（分析化学专业论文）稀土荧光探针的制备、表征及其在分析中的应用.pdf

飞：一-轻简谬。；镟瓣。j。哪_ ：，。浞 。；是。 at h e s i si na 皿a l y t i 明lc h e m i s t r y p r e p a r a t i o n ，c h a r a c t e r i z a t i o na n da m a l y t i c a l a p p l i c a t i o n so f r a r ee a i t hf l u o r e s c e n tp r o b e s b ys u ns i l i n g s u p e i s o r ：p r o f e s s o rx u s h u k u n 圣 n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j u l y2 0 0 8 l- ，l ，-j1 l 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得 的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过 的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢 ：此 思。 学位论文作者签名：烈- 恩，竣 日 期：如于7 扩 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定：即学校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。本人同意东北大学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、交流。 作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后： 半年彳一年口一年半口两年口 学位论文作者签名：弓4 g 礁 签字日期：细掺7 = 扩 导师签名：彳簪i 轨乃中 签字日期： a 0 2 、7 l 屑 - 东北大学硕士学位论文 摘要 稀土荧光探针的制备、表征及其在分析中的应用 摘要 由于稀土离子独特的电子层结构，稀土荧光探针的发射波长不受外界环境的影响， 并且具有发射光谱窄，光化学稳定，荧光寿命长的优点，因此得到了人们的广泛关注， 在分析领域具有广阔的应用前景。 本研究采用1 ，1 0 邻菲罗啉，t 甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷( 1 m 5 7 0 ) 为配 体，在无水乙醇溶液中制备了铽的二元及三元配合物。通过紫外光谱及红外光谱分析对 配合物的结构进行了表征，并采用荧光光谱分析研究了配合物的发光性能。与y 氨基丙 基三乙氧基硅烷连接使三元配合物带上氨基，并以此氨基化配合物为荧光探针，采用时 间分辨荧光法对鲱鱼精d n a 进行测定。结果表明配合物的荧光强度随鲱鱼精d n a 浓 度的增加而增强，且在一定范围内两者存在线性关系，由此实现了对鲱鱼精d n a 的定 量检测。该方法线性范围为0 3 0 0 4 7 0m g l ，检出限为o 0 8m g l ，对浓度为3 0 0m g l 的鲱鱼精d n a 平行测定1 1 次，其相对标准偏差为o 8 。 稀土配合物在水溶液中与水配位，导致其发光强度降低，因此限制了其在分析中的 应用。而稀土纳米材料弥补了配合物在这些方面的不足，为稀土荧光探针的进一步研究 与应用提供了新的思路和途径。 本研究分别采用有机相法和水相法合成了l a f 3 ：e u 3 + 纳米颗粒，通过荧光光谱表征了 其荧光性能。对水相法合成的稀土纳米粒子应用x r d 、t e m 技术进行了结构表征。与 有机相法相比，由于水相法合成的l a f 3 ：e u 3 + 纳米颗粒表面带有亲水性基团，荧光强度高， 因此可以应用于分析领域。首次将水相中制备的纳米粒子用于f e 3 + 的测定，结果表明f e 3 + 的存在使稀土掺杂纳米粒子体系的荧光强度减弱，且f e 3 + 的浓度在5 o o 1 0 由一5 0 0 1 0 r 4 m o l 几范围内与稀土纳米粒子荧光强度的淬灭呈现良好的线性关系，方法的检出限为 1 2 5 1 0 石m o l l 。对浓度为5 0 0 1 0 巧m o 肌。的f e “平行测定1 1 次，方法的相对标准偏差 为0 5 。该方法可用于啤酒中铁含量的测定，测定结果与经典的分光光度法结果一致。 关键词：铽的配合物；d n a ；l a f 3 ：e u “；f e 3 + i i i b，； p r e p a r a t i o n ，c h a r a c t e r i z a t i o na n da n a l y t i c a l a l p p l i c a t i o n so f r a r ee a r t hf l u o r e s c e n tp r o b e s a b s t r a c t b e c a u s e0 ft h eu n i q u ee l e c t r o n i cs h e us t l l l c t u r c so ff a r ee a n hi o n s ， t h ee m i s s i o n w a v e l e n 舀h so fm r ce a r t hp r o b e sw i l ln o tb ei n n u e n c e db yo u t s i d ee n v i r o n m e n t h la d d i t i o n ， t h e s ep r o b e sp o s s e s se x c e l l e n t0 p t i c a lp r o p e n i e s ，s u c h 弱an a r r o we m i s s i o ns p e c t n l m ， p h o t o c h e m i c a ls t a b i l i t y 锄dl o n gn u o r e s c e n c cl i f e t i i n e 1 h e r e l o r c ，m o r ea n dm o r ca t t e n t i o n h 弱b e 锄f o c u s e do nt h e m 锄dt h e yh a v ee x h i b i t e d 铲e a tp o t e n t i a l si n 锄a l ”i c a lf i e l d s h im i sw o r k ，t h eb i n a r yc h e l a t eo ft e r b i u m - p h e n ( 1 ，1 0 一p h e n 雒t i u d l i n em o n o h y d r a t e ) 柚d t e m a r y c h e l a t et e r b i u m - l ( h 5 7 0 ( 丫一m e t h a c r ) ，l o x y p r o p y lt r ：i m e t h o x ys i l a n e ) - p h e n( 1 ， 1 0 - p h e n 觚t h r o l i n em o n o h y d r a t e ) w e r eb o t hs y n t h e s i z e di na b s o l u t ee t h 孤0 1 t l l e i ro p t i c a l a l l d s t n l c t u r ep r o p e r t i e sw e r ea c h i e v e db yu va b s o r p t i o n 锄df l u o r e s c e n c es p e c t r a ，a sw e u a sf i r s p e c t r a a m i i l 0 - g r o u p sw e r eb o n dw i t ht h et e m a r yc h e l a t et e r b i u m - l ( h _ 5 7 0 。p h e nv i al i n l 【i n g t 0 丫- a m i n o p r o p y lt r i e t h o x ys i l a n e t h ep r e p a r e dt e r b i u mt e m a f yc o m p l e xw 勰u s e d a sap r o b e f 研t h ed e t e m i n a t i o n0 fh e 玎i n gs p e 珊d n ab yt i m e - r e s o l v e dn u o r e s c e n c em e t h o d t h e n u o r e s c e n ti n t e n s i t yo ft e r b i u mc o m p l e xi n c r e a s e dw i t ht h ei n c r e a s eo fh e 玎i n gs p e 册d n 八 锄di te x p r e s s e dag o o dl i n e a rr e l a t i o n s h i pi nar e 酉o no fc o n c c n t r a t i o no fh e 玎i n gs p e 姗d n a w h i c hm a d eq u a n t i t a t i v ed e t e m l i n a t i o no fh e l l r i n gs p e md n a b e c o m ei m p o s s i b l e t h el i n e a r 啪g eo f h e i n gs p e 册d n a w a so 3 0 0 4 7 0m g l 觚dt h ed e t e c t i o nl i m i tw a s0 0 8m g l ( 3 0 ) w i t ht h er s d o f0 8 ( 3 0 0m g 】l ，n = 1 1 ) r a r ee a n hi o n sc 锄c 0 0 r d i n a t ew i t hw a t e rm o l e c u l e s ，w h i c hl e a dt ot h ed e c r e a s eo f n u o r e s c e n ti n t e n s i t yi na q u e o u ss o l u t i o n t h i ss h o n c o m i n gl i m i t st h e i ra n a l y t i c a la p p l i c a t i o n s i i l c o n t r a s t ，r a r ee a n hn a i l o p a n i c l e sm i g l l t0 v e r c 0 m ea b o v es h o r t c 0 m i n ga i l d o 疵rn e w t h o u g l l t sa n dm e t h o d sf o r t h ef u r t h e rr e s e a r c ha n da p p l i c a t i o no f r a r ce a r t hp r o b e s s u b s e q u e n t l y ，e u “d o p e dl a f 3n a n o p a j t i d e s p s ) w e r ep r 印a u r e di na q u e o u ss o l u t i o n 锄do r g a n i c p h a s e ，r e s p e c t i v e l y t h el u m i n e s c e n tp r o p e n i e so fp r e p a r e dn p s j e r es t u d i e db y n u o r e s c e n c es p e c t r a ，a n dt h es t 九l c t u r e s0 ft h e mw e r ec h a r a c t e r i z e db yx r a yd i 仃】r a c t i o n 孤d t r a n s m i s s i o ne l e c t r o n i cm i c r o s c o p y c o m p a r e dw i t he u 一d o p e dl a f 3n 柚o p a n i c l e sp r e p a r e d i no r g a n i cp h a s e ，t h en a n o p a r t i c l e sw i t hh y d r o p h i l i cg r o u p 锄dh i 曲f l u o r e s c e n ti n t e n s i t y v p r e p a r e di na q u e o u ss o l u t i o nc a nb eu s e dd i r e c t l yi na n a l y t i c a lf i e l d s i ti sf o u n dt h a tt h e n u o r e s c e n ti n t e n s i t yo fe u ) + - d o p e dl a ! f 3n a n o p a n i c l e sd e c r e a s e d 黟a d u a l l yw i t ht h ea d d i t i o n o ff e j + b a s e do nt h en u o r e s c e n c e q u n c h i n g ，an e wm e t h o df o rt h ed e t e m l i n a t i o no ff e 3 + w a s d c v e l 叩e df o rt h ef i r s tt i m e n el i n e a rr 卸g eo f5 0 0 1 0 。6 5 0 0 1 0 4m o l l 柚dad e t e c t i o n l i m i to f1 2 5 1 0 - 6m o i lw e r co b t a i n e dw i t ht h er s d o f0 5 ( 5 0 0 1 0 5m o l ln ：1 1 ) t 1 l e m e t h o dw a sa p p l i e dt ot h ed e t e 咖i n a t i o no ff e 3 + i nb e e rs 锄p l e ，t h er e s u l tw a sa g 弦e dw i t ht h a t o b t a i n e dv i ap h o t os p e c t r o m e t r i cm e t h o d k e yw o r d s ：t e r b i u mc h e l a t e ；d n a ；h f 3 ：e u 3 + ；f e 3 + v i z； 心 东北大学硕士学位论文 目录 。飞。目_ 二t ；录 声明1 中文摘要i a b s t i a c t v 第1 章绪论1 1 1 稀土元素的概述1 1 2 稀土元素的配位体2 1 2 1 含氧有机配位体。2 1 2 2 含氮有机配位体3 1 2 3 超分子大环配位体5 1 2 4 生物分子配位体5 1 3 稀土有机配合物荧光产生的理论基础6 1 3 1 稀土有机配合物荧光产生的基本机理6 1 3 2 稀土有机配合物的能量传递机制：。7 1 4 稀土纳米粒子的制备8 1 4 1 水热法：山8 1 4 2 溶剂热法9 1 4 3 溶胶凝胶法1 0 1 4 4 共沉淀法1 0 1 4 5 固相法1 1 1 5 稀土纳米粒子的应用1 1 1 5 1 稀土纳米粒子在贮氢材料方面的应用1 1 1 5 2 稀土纳米粒子在生物标记方面的应用1 2 1 5 3 稀土纳米粒子在其它方面的应用1 4 1 6 本论文研究的思路及意义1 4 第2 章基于铽三元配合物的d n a 荧光探针的合成及应用1 7 2 1 引言。1 7 2 2 实验部分1 7 v 1 1 东北大学硕士学位论文目录 2 2 1 仪器与试剂1 7 2 2 2 实验方法。1 8 2 3 结果与讨论1 9 2 3 1 配合物的紫外吸收光谱1 9 2 3 2 配合物的荧光光谱2 0 2 3 3 配合物的红外光谱2 1 2 - 3 4 用茚三酮法验证k h 5 5 0 的氨基修饰。2 2 2 3 5 铽的配合物作为荧光探针测定d n a 2 4 2 4 小结：；2 8 第3 章l a f 3 ：e u 3 + 纳米粒子的合成及作为f e ( ) 离子探针的应用2 9 3 1 引言。2 9 3 2 实验部分2 9 3 2 1 仪器与试剂2 9 3 2 2 实验方法3 0 3 3 结果与讨论3 1 3 3 1 合成纳米粒子的荧光性质3 1 3 3 2 有机相法合成荧光纳米粒子条件的优化：3 2 3 3 3 水相法合成条件的优化。3 4 3 3 4 合成稀土纳米粒子的x r d 表征3 7 3 3 5 合成稀土纳米粒子的t e m 表征3 8 3 3 6 柠檬酸的作用3 8 3 3 7 用l a f 3 ：e u 3 + 纳米粒子探针测定f e “3 9 3 3 8 样品分析4 3 3 4 小结。4 4 第4 章结论4 5 参考文献4 7 致谢5 5 攻读硕士学位期间发表的学术论文目录5 7 v i i i t f ) j 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 1 1 稀土元素的概述 第1 章绪论 我国是举世公认的稀土资源大国，稀土工业和稀土应用是从上世纪6 0 年代开始伴 随着世界性的新技术潮流而迅猛崛起的一项新兴产业，稀土和稀土应用产品已深入到人 们生活的各个领域。 “稀土在1 8 世纪末被发现时得名，当时认为它们很稀贵，其氧化物又有难溶于 水的“土性故称为稀土。现在看来，稀土在地壳中的重量百分含量( 克拉克值) 比铜、 铅、锌、银等常见金属元素还要高，性质也不像土，而是一组性质十分活泼的金属，但 “稀土这个奇特的名称却被沿用至今。稀土是稀土元素( 或稀土金属) 的简称，是由 1 7 种元素组成的一个金属大家族，包括第三副族中的镧、铈、镨、钕、钷、钐、铕、钆、 铽、镝、钬、铒、铥、镱、镥这1 5 个镧系元素( 拥有独特的4 f 电子轨道即4 p 1 4 5 扩1 0 6 s 0 ，2 的外层电子结构和能级相近的内层4 f 电子) 和性质与它们相近的钪和钇。从1 7 9 4 年发 现第一个稀土元素钇，到1 9 7 2 年发现自然界的稀土元素钷，历经1 7 8 年，人们才把1 7： 种稀土元素全部在自然界中找到。近年来由于工业提纯和冶炼技术的发展，除元素钷以 移 外，其它稀土元素都能获得高纯的稀土氧化物和稀土金属。稀土的应用也随着科技的发 展从初级到高级，从1 9 世纪末应用稀土制造汽灯纱罩、打火石和弧光灯碳棒等初级应 用产品发展到现在把稀土广泛应用于彩电荧光屏、三基色节能灯、绿色高能充电电池、 汽车尾气净化催化剂、电脑驱动器、核磁共振成像仪、固体激光器、光纤通讯和磁悬浮 列车等高科技领域【1 - 3 l 。 由于稀土元素处在b 族，稀土元素离子可以发生f - f 或f d 轨道跃迁，在紫外可 见光区产生吸收光谱。根据电子跃迁的性质及发光强度，稀土离子可分为以下四类：( 1 ) 不发光的稀土离子：l a 3 + ( 4 f o ) 和i j u 3 + ( 4 ) 因无电子或轨道已充满，因而没有f - f 能 级跃迁；g d 3 + 的4 f 轨道电子为半充满的稳定结构，f - f 跃迁所需的激发能级太高，因此 它们属于在可见区不发光的稀土离子。( 2 ) 发光较强的稀土离子：属于这一类的稀土离 子有s m 3 + ( 4 f 5 ) ，e u 3 + ( 4 f 6 ) ，1 分+ ( 4 f 8 ) ，d y 3 + ( 4 f 9 ) ，它们的最低激发态和基态间的f - f ， 跃迁能量波长落在可见区，f - f 电子跃迁能量适中，比较容易找到适合的配体，使配体的 三重态能级与它们的f - f 电子跃迁能量匹配。因此，一般可观察到较强的发光现象。( 3 ) 发光较弱的稀土离子：p ，( 4 f 2 ) ，n d 3 + ( 4 f 3 ) ，h 0 3 + ( 4 f 0 ) ，e r 3 + ( 4 f 1 1 ) ，t m “( 4 f 1 2 ) ， y b “( 4 f 1 3 ) ，这些离子的最低激发态和基态之间的能量差别较小，能级稠密，非辐射跃 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 迁概率大，只能观察到极弱的发光现象。( 4 ) 有f - d 跃迁的离子：主要有e u 3 + ，y b 3 + ， s m 3 + 和c e 3 + 这些低价离子，由于f - d 跃迁吸收强度高，所以配合物中稀土离子的发光主 要产生于这些离子本身的f d 吸收。由此可见，稀土离子的发光性能通常主要是由稀土 离子的电子结构所决定的。 1 2 稀土元素的配位体 稀土离子与配位体的反应及其配合物发光性能的研究是稀土元素研究的重要领域。 稀土配合物的光谱大约有3 0 0 0 条可观察到的谱线，可以发射从紫外光区、可见光区到 红外光区的各种波长的电磁辐射。而且随着研究的深入发展，稀土配合物在越来越多的 领域有了重要的应用。例如，稀土配合物作为一种有效的测定单线态氧的荧光探针得到 应用。单线态氧在自然界的光化学及光生物学过程中，扮演着重要的角色。在许多文献 中已经对单线态氧在生物过程中的光降解，及光老化等过程有了详细的介绍【禾7 】。t 觚m q 等【8 j 合成了一种新的铽的配合物，此配合物在水溶液中几乎是没有荧光的，但是一旦 与单线态氧反应即生成有强荧光信号的新的配合物，使荧光量子产率从0 4 6 提高到 1 0 5 ，而且最低检出限可以达到1 0 8 0n m o 儿。在稀土配合物的研究中，关于配位体的 研究起着很重要的作用。稀土有机配位体主要包括含氧有机配位体，含氮有机配位体， 大环配位体，生物分子配位体。 一 1 2 1 含氧有机配位体 因为氧原子对稀土离子有很强的配位能力，因此含氧有机配位体通过氧原子与稀土 离子形成的配合物在分析化学中得到了普遍应用。一般，含氧有机配位体中氧原子与稀 土元素配位有两种形式：带负电的氧原子与稀土元素通过离子键结合，不带电荷的氧原 子与稀土原子通过配位键结合。 早在1 8 8 6 年，就有了关于稀土类配合物合成的报道，但是直到1 9 4 2 年，w e i s s m 柚 si 等【9 j 合成了不同的b 二酮类e u ( i ) 络合物并且首先发现了e u 离子的线状特征光谱， 稀土配合物的研究才开始有了进展。特别是二十世纪6 0 年代w h a i lre 【加】发现稀土b 二酮配合物有可能作为激光的发光物质以后，稀土有机配合物的发光性能开始引起人们 极大的兴趣。在国内，x i nh 和z h 锄gxm 等做了关于稀土( t b 3 + ，e u 3 + ，s m 3 + ) 配合 物的合成及其电发光性质的报道【1 1 舶l 。s a g e rwf 等【1 5 】曾报道过用芳香基连结乙酞丙酮 作配体，来提高乙酞丙酮稀土配合物的荧光强度。提出由于芳香基与乙酞基的共扼效应， 使乙酞丙酮的六元螯合配位的结构更加稳定，提高了配体三重态向稀土离子的传能效率 和配合物的热稳定性【1 6 ，1 7 1 。c h a r l e srg 等【1 8 l 研究了溶剂对配合物发光性能的影响，报道 2 -，o 奄! ，i0 。 r 东北大学硕士学位论文 。! t 。 ： ， 4 b 第1 章绪论 了在五种不同溶剂中稀土配合物体系的荧光性质。d a i l i e llr 等【1 9 】研究了向乙酞丙酮类 稀土配合物的溶液体系中，加入邻菲罗啉、二联吡啶、二苯基氧嶙等第二配体时，配合 物体系荧光性质的变化情况。 含有酯基的配位体与稀土离子配位的研究成为稀土配合物研究的重要组成部分。 酯基( c 0 c = 0 ) 上的两个氧原子都可以参与稀土元素配位，从而使氧原子上的 电子云密度发生变化，形成新的r e 3 + o 键。张宇冬等【2 0 】报道了以聚醋酸乙烯酯为配体在 四氢呋喃溶剂中与h 3 + 的配位反应，并通过对配合物红外光谱的分析解释了聚醋酸乙烯 酯与o + 的配位机理。党方方等【2 1 】报道了以顺丁烯酸单苯酯为配位体合成的稀土配合 物，并且利用元素分析、t g d t a ( 热重差热分析) 、m 光谱( 红外光谱) 、h l 州r ( 氢 核磁共振波谱) 和c n m r ( 碳核磁共振波谱) 测试技术对合成的配合物进行结构表征， 确定了这些配合物的组成，并解释了配位机理。以稀土异丙醇盐与b ：二酮、丙烯酸、1 ，1 0 - 邻菲罗啉或2 ，2 ，联吡啶反应生成的稀土配合物单体与甲基丙烯酸甲酯共聚合，得到多种 稀土金属的有机高分子，利用f t m ( 傅里叶变换拉曼光谱) 、g p c ( 凝胶渗透色谱) 、 x p s ( x 射线光电子光谱) 对其结构进行了表征，并研究了其热稳定性、透光性和荧光 性能，发现此类共聚物是一种具有优良的热稳定性和高透光率，能够发射稀土离子特征 光谱的荧光高分子材料【2 2 1 。另外，还可以采用含有酯基的共聚物类高分子直接作为配位 体，如以合成的丙烯酸一甲基丙烯酸甲酯共聚物为配位体制备了e u 3 + 的配合物，其荧光光 谱表明，此配位聚合物是一种优良的发光材料，在紫外光下发出高亮度、单色性的特征 红光【2 3 洲。 1 2 2 含氮有机配位体 一般来说，稀土离子与含氮有机配位体的配位能力较弱，在水溶液中很难形成配合 物，因为h 2 0 与稀土的配位能力强于n 的配位能力。因此，含氮有机配合物一般在非 水溶液中制备，例如在无水乙醇溶液。 稀土离子一般都趋于高配位，配位数为8 9 ，单纯含一种配体的二元配合物由于不 能达到饱和配位数，常常含有参与配位的水分子。由于水分子的o h 键具有很大的振动 能，它的存在将导致配合物发光的淬灭，使其发光效率大大降低l z 5 驯。为了提高配合物 的发光强度，常常要引入第二配体作为协同试剂，如1 ，1 0 邻菲罗啉、2 ，2 联吡啶等。 从1 9 8 9 年傅楚瑾等合成了稀土与苯甲酸、1 ，1 0 邻菲罗啉的三元配合物【2 7 】时起，便开始 了以邻菲罗啉作为配体合成稀土配合物的新时代。1 9 9 5 年曾海燕等【冽研究了1 ，1 0 邻菲 罗啉对n 3 + 和e u 3 + 的水杨酸二元配合物荧光强度的影响，证实了将1 ，1 0 邻菲罗啉加入 ； 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 到e u 3 + 水杨酸的二元配合物中，能使e u 3 + 的发光进一步增强。另外，还有关于铕、铽 萘酸邻菲罗啉的三元配合物【2 9 】，铽、钇柠檬酸邻菲罗啉的三元配合物【3 0 】以及稀土离子 二酮邻菲罗啉及其衍生物的三元配合物【3 1 ，3 2 】等报道。 第二配位体的引入，部分甚至全部取代水分子的位置，减少配位水分子中高频0 h 振动所带来的能量损失，提高配合物的荧光效率，可使荧光强度在原有的基础上成倍地 提高【3 3 侧。随着研究的进展，许多研究结果表明，含有1 ，1 0 邻菲罗啉的三元配合物的 荧光强度高于相应的含有2 ，2 ，联吡啶的三元配合物【3 7 1 ，这可能与二者的结构有关。由于 1 ，1 0 邻菲罗啉的三元共扼平面使原子具有较高的电子云密度，便于配位体与稀土离子 键合时的轨道重叠，更有利于能量的有效传递。另外，1 ，1 0 邻菲罗啉含有大范围离域 双键，该键所在的平面刚性比2 ，2 联吡啶大；而2 ，2 联吡啶在形成配合物后，两个吡 啶环之间仍有一定程度的自由旋转而使能量消耗，致使荧光强度减弱。 加入的第二配体参与分子内能量的吸收和传递，其方式有： ( 1 ) 如果第二配体的三重态能级高于稀土离子的最低激发态能级，根据能量传递 原理，可能实现第二配体直接将能量转移给中心离子。当然，必须考虑能级是否匹配的 问题。 ( 2 ) 第二配体将吸收的能量传递给第一配体，然后第一配体再将能量传递给中心 离子，两步能量传递导致配合物的荧光寿命延长和荧光强度提高。 ( 3 ) 第二配体还可能起到能量传递通道的作用，将第一配体吸收的能量传递给中 心离子。如在e u 3 ，4 呋喃二甲酸邻菲罗啉的三元配合物中，3 ，4 呋喃二甲酸的最低三 重态能级高于最低三重态能级，存在着从3 ，4 呋喃二甲酸配体向1 ，1 0 邻菲罗啉配体的 分子内能量传递，1 ，1 0 一邻菲罗啉成为主要的能量给予体【矧。 另外，对比某些含第二配位体的三元配合物和相应的二元配合物的激发光谱，发现 无明显差别，说明三元配合物可能主要是以第一配体来吸收能量，第二配体由于吸收紫 外光能力相对较弱，因而对激发光谱基本没有影响。这种情况表明，第二配体有可能仅 主要起到增加中心离子配位数，稳定配合物的结构，改变中心离子的配位环境，进而影 响配合物发光效率的作用。 此外，文献还报道了许多以1 ，1 0 邻菲罗啉做显色剂，应用分光光度法检测铁、钒、 钻、硒、银、稀土等金属离子【3 9 掣】的研究工作。通过显色反应测定铁离子的原理是：f e 2 + 与1 ，1 0 邻菲罗啉在酸性条件下生成红色螯合物，颜色的深浅与铁的量成正比。 ， 。j 东北大学硕士学位论文。 t i 。， 啦t ，。 _ ” 第1 章绪论 1 2 3 超分子大环配位体一、| | j” 妒 ”1 知，0 一“ 大环配位体包括：含有o 、n 配位原子的冠醚、穴醚( 又称窝穴) ，含有n 配位原 子的酞菁、卟啉及大环多胺。超分子配合物是指在配合物中配位体之间通过静电、氢键、 分子间力等作用形成了特殊的配体环境，构成一种特殊的大分子结构。文献报道了以含 羧甲基侧臂的二( 四) 氮杂冠醚为配体合成稀土的配合物，发现含氮原子数不同的冠醚 可以和稀土离子形成1 ：1 型和双核两种类型的配合物【4 5 1 。 由于稀土金属独特的电子结构，稀土卟啉配合物展现了丰富的物理化学和光谱性 质，可以应用于研究生物大分子的荧光探针，亦可以作为核磁共振研究的位移试剂，有 机合成的催化剂，还可作为具有广阔应用前景的功能材料，用来制做图像显示和记忆材 料等。s h i n i c hk 等人的工作【删提供了一种将稀土离子探针插入到生物大分子中的新方 法。据文献中报道，对于不同的生物分子镧系卟啉分子插入到生物分子时均伴随着三价 稀土离子替换以c a 存在为基础的钙调蛋白质中的c a 2 + 的过程。另外，发现因为稀土配合 物具有较强的磁各向异性，从而提高了镧系卟啉分子在溶液中核磁共振时的顺磁位移。 酞菁分子缩写为h 2 p c ，在不同条件下，它可以以h p c - 或p c 2 。两种形式出现在配合物中， 镥酞菁具有电致变色性质，作为一种新型功能材料，它在全色记忆和图像显示等方面 得到应用【4 7 j 。 1 2 4 生物分子配位体 由于各类蛋白质是生物体内各种微量元素的重要配体，而各种蛋白质又是由2 0 种天 然的a 氨基酸所组成的，因此，有关稀土离子与生物分子( 蛋白、核酸、氨基酸、核苷 酸、糖类等) 配位体相互作用的研究对探讨稀土元素在生物及生理方面的作用机制，有 十分重要的意义。近年来，研究者发现稀土与d ，l 蛋氨酸生成1 ：1 的配合物，与丝氨酸 生成1 ：1 或1 ：2 的络合物，并且发现它们的稳定常数随着稀土离子半径的减小而增加。不 同的稀土离子与氨基酸中羧基的配位方式也不同，l a 3 + ，p 一，n - d 3 + 以三齿螯合桥式配位， h 0 3 + ，e r 3 + ，y 3 + 以双齿不对称桥式配位，其余稀土离子与氨基酸以双齿对称桥式与羧基 配位。王瑞瑶等【镌】制备了1 0 多种氨基酸与稀土配合物的单晶，并得到了4 0 多个单晶结构。 范玉华等【4 9 】合成了水杨醛缩l 酪氨酸铒的配合物，并且对所合成的配合物进行了表征， 研究了合成过程中热分解的动力学过程，并推断出配合物的热分解动力学方程。研究揭 示了稀土离子探针以及钙、镁和锰等价离子与生物大分子之间的络合机理，表明因为 稀土离子与c a 2 + 等离子有相近的半径和结合性能，因此容易取代c a 2 + 等金属离子与生物 j 蚤 范 * ：? 澎 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 大分子配位。t l l e o d o r ekc 等【5 0 】合成了一种新的酸作为配体，合成了铽的配合物。以此 配合物为探针，用时间分辨荧光免疫分析法测定了碱性磷酸酯酶，从而建立了新的磷酸 酯酶测定方法。此方法测定磷酸酯酶的检出限为1 0 6m o l e c l l l e s 版l 。并且提出了利用稀土 元素荧光寿命长的特点，实现同一样品中多种生命分子同时检测的理论。 脱氧核糖核酸( d n a ) 是一类很重要的生命物质，是生物体遗传信息的载体，对 d n a 的研究是生命科学研究的一个极其重要的方面。d n a 检测常用的方法主要有电化 学方法【5 1 巧3 1 、分光光度法【5 4 5 5 1 、共振光散射法【5 硒8 1 和荧光染料法【5 9 石1 1 。荧光法与其它方 法相比，具有更高的灵敏度和较低的检出限，因此关于荧光法测定d n a 的研究报道越 来越多。随着研究的进展，发现有机荧光染料的毒性限制了其在测定d n a 的应用中的 发展，人们逐渐开始尝试其它方法来测定d n a ，其中稀土配合物作为荧光探针测定d n a 成为重要的组成部分。稀土配合物的下述独特优点使它更适合作为荧光分析中生物分子 的荧光标记物： ( 1 ) 窄带发射，有利于提高分辨率； ( 2 ) s t o k e s 位移大( 2 5 0 3 5 0n m ) ，有利于排除非特异性荧光的干扰； ( 3 ) 荧光寿命长，有利于采用时间分辨荧光检测技术； ( 4 ) 4 f 电子受外层电子屏蔽，f - f 跃迁受外界干扰小，配合物荧光稳定； ( 5 ) 配合物的发射光谱为稀土离子的特征光谱，发射波长不受配体影响。 e l b 锄o w s l 【im 等【6 2 】报道了以稀土配合物为探针进行荧光免疫分析和核酸杂交检测 的研究工作。y u 锄jl 掣6 3 】合成了一种具有优良荧光性质的铽的苯基吡啶配合物，将此 配合物与链球菌链接，用来标记甲胎蛋白和抗原，实现了稀土化合物在时问分辨荧光免 疫分析中的应用，此分析方法的最低检出限可以达到p 咖l 。另外，还合成了铕的配合 物，以此配合物为探针，实现了人体血浆中甲胎蛋白和抗原的同时检测。周柏玲等【6 q 以铽离子作为荧光探针测定d n a ，测定的d n a 线性范围是0 0 2 2 0 g m l 。u urt 等 1 6 5 】以e u “氧四环素配合物为荧光探针测定d n a 和砌悄，结果表明随着d n a 和r n a 加入量的增加，e u 3 + 氧四环素配合物体系的荧光强度逐渐增强，并且d n a 对体系的增 敏效果高于r n a 作用的效果。在考察的最优条件下，d n a 测定的线性范围是 3 0 1 0 一5 0 1 0 6g i n l 。 1 3 稀土有机配合物荧光产生的理论基础 1 3 1 稀土有机配合物荧光产生的基本机理 稀土元素原子内4 f 电子处于内层能级，被s 和p 轨道有效屏耐6 6 1 。方面，f - f 跃 6 b ? 童：。：1 。弘；j ? “ 。，、啊，。? 东北大学硕士学位论文 一 第1 章绪论 迁呈现尖锐的线状光谱且具有长寿命激发态，构成了其发光的独特优势。另一方面，稀 土元素作为配合物的中心离子其配位数丰富多变，通过稀土离子与丰富多变的配位体相 互作用，又可以在很大程度上改变、修饰和增强其发光特性，产生十分丰富的荧光光谱 信息。如某些稀土离子( e u 3 + 和一+ ) 具有在可见光区发光的通道，如果选择的配体适 当，形成配合物后，其中的配体可将某一定波长的入射光吸收、贮存、转换或传递给中 心离子，从而使配合物发射出荧光。这种稀土配合物发出的荧光将兼有稀土离子发光强 度高、颜色纯正和有机发光配合物所需激发能量低、荧光效率高等优点。在此情况下， 稀土离子的发光性质在配体作用下得到了修饰和增强。 简言之，稀土配合物荧光产生的机理：一是来自于受中心离子微扰的激发态配位体， 一是来自于受配位体微扰的激发态中心离子，及由激发态配位体通过无辐射分子内能量 传递，将受激能量传递给中心离子发出荧光。 1 3 2 稀土有机配合物的能量传递机制 稀土离子自身在紫外、可见光区的紫外吸收系数很小，所以发光强度较低。但是因。 为有机配位体在紫外或可见光区有很强的吸收，进而把激发态的能量通过无辐射跃迁传 递给稀土离子，从而敏化了稀土离子的发光，提高了稀土离子的发光强度。关于稀土配产。 合物分子中能量传递的机制，一直是光致发光配合物研究中的热点。尽管提出了各种各 样的理论，但大多数科学家还是倾向于如图1 1 所示的能量传递原理，即配合物中心稀 土离子发光过程大致为：配体先发生p p 术吸收，经过由s o 单重态到s 1 单重态的电舻 子跃迁，最低激发三重态t l 向稀土离子振动能级进行能量转移，稀土离子的基态电子 受激发跃迁到激发态。当电子由激发态能级回到基态时，发出该稀土离子的特征荧光。 有机配位体敏化中心离子的发光效应称为天线( a n t e 衄a ) 效应，即吸收能量能量转移一 发射的过程。影响发光强度的因素主要包括：( 1 ) 配体吸收的强度；( 2 ) 配体一稀土离 子能量转移效率；( 3 ) 稀土离子发射的效率_ ”。 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 舒l # 短 教糖蠡 图1 1 稀土配合物发光分子内能量传递过程示意图m f i g 1 1s k e t c hm a po fr a r ee a r t h m p l e xl u m i i l e s c e n c e i n t r a m o l e c u l 盯e n e r g yt m n s f e r 州j 1 4 稀土纳米粒子的制备 稀土研究的另一个重要领域是关于稀土纳米粒子的研究。目前研究的稀土纳米粒子 主要包括：单一稀土氧化物、氟化物纳米粒子，稀土掺杂纳米粒子和复合型纳米粒子。 稀土掺杂纳米粒子是将稀土元素作为掺杂物质，以固溶体的形式进入基质晶格内。常用 基质材料主要有氧化物、复合氧化物、氟化物和半导体等。这类物质属于基于发光中心 离子的发光材料，其发光来源于掺杂的稀土离子内部的电子跃迁。由于稀土离子最外层 为全充满壳层结构，形成很好的电屏蔽作用，因此其电子发射受周围环境影响较小，基 本保持离子的光谱特征。稀土掺杂纳米晶体的激发波长主要取决于基质的结构，而发射 波