（分析化学专业论文）微量水及羟基化有机锡的荧光传感设计.pdf

中文摘要 摘要 在化学、生物学以及材料科学中，许多重要的作用过程都是在一个极其微 观的系统中发生的。作为一种探索微观体系的重要工具，光学分子传感器可以 将一些微妙的分子过程转换成可视化的信号，从而直观揭示微观系统中相关的 化学或生物活动。由于荧光技术的无创、可实现在体实时监测的特点，在生命 科学的高端研究领域具有无可替代的优点，荧光分子传感器不断受到重视和发 展。在已有的分子传感设计经验的基础上，本文重点在传感机理方面进行创新， 开展一些目前研究相对较少的环境及生理物种的荧光传感研究。本论文共分四 章，分别包括以下内容： 第一章为绪论。首先简要介绍了荧光分子传感的基本概念；随后，重点对有 机溶剂中微量水分及毒性过渡金属的荧光传感研究的进展进行综述；最后，对这 些相关研究进行分析总结，结合本实验室的实验条件和工作基础，提出本论文的 研究设想。 第二章为非质子性溶剂中微量水的荧光传感研究。本章中我们将一种特殊 的荧光体_ p b 4 b r l l 3 团簇用于非质子性溶剂中的荧光传感。p b 4 b r l l 3 团簇的发 光对其周围的溶剂层的性质极为敏感，而其溶剂层的性质又与水分的存在密切 相关。实验发现，随着体系中水分的增加，荧光团簇溶液的发光强度呈梯度下 降并伴随着激发波长的蓝移，其s t o k e s 位移值与水含量之间具有良好的线性关 系。这种新颖的基于s t o k e s 位移的“荧光尺 定量模式非常适用于非质子性有 机溶剂中微量水的便捷分析。 第三章为羟基化有机锡的荧光传感研究。本章介绍了一种可用于水溶液中 羟基化有机锡的高选择性检测的荧光分子探针。在受体设计中，我们把邻羟基 西夫碱和硼酸基团融合在一起，利用前者对有机锡的络合作用和后者对多羟基 物种的强结合能力实现对目标物的协同识别。实验发现，在生理p h 条件下， 探针对羟基化有机锡有高选择性的荧光增强响应。据此，我们建立了首例羟基 化金属的荧光分子传感器。 中文摘要 第四章主要把本人硕士阶段未完成的工作- 氨基酸的荧光手性识别研究 的初探进行简单地介绍。 关键词：微量水有机锡荧光传感 a b s t r a c t a b s t r a c t m a n yi m p o r t a n tp r o c e s s e sc o n c e r n e di nc h e m i s t r y , b i o l o g ya n dm a t e r i a ls c i e n c e u s u a l l y o c c u ri nm i c r os y s t e m s a sas t r o n gt o o lf o re x p l o r i n gt h e s es y s t e m s ， f l u o r e s c e n tc h e m o s e n s o r s ( f c s s ) c o n v e r tt h es u b t l em o l e c u l a ri n t e r a c t i o n so r p r o c e s s e st ov i s i b l es i g n a l s ，m a k i n gt h ev i v i do u t p u to ft h ec h e m i c a lo rb i o l o g i c a l i n f o r m a t i o ni nt h ee x p l o r e ds y s t e m sa v a i l a b l et ot h er e s e a r c h e r s f l u o r e s c e n c ei s h i g h l ya p p l i c a b l et oa d v a n c e dr e s e a r c h e si nl i f es c i e n c e ss i n c ei t i sh u r t l e s st o o r g a n i s m sa n dc a nb em e a s u r e di n r e a lt i m ea n d o rr e a ls p a c e t h e r e f o r e ，f c si s a t t r a c t i n gm u c hc u r r e n tr e s e a r c h i n t e r e s t o nt h eb a s i so fo u rp r e v i o u sw o r k s c o n c e r n i n go p t i c a lc h e m o s e n s o r s ，t h i sd i s s e r t a t i o ni sa i m e da td e v e l o p i n gf c s sf o r s o m ee n v i r o n m e n t a la n db i o l o g i c a ls p e c i e si m p o r t a n ty e tl e s sr e p o r t e d m e a n w h i l e ， n o v e ls e n s i n gm e c h a n i s m sa r ee m p h a s i z e di no u rr e s e a r c h e s t h i sd i s s e r t a t i o n c o n s i s t so ff o u rc h a p t e r ss u m m a r i z e da sf o l l o w s ： i nc h a p t e r1 ，ag e n e r a li n t r o d u c t i o nt of c s sw a sp r e s e n t e d e m p h a s i sw a sp a i d o nt h ed e v e l o p m e n t so ff c s sf o rm i c r ow a t e rc o n t e n ti no r g a n i cs o l v e n t sa n dt o x i c t r a n s i t i o nm e t a lc a t i o n s b a s e do nt h ea n a l y s i so ft h er e l a t i v el i t e r a t u r e s ，t h eo b j e c t i v e o ft h i sd i s s e r t a t i o nw a s p r o p o s e d i nc h a p t e r2 ，w ed e s c r i b e dan o v e lf l u o r e s c e n tp r o b ef o rm i c r ow a t e rc o n t e n ti n a p r o t i co r g a n i cs o l v e n t sb a s e do np b 4 b r li j 。c l u s t e r s t h ei n d i c a t o rf l u o r o p h o r ee x i s t s i nas p e c i a ll o c a le n v i r o n m e n tw h i c hi sh i s h l ys e n s i t i v ea n da c c e s s i b l et ow a t e r a l i n e a rd e c r e a s eo ff l u o r e s c e n c ei n t e n s i t ya n ds y n c h r o n o u sb l u es h i f to ft h ee x c i t a t i o n b a n dw e r eo b s e r v e d 谢t hi n c r e a s i n gw a t e rc o n t e n t m e a n w h i l e ，t h e r ew a sa ls oa g o o dl i n e a r i t yb e t w e e nt h es t o k e s s h i f tv a l u e ( s s v ) a n dt h ew a t e rc o n c e n t r a t i o n t h en e ww a t e r - s e n s i n gm e c h a n is ma n ds s v - b a s e ds i g n a l i n gm o d em a k et h e d e v e l o p e dp r o b eg r e a t l ys u i t a b l ef o ra p p l i c a t i o n si nr o u t i n ea n a l y t i c a lp r o c e s s e s i n c h a p t e r3 ，as p e c i f i cf c sf o rh y d r o x y l a t e do r g a n o t i n s ( n o t s ) w a s m a b s t r a c t d e v e l o p e d as i m p l es c h i f fb a s ef l u o r o p h o r ew a sf o u n dt os h o wah i g h l ys e l e c t i v e f l u o r e s c e n c er e s p o n s et oh o t si na q u e o u ss o l u t i o n t h en e wr e c e p t o rn i c e l y c o m b i n e st h eb i n d i n gc h a r a c t e ro fa l lo h y d r o x y ls c h i f fb a s ef o rt h et r a n s i t i o nm e t a l a n db o r o n i ca c i df o rt h ev i c i n a ld i 0 1 a d d i t i o no fh o t si n d u c e das e n s i t i v e f l u o r e s c e n c ee n h a n c e m e n to ft h er e c e p t o ra tp h y s i o l o g i c a lp h t h i si st h ef i r s tr e p o r t o faf l u o r e s c e n tr e c e p t o rf o rh y d r o x y l a t e dm e t a ls p e c i e s i nc h a p t e r4 ，s o m eo ft h ep r i m a r ye x p e r i m e n t s0 nc h i r a lr e c o g n i t i o no fa m i n o a c i d sw i t ho p t i c a lp r o b e sw e r es u m m a r i z e d k e y w o r d s ：m i c r ow a t e rc o n t e n t ；o r g a n o t i n s ；f l u o r e s c e n c e ；s e n s o r i v 附录 论文涉及的符号、缩略语和分子结构 f c s ：f l u o r e s c e n tc h e m o s e n s o r s ，荧光分子传感器 s s v ：s t o k e s s h i f tv a l u e ，斯托克斯位移值 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 ，光诱导电子转移 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 f r e t ：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 d m s o ：d i m e t h y ls u l f o x i d e ，二甲亚砜 d m f ：n ，n d i m e t h y l f o r m a m i d e ，n ，n 二甲基甲酰胺 t r i s ：1 ，l ，l t r i h y d r o x y m e t h y l p r o p a n e ，三羟甲基氨基甲烷 h o t ：h y d r o x y l a t e do r g a n o t i n ，羟基化有机锡 t o f m s ：t i m eo f f l i g h t m a s ss p e c t r u m ，飞行时间质谱 f t - i r ：f o u r i e rt r a n s f o r mi n f r a r e d ( s p e c t r o s c o p y ) ，傅里叶变换红外光谱 n m r ：n u c l e a rm a g n e t i cr e s o n a n c e ，核磁共振 x p s ：x r a yp h o t o e l e c t r o ns p e c t r o s c o p y ，x - 射线光电子能谱 h o d h p b a 5 7 d h a 厦门大学学位论文原创性声明 本人呈交的学位论文是本人在导师指导下，独立完成的研究成 果。本人在论文写作中参考其他个人或集体己经发表的研究成果，均 在文中以适当方式明确标明，并符合法律规范和厦门大学研究生学 术活动规范( 试行) 。 另外，该学位论文为( 专千壁裥 ) 课题( 组) 的研究成果，获得( 拜金俞闷 ) 课题( 组) 经费或实验室的 资助，在( 啼釜镧 ) 实验室完成。( 请在以上括号内填写课 题或课题组负责人或实验室名称，未有此项声明内容的，可以不作特 别声明。) 声明人( 签名) ：溥诉望量 训1 年6 只f db 厦门大学学位论文著作权使用声明 本人同意厦门大学根据中华人民共和国学位条例暂行实施办 法等规定保留和使用此学位论文，并向主管部门或其指定机构送交 学位论文( 包括纸质版和电子版) ，允许学位论文进入厦门大学图书 馆及其数据库被查阅、借阅。本人同意厦门大学将学位论文加入全国 博士、硕士学位论文共建单位数据库进行检索，将学位论文的标题和 摘要汇编出版，采用影印、缩印或者其它方式合理复制学位论文。 本学位论文属于： ( 于年 ) 1 经厦门大学保密委员会审查核定的保密学位论文， 月日解密，解密后适用上述授权。 ( v ) 2 不保密，适用上述授权。 ( 请在以上相应括号内打“”或填上相应内容。保密学位论文 应是已经厦门大学保密委员会审定过的学位论文，未经厦门大学保密 委员会审定的学位论文均为公开学位论文。此声明栏不填写的，默认 为公开学位论文，均适用上述授权。) 声明人： 滔，砩乡生 7 年6 月f p 日 第一章绪论：荧光分子传感器研究进展 第一章绪论：荧光分子传感器研究进展 第一节荧光分子传感器概述 在生命科学、信息科学、材料科学和环境科学这所谓的四大学科领域的发 展过程中，分析化学所体现出的不可或缺的作用和地位是毋庸置疑的。在经历 了三次重大变革以后，分析化学已进入分析科学时代。综合交叉的分离分析技 术的提出、大型智能化测试仪器的开发研制以及数据库平台的建立与完善使分 析化学不断得到拓展，解决了一个又一个实际难题，成为推动科学技术发展的 强有力的武器。尽管如此，当代所引领的科学领域仍迫切地要求分析化学发展 各种新的测量和表征手段以解决其疑难问题。尤其是作为本世纪科学发展的中 心和主导科学生命科学，其每一项重大研究项目的开展都需要先进的分析 技术予以辅佐，而每一项重大科研成果的发表也都需要准确的分析技术予以验 证。由于生理体系非常复杂，除了要求高灵敏、高选择外，其分析检测还希望 达到活体、原位以及信息动态化，这就使得分析化学家不得不面对这样一个问 题如何将分析系统“温和 地搬进生命微观系统中进行检测。以光学信号 进行响应的分子传感，被认为是一种可行且十分有效的探测途径。相较其它传 感形式而言，荧光具有高灵敏、对生命体损伤小、可实时检测和远程传输等优 越性，因此荧光分子传感器逐渐得到分析科学家们的认可并大力发展。 传统上的荧光分子传感器一般包括两个亚单元：识别单元及信号单元。识 别单元可当作是一个目标信息的接收站，而信号单元则是信息的转换兼发送站。 两者可以通过联接臂联接，也可以直接相连在同一共轭体系当中。当目标物与 识别基团结合时，诱导受体的物理或化学性质发生改变，并将这种改变转换为 可检测的宏观信号( 如光谱移动、荧光猝灭或增强等) ，便可实现对目标物的传 感。在信息转换方面，所涉及的机理有很多，如电子转移、电荷转移、能量转 移、激基缔复合物的形成或消失等，具体涉及到哪个机理主要取决于信号单元 的光物理性质。 应当指出的是识别单元与信号单元并无截然的区分，有时信号单元亦可参 与识别过程，因此，识别的选择性常源自整个分子结构，在对受体分子进行设 1 第一章绪论：荧光分子传感嚣研究进展 计时就要求它满足和有关底物在立体化学( 如球形、四面体形、线性等) 和电 子特性( 荷电或中性) 上互补性，同时还要考虑在结合时分子刚性和柔性间的 合理平衡。除了传统的共价键力，些非共价键的分子间作用力( 如范德华力、 氢键力、离子键力、a 呱堆积力和疏水作用力等) 在分子识别中的所起的协 同作用的重要性也得到越来越多的关注，这种作用我们可称为超分子作用 “圳。超分子作用是一种具有分子识别能力的分子间相互作用，其在生命过 程的调控中具有很大的贡献，例如d n a 和r n a 的合成、基于免疫功能的 抗体与抗原的识别等都是在超分子作用下准确完成的。如今超分子化学 己逐渐发展成为一门新兴的分子信息化学，同时也引起分析化学家的关 注，超分子化学的概念必然会更好地结合到分子传感器的研究中，为其发 展注入新的活力。 叵亟亟亟画亘亟垂亟匦 i n t e r g r a t e d s i g n a l i n gm o i e t yr e c o g n i t i o nm o i 嘶 n ” 【而露鐾1 一i 盔美錾划 l q 咖q n t u my i e k l 砷m 日 a 帕l y t ec o e t r c 4 耐l i g a n dt o p o k h w p l l o t d n d u c e d d s 幡： w “e m n h l t o r t u r e r c h a m c t s e i 忙s t i c s r 吖_ _ _ - _ _ r 玎a 口s e h , e n t - 州 f o n m u o e * _ “_ n 咐o c 曲- - g m 口口 匝画亚亟圃 f i g u r e l 1s e n s i n g m e c h a n i s mo f f l u o r e s c e n t m o i n c u a l r c h e m s e o 第一章绪论：荧光分子传感器研究进展 第二节微量水的荧光传感研究进展 水是一种结构简单的无机小分子，一些传统的分子传感器的设计思路很难 应用在水的荧光传感体系里。目前已报道的利用荧光分子对水进行传感测定的 工作大都是基于氢键作用、分子聚集解聚及水解反应等机制，此外也有通过响 应混合溶剂体系的极性或p h 变化来间接实现对水分传感的报道；在信号输出 方面，可用于定量的除了传统的荧光强度以外，还有波长和荧光寿命等，以下 将分别进行阐述。 1 2 1 氢键作用机制 激发态质子转移( e x c i t e d s t a t ep r o t o nt r a n s f e r , e s p t ) 是一种常见的荧光 猝灭机制。水是一种质子性溶剂，在溶液中，水分子易与一些化合物上的杂原 子形成分子间氢键，当这些化合物被激发后就可能发生分子间的质子转移，进 而引起该化合物荧光猝灭。e l i s a b e t hb a r d e z 等【4 】系统研究了8 羟基喹啉在有机 溶剂中的发光过程，指出：由于容易发生羟基到喹啉环上氮原子的分子内分子 间激发态质子转移，8 羟基喹啉荧光较弱，并且水分子会加剧其分子间的质子 转移作用。根据这样的性质，k i m 等【5 l 对8 羟基喹啉进行适当的衍生，合成了 化合物兰，利用其荧光强度的减弱来进行乙腈、四氢呋喃和l ，4 一二氧六环中水分 的测定。基于同样的原理，化合物互的荧光强度随着混合溶剂当中水分含量的 增加而减小，并且还伴随着荧光发射光谱的红移，但是这种光谱移动只有在水 含量较高时( 大于5 ) 才比较明显。鉴于前面两个体系的灵敏度较低，c i t t e r i o 和h i s a m o t o 等【7 】则选用量子产率较高的吖啶染料王和生作为发光体，检测的灵 敏度有了较大的提高，检测限可以到0 0 0 2 。 12 第一章绪论：荧光分子传感器研究进展 j 4 由于激发态质子转移是动态猝灭，因此，除了荧光强度减弱以外还可以观 察到荧光寿命的衰减。据报道，钉配合物嵌入d n a 螺旋链内会发射强荧光， 而在水溶液中是荧光猝灭的。这主要是由于配体吩嗪上的氮原子与水分子作用 后发生强烈的动态猝灭【8 1 。于是q i n g 等人明合成类似的配合物查，实验发现其 既可通过荧光强度又可通过荧光寿命对丙酮中的水分进行传感。后来，g l e n n 等【l o 】还将钌配合物5 固定在n a t i o n t m 膜上制成性能稳定的光纤传感器，成功应 用于有机溶剂中水分含量及空气湿度的测定。 2 ( p f s ) n a n 夕l 、乡 6 5 与前述分子间氢键作用体系不同，化合物王由于存在分子内氢键，易发生 激发态质子转移引起荧光猝灭，而质子性溶剂( 如水) 的加入会破坏分子内氢 键而引起荧光回升。在所报道的微量水荧光分子传感中，这是第一例信号增强 型的传感研究【1 1 1 。 第一章绪论：荧光分子传感器研究进展 7 尸h 3 n i c h 3 1 2 2 水诱导聚集解聚机制 由于分子内分子间氢键易受质子性溶剂的破坏，所以上述的传感体系不适 用于质子性溶剂当中微量水的检测；同时其它质子性溶剂杂质的存在也会对水 分的测定造成很大的干扰。而众所周知，一些具有较大疏水平面的分子在水中 很容易发生聚集，这就为传感质子性溶剂中的微量水提供了一个新的思路。花 菁染料本身具有很强的自聚集能力，并且其单体与聚集体光谱性质具有很大的 差别。化合物坠是一种常见的近红外花菁染料，溶剂中微量水分的存在就能诱 导其聚集，从吸收光谱上可以看到其长波长处的吸收增强。l i 等【l2 】以此化合物 作为质子性溶剂( 如甲醇、乙醇) 中微量水的传感分子，这是首例应用分子传 感测定质子性溶剂中水分的报道。 8 1 2 3 水解机制 到目前为止，基于水解机制的微量水荧光分子传感器的报道较少，仅有一 例。荧光素内酯是无荧光的化合物，但易水解开环形成荧光素而使得荧光回升。 c h o i 等【1 3 】将化合物里和葸的混合体系作为微量水的传感体系，化合物里水解开 环形成荧光素引起荧光增强，但共存的葸的荧光不会受到影响，因此可以用蒽 的荧光作为参比，减小实验条件变化带来的检测误差。 第一章绪论：荧光分子传感器研究进展 h 0 9 1 。2 4 间接传感机制 一般而言，加大有机溶剂中水的比例会导致溶剂极性及质子浓度的增加， 因此可以通过传感溶剂极性或p h 的改变来间接实现对水分含量的检测。根据 该原理，在分子设计上，可将供电子基团和拉电子基团分别引入共轭体系的两 端，则溶剂极性的改变将影响分子内电荷转移过程进而引起光谱变化；或者将 荧光分子设计成两性化合物，通过溶液p h 的改变导致其质子化与去质子化型 体的比例改变而导致的光谱变化达到响应水含量的目的。当然，前提是这种分 子的质子化型体和去质子化型体的光学性质有较大的差别。 花菁是一类由两个杂环端核通过共轭碳链构成具有“推拉”电子结构特征 的分子，其吸收和荧光光谱会受到端核杂环及环上取代基团电子布居性质的影 响。k u m o i 掣1 4 】合成部花菁分子垃及其对照物，实验发现其吸收光谱随着水 含量的增加而蓝移。基于同样的原理，h i s a m o t o 等【1 5 】合成了一系列类部花菁染 料，并系统考察了其在有机溶剂当中的光谱特性，发现其吸收光谱与混合溶剂 当中的水含量及p h 具有相关性，可同时进行溶剂中水含量及p h 的测定。此后 该课题小组还将其中的四种染料与一种亲水的单体分子共聚制成光学传感膜， 并将此膜共价附着在玻璃板上做成简易的“指示剂板”，大大增加了它的实用性 【16 1 。 h 3 c l o o 第一章绪论：荧光分子传感器研究进展 第三节毒性过渡金属离子的荧光传感研究进展 过渡金属离子在生命系统中具有独特的作用：一方面，某些生理代谢过程 的顺利进行有赖于某些过渡金属离子的存在；另一方面，当某些过渡金属含量 超标时，又会引起某些生理活性物质中毒，使得一些生理代谢过程无法顺利进 行。过渡金属离子的生理效应在一些酶参与的生理过程中表现得尤为明显，如 很多酶的催化活性中心或者辅酶中就含有铜、锌、铁、钴等过渡金属离子；而 其它一些过渡金属离子如汞、铅、镉、铬等却会引起酶中毒。因此，生物系统 中的过渡金属离子的含量及其毒性、毒理评价在分析科学中具有重要的研究意 义。 目前，对环境当中毒性过渡金属离子的检测主要是利用电化学分析法( 如 极谱法) 及光谱分析法。相比之下，光谱分析法的应用更为广泛，尤其是原子 光谱法，目前已经有很多商品化的仪器( 如电感耦合等离子发射光谱仪、原子 吸收光谱仪及原子荧光光谱仪) 都可专门用于毒性过渡金属的检测。虽然现在 我们已经有成熟的检测手段对环境当中的有毒金属进行监测，但同时也应该看 到，跟踪研究金属进入生物组织后的迁移及形态变化，揭示毒性、毒理的研究 仍亟待开展。在这方面，荧光分子传感器有着独特的优势。近十几年来，已有 大量利用荧光分子传感器进行生物体内毒性过渡金属离子检测的报道【1 7 。2 3 】。 过渡金属外层存在空的d 轨道或f 轨道，其易于接受孤对电子形成配位键， 因此，目前已报道的这些毒性金属离子的荧光分子传感器中，其识别单元基本 上都是能与金属离子强络合的含杂原子配体。而信号单元方面，其设计必须结 合考虑传感机理的选择与运用。目前用于毒性过渡金属离子传感的机制主要有 以下几种： 一、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 ) 目标物与受体分子结合后会使受体识别基团的氧化电位发生改变，从而打 开或阻断荧光团和识别基团之间的电子转移通道，引起荧光猝灭或回升。目前， 基于p e t 的金属离子荧光分子传感器大都是利用这样的原理。由于过渡金属存 在空轨道，可发生从荧光团到金属离子的电子转移或能量转移，加上重金属离 子可诱导自旋轨道耦合使荧光猝灭，因此，许多检测该类金属离子的荧光分子 传感器都是基于猝灭法。例如f o u a s s i e r 等【2 4 】最新报道的工作，化合物l l aj g 地 第一章绪论：荧光分子传感器研究进展 上具有四个高度共轭的荧光团，荧光量子产率较高，当汞与中心硫原子或氧原 子络合后，会增大其氧化电位，引起荧光团到金属络合中心部分的p e t ，荧光 猝灭。由于环境及生理体系中能引起荧光猝灭的因素太多，所以荧光增强型的 分子探针更值得推崇，例如s a r k a r 等【2 5 】设计合成的化合物丝。该化合物以吲哚 二酮作为荧光团，中间用两个亚甲基连接二硫代的叔胺基作为识别单元，当 c r ( i i i ) 与识别单元结合之后束缚住了叔胺基氮上的孤对电子，从而抑制了其到 吲哚二酮的p e t 过程，使荧光团的荧光回升进而达到检测c ，+ 的目的。 1 1 a ，x = o 1 1 b ，x = s oo n h 2 1 2 二、分子内电荷转移( 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 , i c t ) 与p e t 荧光分子传感器不同的是，i c t 荧光分子传感器的荧光团一般同时 含有电子给体和电子受体，且二者通过共轭体系相连。当该体系受光激发后， 将经历从电子给体向电子受体的分子内电荷转移，此时若有外界因素影响该电 荷转移过程，将引起光谱变化。一般而言，若主客体的结合使电子给体的供电 子能力减弱，则导致吸收光谱及荧光光谱蓝移，同时摩尔吸光系数减小；反之， 若使电子给体的供电能力增强，则导致光谱红移，摩尔吸光系数增大。因此， 不同的作用形式可以导致不同的光谱响应。 例如，化合物堡是基于香豆素衍生物的p b 2 + 荧光分子传感器，香豆素上的 羰基氧作为电子受体，而氨基取代基团部分作为电子给体，当p b 2 + 与电子给体 端络合后，减弱了电子给体的供电子能力，荧光强度下降并伴随激发光谱的蓝 心 c 、_i蠡 r n 广j 1 当 c 一 留 第一章绪论：荧光分子传感器研究进展 移，从而达到对p b 2 + 传感的目 整j 2 6 1 。q i a n 等合成萘酰亚胺衍生物丝实现了对 z n 2 十的传感。化合物丝的酰亚胺部分是电子受体，而1 和8 位上的氨基取代部 分是电子给体，z n 2 + 与受体的络合会使8 位上的氨基去质子化，从而增强了电 子给体的供电子能力，进而引起吸收光谱及荧光光谱红移，荧光强度减弱，实 现对z n 2 + 的传感【2 7 】。 o c h a 2 k + 1 3 a ，x - - n ，y = n 1 3 b ，x = n ，y = s 1 3 c ，x = n ，y = o 6 h 护 1 4 以上是应用两种的不同的i c t 扰动形式来对目标金属进行传感的研究实 例；应该可以预见的是，若同时将两种i c t 扰动形式引入同一传感分子体系中， 该体系就有可能同时传感不同的目标物。建立在前一个工作的基础之上，q i a n 等巧妙地对化合物丝进行改进合成了化合物竖，该化合物在z n 2 + 的作用下仍 能使8 位上的氨基去质子化引起类似化合物丝的光谱响应。实验还发现，c d 2 + 的加入诱使化合物堕的吸收光谱及荧光光谱蓝移并且荧光强度增强。这说明了 其作用原理不同于前者：8 位上的氨基并没参与c d 2 + 的络合而发生去质子化， 另外c d 2 + 的结合减弱了电子给体部分的供电子能力导致光谱蓝移。应该看到的 是，就多数i c t 荧光分子传感器而言，其与金属离子结合之后，荧光强度的变 化远不如p e t 荧光分子传感器强烈；但是由于其一般伴随吸收光谱的移动，因 此在裸眼检测上具有一定的优势。 三、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 , f r e t ) 基于f r e t 的金属离子传感器的设计思路主要有以下两种：一是通过金属 6 厂- 川 n ，懵嗍；母一。比 第二章非质子性有机溶剂中微量水的荧光传感设计 心o 叼 心o i v n ) t o m 叼 f i g u r e 2 3w a t e rs e n s i n gc l l r v e so fp b 4 b r i l 3 _ c l u s t e re n s e m b l e ( 4 0 10 4 m o l l ) d e p e n do nd i f f e r e n ts i g n a lm o d e l s ( a ) f l u o r e s c e n c ei n t e n s i t y ；( b ) e x c i t a t i o n w a v e l e n g t h ；( e ) s t o k e s s h i f tm e t h o d p b 4 b r l1 3 c l u s t e rw a sf o r m e db yl e a d ( i i ) n i t r a t e a n dt e t r a b u t y l a m m o n i u mb r o m i d ew i t han b f f n p br a t i oo f2 0 ：1i na c e t o n i t r i l e 2 0 扫一曲c3cooco小ro：一山o；再一。世 一cct|_ocoo母，v，co；曙篡o)c山 一p芒c一一c协m卫o_ 第二章非质子性有机溶剂中微量水的荧光传感设计 从图2 3 可以看出，以荧光强度、激发波长以及s t o k e s 位移对水含量作图 得到的响应f h j 线线性依次得到改善。我们把这种以s t o k e s 位移进行定量的测量 模式形象地叫做“荧光尺测量模式在该测量模式中，s t o k e s 位移值相当 于一把“尺子 的刻度，可以在其上很方便地读出有机介质中的水分含量。为 便于阐述，在本方法中我们专门定义了一个新的“灵敏度”表示形式水敏 度“氇o ”，其定义式如下： t h 2 。= 鬻湍篇生 2 3 2 团簇水敏性发光机理的推测与验证 从图2 2 可以看出p b 4 b r l l 3 团簇在混合溶剂当中的荧光光谱变化非常奇特， 这种特殊的传感形式至今还未见报道。为此，我们做了一些对照试验来辅助推 测并验证其光谱响应机理。如前言所述，在本水分感应体系中，微量水的荧光 感应机制包括两个部分：一是p b 4 b r l l 3 团簇的发光对其“化学微环境 异常敏 感；二是介质中微量水的存在显著影响p b 4 b r l l 3 团簇发光体的“化学微环境”。 前者是感应信号产生的基础，为了验证本体系中p b 4 b r l l 3 团簇发光对其季铵盐 稳定层的敏感性，我们考察了季铵盐稳定层的变化对团簇荧光性质的影响。图 2 4 是团簇与稳定剂比例恒定时不同浓度的团簇发光液系的荧光光谱衍变图，随 着稳定层“厚度 的逐渐降低，团簇的荧光光谱发生剧烈的改变：激发谱带移 向短波区，而发射谱带移向长波区，直至最后“稳定层 受到严重破坏后团簇 开始衰变，其荧光光谱也开始变形。图2 5 是铅源中对阴离子不同时团簇发光 液系的荧光光谱对照，从图中可以看出：改变稳定层中十分之一的阴离子组成 可以导致团簇荧光光谱( 尤其是激发光谱) 的显著变化。这两个实验充分说明 了p b 4 b r i l 3 。团簇发光对其季铵盐稳定层组成具有很强的敏感性，尤其是图2 5 为解释微量水的感应机理非常有帮助。 第二章非质子性有机溶剂中微量水的荧光传感设计 三x f c c f ! 川 ； ：2 0 炉i 1 3 u u3 b u4 u u4 b u0 口u拳u廿u u w a v e l e n g t hl n m ) f i g u r e2 4f l u o r e s c e n c es p e c t r ao fd i f f e r e n tc o n c e n t r a t i o n so fp b 4 b r ll 。c l u s t e r e n s e m b l e sf o r m e db yl e a d ( i t ) s a l t sa n dt e t r a b u t y l a m m o n i u mb r o m i d ew i t ha nn b ，n e o r a t i oo f2 0 ：1 i na c e t o n i t r i l e c o n c e n t r a t i o n so fp b 4 b r 。：1 0 1 0 m o l lt o4 0 1 0 um o l l 富 丝 2 s 8 墨 譬 2 宝 芷 宝 焉 星 f i g u r e2 5f l u o r e s c e n c es p e c t r ao fp b 4 b r l1 3 。c l u s t e re n s e m b l e s ( 2 0 10 。3m o l l ) f o r m e db yd i f f e r e n tl e a d ( i i ) s a l t sa n dt e t r a b u t y l a m m o n i u mb r o m i d ew i t ha nn a r n p b r a t i oo f2 0 ：1 i na c e t o n i t r i l e l e a d ( i i ) s a l t s ：c h l o r i d e ( s o l i d ) ，a c e t a t e ( d o t ) a n dn i t r a t e ( d a s h ) 我们认为：在微量水的荧光感应过程中，水分子渗入季铵盐稳定层并导致 团簇发光体“溶剂笼”的物理化学性质特别是其内层“溶剂笼”的电学性 质发生显著的变化，因而诱发团簇发光感应信号的产生。值得注意的是，图2 5 中季铵离子的对阴离子部分改变不仅使得荧光激发光谱蓝移，而且导致团簇发 射光谱的移动；而在微量水的荧光响应中，团簇的发射光谱的并没有发生移动。 我们认为这是由于水是弱电解质而引发特殊的团簇“溶剂笼”重组过程所引起 的，其示意图见图2 6 。 第二章非质子性有机溶剂中微量水的荧光传感设计 首先，p b 4 b r u 3 发光体是一种阴离子团簇，周围带正电的季铵离子对其具有 重要的稳定作用，因此水分渗入溶剂层后必然会导致荧光体整体能量的升高， 并且由于发光体激发态偶极矩增大，电荷分离程度加剧，这导致其激发态的能 量比基态升高得更快，基态和激发态之间的能级差变大，这体现在光谱行为上 就是激发光谱发生蓝移。 其次，由于p b 4 b r l l 3 。团簇的激发态的电子云布居状态不同于基态，因此两 者的溶剂化程度也有差异。室温下，溶液中溶剂分子在吸光过程中来不及重新 取向，因此荧光体在激发后的瞬间仍是处于一种比平衡状态下具有稍高能量的 溶剂化状态。在荧光发射之前，分子将有时问松弛到能量较低的溶剂平衡构型。 荧光发射之后，返回基态的分子起初保留发射前的溶剂化状态，能量较高，最 后又松弛到基态的溶剂平衡构型【5 8 】。p b 4 b r l l a - 发光体是一种阴离子团簇，激发 念的偶极矩增大。当水分含量很低时，在激发态的“溶剂笼”重组过程中，团 簇周围带正电的季铵离子迅速聚拢，其上疏水烃链便将团簇周围的水分子排挤 出“稳定层”。其最终结果是团簇在有水状态下与无水状态下荧光发射过程涉及 的发光体电子云布居状态并没有差别，因而其荧光发射光谱没有改变。如果这 种解释成立，则当水分含量增大到一定程度超过季铵稳定层的重组“缓冲 能力”时，团簇的发射光谱将开始移动和变形，这得到进一步的实验验证。 e 学誊、静 嘉| 凑- 辩 f i g u r e2 6p r o p o s e dm o d e lf o rw a t e r - i n d u c e ds o l v e n te f f e c t si np b 4 b r l1 3 - - b a s e d f l u o r e s c e n ts e n s i n gi na p r o t i co r g a n i cs o l v e n t s 熏二幸非质子性有机溶剂中微量水的荧光侍感设计 2 3 3 谭控暮应体系水敏度的实睑园素 根据上述机理，感应体系的水敏度与团簇“溶剂笼”的组成和状态直接相关， 因此可以通过以下实验因素的改变来调控感应体系的承敏度：( 1 ) 团簇及其季 铵盐稳定层的总体浓度：( 2 ) 团簇与其季铵盐稳定剂的比例；( 3 ) 无机铅源的 对阴离子种类；( 4 ) 季铵盐稳定剂的烃链链长。 首先，在乙脖介质中，我们分别考察了以p b a 2 、p b ( n 0 3 ) 2 和p b ( a c o ) 2 作 为无机铅源所形成的p b 4 b r 。3 。团簇的光谱稳定性和水敏性，结果发现采用 p b ( n 0 3 ) ：作为无机铅源所形成的团簇光谱稳定性和水敏性能均较为突出故选 择p h ( n 0 3 ) 2 作为无机铅源。 其次，为了提高感应体系的水敏性能，我们还尝试了四甲基溴化铵、四乙 基溴化铵和十二烷基三甲基溴化铵等具有短烃链的季铵盐作为溴源在乙腈中制 各p b 4 b r i l 3 - 团簇，但是实验发现季铵盐的烃链缩短对团簇的形成非常不利。另 外，在尝试混用不同烃链的季铵盐作为溴源的时候，发现季铵盐的烃链的性质 与所形成团簇的性状有很大的关系。乙腈当中加入四丁基溴化铵和硝酸铅后， 反应形成一无色澄清的溶液，此时若将溶剂挥发干后得到的是发绿色荧光( 衄 = 5 6 0a m ) 的非定形态固体 而若是再往此溶液中加入四乙基溴化铵，则会析 出发橙色荧光( k 。= 6 1 0 n m ) 的针状晶体，如图2 7 所示。 f i g u r e2 7p h o t o g r a p h ss h o w i n gt h ee m i s s i o nd i f f e r e n c eh ：t w t h es o l i dp b 4 b r t l c l u s t c i _ sw i t hd i f f e r e n ts t a b i l