文作者签名：堑窒幽 学位论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属山东轻工 业学院。山东轻工业学院享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请 专利等权利，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时， 署名单位仍然为山东轻工业学院。 论文作者签名：盏，窒翻 导师签名：张盘 导师签名：旅鳅 日期：竺年月旦日 日期： 笪堕年l 月二l 日 ，- r。li f i ， 山东轻工业学院硕士学位论文 目录 摘要i a b s t r a c t i 第1 章绪论1 1 1 引言l 1 2 双光子金属离子荧光探针对金属离子的识别原理3 1 2 1 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 ) 3 1 2 2 光诱导能量转移p e t ( p h o t o ni n d u c e de l e c t r o n t r a n s f e r ) 6 1 2 3 激基缔合物( e x c i m e r ) 。7 1 2 4 荧光共振能量转移( 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 ) 8 1 3 双光子金属离子荧光探针的发展1 0 1 3 1 钙离子双光子荧光探针1 0 1 3 2 锌离子双光子荧光探针1 l 1 3 3 镁离子双光子荧光探针一1 2 1 4 荧光微球的研究背景及意义1 4 1 5 本论文研究的意义、主要内容及创新点1 4 1 5 1 论文研究的意义。14 1 5 2 研究的主要内容。1 5 1 5 3 论文的创新性15 第2 章双光子金属离子荧光探针的设计、合成及表征1 7 2 1 双光子金属离子荧光探针的设计1 7 2 2 实验主要试剂及规格1 9 2 3 实验仪器1 9 2 4n ，n 一二乙酸乙酯基苯胺的合成2 0 2 5n n - 二乙酸乙酯基苯甲醛的合成2 l 2 6n ，n 一二乙酸乙酯基苯胺合成的研究2 l 2 6 1 催化剂对n ，n 二乙酸乙酯基苯胺合成的影响2 l 目录 2 6 2 催化剂用量( 浓硫酸) 对产率的影响2 2 2 6 3 反应时间对产率的影响一2 3 2 71 。10 - 菲哕啉一5 。6 一二酮的合成2 4 2 82 - ( 4 - 甲酰基) 苯并咪唑一【1 ，1 0 】菲哕啉( f m p ) 的合成2 4 2 94 一甲基- n - 甲基碘盐的合成。2 5 2 10 化合物1 的合成2 5 2 1 1 化合物2 的合成一2 6 2 1 2 化合物3 的合成2 6 2 1 3 化合物4 的合成一2 7 2 1 4 单分散性聚苯乙烯微球的制备2 7 2 1 5 化合物l p s 荧光微球的制备2 7 2 1 6 本章小结2 8 第3 章不同溶剂对化合物光谱性能的影响3 l 3 1 引言3 1 3 1 1 紫外一可见吸收光谱的原理3 1 3 1 2 荧光量子产率3 2 3 2 不同溶剂对化合物光谱性能的影响3 4 3 2 1 不同溶剂对化合物的紫； i - - 可见吸收光谱的影响3 4 3 2 2 不同溶剂对化合物的单光子荧光光谱的影响。3 7 3 3 化合物1 p s 荧光微球的线性和非线性光谱的研究。3 9 3 4 本章小结4 l 第4 章化合物对金属离子选择性的研究4 3 4 1 实验方法4 3 4 1 1 探针母液、金属离子溶液的配制。4 3 4 1 2 离子选择性测试4 3 4 1 3 金属离子浓度的滴定4 4 4 2 结果与讨论4 4 4 2 1 化合物对金属离子选择性的光谱性质研究一4 4 4 2 2 金属离子的不同浓度对化合物的紫外吸收光谱的研究一4 9 4 2 3 金属离子的不同浓度对化合物的单光子荧光光谱和双光子荧光光 谱的影响的研究5 4 2 山东轻工业学院硕士学位论文 4 3 本章小结6 1 第5 章全文总结与展望6 3 5 1 全文总结6 3 5 2 展望6 4 参考文献6 5 附录化合物的表征谱图7 3 致谢7 9 攻读硕士学位期间发表的主要论文和获奖情况8 l 3 ，iilllj r + 。 山东轻工业学院硕士学位论文 摘要 在各种生物学过程中，c e + 、h 9 2 + 、m 9 2 + 、f e ”和n a + 少量的金属离子对于 许多重要细胞的生长生存、功能调节及体内生物活性酶的催化等都起着非常重要 的作用，因此对其识别和检测具有重要的意义。由于荧光检测法具有灵敏度高、 方法简便、选择性好、响应时间短等突出优点。近年来，采用荧光分析法对金属 离子进行分析越来越广泛，目前，人们研究较多的是单光子荧光探针。该类探针 的激发波长在3 5 0 5 6 0n m ，处于紫外可见光区，光损伤和光漂白较大，双光子 荧光探针材料的激发波长在7 0 0 9 0 0a m 范围内，避开了生命体系所不能承受的 紫外光损伤以及细胞组织自发荧光的干扰，可以消除光漂白和光毒化，提高空间 分辨率，解决了生物组织中深层物质的成像问题。已经开发出的双光子金属离子 荧光探针有限，而且它们的双光子吸收截面比较小，选择性不是很好，大部分水 溶性都不好。因此开发一些具有生物相容性、特异性结构和位点识别基元、大的 双光子吸收截面、高的荧光量子产率和识别响应性的双光子金属离子荧光探针是 必要的。 本论文首先以n ，n 二羟基乙基苯胺、对苯二胺、对硝基苯胺和苯胺为主要 原料，分别合成了化合物1 、化合物2 和化合物3 ，以1 ，1 0 菲哕啉和4 甲基吡啶 为主要原料，合成了化合物4 。以化合物1 和苯乙烯为主要原料，合成了化合物 1 p s 。通过核磁和红外表征了其结构。 我们研究了化合物在水、乙醇、乙腈、d m f 和丙酮中的紫外吸收光谱和单 光子荧光光谱；化合物与不同金属离子相互作用后的紫外吸收光谱和单光子荧光 光谱；化合物与不同浓度的金属离子相互作用后的紫外吸收光谱和单光子荧光光 谱；以8 0 0n m 做为激发光源，测试化合物与不同浓度的金属离子相互作用的双 光子荧光光谱。研究了化合物1 p s 的紫外吸收光谱、单光子和双光子荧光光谱 及s e m 。得到以下结论： 对于化合物1 ，丙酮做为溶剂，当激发波长为3 8 7n m 时，荧光量子产率为 4 7 9 8 。当激发波长为8 0 0a m 时，与f e ”结合前后，双光子荧光发射峰的位置 由4 9 9n m 红移至5 8 0n m ；与h 9 2 + 结合前后，双光子荧光发射峰的位置由5 0 7n m 红移至6 0 0a m 。与化合物1 相比，化合物2 的荧光比较弱，以乙腈为溶剂，激 发波长为3 8 0n m 时，荧光量子产率为3 5 7 。但是，在双光子荧光的测试中， 由于荧光比较弱，没有观测到发射峰。化合物3 ，以丙酮为溶剂，激发波长为3 8 3 n m 时，荧光量子产率为1 2 4 5 。当激发波长为8 0 0n m 时，无论与f e ”，还是 h 9 2 + 作用，双光子荧光发射峰的位置都没有发生变化，只有荧光强度发生了变化。 摘要 与化合物1 、化合物2 和化合物3 相比，化合物4 的水溶性比较好，以水为溶剂， 激发波长为2 8 2n n l 时，荧光量子产率为3 8 4 9 。激发波长为8 0 0n l l 时，与 h 9 2 + 结合后，双光子荧光发射峰的位置由原来的6 2 5n m 蓝移至5 8 9n n l 。化合物 1 p s 是具有双光子特性的单分散性质的荧光微球。 关键词：双光子；单光子；金属离子；荧光探针；荧光微球 i i 山东轻工业学院硕士学位论文 a b s t r a c t i nb i o l o g i c a lp r o c e s s e s ，af e wo fm e t a li o n s ( s u c ha sc a + 、h 9 2 + 、m 9 2 + 、f e 3 + a n d n a + ) p l a yi m p o r t a n tr o l e sf o rt h es u r v i v a l 、 f u n c t i o n a lr e g u l a t i o no fc e l l u l a r ，a n dt h e c a t a l y s i so fe n z y m e s t h e r e f o r e ，i ti si m p o r t a n tt od i s t i n g u i s ha n dt e s tt h e m t h e f l u o r e s c e n c ea n a l y s i sh a sm a n ya d v a n t a g e si n c l u d i n gh i g hs e n s i t i v i t y ，s i m p l em e t h o d ， g o o ds e l e c t i v i t ya n ds h o r tr e s p o n s et i m e r e s c e n t l y ，t h ef l u o r e s c e n c em e t h o dw a s b r o a d l yt oa n a l y s em e t a li o n s a tp r e s e n t ，t h eo n e p h o t o nf l u o r e s c e n c ep r o b eh a sb e e n o f t e nu s e d t h e i re x c i t a t i o nw a v e l e n g t h e sa r em o s t l yl o c a t e di n3 5 0 - 5 6 0r i m , w h i c h w i l ll e a dt oh i g hl i g h td a m a g ea n dp h o t o n - b l e a c h i n g t h ee x c i t a t i o nw a v e l e n g t ho f t w o - p h o t o nf l u o r e s c e n c ep r o b ea r el o c a t e di n 7 0 0 9 0 0 姗w h i c hc a na v o i dt h e d a m a g i n gf r o mt h eu l t r a v i o l e ta n di n t e r f e r e n c ef r o mt i s s u ea u t o - f l u o r e s c e n c e ，a n d r e d u c et h el i g h td a m a g ea n dp h o t o n b l e a c h i n g a d d i t i o n a l l y , t w o - p h o t o nt e c h n i q u e c a ni m p r o v et h es p a t i a lr e s o l u t i o na n ds o l v et h ed e e pi m a g i n gi nb i o l o g i c a lt i s s u e a t p r e s e n t , t h o u g hs o m et w o p h o t o nf l u r e s c e n c ep r o b e sf o rd e t e c t i n gm e t a li o nh a v e b e e n e m p l o y e d ，t h e i rt w o p h o t o na b s o r p t i o n c r o s s s e c t i o n sw e r es m a l l ，a n d w a t e r - s o l u b l ei sn o tw e l l t h e r e f o r e ，i ti sn e c e s s a r yt o d e v e l o pt h et w o p h o t o n f l u r e s c e n c ep r o b e s 谢mb i o c o m p a t i b i l i t y ，s p e c i a l s t r u c t u r e ，l a r g et w o - p h o t o n a b s o r p t i o nc r o s s s e c t i o na n dh i g hf l u o r e s c e n c eq u a n t u my i e l d w es y n t h e s i z e d c o m p o u n d1 ，c o m p o u n d 2a n d c o m p o u n d3w i t hn ， n d i h y d r o x y e t h y la n i l i n e ，p p h e n y l e n e d i a m i n ea n da n i l i n e 髂t h em a i nl a wm a t e r i a l s c o m p o u n d4w a ss y n t h e s i z e dw i n l1 ，10 - p h e n a n t h r o l i n ea n d4 - m e t h y l p y r i d i n ea s t h em a i nl a wm a t e r i a l s c o m p o u n d1 p sw a ss y n t h e s i z e dw i 也c o m p o u n d1a n ds ta s t h er a wm a t e r i a l s t h es t r u c t u r ew a sc h a r a c t e r i z e db yn m ra n di r w es t u d i e dt h eu v a b s o r p t i o ns p e c t r u ma n do n e p h o t o nf l u o r e s c e n c es p e c t r u m o ft h ef o u rc o m p o u n d si nd i f f e r e n ts o l v e n t s ( i n c l u d i n gw a t e r ，e t h a n o l ，a c e t o n i t r i l e ， d m fa n da c e t o n e ) a n dt h ed i f f e r e n tm e t a li o n st i t r a t i n g ；t h eu va b s o r p t i o ns p e c t r u m a n do n e - p h o t o nf l u o r e s c e n c es p e c t r u mo ft h ec o m p o u n d sw e r et i t r a t e dw i t ht h em e t a l i o n so fd i f f e r e n tc o n c e n t r a t i o n s ；w es t u d i e dt h et w o p h o t o nf l u o r e s c e n c es p e c t r m no f t h ec o m p o u n d si n t e r a c t i n gw i lt h em e t a li o n so fd i f f e r e n tc o n c e n t r a t i o n sa t8 0 0n l n w es t u d i e dt h eu v a b s o r p t i o ns p e c t r u ma n d o n e - a n dt w o - f l u o r e s c e n c es p e c t r u ma n d s e mo ft h ec o m p o u n d1 p s w eg o tt h ef o l l o w i n gc o n c l u s i o n s ： t h ef l u o r e s c e n c eq u a n t u my i e l do fc o m p o u n d s1i s4 7 9 8 a t3 8 7n me x c i t a t i o n a b s l r a c t w a v e l e n g t hi na c e t o n e t h et w o p h o t o nf l u o r e s c e n c ee m i s s i o np e a k sh a v e8 1n m r e d s h i f t ( f r o m4 9 9r i mt o5 8 0n l n ) a tw i t h o u tf e ”a n db o u n df e ”a t8 0 0n m ；t h e t w o p h o t o nf l u o r e s c e n c ee m i s s i o np e a k sh a v e9 3n l nr e d s h i f t ( f r o m5 0 7n mt o6 0 0 n i n ) a tw i t h o u th 9 2 + a n db o u n dh 9 2 + a t8 0 0n n c o m p a r e dw i t hc o m p o u n d s1 ，t h e f l u o r e s c e n c eo fc o m p o u n d s2i sw e a k e r , w eh a v en o tg o tt h er e s u l ta t8 0 0 姗 e x c i t a t i o nw a v e l e n g t h t h ef l u o r e s c e n c eq u a n t u my i e l do fc o m p o u n d s2i s3 5 7 a t 3 8 0n me x c i t a t i o nw a v e l e n g t hi na c e t o n i t r i l e t h ef l u o r e s c e n c eq u a n t u my i e l do f c o m p o u n d s3i s 12 4 5 a t38 3n me x c i t a t i o nw a v e l e n g t hi na c e t o n e t h et w o 。p h o t o n f l u o r e s c e n c ee m i s s i o np e a k sh a v en oc h a n g e da tw i t h o u tf e 3 + ( h 矿+ ) a n db o u n df e 3 + ( h 孑+ ) a t8 0 0n n l t h ew a t e r - s o l u b l eo fc o m p o u n d s4i sm u c hw e l lt h a nt h eo t h e c o m p o u n d s ，t h ef l u o r e s c e n c eq u a n t u my i e l do fc o m p o u n d s4 i s3 8 4 9 a t2 8 2n n a e x c i t a t i o nw a v e l e n g t hi nw a t e r t h et w o p h o t o nf l u o r e s c e n c ee m i s s i o np e a k sh a v e3 6 i l i i lb l u e - s h i f t ( f r o m6 2 5 锄t o5 8 9u m ) a tw i t h o u th 9 2 + a n db o u n dh 9 2 + a t8 0 0n m c o m p o u n d1 p si sf l u o r e s c e n c em i c r o s p h e r eo ft w o - p h o t o na n dm o n o d i s p e r s i o n k e yw o r d s ：t w o - p h o t o nf l u o r e s c e n c e ， o n e p h o t o nf l u o r e s c e n c e ， m e t a li o n , f l u o r e s c e n c ep r o b e ，f l u o r e s c e n c em i c r o s p h e r e l l - 0 山东轻工业学院硕士学位论文 第1 章绪论 金属阳离子在化学、生命科学、环境科学和医学等领域占有重要地位，因此 对溶液中金属阳离子的识别和检测是分析化学的重要任务之一。设计并合成对某 种金属离子具有高度选择性和敏感性，具有合适光谱性能的双光子金属离子荧光 探针，在生理环境下测试其性质，为生物学、环境科学以及医学的研究提供了必 要的科学依据。 1 1 引言 在生物领域，对金属离子的浓度及三维分布的检测具有重要的意义，我们可 以很好的理解它们的生理反应，如：在协调酶作用过程中，镁发挥了很大的作用； 在细胞中钙作为第二信使；在控制细胞活性，肌肉收缩中，钠、钾发挥了重要的 作用。在医学方面，对于狂躁抑郁症患者血清中锂离子的浓度控制尤其重要；铅 超标会影响儿童的智力发育。金属阳离子在化学、生命科学、环境科学和医学等 领域占有重要地位，因此对溶液中金属阳离子的识别和检测是分析化学的重要任 务之一。 目前测定金属离子的主要方法有：原子发射光谱法( a e s ) j 、原子吸收法 ( a a s ) f ：j 、化学发光法1 3 、高效液相色谱法【4 】、分光光度法f 5 咧、电感耦合等离子 体质谱法( i c p m s ) 【7 1 、极谱法【8 】、伏安法【9 】和荧光分析法【1 m 1 7 1 等。虽然原子吸收分 光光度法具有灵敏度高、选择性好、抗干扰能力强、应用范围广等优点，但是， 它还是具有自身一定的局限性，比如：不能反映所测元素的价态，在测定难熔元 素的时候灵敏度不高，而且，测定不同的元素都需要一个特定元素的空心阴极灯， 如果想同时测定试样中多种元素，那就受到了限制。化学发光法选择性比较差， 低浓度的生物样品不适合用此方法测定。分光光度法是根据不同的物质对不同波 段的光具有吸收而建立的分析方法，此方法具有灵敏度高、操作简单、仪器价格 便宜等优点，但是，由于不同的过渡金属离子的结构和离子半径差别不大，在光 度分析中经常会发生彼此的干扰，因此，分光光度法对过渡金属离子的测量也具 有一定的局限性。高效液相色谱法和电感耦合等离子体质谱法操作比较繁琐，测 定前，对样品的预处理比较复杂，而且所需要的仪器昂贵，这给规模不是很大的 企业带来很大的麻烦。极谱法和伏安法属于电化学分析方法，由于其具有灵敏、 快速和简单的优点，所以被广泛应用。 十九世纪六十年代，荧光分析方法作为一种新的分析方法问世。由于其具有 第1 章绪论 多种测定参数：激发波长、发射波长、荧光寿命、荧光量子产率等，而且还有多 种检测技术和方法：同步荧光、导数荧光、荧光偏振、荧光动力学分析法、三维 荧光光谱法及时间分辨荧光分析法等，所以此方法一经问世，就受到研究者们的 青睐。荧光检测法具有方法简便、灵敏度高、选择性好、响应时间短等优点。随 着荧光光谱及成像技术的快速发展，荧光检测法在生物分析领域中也得到了广泛 的应用，荧光探针正是利用这一分析方法在生物、化学和环境等领域得到广泛的 应用。 目前，应用在生物体内的荧光探针已经被设计出来，被识别的客体有金属阳 离子、阴离子1 1 8 1 9 1 、有机极性小分子【2 0 】、生物小分子【2 l 】等。但这些探针都存在 一些缺陷：( 1 ) 选择性不好。受到其它共存离子的干扰作用比较大，只可以在某 一浓度范围内检测出被测物。( 2 ) 现在设计出来的荧光探针多数为单光子荧光探 针。其激发波长为3 5 0 5 6 0n m ，处于紫外可见光区，光损伤和光漂白较大；并 且样品在这个区域内存在光吸收和光散射，背景光会产生干扰，而且会影响检测 的深度。 建立在双光子荧光显微探测技术基础上的双光子荧光探针材料在研究金属 离子的含量及其对生理的影响、金属离子参与的生理活动机制、特定分子的分布 及其相互作用等 2 2 】领域具有不可比拟的优点，可有效的避免单光子荧光探针的 上述缺点。双光子荧光探针材料的激发波长在7 0 0 9 0 0a m 范围内，避开了生命 体系所不能承受的紫外光损伤以及细胞组织自发荧光的干扰；由于荧光激发只发 生在聚焦点，消除了不必要的光漂白和光毒化，这可实现在不伤害或杀死细胞下 对金属离子进行较长时间的观察；而且，双光子激发产生的荧光强度与入射光强 度成二次方关系，这使得荧光发射集中在更小的空间区域，有效的提高了空间分 辨率，解决了生物组织中深层物质的成像问题 2 3 - 2 8 】。传统的单光子荧光材料也 可作为双光子荧光发射体。但这些荧光化合物双光子吸收截面均比较小，这就使 得双光子诱导荧光量子产率偏低。因此开发一些具有生物相容性、特异性结构和 位点识别基元、大的双光子吸收截面、高的荧光量子产率和识别响应性的双光子 金属离子荧光探针是必要的。 双光子荧光探针主要由荧光团和受体两部分组成，荧光团和受体可以直接相 连，也可以用电子桥连接起来，a 和b 为直接相连，c 为间接相连。如图1 所示 【2 9 1 。 2 山东轻工业学院硕士学位论文 。| ” i 荧光嘲| “： ro ； il c 图1 1 荧光团和受体的不同连接方式 它们分别要满足以下条件，对受体而言，对金属离子的选择性和络合性要好， 要有一定的水溶性；当金属离子与受体作用后，荧光团可以把金属离子的信息转 化为光信号，比如：吸收和发射光谱的波长，荧光量子产率，双光子吸收截面， 荧光寿命等发生变化【3 0 1 ，如图2 所剥3 。通过对这些光信号的探测和分析，可 以得到金属离子的种类，所带电荷数，浓度以及在细胞组织中分布和作用。 髂蟹 图1 2 金属离子的信息转化为荧光信号 1 2 双光子金属离子荧光探针对金属离子的识别原理 双光子金属离子荧光探针对金属离子的识别原理与单光子金属离子荧光探 针的识别原理基本是一致的，作为一个化合物，它主要由荧光团( f l u o r o p h o r e ) 和受体( r e c e p t o r ) 两部分组成。从识别原理来讲包括以下四种：分子内电荷转 移( i c t ) ，光诱导能量转移( p e t ) ，激基缔合物( e x c i m e r ) ，荧光共振能量 转移( f r e t ) ，在金属探针中，p e t 和i c t 机理运用比较多。 1 2 1 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 ) 分子内电荷转移又被称为光诱导电子转移p c t ( p h o t o n i n d u c e dc h a r g e t r a n s f e r ) 。利用i c t 机理的荧光探针由荧光团和受体( 识别基团) 直接相连，在 荧光团的两端分别连有供电子基团( d ) 和吸电子基团( a ) ，形成一个强的推 拉电子体系，并且供电子基或吸电子基本身又充当识别基团或者识别基团的一部 分。探针分子在光的激发下，分子内电荷转移发生在给电子基和吸电子基之间， 第1 章绪论 荧光团的偶极矩的变化导致了荧光光谱的变化。当金属离子与供电子基团相互作 用后，降低了供电子基团的给电子能力，导致吸收光谱蓝移；相反，当金属离子 与吸电子基团相互作用后，使得吸电子基团的拉电子能力增强，从而使吸收光谱 发生红移，如图1 3 和图1 4 所示【3 2 】。 il 嘲| o h o m 0 。 、 i 一、一 i l u m o 匕冷红移 h o m o 图1 3i c t 荧光分子探针红移机理示意图 l u m o h o m o i i一 l u m o 蓝移 h o m o 图1 4i c t 荧光分子探针蓝移机理示意图 c o s n a r d 等人【3 3 】合成的i c t - 1 是典型的i c t 荧光探针，氮杂冠醚不仅是推拉电 子体系中的电子给体，也是化合物中的识别基团。在金属离子荧光探针的设计合 成中，氮杂冠醚经常被作为碱金属和碱土金属离子的识别基团。c a 2 + 与氮杂冠 醚络合后，金属离子的拉电子效应降低了氮原子的给电子能力，因此荧光发生蓝 移，荧光强度变大。 d e l m o n d 等人瞰】合成的i c t - 2 是典型的i c t 荧光探针，电子受体也是氮杂冠 醚，其又充当了识别基团。当c a 2 + 与冠醚络合后，使得冠醚的吸电子能力增强， 整个体系成强推拉电子体系，荧光光谱发生红移。 t a k i 等人【3 5 】合成的i c t - 3 荧光探针，在生理条件下对c d 2 + 离子具有选择性和敏 感性。该探针分子与c d 2 + 相互作用后，解离平衡常数为1 6 2 x 1 0 d o m ，形成了l ：l 的络合物。探针分子与c d 2 + 相互作用后，紫外吸收波长蓝移了2 3n i n ，荧光发射 波长红移了4n i n 。 j i a n g 等人合成i c t - 4 荧光探针，对z n 2 + 和c u 2 + 都具有一定的敏感性和选择 性，其它的一价或二价的金属离子对化合物的荧光光谱几乎没有影响。与z n 2 + 4 山东轻工业学院硕士学位论文 络合后，化合物的荧光发射峰的位置从5 1 5n m 蓝移至4 3 3l 埘，c u 2 + 能使化合物的 荧光发生猝灭。 ，oo 、 ll 、og ，o 尽r 吨 n h i c t - li c l 2i c t - 3i c t 4 扭曲的分子内电荷转移( 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 ) 实际是 分子内电荷转移的特例。在具有推一拉电子结构的共轭荧光分子中，当荧光团被 光激发时，如果给电子基团通过可旋转的单键与荧光团相连，分子内光诱导电荷 转移使得连接电子给体与荧光团的单键发生扭转，破坏了原来的共轭体系，原来 与芳环成平面的电子给体与芳环平面处于正交状态，原来的部分电荷转移变为完 全的电荷转移，原有的i c t 荧光被淬灭，而形成了新的t i c t 激发态。t i c t 态 往往发射非常弱的荧光或者不发射荧光，少数情况下出现i c t 与t i c t 双重荧光 的现象 3 7 - 3 8 j 。 t i c t - 5 荧光探针【3 9 】对z n 2 + 具有好的选择性。在激发态，除了局部激发态和 t i c t 产生的双重荧光外，还表现出了特殊的第三重荧光。由于氮杂冠醚的柔软 性能，形成的分子内激基缔合物产生了第三重荧光。 l i u 等人【4 0 】合成了含冠醚基团和二苯吡啶基团的t i c t - 6 荧光探针，在酸性 条件下，m 9 2 + 与化合物络合后，化合物的荧光增强，而其它价态的金属离子与其 络合后，荧光光谱基本没有变化。 t l c t - 6洲岛蟛 第1 章绪论 1 2 2 光诱导能量转移p e t ( p h o t o ni n d u c e de l e c t r o nt r a n s f e r ) 在对金属离子的识别中，利用p e t 原理设计的荧光分子探针最为常见，尤 其是对于碱金属离子和碱土金属离子通常都可以获得荧光增强的探针。利用此机 理的化合物由荧光i 夏l ( f l u o r o p h o r e ) 、受体( r e c e p t o r ) 和连接桥( s p a c e r ) - - 部分组成， 给电子的芳香类化合物通常作为荧光团，是光吸收和光发射的场所。含有孤对电 子的杂原子或者是另外一个芳香共轭体系作为受体，将与客体相互作用后的信息 传递给荧光基团。连接桥将荧光团和受体连接起来。p e t 荧光分子探针的作用原 理可由前线能量轨道理论来解释。h o m o 轨道为最高占据分子轨道，l u m o 为 最低空分子轨道。由于受体的h o m o 轨道的能量比荧光团的h o m o 轨道的能 量高，受体上的电子被激发时，从能量高的h o m o 轨道跃迁到能量比较低的荧 光团的h o m o 轨道上，导致荧光团的荧光猝灭。但是，当受体与客体相互作用 时，受体的h o m o 轨道能量低于荧光团的h o m o 轨道能量，因此，受体上的 电子不能通过光诱导跃迁到荧光团上的h o m o 轨道上，荧光团自身的l u m o 轨道接受一个光子，光子通过能级跃迁回到h o m o 轨道上，发出荧光。如图5 【4 1 】 所示。 e i l u m o 1 ，p e t 巾 ll l 氇t o l e l l lh o m o e x c i t e df l u o m p h o r ef r e er e c e p t o r e x c i t e df l u o r o p h o r e b o u n dr e c e p t o r 图1 5p e t 机制的前线轨道理论示意图 目前，t s e i n ，f a b b r i z z i ，c z a m i k 和k u h n 等1 4 2 - 5 0 研究小组致力于设计开发p e t 荧光探针。在已经报道的p e t 荧光化合物中，大部分是以氮杂冠醚或者脂肪氨 作为受体的。 p e t - 1 探针是最早开发出来的p e t 荧光探针，其结构相当简单，亚甲基将冠 醚和葸连接起来。k + 与p e t - 1 探针络合后，荧光量子产率由0 0 0 3 增加到o 1 4 。 f a b b r i z z i 等人【5 1 j 合成了p e t 0 2 荧光探针，此化合物的专属性不是很好，可 以与c u 2 + 和n i 2 + 络合。当化合物与c u 2 + 或者n i 2 + 络合后，将一个电子从还原态 的二价金属转移到葸上，导致荧光淬灭。 t a n g 等人【5 2 j 报道了p e t - 3 荧光探针，该化合物具有半刚性结构。以甲醇水 为溶剂，p e t - 3 与c d 2 + 络合后，荧光显著增强。可能的原因是：与p e t - 3 分子络 合时，由于c d 2 + 的离子半径比较适中，与p e t - 3 分子结合比较紧密，从而抑制 6 山东轻工业学院硕士学位论文 了从n 矿轨道的分子内无辐射跃迁，导致荧光强度增强。 p e t - lp e t - 2p e t - 3 受体与客体的结合抑制了光诱导电子转移，使荧光团发射出的荧光增强。但 是，当与过渡金属离子络合后，荧光团发出的荧光有可能减弱。原因是：过渡金 属的3 d 电子具有氧化还原性，可以发生从荧光团到过渡金属原子的电子转移， 或者从过渡金属原子向荧光团的电子转移，所以通过无辐射能量转移导致荧光淬 灭。 l e t a r d 等人【5 3 】合成的p e t - 4 荧光探针，该化合物采用硫杂冠醚为受体，以乙 腈为溶剂，与c u 2 + 络合后，导致了荧光淬灭。与c u + 络合后，p e t 过程得到了抑 制，在4 6 0n n l 处出现了强的荧光发射峰。 p e t 化合物不仅可以识别一、金属离子、阴离子，还可以识别中性分子。 n a g a n o 等人猹4 j 设计并开发了识别单线态氧及n o 的p e t - 5 荧光探针。d a m b o 被光激发后，电子从氨基转移到吡咯环，荧光淬灭。当d a m b o 与n o 反应后， 抑制了光诱导电子转移，与n o 络合前后，荧光量子产率从o 0 0 2 变为o 7 4 0 。 d a m l 3 0 u i 嘲n o t a - f h m r r e s e e m q a m l 3 0 - t h i g 岫yt ：a r e s e e m p e t - 4p e t - 5 1 2 3 激基缔合物( e x c i m e r ) 人们将激基缔合物又称为激发态二聚物，是指激发态荧光团和基态荧光团相 互作用形成的缔合物，两个荧光团可以相同也可以不同。当两个荧光团分子相互 靠近时，分子间的作用力导致了分子间的电荷发生转移。与单体的发射光谱相比， 激基缔合物的发射光谱是一个强而宽、长波而且没有精细结构的新发射峰。缔合 物的形成需要两个荧光团之间轨道的重叠，而荧光团之间的距离又是形成激基缔 7 第1 章绪论 合物的关键，因此，激发态分子与基态分子的碰撞距离需要达到3 5 埃，才能形 成激基缔合物。萘、葸等荧光团由于具有较长的激发单线态寿命，比较容易形成 激基缔合物，因此常常被用作此类探针的设计。如图