（有机化学专业论文）基于罗丹明b蒽环的阳离子化学传感器的合成及性能研究.pdf

基于罗丹明b 蒽环的阳离子化学传感器 的合成及性能研究 摘要 荧光分子探针具有诸如最高可达单分子检测的高灵敏度、能够实现开关操 作、原位检测以及利用光纤维进行远距离检测等众多优点，己经在金属离子、核 酸、细胞检测及免疫检测等方面发挥了重要作用。 本论文综述了各种类型的阳离子荧光化学传感器，对它们的识别和光化学传 感性能作了较详细的介绍。在此基础上，本论文以罗丹明b 和蒽环荧光基团为 原料合成了一系列的荧光受体2 - 1 2 4 、3 - 1 。并通过核磁共振氢谱、碳谱、元素 分析等分析测试手段确定了它们的结构。 通过荧光光谱法和紫外可见光谱法研究了各受体与不同金属离子的相互作 用。结果表明，受体2 2 对h 9 2 + 、2 - 3 对c u 2 + 、2 - 4 对f e ”、3 - l 对c u 2 + 具有很好 的选择性和识别配位性能，并且，化合物2 1 可以在乙腈体系中识别p b 2 + ；在有 水环境中识别h 9 2 + ，是第一次合成的可以分别在l n m 和1 0 n m 级别上检测p b 2 + 和h 孑+ 的化学荧光传感器。 通过核磁共振氢谱和质谱研究了各受体与阳离子的作用机制，并对它们的络 合方式进行了初步推测。 关键词：罗丹明b ，葸，阳离子识别，荧光，化学传感器。 。 s y n t h e s i sa n dp r o p e r t i e so fc a t i o n f 乙u o r e s c e n tc h e m o s e n s o r sb a s e do n r ho d a m i n e b a n t hr a c e n e a b s t r a c t t h ea d v a n t a g e so fm o l e c u l a rf l u o r e s c e n tp r o b e sf o rs e n s i n gc a nb es u m m a r i z e d ： h i g hs e n s i t i v i t yo fd e t e c t i o nd o w nt ot h es i n g l em o l e c u l e ，o n - o f r ，s w i t c ha b i l i t y , o b s e r v a t i o ni n s i t u ，r e m o t es e n s i n gb yu s i n go p t i c a lf i b r e s ，e ta l ，a n da l r e a d yh a s p l a y e da ni m p o r t a n tr o l ei nm e t a lc a t i o n s ，m u c l e i ca c i d s ，i m m u n e c e l l sa n dt e s t i n g i nt h i st h e s i s r e c e p t o r sb e a r i n gv a r i o u sm e t a li o n sb i n d i n gs i t e sc h e m o s e n s o r s w e r er e v i e w e d t h e i ra b i l i t i e st os e l e c t i v e l yb i n da n ds e n s ec a t i o n sw e r ed e t a i l e d p r e s e n t e d o nt h eb a s i s as e r i e so fr e c e p t o r s 2 1 2 - 4 、3 1w e r es y n t h e s i z e df r o m r h o d a m i n eba n da n t h r a c e n ea n di d e n t i f i e db y1 hn m r ，cn m r ，a n de l e m e n t a l a n a l y s i s t h ei n t e r a c t i o nb e t w e e nt h er e c 印t o r sa n dv a r i o u sm e t a lc a t i o n sw a ss t u d i e db y f l u o r e s c e n c ea n du v - v i ss p e c t r u m t h er e s u l t sd e m o n s t r a t et h a tr e c 印t o r s2 2 - 2 - 4 、 3 1h a da ne x c e l l e n ts e l e c t i v er e c o g n i t i o na n ds e n s i t i v i t yf o rn g 十、c + 、f e 3 + 、c + r e s p e c t i v e l y , m o r e o v e r , 2 1i st h ef i r s tc h e m o s e n s o rb a s e do ns m a l lm o l e c u l et h a tc a n d e t e c tb o t hp b pa n dh + a tin ma n dl0 1 1 m1 e v e l ，r e s p e c t i v e l y t h em e c h a n i s mo ft h er e c 印t o r sw i t hc a t i o n sw e r es t u d i e dt h r o u g h hn m ra n d m s ，a n dp r e l i m i n a r l yi n f e r e dt h em o d eo fa c t i o nb e t w e e nt h e m k e yw o r d s ：r h o d a m i n eb ，a n t h r a c e n e ，c a t i o nr e c o g n i t i o n ， f l u o r e s c e n c e ， p h o t o c h e m o s e n s o r 目录 1 l j 一 日u 舌1 第一章文献综述2 1 1 概述2 1 2 荧光化学传感器的种类3 1 2 1 溶解氧荧光化学传感器3 1 2 2p h 荧光传感器3 1 2 3 重会属离子荧光化学传感器3 1 2 4 含氮化合物荧光化学传感器3 1 2 5 有机污染物荧光化学传感器4 1 3 荧光化学传感器的设计原理4 1 3 1 p e t ( p h t o i n i n d u c e de l e c t r o nt r a n s f e r ) 原理4 1 3 2 p c t ( p h t o i n i n d u c e dc h a r g et r a n s f e r ) 原理6 1 3 3 分子内单体一激基缔合物( m o n o n e re x c i m e r ) 6 1 3 4 e e t ( e l e c t r o n i ce n e r g yt r a n s f e r ) 原理7 1 3 5 荧光共振能鼍转移( 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 ) 7 1 3 6 刚性效应原理8 1 4 阳离子荧光化学传感器的研究进展9 1 4 1杯芳烃类阳离子传感器9 1 4 2 冠醚类阳离子传感器1 2 1 4 3 多胺类阳离子传感器1 4 1 4 4 吡啶衍生物类阳离子传感器1 6 1 4 5 罗丹明类阳离子传感器1 6 1 4 6 含蒽荧光团类阳离子传感器2 1 1 5 本论文的研究工作2 2 第二章基于罗丹明b 的阳离子化学传感器的合成及性能研究2 3 2 1 引言2 3 2 2 合成路线2 3 2 3 仪器与试剂2 4 2 3 1 仪器2 4 2 3 2 主要试剂2 4 2 4 目标化合物的合成2 4 2 4 1 中间体2 8 的合成2 5 2 4 2 目标化合物2 - 1 、2 - 2 的合成2 5 2 4 3 中间体2 - 9 的合成2 6 2 4 4 目标化合物2 3 的合成2 6 2 4 5 中问体2 1 0 的合成2 6 2 4 6 目标化合物2 - 4 的合成2 7 2 4 7目标化合物2 5 的合成2 7 2 5 目标化合物的表征2 7 2 6 目标化合物的识别性能研究2 9 2 6 1目标化合物2 1 的识别性能研究2 9 2 6 1 1目标化合物2 1 在乙腈体系中的识别性能研究2 9 2 6 1 2目标化合物2 - 1 在乙腈：水( 3 ：7 ) 体系中的识别性能研究3 4 2 6 2目标化合物2 2 的识别性能研究4 1 2 6 3目标化合物2 1 2 2 的作用机理推测4 4 2 6 4目标化合物2 3 的识别性能研究4 4 2 6 4 1 目标化合物2 3 对金属阳离子识别性能的紫外可见吸收光谱研究4 4 2 6 4 2目标化合物2 3 对金属阳离子识别性能的荧光光谱研究4 5 2 6 4 3目标化合物2 3 的作用机理推测4 9 2 6 5目标化合物2 - 4 的识别性能研究5 0 2 6 5 1 目标化合物2 - 4 对金属阳离子识别性能的荧光光谱研究5 0 2 7 小结5 4 第三章基于葸环的阳离子化学传感器的合成及性能研究5 5 3 1 引言5 5 3 2 合成路线。5 5 3 3 仪器与试剂j 5 6 3 3 1 仪器5 6 3 3 2 主要试剂5 6 3 4 目标化合物的合成5 6 3 4 1中间体3 3 的合成5 6 3 4 2目标化合物3 - 1 的合成5 6 3 4 3目标化合物3 2 的合成5 7 3 5 目标化合物的表征5 8 3 6 目标化合物的识别性能研究5 8 3 6 1化合物3 - 1 和3 2 对不同阳离子的选择性荧光光谱实验5 8 3 6 2 化合物3 - 1 对c u 2 + 离子的荧光滴定实验5 9 3 6 3 化合物3 - 1 对c u 2 + 离子的的背景干扰实验6 0 3 6 4 化合物3 - 1 与c u 2 + 离子络合常数的计算6 1 3 6 5 化合物3 - 1 对c u 2 + 离子的检测限6 1 3 7小结6 2 结论6 3 致谢7 6 攻读学位期间发表的论文7 7 声明7 8 明 一 一 献 文 一 考 录 参 附 青岛科技人学研究生学位论文 土i j l 。 刖吾 1 9 8 7 年，c j p e d e r s e n 、d j c r a m 和j m l e h n 获得诺贝尔化学奖，这标志着 化学发展进入了一个新的时代。对通过非共价键弱相互作用力键合起来的复杂有 序且有特定功能的分子集合体，即超分子化学的研究逐渐变成了焦点。而分子识 别作为超分子化学中的重要组成部分，自然也就受到了更多化学家的关注。 自然界中，分子识别是广泛存在的一种现象，特别在生命过程中起着极其重 要的作用。在很多生命过程中，如肌肉收缩、神经传导、细胞活性调整等都有 n a + 、k + 、c a 2 + 等阳离子的参与。 在分子识别领域中，荧光化学传感器是近年来兴起的一个新的科学领域】。 它的出现显然和近年来超分子科学的进展诸如主客体化学、分子组装、非共价相 互作用以及光诱导电子转移等的研究密切相关。 荧光化学传感器是由具有荧光发射特征的分子受到周围环境、特别是接受外 来化学或生物物种等的影响时，其荧光发射发生变化，从而使人们获知其周围环 境的特征或环境中存在的某种特定物种信息的化学传感器【6 】。它有很多显著的优 点，如可达到单分子检测的高灵敏性、可开关、可实现人与分子的通讯等。作为 一种选择性好、灵敏度高、检出限低的微量分析技术，荧光化学传感器可以对单 ( 多) 种对象进行实时、在线检测【7 ，8 】，它克服了传统分析手段步骤繁琐冗长、耗费 大量试剂、不能实时在线分析等缺点。因此，提高化学传感器的选择性，继续寻 找和研究具有高灵敏性、高选择性、较好的稳定性和可逆性的分子识别载体已成 为现代分析化学的一大热点【9 】。 分子识别是一个充满机遇和挑战的领域，人们对分子之间相互识别和作用的 研究增进了对生命的了解，有利于探索生命和化学中的未知领域。而其中关于对 阳离子的识别和检测则吸引了许多致力于提高对生物化学、环境科学、药物化学 等领域的研究和认识的科学家，有力的促进了该领域的迅猛发展。 新型荧光化学传感器的合成及t t ：f j 副i j r 究 第一章文献综述 1 1 概述 如何探测发生在微观世界的分子识别现象是超分子化学研究的一个基本课 题。为了解决这个问题，化学工作者设计合成出了一种可以通过某种宏观信号变 化来反映这种微观世界识别现象的主体分子化学传感器。在高效的分子识别 的基础上，发展光、电、磁等技术手段来检测识别产生的信号差别，实现分子的 传感是近年来分子识别研究的热点和重点课题之一。 化学传感器以光学或电子传导元素作为识别单元，已经在探测特定物质的分 析技术中得到广泛的应用【l0 1 。在众多的传感器中，荧光传感器以其灵敏性高、 使用方便等优点备受人们的关注，近年来得到了迅速发展】。 化学传感器主要组成部件有两个：( 1 ) 报告部件，把识别基团与被分析物络 合所引起的化学环境变化转变为容易观察到的输出信号；( 2 ) 识别部件，能选择 性地与被分析物相结合( 一般形成络合物的形式) ，使传感器所处的化学环境发生 改变。 l t p o n o 两y 基 苎 盖 蓍 糟咖蛔m 饼哪 图1 - 1 化学传感器的结构示意图 f i g 1 - 1s t r u c t u r eo fc h e m o s e n s o r 荧光化学传感器是建立在光谱化学和光学波导与测量技术基础上，选择性 地将分析对象的化学信息连续转变为分析仪器易测量的荧光信号的分析测量装 置。经过多年的发展，荧光化学传感器的研制取得了实质性的进展，已成为各种 分子、离子的重要检测手段。 1 2 荧光化学传感器的种类【1 2 】 2 青岛科技人学研究生学化论文 根据可应用于环境分析与监测的荧光化学传感器的检测对象，将其分为以下血类 叙述。 1 2 1 溶解氧荧光化学传感器 溶解氧荧光化学传感器多是基于敏感载体( 过渡金属有机络合物，四碘荧光 素，芘衍生物) 与氧相互作用时，其荧光发生动态猝灭，由荧光的猝灭程度来确定 氧的浓度。过渡金属有机物具有激发波长较长、发射光强度较大和光学稳定性好 等特点，常被作为敏感载体使用。 1 2 2p i - i 荧光传感器 p h 荧光化学传感器是较早产生的荧光化学传感器之一。其识别原理主要在 于敏感载体与溶液中的氢离子的质子化反应前后具有不同的荧光特性。该特性与 氢离子浓度即溶液的p h 相关。在其使用的敏感载体中，荧光素及其衍生物占了 很大部分。如：异硫氰基荧光素、氨基荧光素等。除此之外，过渡金属配合物、 萘酰亚胺类衍生物等也被用作敏感载体。 1 2 3 重金属离子荧光化学传感器 重金属离子荧光化学传感器中的敏感载体多为大环化合物，如卟啉化合物、 杯芳烃、冠醚等。葸衍生物也可以用来检测p b 2 + 。c h a n 等合成了四甲基n ( 9 蒽 甲基) 对二氨基联苯，并以其作为质子选择性荧光载体，包埋在p v c 膜中，制得 了基于离子交换机理的p b 2 + 传感器。 1 2 4 含氮化合物荧光化学传感器 含氮化合物是导致水体富营养化的重要因素，氨念氮、硝念氮、亚硝念氮等 都是环境监测的对象。 例如一种以罗月明b 作为敏感载体的氨荧光化学传感器，包埋在溶胶凝胶 和p v c 中的罗丹明b 可以在氨作用下转变成无色无荧光的内酯，其荧光强度的 降低与氨的浓度成比例关系，其检测限可至0 1 “m l 。另一种将十八烷基嘧啶橙 包埋固定在p v c 中，制得的敏感膜在与n 0 3 接触时，有明显的荧光增强效应， 对溶液中的n 0 3 具有很高的灵敏度。 1 2 5 有机污染物荧光化学传感器 常见有机污染物荧光化学传感器的检测对象有硝基芳香类化合物、多环芳烃 等。n i u 使用甲基丙烯酸一b 羟丙酯共价固定氨基萘酰亚胺制得苦味酸传感器。 h u a n g 等基于具有分子导线效应的荧光共轭聚合物能对响应信号起放大作用，将 3 新删荧光化学传感器的介成及阽能研究 聚2 ，5 二甲氧基苯基丁二炔包埋于p v c 膜中，设计了可用来对邻硝基酚进行痕 量分析的荧光化学传感器。 除了芳香族化合物之外，表面活性剂、一些有机毒物如杀鼠灵、神经毒剂索 曼水解产物等都可用荧光化学传感器进行检测。 1 3 荧光化学传感器的设计原理 近年来，分子开关型荧光传感器已经成为传感器研究的一个热门领域【l 3 。1 4 】。 与一般的荧光传感器不同，这类传感器以荧光“亮”或“灭”来显示待分析物的 存在，因此其具有使用方便的特点。文献根据荧光分子开关所基于的机理不同可 将其分为光诱导电子转移型( p h t o i n i n d u c e de l e c t r o nt r a n s f e r ，p e t ) 、光诱导电荷转移 型( p h t o i n i n d u c e dc h a r g et r a n s f e r , p c t ) 、分子内单体激基缔合物( m o n o n e r e x c i m e r ) 、电子能量转移( e l e c t r o n i ce n e r g yt r a n s f e r ，e e t ) 、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 rf r e t ) 等【3 】不同的类型。 1 3 1p e t ( p h t o i n i n d u c e de l e c t r o nt r a n s f e r ) 原理 p e t 热力学基础由w e l l e r 等于2 0 世纪6 0 年代术提出，用于描述分子间电子转 移体系。这一开创性工作为光诱导电子转移体系的深入研究奠定了基础。 p e t 型荧光传感器对客体的识别原理如图1 2 所示。在受体与客体结合之前， 激发态的发色团足以氧化受体，使自身还原成不能产生荧光的物种，这就是所谓 的p e t 过程。与之相应的是，体系处于弱荧光态或无荧光态，该分子开关也就处 于“关”的状态( 图1 - 2 a ) 。当受体与客体结合后，其氧化电势提高，激发态发色团 已经不足以氧化受体，客观上p e t 过程受阻，体系荧光恢复，此时荧光分子开关 处于“开”的状态( 图1 2 b ) 。 图1 - 2p e t 过程发生( a ) 和受阻( b ) 示意图 f i g 1 2s c h e m a t i ci l l u s t r a t i o no f ( a ) ap e tp r o g r e s sa n d ( b ) t h ei n t e r r u p t i o no fap e tp r o g r e s s 在荧光传感器的研究中，光诱导电子转移最先得到研究并取得巨大的成功。 图1 3 描述t p e t 荧光传感器的光物理机理【1 5 】。客体不存在时，荧光团被光激发 4 青岛科技人学 j j 究生学伊论文 后其最高占据轨道( h o m o ) f 弘j - - 个电子跃迁剑最低窄轨道( l u m o ) ，若外束基l 羽 ( 如识别基团) 的h o m o 轨道或l u m o 轨道介于荧光两轨道能量之问，此时就 可以发生识别基团与荧光团的电子转移而导致荧光的淬灭，即发生光诱导电予转 移过程。也就是说，p e t 过程提供了一个电子从激发态到基态的非辐射跃迁的途 径，降低了荧光团的量子产率，表现为荧光强度的减弱，既荧光淬灭。 l 撇斗 i 切 z 艄弋 h o m o 牛 一 8 l u m d 一 、p 图1 - 3 外来分子轨道( a ：全满轨道；b ：空轨道) 与荧光团h o m o 与l u m o 参与下的p e t 过程 f i g 1 - 3 ( a ) p e tp m c 岱s w i t ht h ep a r t i c i p a t i o no ft h eh o m oa n dl u m oo ft h ef l u o r o p h o r ea n d e x t e r n a lm o l e c u l a ro r b i t ；( b ) p e tp r o c e s sw i t ht h ep a r t i c i p a t i o no ft h eh o m oa n dl u m o o ft h ef l u o r o p h o r ea n da ne m p t ye x t e r n a lm o l e c u l a ro r b i t 目前为止，p e t 机理已被广泛用来设计功能有机分子，科学家们通过p e t 机 理设计了很多功能有机分子器件【l6 。1 9 】，多数荧光分子探针是以脂肪氨基或氮杂冠 醚作为受体单元。化合物a 是第一个最简单的p e t 荧光分子探针【2 0 1 ，吴云扣等【2 1 1 合成p e t 荧光分子探针b ，对p h 不敏感，其p k a 被降为2 1 ，在细胞内z n 2 + 的荧光显 微成像研究获得了满意的结果。g u n n l a n g s s o n 研究小组【2 2 】设计合成了含氨羧酸基 团的化合物c 在p h 较高的介质中稳定，并且水溶性好。化合物d 的分子设计也是基 于p e t 过程【2 3 1 ，但不同的是，当络合客体后，产生了从荧光团到金属离子的氧化 p e t 过程，导致荧光淬灭。 a b cd 1 3 2p c t ( p h t o i n i n d u c e dc h a r g et r a n s f e r ) 原理【2 4 】 有的文献也将其称为分子内电荷转移原理( i n t e m a lc h a r g et r a n s f e ri c t ) t 2 5 。典 廿 牛 丈n n n 矽* 一 * 绀 一 夕织 文2 新j 弘荧光化。传感器的合成及性z h 匕l ，- 丌究 型的p c t 荧光传感器是由荧光与识别基团直接相连构成的，这类探针的荧光l 绷 上分别连有推电子基和吸电子基，并目推电子基或吸电子基团本身又充当识别基 团或识别基团的一部分。同时连接给电子基与吸电子基的荧光基团在光激发下， 发生电荷从给电子向吸电子基转移，基于荧光团所处的微环境变化使荧光光谱发 生s t o k e s 位移。离子与连有给电子基( 如氨基) 的荧光团络合时，减弱了受体的给 电子效应，导致结合能力下降，吸收光谱伴随着吸光率的降低发生蓝移；相反， 离子与吸电子基结合增强了基团的吸电子能力，吸收峰红移，同时摩尔吸光率增 大( 如图1 4 ) 。一般来说，荧光光谱随着吸收光谱变化的方向而变化。除了位移 的改变，也会引起荧光产率、荧光寿命的改变。 i n t 引a d l w t h & m o tg r o u pj n t e v a c 驻o nw i t ha 口x q 抽rg r o u p 图1 4 与阳离子结合后引起的p c t 体系的光谱位移变化 f i g 1 4s p e c t r a ld i s p l a c e m e n t so fp c ts e n s o r sr e s u l t i n gf r o m i n t e r a c t i o no fab o u n dc a t i o nw i t ha n e l e c t r o n - d o n a t i n go re l e c t r o n - w i t h d r a w i n gg r o u p 扭转分子内电荷转移属于分子内电荷转移( i c t ) 的一部分，除了具有i c t 的 光物理性质外还具有其本身独特的荧光发射行为。所谓的分子内电荷转移，是指 分子在激发态时发生分子内电子转移( e t ) ，造成正负电荷的分离，形成分子内 电荷转移态( 既i c t 态) 。分子内的电子转移和电荷转移态是常见的光物理现象， 也是植物进行光合作用的必须过程。一般来说，发生电荷转移的分子应包含电子 给体和电子受体，而且两者通过共轭兀键连接，兀键提供电子转移的通道。 1 3 3 分子内单体一激基缔合物( m o n o n e re x c i m e r ) 激基缔合物的形成过程受扩散控制，因此单体浓度与溶剂粘度是缔合物形成 过程中的决定因素。当单体溶于烷烃溶剂且浓度低于1 0 。m o ll 叫时，通常观测到 的为单体荧光。若受体分子中有两相同的荧光团，其相对距离与受体和客体的结 合有关，如受体分子结合上客体后，分子构型发生变化，促进激基缔合物的形成 或破坏了单体本身的激基缔合物结构，因此可通过单体与e x c i m e r 间的荧光强度 比值来进行客体的识别【2 叫( 图1 5 ) 。 6 青岛科技人。譬m 7 t 生。学f 一沦文 图1 5 客体诱导的激基缔合物形成示意图 f i g 1 - 5s c h e m a t i co fg u e s t i n d u c e dm o n o m e ra n de x c i m e rf o r m a t i o n 1 3 4 e e t ( e l e c t r o n i ce n e r g yt r a n s f e r ) 原理 如果有外部基团的空轨道或半充满轨道能级处于荧光团的h o m o 和l u m o 之间，发生两个电子的同步交换。双电子交换过程使得荧光团重新回到基态，随 之发生非辐射过程，导致荧光淬灭( 图1 - 6 ) 2 7 】。能量转移和电子转移一样都和转移 的给体与受体间的距离有着密切关系。在经典的f o r s t e r 能量转移理论中能量是通 过偶极一偶极相互作用发生交换的。 u 肭o 纱 * * n 工一手 圹栽 器 l u i o h 。* 牟 - k 图1 - 6 外来分子轨道与荧光团h o m o 和l u m o 参与下6 6 e e t 过程 f i g 1 - 6e e tp r o c e s sw i t ht h ep a r t i c i p a t i o no ft h eh o m oa n dl u m oo ft h e f l u o r o p h o r ea n da ne x t e r n a lm o l e c u l a ro r b i t a l 9 】 1 3 5 荧光共振能量转移2 8 ( 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 ) 7 新州荧光化学传感器的合成及性能研究 荧光共振能量转移是激发态时能量供体与受体通过远程偶极偶极鹛合作用， 发生的非辐射能量转移过程，又称长距离能量转移。一般说来，能晕供体的荧光 发射位于短波长处，且其发射光谱与能量受体的吸收光谱要能重叠。根据著名的 f o r s t e r 方程，共振能量转移的效率与以下几个因素有关，供体的发射光谱与受体 的吸收光谱重叠程度、供体与受体之间的距离和供体与受体之间的跃迁偶极的相 对取向。具体f r e t7 - 作过程如下( 见图1 7 ) ：在光激发下，荧光基团中的供体产 生荧光发射；传感器分子通过键合基团键合底物来调节供体和能量受体之间的距 离以及$ t y d 方向。如果底物的加入使这些因素均在适当范围，能量供体可将能量 通过非辐射转移给能量受体，表现为能量受体的荧光发射；如果底物的加入使这 些因素与f r e t 因素不能匹配，则会抑制f r e t 过程，表现为能量供体的荧光 发射。 图1 - 7 荧光共振能量转移的作用原理 f i g 1 7p r i n c i p a lo ff l u o r e s c e n tf r e t s e n s o r s 1 3 6 刚性效应原理 2 7 1 提高分子的刚性可增加荧光，这是因为分子的刚性增加后，一方面会减弱分 子的振动，从而使分子的激发能不易因振动而以热能形势释放；另一方面，可增 加分子的共平面性，从而发生f r a n k c o n d o m 跃迁，也有利于荧光的产生。因此， 这类荧光传感器可以利用分子刚性的变化进而引起的荧光光谱的变化来判断外 来物种是否已被识别。如当主体化合物与底物络合后，所形成的络合物较原来的 青岛科技人学岍究，i - 。f 声沦艾 主体化合物刚性增强，荧光发射强度就会增强。 1 4 阳离子荧光化学传感器的研究进展 1 4 1 杯芳烃类阳离子传感器 杯芳烃最突出的优点是易于功能化，当其用作荧光分子传感器中的离子载体 时，往往表现出对阳离子很好的选择荧光传感能。将冠醚片段、酯基或酰胺基等 修饰到杯芳烃上后，可以提高对阳离子的选择性识别能力，这是因为杯芳烃类化 合物在灵敏度、选择性、配位的效率上有着独特的优点【3 0 ，3 1 1 。同时由于杯芳烃的 大小、电子给体的类型、以及取代基的位置对于离子的选择性有很大的影响，因 而人们在设计时有着较大的自由度【3 2 ，3 3 1 。 2 0 0 3 年，l e r a y 等【3 4 峙艮道了四个萘磺酰胺基团下缘取代杯【4 芳烃衍生物1 ，发 现其是一种高选择性和高灵敏度的p b 2 + 荧光传感器。在p h = 5 2 时，该化合物对p b 2 + 配合能力最佳。p b 2 + 的加入，导致化合物1 的荧光发射峰发生5 2a m 的蓝移以及1 7 倍的荧光量子产率的增强。这种荧光变化是由于该化合物与p b 2 + 配位后引起磺酰 胺基的去质子化而导致的。 2 0 0 4 年，l e r a y 等1 35 j 合成了由l ，3 双萘磺酰胺衍生物修饰的杯【4 】芳烃2 ，通过 系统地研究其对金属离子的配合性能，发现它对h 9 2 + 有很好的选择性识别能力， 又经荧光滴定法计算得到其与h 孑+ 形成的配合物的稳定常数是其与p b 2 + 和n a + 的 5 0 0 倍以上。化合物2 的c h 3 c n h 2 0 溶液在5 7 5n n l 处有强的荧光，向溶液中加入 h 孑+ 后，主体荧光强度显著降低，并与加入的h 孑+ 浓度成线性关系，最低检测限 为10 7 m o l l 。 l 2 而黄志镗掣3 6 1 设计合成了杯 4 】芳烃衍生物3 ，发现在p h = 1 0 的缓冲溶液中， ) j i l a 6 当量的c u 2 + 时，其荧光强度淬灭1 8 。在c h 3 0 h h 2 0 混合溶剂中，向化合 物3 与c u 2 + 的l ：1 配合物中加入酸或碱都导致体系的荧光强度增强。这是因为，加入 9 & 黼邸 新州荧光化学传感器的介成及性能研究 酸后使得眯哗基团上的n 原子质子化而导致3 c u 2 + 配合物的离解：在碱性条件下， c u 2 + 与羟基形成沉淀而使得3 c u 2 + 配合物的部分离解，所以3 一c u 2 + 配合物在中性条 件下是关荧光状念，而在酸性或者碱性条件下都处1 f 夕r 荧光状念。 将化合物3 的两个咪唑基换成两个硫醚基团后，化合物4 对c u 2 + 也有很好的选 择性，当体系的p h 由4 增；b n n 7 5 时，4 与c u 2 + 的1 1 配合物的荧光强度变化很小；而 当体系的p h 由7 5 增j h n 8 5 时，4 与c u 2 + 的1 ：1 配合物的荧光强度迅速增加。这种传 感器有望作为p h 控制的荧光分子丌判3 7 】。 3 r _ o h 嘲糖崩朔_ 嘲 o h h 4 d i a m o n d 3 s 于1 9 9 3 年最早报道了修饰有蒽的杯芳烃阳离子荧光传感器，考虑 到化合物5 对n a + 有很好的配合能力，他们设计合成了四个葸基修饰的对一叔丁基 杯 4 芳烃衍生物6 。在c h c l 3 中，化合物6 在3 9 1 、4 18 、4 4 3n m 处出现葸单体的特 征荧光发射峰。当加入l i + 或n a + 后，化合物6 的整个荧光发射光谱强度显著降低， 这种荧光淬灭可能是由于6 与l i + 或者n a + 配合后使得四个葸荧光团之间的平均距 离减少而加速了激发态荧光团之间的碰撞淬灭。当k + 加入时，化合物6 在3 9 1 、4 1 8 l o 肯岛科技人学彬f 究生学位论文 n m 处的荧光强度降低而z _ 1 2 4 4 3n m 处的荧光强度增强。 65 而k i m 等【3 9 】则设计合成了化合物7 ，在传感器分子7 中，一端含有苯并冠6 片 段，而另外一端是含有一个氮原子的氮杂冠5 。化合物7 含有两个不同的配合位点， 在没有加入金属离子时，传感器7 存在分子内的p e t 过程，所以荧光很弱。当加入 c s + 后，使得分子内的p e t 过程减弱，体系的荧光大大增强( 如下所示) 。而再向体 系中j j n z c u 2 + ，由于c u 2 + 可以与氮杂冠5 片段形成很强的配合，这样由于静电排 斥作用而使得c s + 从配合位点离去，于是分子内的p e t 过程又可以发生，所以体系 的荧光强度减弱。 n o n 氟“m 啊孵喇 7 k i m 等【4 u j 在2 0 0 5 年设计合成了化合物8 。在乙腈溶液中，化合物8 在4 4 8 n m 处 表现出中等强度的激基缔合荧光发射峰，当p b 2 + 加入到化合物8 的乙腈溶液中时， l m m o l l 的p b ”基本导致激基缔合荧光发射峰的消失，同时单体荧光发射峰强度 也有部分降低，说明化合物8 与p b 2 + 配位后导致两个芘分子的距离变远。当f 。加入 到化合物8 的乙腈溶液中时，芘单体荧光发射峰和激基缔合荧光发射峰强度同时 减弱，因为f - 加入与氮杂冠上的h 形成氢键后，通过p e t 过程发生了从f 向芘荧光 团的电子转移。 面 新刑荧光化。学传感器的合成及性能 i 丌究 h 嬲嗍野 矿。 n h 8 多矿g 了l ! ：丫易、j 嚣 错：。 玲茚 b 、 1 4 2 冠醚类阳离子传感器 冠醚类化合物经常被用来选择性镶嵌各种阳离子，x i a 等人【4 l 】考虑到苯并冠 醚可以与p b 2 + 形成“三明治 型络合物【4 2 】，因而将苯并冠醚连接到荧光基团上得 到化合物9 。当p b 2 + 离子加入后，在9 的两边都形成“三明治”型络合物，发色基 团的荧光增强，并且随着p b 2 + 浓度增加而增强。在 p b 2 + 】 9 _ l ：l 时荧光强度达到最 大。传感器对p b 2 + 有很好选择性，h f + 、c a 2 + 对传感器的荧光没有太大的影响。 9 c o s t e r o 等人m 1 报道了化合物1 0 、l l 作； t 3 p b 2 + 的传感器。两个化合物对p b 2 + 都很敏感，检测下限达至l j 7 x l o m 。在其溶液中加入p b 2 + 后荧光发射谱红移5 0 n m 并且强度随 p b 2 + 】增加而增大。 0 1 0 l l r a m o n 等t 删设计合成了1 2 和1 3 ，研究表明在中性和酸性介质中，c u 2 十和h 孑+ 使1 2 的荧光淬灭，而在中性和碱性介质中只有h 孑+ 使1 3 的荧光增强并显示出好的 1 2 争八 、 争八 青岛利一技人学研究t 。学何论文 选择性。 1 2 1 3 s a i l c e n o n 等【4 5 1 的研究表明，开链多醚对h 孑+ 的结合较好，并以此为基础设计 合成了1 4 、1 5 和1 6 以期能找到合适的h 孑+ 化学传感器。这一系列化合物在可见光 波段( 4 6 0n m ) 有一强吸收，其溶液呈橙黄色。在这几种化合物溶液中加入l i + 、n a + 、 a g + 、h 矿+ 、c d 2 + 、p b 2 + 、a 1 3 + 等近2 0 种离子，只有h 孑+ 使1 6 的吸收红移，使溶液 的颜色由橙黄色变为红色，这说明l l 对h 矿+ 有着很好的选择性。 1 4 ：n = l1 5 ：n = 21 6 ：n = 3 r u r a c k 等人【4 6 】又报道了化合物1 7 。吩噻嗪酮基团的使用保证了传感器的水溶 性，因而在实际应用有着重要性。同时该基团的荧光出现在可见光区，从而增强 了传感器的使用价值。为了保证对h 矿+ 的选择性识别，设计者同样应用了含有n 、 s 的大环结构。 1 7 该传感器对h 9 2 + 的选择性在永溶液中依然存在，并对h 矿+ 的检出下限达到了 l o 。m 级别。对比实验表明，n a + 、k + 、m f + 、c a 2 + 等离子不干扰检测。 除了含s 的冠醚外，含n 的冠醚也被用于h 孑+ 化学传感器的设计。早在1 9 9 5 年，p o r t e r 等人【47 】设计并合成了化合物1 8 幂n 1 9 作为h 矿+ 的选择性提取剂，并指出， 在h 9 2 + 络合后，1 8 矛1 1 9 的吸收光谱有红移。最近s a v a g e 等人【4 8 】在此基础上，设计 了化合物2 0 作为h 矿+ 的化学传感器。在甲醇水( 体积比7 0 3 0 ) 溶液中，化合物2 0 只 同h g 计、c u 2 + 、和c d 2 + 形成络合物，而与其它离子的络合常数很小( 1 0 9 k a 2 5 ) 。 1 3 哟瓜u窝 新j 弘荧光化学传感器的合成及陀能研究 在h h 9 2 + 络合后，传感器1 9 的荧光明显增强，检出限为1 0 。8 m 。而c u 2 + 、c d 2 + 的络 合物没有荧光。此外，h 9 2 t n r _ ：h c u 2 + 、c d 2 + 等离子从其络合物中取代出来，形成 有荧光的络合物。因此，c u 2 + 、c d 2 + 等离子的存在对h 矿+ 的检测并不产生干扰。 八 = 一p nn _ ， 、_ _ 2 4 h i r a n o 等【5 2 1 报道了利用环状多胺结构为受体得z n 2 + 荧光化学传感器2 5 ( a c f 1 ， a c f 2 ) 在中性水溶液中。2 5 可以很好与z n 2 + 形成1 ：1 型的络合物，体系的荧光强度 增大了2 5 倍。另外，化合物2 5 具有很好的细胞擘渗透性，可以在细胞内检测z n 2 + 。 最近，x u 等【5 3 】报道了多胺类基团为受体的c u 2 + 荧光传感器2 6 ，在乙醇水= 6 4 的溶 液中，j h 入c u 2 + 以后，溶液的颜色由黄色变化到粉红色，从而增强了传感器的实 用性。 新啊g 荧光化学传感器的合成及性能研究 o h 3 r n 、 x = h ：a c f 1 x = c i ：a c f 2 2 5 bb 2 6 1 4 4 吡啶衍生物类阳离子传感器 吡啶衍生物作为荧光分子探针的识别基团近年来得到了广泛应用，特别是双 ( 2 吡啶甲基) 氨被常用来开发z n 2 +