（无机化学专业论文）基于离子和氨基酸识别的光化学传感器的研究.pdf

摘要 摘要 荧光化学传感器和色度化学传感器被广泛地用于检测目标分子和离子荧光 化学传感器具有选择性好、灵敏度高、简便快速等优点，色度化学传感器不用借 助于任何昂贵的仪器设备可直接用肉眼识别目标分子或离子本论文设计、合成 了一系列荧光和色度化学传感器来选择性识别镁离子、氟离子、半胱氨酸和高半 胱氨酸，具体内容和结果如下： 设计合成了三个含有4 一羟基香豆素的化合物c i 、c 2 和c 3 利用荧光光谱 滴定技术详细地研究了它们对镁离子的选择性。实验结果表明c 1 ，c 2 和c 3 均 能实现对镁离子的特异性结合，与c l 和c 2 相比，引入了季铵盐的化合物c 3 具 有较好的水溶性，可在部分水存在的中性缓冲溶液中实现对镁离子的检测。向 c 3 的中性缓冲溶液中加入镁离子后，溶液的最大发射峰从5 8 2n m 蓝移到5 2 2 衄，相应的溶液荧光颜色从黄色变为绿色，荧光量子效率由原先的0 0 9 增加到 o 3 2 ，表观解离常数( k d ) 在微摩尔范围内，比已报道的系列镁离子探针( 其表 观解离常数为毫摩尔量级) 具有更高的灵敏度。而且，多种生物体的重要金属离 子( 如n a + 、k + 、c a 2 + 的存在均不会对m 9 2 + 的检测产生干扰。 设计合成了一个三元稀土配合物t b ( p m i p ) 3 ( p h c n ) 并研究了其对阴离子的 识别行为。在乙腈溶液中，加入三倍量的氟离子后，由于氟离子和稀土离子有较 强的键合能力，通过竞争配位作用将弱键合能力的中性配体p h c n 置换出配位 层，抑制了t b 的，d 4 能级( 2 0 4 0 0c m 1 ) 和p h c n ( 其三重态能级约为2 0 9 2 0c m - 1 ) 之间的能量回传，从而使其荧光发射增强。随着氟离子的继续加入，氟离子可进 一步取代p m i p ，破坏了p m i p 激发三重态向t b h 的能量传递而使其荧光减弱直 至淬灭加入醋酸根离子可以观察蔓 类似的现象，但c 广、b r - - i - 、c 1 0 4 - 等加 入不会对光谱产生明显的影响，可见，氟离子和醋酸根离子能够对配合物 t b ( p m i p ) 3 ( p h c n ) 的荧光进行调控。当把t b ( p m i p ) 3 ( p h c n ) 溶解在c h 3 c n h 2 0 ( 9 ：l ，v v ) 的混和溶剂中时，只有加入氟离子才能完全淬灭配合物的荧光，从 而实现氟离子的选择性检测，检测限低至1 0 8m o l - l 1 基于i c t 原理，设计合成了含有醛基的d x - a 结构的偶氮染料d m p a 和 d h p a 这两个分子具有典型的推拉电子结构，通过兀键桥( p h - n = n p h ) 发生 分子内的电核转移( i c t ) 。与d m p a 相比，引入了硝基( 拉电子基团) 的化合 物d h p a 的最大吸收峰值红移了5 0 n m ，表明硝基的引入增强了分子内电荷转移 的能力，并使其醛基的活性增加。在生理p h 条件下，d h p a 仍能实现对半胱氨 酸和高半胱氨酸的选择性识别，吸收峰蓝移4 0n i n 。溶液颜色从粉红色变为黄色， 而其它的天然氨基酸则不会发生这种现象。这是由于醛基能够和半胱氨酸或高半 基丁离子和氨基酸识别的光化学传感器的研究 胱氨酸发生反应生成五元噻唑环或六元噻嗪环，降低了体系i c t 能力，从而使它 们的吸收峰发生蓝移 设计合成了两个带有醛基的二芳基乙烯类化合物l 二( 2 一甲基- 5 一醛基- 3 一噻 吩基) 环戊烯( 1 ) 和l ，2 - 二( 2 甲基5 醛基- 3 噻吩基) 全氟环戊烯( 2 ) ，化合物1 光照前后对半胱氨酸和高半胱氨酸均没有响应，表明其醛基的活性不够高；而化 合物2 在开环态时，虽然能够对半胱氪酸和高半胱氨酸做出一定程度的响应，但 是光谱变化发生在紫外区，无法实现肉眼识别。当把化合物2 照到光稳态后( 即 开环态和闭环态的混合态) ，再加入半胱氨酸和高半胱氨酸，由于和醛基反应生 成了五元噻唑环和六元噻嗪环的缘故，使其吸收峰从6 1 7 蓝移到4 6 11 1 1 1 1 ，溶液 颜色相应的从蓝色变为黄色，从而实现了对半胱氨酸和高半胱氨酸的肉眼识别， 其它天然氨基酸的干扰性非常小与化合物i 相比，化合物2 无论在开环态还是 闭环态均可与c y s 或h e y 反应，表明在化合物2 中引入了六个氟原子增强了环 戊烯部位的拉电子能力，因而增强了醛基的活性因此，化合物2 在光稳态时可 以实现对半胱氨酸和高半胱氨酸的色度法识别。 关键词：荧光化学传感器，色度化学传感器，镁离子，氟离子，半胱氨酸，高半胱 氨酸 n a b s t r a g t a b s t r a c t f l u o r e s c e n ta n dc o l o r i m e t r i cc h e m o s e n s o r si ns e l e c t i v e l yr e c o g n i z i n gi o n sa n d m o l e c u l e sa r co fc u r r e n ti n t e r e s ti ns u p r a m o l e c u l a rc h e m i s t r y n 地a d v a n t a g e so f m o l e c u l a rf l u o r e s c e n c ef o rs e n s i n g 龇h i g hs e l e c t i v i t y , s e n s i t i v i t ya n ds i m p l i c i t y c o l o r i m e t r i cs e n s o r sa 地p o p u l a rd u et ot h e i rc a p a b i l i t yt od e t e c ta n a l y t eb yt h en a k e d e y ew i t h o u tr e s o r t i n gt oa n ye x p e n s i v ei n s t r u m e n t s i nt h i st h e s i s ，as e r i e so fn e w f l u o r e s c e n ta n dc o l o r i m e t r i cc h e m o s e n s o r sw e r es y n t h e s i z e da n di n v e s t i g a t e df o rt h e i r a p p l i c a t i o n si nt h ed e t e c t i o no f m a g n e s i u mc a t i o n ( m 矿+ ) ，f l u o r i d ea n i o n ( n ，c y s t e i n e ( c y s ) a n dh o m o c y s t e i n e ( h c ，) t h ed e t a i l sa r c a sf o l l o w s ： t h r e ef l u o r e s c e n tc o m p o u n d s ( c i ，c 2a n dc 3 ) b a s e do n4 - h y d r o x yc o u m a r i n 、怫d e s i g n e da n ds y n t h e s i z e dt or e c o g n i z em 矿mc o m p l e x a t i o nb e h a v i o ro f t h e s ec o m p o u n d sw i t hm a g n e s i u mi o n 、 f a si n v e s t i g a t e db ym e a d so fa b s o r p t i o na n d f l u o r e s c e n ts p e c t r a a l lo ft h e s e sf l u o r e s c e n tp o b e sc a l ls e l e c t i v e l yr e c o g l l i z e m a g n e s i u mi o n e s p e c i a l l y , t h es o l u b i l i t yo f c 3i nw a t e rw i t si n c r e a s e db yi n t r o d u c i n g a m m o n i u m u n d e rp h y s i o l o g i c a lp hc o n d i t i o n s ，t h ee m i s s i o nw a v e l e n g t hm a x i m u m o f c 3w a sb l u e s h i f t e df r o m5 8 2 脚t o5 2 2h i l la n dt h ef l u o r e s c e n tq u a n t u my i e l do f c 3w a si n c r e a s e df r o mo 0 9t oo 3 2 w h e nm d + w a sa d d e di n t ot h es o l u t i o no fc 3 m o r e o v e r , n oo b v i o u si n t e r f e r e n c ei ni t sf l u o r e s c e n c ee m i s s i o nw a so b s e r v e dw h e n p e r f o r m i n gt h et i t r a t i o n sw i t hm 矿i nt h em i x t u r eo fo t h e rb i o l o g i c a l l yi m p o r t a n t c a t i o n ss u c ha sn r k _ a n dc 酽+ t h e s ef a c t si n d i c a t e dah i g hs e l e c t i v i t yo fc 3i n s e n s i n gm r + 1 1 峙a p p a r e n td i s s o c i a t i o nc o n s t a n t ( k do fc 3i si nt h e 卢mr a n g e ， i n d i c a t i n gt h eh i g hs e n s i t i v i t yo f c 3i ns e n s i n gm g ” t h et e r b i u mc o m p l 强t b ( p m i p ) 3 ( p h c n ) w a sd e s i g n e da n ds y n t h e s i z e da sa r e a g e n tf o ra n i o n s t h et r i p l e te n j 酣g yl e v e lo fp h c ni sal i t t l eh i g h e rt h a nt h a to f m o f t b j + a n di o w e rt h a nt h a to f p m i p , w h i c hi n d u c e dab a c k e n e r g yt r a n s f e rf r o mn ， t 0p h c n w h e nt h r e ee x l m v a l e n t so fn u o r i d ea n i o n sw e r ea d d e di n t ot h ea c e t o m t r i l e s o l u t i o no ft b ( p m i p ) s ( p h c n ) ，p h c nc o u l db er e p l a c e db yf l u o r i d ea n i o n sa n dt h e a b o v e b a c k e n e r g y t r a n s f e rw a sp r o h i b i t e d 。w h i c hr e s u l t e di naf l u o r e s c e n c e e n h l a n c e m e n to ft h ec o m p l e x a t i e rn i n ee q u i v a l e n t so ff l u o r i d ea n i o n sw e r ea d d e d t h er e p l a c e m e n to fp m i pw i t hf l u o r i d ea n i o n sp r o h i b i t e dt h el i g a n dp m i ps e n s i t i z e d e n c l g yt r a n s f e ro f t h et e r b i u mc o m p l e x ，r e s a l t i n gi nt h ef l u o r e s c e n c eq u e n c h i n go f t h e s y s t e m s i m i l a rp h e n o m e n aw e l eo b s e r v e du p o na d d i t i o no fa c e t a t ei n t ot h es o l u t i o n o ft b ( p m i p ) 3 ( p h c n ) h o w e v e r , i nt h ea q u e o u ss o l u t i o n ( c h 3 c n h 2 0 ，9 ：1 ，v v ) ，t h e i i i 基于离子和氨基酸识别的光化学传感器的研究 t e r b i u mc o m p l e xs h o w sar e m a r k a b l es e l e c t i v i t yo ff l u o r i d ea n i o n so v e rt h eo t h e r a n i o n s c r 。s r - , f 。c i o f 。n 0 f ，n 0 2 - ) a sar e a g e n t ，t h es e n s i t i v i t yo f t b ( p m i p ) 3 ( p h c n ) i sa b o u t1 0 m o l l f o rt h ef l u o r i d ea n i o n s t w oa z oa y e sd m p aa n dd h p aw e r es y n t h e s i z e da n dc h a r a c t e r i z e da s c o l o r i m e t r i cp r o b e sf o rc y s t e i n e ( c y s ) a n dh o m o c y s t e i n e ( i - i c y ) u n d e rn e u t r a lp h c o n d i t i o n s ，t h er e c o g n i t i o no fd h p af o rc y sa n dh c yg a v eo b v i o u sc o l o rc h a n g e s 舶mp i n kt oy e l l o w , w h i c hw a sc l e a r l yv i s i b l et ot h en a k e de y e s m o r e o v e r , t h e c o m p e t i t i o ne x p e r i m e n t ss h o w e dt h e i n t e r f e r e n c ef r o mo t h e ra m i n oa c i d sw 酗 m i n i m a l t h en m rs p e c t r ai n d i c a t e dt h a tt h er e a c t i o no ft h ea z od y e sc o n t a i n i n ga n a l d e h y d eg r o u pw i t hc y s t e i n eo rh o m o c y s t e i n ea f f o r d e dv e r ys t a b l e 捌v a l i v e s t h i a z o l i d i n e so rt h i a z i n a n e s t h em e t h o di ss e l e c t i v ea n ds e n s i t i v ef o rc y s t e i n ea n d h o m o c y s t e i n ed e t e c t i o nw i t h o u tt h ei n t e r f e r e n c eo f o t b e ra m m oa c i d s i m p o r t a n t l y , t h e r e c o g n i t i o no f c y s t c i n ea n dh o m o c y s t e i n ec o u l db eo b s e r v e db yn a k e de y e s t w o d i a r y l e t h e n e sd e f i v a t i v 铭1 , 2 - b i s 2 - m e t h y l - 5 a l d e h y d e - 3 - t h i e n y l c y c l o - p e n t e n e ( 1 ) a n d1 , 2 - b i s 2 - m e t h y l - 5 - a l d e h y d e - 3 - t h i e n y l p e r f l u o r o c y c l o p e n t e n e ( 2 ) 惴s u c c e s s f u l l ys y n t h e s i z e da n de x h i b i t e dp h o t o c h r o m i cp r o p e r t y u p o na d d i t i o no f c y s t e i n eo rh o m o c y s t c i n e ，n oo b v i o u sp h e n o m e n o nw a so b s e r v e di no p e no rc l o s e d i s o m e ro f1 ，i n d i c a t i n gi n a c t i v i t yo fa l d e h y d ei n1 h o w l e r , o b v i o u sn e w a b s o r p t i o n p e a k sa p p e a r e df o ro p e no rc l o s e di s o m e ro f2w i t hs i xf l u o r i n eg r o u p sw h e nc y s t e i n e 0 1 h o m o c y s t e i n ew e a d d e d e s p e c i a l l y , t h ea b s o r p t i o nm a x i m u mo f2i n t h e p h o t o s t a t i o n a r ys t a t ew a sb l u c - s h i f l e df r o m6 1 7t o4 6 1 衄u p o na d d i t i o no fc y s t e i n e o rh o m o c y s t e i n e t h er e a c t i o nm e c h a n i s mi sa t t r i b u t e dt ot h es p e c i a lr e a c t i o nb e t w e e n a l d e h y d ea n dc y s t e i n eo rh o m o c y s t e i n e t h ec o m p e t i t i o ne x p e r i m e n t ss h o w e dt h e i n t e r f e r e n c ef i - o mo t h e ra m i n oa c i d sw a sm i n i m a i i n d i c a t e dah j 【g hs e l e c t i v i t yo f2i n s e n s i n gc y sa n dh e y k e y w o r d s ：f l u o r e s c e n tc h e m o s e n s o r , c o l o r i m c t r i cc h e m o s c n s o r , m a g n e s i u mi o n ， f l u o r i d ea n i o n , c y s t e i n ea n dh o m o c y s t e i n e 论文独创性声明 本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。论文中除 了特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或其它机构已经发表或撰写过的 研究成果。其他同志对本研究的启发和所做的贡献均己在论文中作了明确的声明 并表示了谢意。 作者签名： e t 期： 论文使用授权声明 本人完全了解复旦大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅：学校可以公布论文的全部或部分内 容，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。保密的论文在解密后遵守此 规定。 作者签名：导师签名： 日期： 第一章研究背景 第一章研究背景 1 1 概还 分子识别是超分子体系三大基本功能之一分子识别是指分子之间( 主体与 客体或称之为受体与底物) 靠非共价键力的选择性结合并产生某种特定功能的过 程，因此，单纯的结合不是识别，识别是有目标的结合，它是通过一系列结构确 定的分子间相互作用而组成的模式识别过程。i i 】分子识别意味着敏感器对分子 的捕获和人对捕获信息的读出，分子的捕获必须有着物质的空间和彼此相互作用 力的互补，如静电引力、电荷一偶极、偶极一偶极作用、氢键以及范德华力分 子信息的读出则是分子器件所固有的某些性质，如电、光、磁等因识别相互作用 而引起变化的检出。在过去曾涉及的分子识别中信息的读出常用电、磁等性质一 如氧化还原电位、核磁共振由于光信号的许多优点，近年来用光信号作为分子 识别信息读出的方法得到了极大的重视和发展，特别是荧光的高灵敏度和荧光反 应良好的选择性，荧光分析法及荧光检测已经成为了现代分析化学中的一类重要 的方法。特别是随着近十几年来激光、微处理机和电子学等一些新的科学技术的 引入和飞速发展，极大地推动了荧光分析法的应用，并且加速了各式各样新型荧 光分析仪器的问世。使荧光分析法朝着高效、准确、痕量、微观和自动化的方向 发展，因此出现了一个新的领域荧光分子探针。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、对亚微粒具有可视的亚纳米 空间分辨能力和亚毫秒时间分辨能力、原位检测( 荧光成像技术) 以及利用光纤 进行远距离检测等等。闭目前，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，成为了一个世晃性的研究课题。嘲 识别部分 订o o 口 口o 连接体 = j 发色体部分 - h v j 一e 一 兴o f 图1 1 荧光化学传感器的一般原理 信号的输出 一个具有实用价值的荧光化学传感器1 4 】可简单地分为如下三个部分：( 1 ) 基于离子和氨基酸识别的光化学传感器的研究 外来客体分子的按纳和识别部分( r e c e p t o r ) ，用以结合客体，( 2 ) 发色体部分 ( c h r o m o p h o r e ) 即光信号的产生单元，( 3 ) 连接体部分( s p a c e r ) ，用以将接受 体和发色体结合起来。一个识别过程就是通过受体结合被识别分子读取分子信 息。再通过连接体将信息传输到荧光团转换成光学信号在这些组分中，接受体 和发色体起着首要作用，接受体决定了识别的选择性、专一性，发色体则决定敏 感器识别事件的灵敏度，而连接体部分往往可起到分子识别的枢纽作用评价一 个荧光分子探针的性能主要是两个方面：分子识别的灵敏度和选择性、荧光信号 的实时原位性，而这两方面则分别取决于识别基团、荧光信号传递机制和荧光团 本身的性质( 图1 1 ) 。 此外，作为光化学传感器中的一种，色度法由于不用借助于任何昂贵的仪器 设备可直接用肉眼识别在近年来也得到了广泛的发展 1 2 化学传感器的一般设计原理同 1 2 1 键合部位一信号单元法 蕾号黄光棒灭安皙强色壹化 童号单元 t 舍晕在董号革宠羹合馨位 图1 2 键合部位一信号单元化学传感器 该类化学传感器应用非常广泛，从图l 。2 中我们可以看到，信号单元可以有 不同的响应方式，既可以是荧光性质的变化( 荧光化学传癌器) 也可以是颜色的 变化( 生色化学传感器) 。旧信号单元起到信息传输的作用，它把分子水平上发 生的化学信息转换成能够为人感知( 颜色变化) 或仪器检测的信号( 这里主要是 荧光) ，其它类型的信号( 如核磁、电化学等) 在这里不傲讨论。 1 2 2 取代法 o 一臣+ 豢 指示剂 图1 3 取代法化学传感器 2 臣| | 第一章研究背景 该法也使用键合部位一信号单元。所不同的是信号单元不是通过共价键连接 而是形成配合物。因此，当目标分子或离子加入到该溶液中后，将会发生取代反 应，键合位置将会和目标分子或离子配位而信号单元重新回到溶液中恢复到原先 没有配位的波谱状态( 图1 3 ) 1 2 3 化学计量法 口 l - i + o+ o m 一酬_ + o 图1 4 化学计量法 化学计量法包括一些特殊的不可逆的化学反应。图1 4 列出了化学计量法的 两个例子：一个是目标离子和化学计量分子发生化学反应后仍旧通过共价键相连 接：另一个是目标离子催化了一个化学反应。在这些例子中，只有反应前后的波 谱特征是不同的才能够实现对目标离子检测的目的 1 3 荧光化学传感器的一般传感原理 1 3 1 光致电子转移( p 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 ) 光致电子转移是指电子给体或者电子受体首先受光激发，激发态的电子给体 与电子受体之间或者电子给体与激发态的电子受体之问的电子转移效应。典型的 p e t 体系是由具有客体结合位点的受体部分( r e c e p t o r ) 和发光基团( f l u o r o p h o r e ) 通过适当的连接臂( s p a c e r ) 结合而成，其中发光团的功能是光吸收和荧光信号 的发射，并且使它的荧光发射强度与识别基团的结合状态相关：识别基团的功能 是结合客体并将结合信息传递给荧光团：这两部分被连接基团相连成一个分子并 且使识别信息有效地转化为荧光变化。 7 1p e t 荧光分子探针中，荧光团与受体单 元之间存在着光诱导电子转移，能够淬灭荧光，因此，在未结合客体之前，探针 分子不发射荧光或荧光很弱，一旦受体与客体结合，光诱导电子转移作用受到抑 制，甚至被完全阻断，荧光团就会发射荧光。 p e t 荧光分子传感器的具体工作过程如下：激发荧光团，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 团的淬灭；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 被减弱或不再发生，使荧光团的荧光发射增强。因此在未结合客体之前，传感器 基于离子和氨基酸识别的光化学传感器的研究 分子不发射荧光，或荧光很弱一旦受体与客体相结合，荧光团就会发射荧光( 图 1 5 ) 1 2 1 p e t 机理导致荧光淬灭的作用机制可由前线轨道理论来进一步说明( 图 1 6 ) ，当有一个分子轨道的能量居于荧光团的h o m o 和l l i m o 轨道能量之间时， 假若这个轨道是满的，在该轨道和荧光团的h o m o 轨道之问将会发生p e t 过程， 接着发生从荧光团的l u m o 轨道到外部轨道的电子转移重新回到基态，遵循 非辐射的路径荧光被淬灭了( 图1 6 ，左) 若外部是空轨道的话也会发生相似的 过程，荧光同样被淬灭( 图1 6 ，右) 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，这类荧光化学传感器又被称为荧光分子开关。【s l k 譬一：，r 。t ! t m a , r 习 芦孓1 i e u 。l 一* 图1 5 荧光“开”和。关”状态下的发色团一受体体系及相应的前线轨道 图1 6p e t 机制的前线轨道理论示意图 已报道的p e t 荧光开关分子中，多数都是以脂肪胺、芳胺及其衍生物作为 4 i 旦外 h 牛旦7 一 一 猡一 一牛 啪 爿： 牛 矿星 一 猡廿 一牛 啪 一 第一章研究背景 识别基团，同时作为p e t 的电子给体( 荧光淬灭基团) ；荧光团和识别基团之间 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 的研究小组利用多种荧光团。设计大量的p e t 荧光化学传感 器，用于氢离子、碱金属及碱土金属离子等的识别，并将荧光化学传感器分子作 为分子逻辑门器件 9 1 化合物l 【1 0 l 和2 【1 1 1 均是基于p e t 原理的氢离子探针，不同的是一个是脂肪 胺，而另一个是芳香胺一般情况下，脂肪胺比芳香胺碱性强，作为氢离子传感 器识别基，荧光突变通常在中性到碱性范围内；如果作为离子识别基团，传感器 适用的p h 值范围较窄。在芳香胺和脂肪胺上连接适当的吸电子基团( 过强的吸 电子基团将使氨基失去对荧光团的淬灭能力和或与客体的结合能力) 作为识别 基团可用于设计荧光突变在中性到酸性范围内的氢离子探针；如果作为离子识别 基团，传感器可适用的p h 值范围相对宽一些 1 234 图1 7 化合物l 、2 、3 和4 的结构式 化合物3 是一个在缓冲溶液中的镉离子探针。该探针对锌离子也有响应，但 两种荧光信号不相同，互不干扰。【l2 】而化合物4 同时具有两个不同的识别基团， 分别识别氢离子( 吗啉基) 和钠离子( 苯并冠醚基) ，只有当它们都存在时探针 的荧光才能够亮，它是氢离子和钠离子的“与”逻辑门分子。f 1 3 】 大多数阳离子的p e t 荧光分子传感器的设计是基于受体与客体的结合，使 p e t 过程受到抑制，使荧光团发射出强荧光的原理设计的，若p e t 荧光分子传 感器用于识别阴离子，荧光团发射出的荧光将会减弱或淬灭。最近g u n n l a u g s s o n 等人报道了识别氟离子的p e t 荧光化学传感器s ，通过其识别基团一硫脲与氟离 子的结合淬灭了荧光信号发射基团一葸的荧光。【h 1 在5 的基础上，他们又设计 了与5 具有相同的荧光团和识别基团的p e t 型荧光传感器6 ，由于两个识别基团 被信号基团隔开处于蒽的两端，因而这种独特的空间结构能与一些二羧酸的空间 构型具有良好的互补性并能产生显著的传感效果悯 每岛 (-m 9芷r函 基于离子和氨基酸识别的光化学传感器的研究 羹蒜一5 678 9 图1 8 化合物5 、6 、7 、8 、猡9 的结构式 p e t 探针不仅可以识别阴阳离子，而且还可用于中性分子的识别。n a g a n o 等设计了识别n o 的p e t 荧光分子探针化合物7 荧光量子产率是0 0 0 2 ，这是 由于光激发后，电子从氨基转移到吡咯环，荧光淬灭当化合物7 和n o 反应后， 光诱导电子转移不能发生，荧光恢复，产物的荧光量子产率达到0 7 4 。【1 6 l 利用 相同的原理，化合物8 和9 也实现了对n o 的选择性识别，与化合物7 不同的是， 它们的发光在近红外区。u 7 1 1 3 2 荧光共振能量转移( f r e tf 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 ) i i 1 f r 盯 4 0 05 f l o咖瑚 i ，n m 图1 9f r e t 的过程：激发后，处于激发态的给体分子把能量非辐射的传递给临 近的相距为，的受体分子，然后受体通过荧光或非辐射的方式释放能量。该图显 示了最通常使用的f 砌t 的吸收和发射图：荧光素作为给体，罗丹明作为受体。 t 1 9 14 8 0 啪的光可以有效的激发荧光索，其发射在5 2 0n n l 。在5 0 0 6 0 0n f n 之间 荧光素的发射和罗丹明的吸收存在一定程度的重叠，f o r s t e r 距离j 为5 5a 。在 6 第一章研究背景 5 0 0n m 以下激发荧光素，通过f r e t 过程，罗丹明将会在大于6 0 0n m 处发射荧 光。图中的吸收光谱和荧光光谱均被归一化了 荧光共振能量转移( 简称f r e t ) 是指一个处于激发态的给体( e n e r g yd o n o r ) 发色团通过长距离的偶极一偶极相互作用把能量无辐射地转移给它附近的基态受 体( e n e r g ya c c e p t o r ) 分子的过程( 图1 9 ) 1 2 0 受体必须能够在给体的发射波长 处吸收能量，但不必非要传递荧光本身的能量( 如d a r kq u e n c h i n g ) 。能量转移效 率与很多因素有关，如光谱重叠的程度、跃迁偶极的相对方向，最重要的是给 体和受体之问的距离。只有当给体的发射光谱与受体的吸收光谱有明显的重叠时 f r e t 才能发生当能量给体荧光团d 与能量受体荧光团a 相隔的距离大于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 的吸收光谱能有效重叠，就可能发生从d 到a 的非辐 射能量转移，又称为长距离能量转移( 甚至相距远达7 0 - 1 0 0 a ) 【2 i 】实际上d a 发生能量转移两者除了光谱重叠外，还必须以适当的方式排列。a 可以是荧光 团，也可以是荧光淬灭团。前一种情形，激发d 时，由于能量转移，将观察到a 的荧光发射。而后一种情形，则只能观察到d 的荧光变化这种能量转移过程 的发生取决于给体发射光谱与受体的吸收光谱两者重叠的程度。利用f r e t 效率 的强的距离依赖性，f r e t 己被广泛应用于蛋白质和核酸的结构及动力学研究、 分子结合的测定等领域。瞄】 通常情况下，利用f r e t 原理来检测离子比单纯的用非辐射淬灭法更为有 效如图1 1 0 所示，向化合物l o 的溶液中加入j 心+ 后，用3 5 0r i m 的光激发， 通过f r e t 过程，在4 9 0 n m 处发射出香豆素3 4 3 的光，强度增强了7 倍，a l ”的 检测限低至5 0n m ，其它的离子干扰较小。若用香豆素3 4 3 的激发波长4 4 5r i m 激发则不会引起光谱的变化。嗍 图1 1 0 化合物1 0 的结构式及f r e t 示意图 7 挚鼢 基于离子和氨基酸识别的光化学传感器的研究 在化合物1 1 中，硼酸盐保护的荧光素以闭环、无色、非荧光的内酯的形式 存在，香豆素的发射和荧光素的吸收之间重叠较小，f r e t 过程被抑制了，用香 豆素的激发波长激发只能看到蓝色香豆素的荧光一旦和h 2 0 2 反应后，生成了 开环、有颜色、发荧光的荧光素，此时受体在香豆素的发射区有强的吸收，用香 豆素的激发波长激发，通过f r e t 过程，受体发射出强的绿色荧光。该体系能够 实现对h 2 0 2 的选择性识别。唧1 图1 1 1 化合物l l 的结构式及检测h 2 0 2 的示意图 1 3 3 激基缔，复合物( e x e i m e r e x c i p l e x ) 如果两个相同的荧光团，如多环芳烃萘、葸和芘等连接到一个受体分子的合 适位置时。其中一个发色团( 单体) 被激发后会和另一个处于基态的荧光团形成 分子内激基缔合物。其荧光发射光谱表现为单体的发射峰减弱或消失，代之而起 的是一个新的、强而宽的、长波长的、无精细结构发射峰如果这两个分子是不 同的，则称之为激基复合物( e x c i p l e x ) 。1 2 ，i 由于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 一3 5 a ，因此荧光团间的距离是激基缔合物形成和破坏的关键。所以利用各种分 子问作用力改变两个荧光团之间的距离，如用结合客体前后单体、激基缔7 复合 物的荧光光谱变化表达客体被识别的信息。萘、芘、葸等荧光团由于具有较长的 激发单线态寿命，易形成激基缔复合物，常常被用于此类探针中。 向化合物1 2 中逐渐加入f 一，3 6 0n m 的荧光峰逐渐降低，同时在4 5 5n m 处 出现了新的宽峰，该峰是由于在萘氧基和安替比林之间形成激基复合物的缘故。 具体过程见图1 1 2 1 2 6 l 利用该性质能够实现对r 的选择性识别。 第一章研究背景 h + f 图1 ，1 2 化合物1 2 和f - 形成激基复合物的示意图 向化合物1 3 中加入c a 2 + 后。出现了激基缔合物的发射，对c a ，有很好的 选择性( z t l 化合物1 4 是非常好的c i - 化学传感器，加入c i - 后，4 5 2 衄处激基 缔合物的荧光被淬灭了随之在3 9 8l l m 处出现了单体的发射，其它常见的阴离 子均没有干扰，从而实现了对c i 一的选择性识别。【2 町 1 3 ：= 塾喜! 冷 1 4 图1 1 3 化合物1 3 和1 4 的结构式 由上可见：因外来物种的引入导致激基缔复合物构型的形成或破坏，而使 激基缔复合物的荧光增强或消失。这就可用作为检测外来物种是否已被传感器 分子捕获或识别的信息标志，而构型的变化则是此类信息产生的原因 1 3 4 分子内电荷转移o c ti 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 ) 这一原理也称为光致电荷转移( p c tp h o t o - i n d u c e dc h a r g et r a n s f e r ) 。含杂原 子的丌电子体系，在基态和最低能量单重激发态之间的偶极不同，所以容易发生 i c t 过程。当识别基团与客体结合时会对荧光团的推一拉电子作用产生影响( 减 弱或加强电核转移) ，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，l c t 荧光探针对荧光强度的影响不像p e t 荧光探针显著。典型例子是 同时含有吸、推电子取代基的电子体系，如氨基邻苯二甲酰亚胺、二苯基烯、氟 代香豆素等。 2 9 】无论这些分子是处于基态或激发态，它们的分子都表现为极化 9 塑 等 屹 基于离子和氨基酸识别的光化学传感器的研究 结构，一端偏正，而另一端偏负，这类化合物的分子内存在“推电子”和“拉电 子”两个部分。 分子内电荷转移( i c t ) 分子对外部环境的变化十分敏感，量子产率随着环 境疏水性的增加而增加，荧光光谱也会产生较大的变化1 3 0 1 利用这一性质， s u z u k i 等合成了化合物1 5 实现了对蛋白质的选择性识别叫j 向化合物1 6 中加入h 矿后，i c t 被抑制了，因而i c t 发射峰被淬灭而蒽 的l e 峰几乎不受影响，加入其它的离子则没有这种现象，从而实现了对h 矿的 选择性识别。倒同样利用i c t 机理，化合物1 7 成功实现了对c u 2 + 的选择性识 别，使其荧光光谱从5 2 5i r a l 蓝移到4 7 5n m 。 3 3 1 s ， 厂 s j l n 厂、 i只 0 8 v 弋_ 尸 s 1 6 图1 1 4 化合物1 5 、1 6 和1 7 的结构式 1 7 扭曲的分子内电荷转移( t i c tt w i s t e di n t r a m o l e c u l a rt r a n s f e r ) 是i c t 态的一 种特殊情况。在具有推一拉电子共轭体系的荧光分子中如果推电子基( 如二甲 氨基) 是通过可旋转的单键与荧光团相连，当荧光团被光子激发时，由于强烈的 分子内光致电荷转移，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。1 r i c t 态 常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 化合物1 8 是典型的能够同时发射t i c t 和i c t 荧光的荧光分子探针，例以 该化合物为母体的衍生物被广泛的应用于t i c t 双荧光现象的各种研究中。【3 5 】化 合物1 9 也表现为双重荧光，m 1 分子中单键的旋转与分子所在的微环境极性、黏 度、温度等因素密切相关，因此这类探针经常被用于微环境黏度、极性的检测， 还用于表面活性剂在溶液中的聚集状态、生物大分子的折叠情况检测。化台物 加表现为双重荧光，i 】”短波发射带为局部激发态发生的，