（分析化学专业论文）4氨基7硝基苯并呋喃类荧光受体分子的设计合成与分子识别.pdf

中文摘要 摘要 分子识别是超分子化学的核心研究内容之一，包括离子客体和中性分子的识 别。荧光检测的高灵敏度、可实时及远程检测等优越性，使其在分子识别与传感 的应用得到蓬勃发展，设计合成高灵敏、高选择性的荧光化学传感器近年来备受 关注。四氯七硝基苯并呋喃是一种性能优越的染料，其系列衍生物通常具有较大 的摩尔吸光系数和较高的量子产率，作为荧光标记物，在分析化学及分子生物学 领域已有广泛的应用。本文在已有工作的基础上，主要开展了4 氨基7 硝基苯 并呋喃( n b d ) 类汞离子传感器的研究工作，成功设计了汞离子识别与传感的荧光 传感分子，光谱特性优越，具有良好的理论价值和应用前景。同时基于识别与传 感的基本原理，本文亦初步研究了8 氨基喹啉衍生物和取代苯甲酰氨基苯基硫脲 衍生物的光谱行为及其识别与传感。论文共分四章，分别包括以下主要内容： 第一章从分子识别原理上概述了荧光传感器的研究进展，并在此基础上 提出了论文设想。 第二章详细介绍了论文工作中所涉及的主要试剂、仪器和荧光传感分子 的合成和结构鉴定。 第三章4 氨基7 硝基苯并呋喃( n b d ) 类汞离子传感器的设计与传感研究。 将两个乙酸乙酯支链与4 。氨基7 硝基苯并呋喃( n b d ) 耦合，设计合成了一 类新型汞离子传感器n b d o e t 。实验表明，n b d o e t 是一种良好的h 9 2 + 离子 荧光传感器。在生理缓冲溶液( 1 0 m mh e p e s ，p h = 7 4 0 ) 中，n b d o e t 对h 9 2 + 表现出高的选择性和灵敏度，并于长波长处裸眼检测h g z + ，且不受多种常见重 金属离子的干扰。h 9 2 + 离子的加入诱使n b d o e t 的主吸收峰由4 7 6 n m 红移至 5 1 4 n m ，并于3 4 7 n m 和4 8 2 n m 观察到两个等吸收点；荧光光谱上，随h 9 2 + 浓度 提高，n b d o e t 的荧光发射峰由5 3 6 n m 红移至5 5 9 n m ，并于5 2 5 n m 处出现一个 清晰的等发射点。在该实验条件下，n b d o e t 与汞离子以l ：1 的计量比结合。 其它两种衍生物n b d o k 和n b d n m e 对汞离子和其它金属离子均无响应。推 断n b d o e t 中五元杂环上的氮原子参与金属离子的配位，有关直接的证据在进 一步的实验中。 第四章介绍了所合成的其它几类传感器的研究工作，本章分为两节。 中文摘要 第一节通过吸收和荧光光谱研究了8 一氨基喹啉取代苯甲酰胺衍生物 8 - a q c l 、s - a q - h 和8 - a q c h 3 对金属离子的识别与传感。基态时，8 - a q s 与 c u 2 + 的选择性结合诱使其吸收光谱于5 0 9 r i m 处出现新的吸收峰，可用于c u 2 + 的 裸眼检测。更重要的，h 9 2 + 、c u 2 + 的加入亦可导致8 - a q s5 0 3 n m 处荧光显著增 强，可实现多通道特异性检测h 9 2 + 、c u 2 + 。荧光增强系由结构刚性增加和n 兀 激发态能量提高所致。 第二节研究了乙腈和乙腈一水混合溶剂中对氯取代苯甲酰胺基苯基硫脲衍 生物c i - x 与阴离子的相互作用。阴离子如a c o 与c i x 的氢键结合，诱使受体 分子的构型变化进而引起光谱变化，实现对阴离子的传感。受体与a c o 。结合力 很强，在含2 水的乙睛中的结合常数可达l o 石m 。1 数量级。金属离子如h 9 2 + 或 c u 2 + 与酰肼基硫脲的成环反应使受体分子r - h 亦可用于h 9 2 + 或c u 2 + 的识别与传 感。 关键词：分子识别与传感，阳离子传感，分子内电荷转移，荧光增强，n b d ， 汞离子 a b s t r a c t a b s t r a c t m o l e c u l a rr e c o g n i t i o ni sac o r er e s e a r c ha r e ai ns u p r a m o l e c u l a rc h e m i s t r yw h i c h i sc o m p o s e do fi o n i ca n dn e u t r a ls p e c i e sr e c o g n i t i o n d u et oh i g hs e n s i t i v i t y , i n t r i n s i c s i m p l i c i t ya n dr e m o t es e n s i n gc a p a c i t y , f l u o r e s c e n t n s o l $ h a v eb e e nr a p i d l y d e v e l o p e di nm o l e c u l a rr e c o g n i t i o na n ds e n s i n g t od e s i g na n ds y n t h e s i z eh i g l l l y s e n s i t i v ea n dh i g h l ys e l e c t i v ec h e m o s e n s o r sf o rh e a v ya n dt r a n s i t i o nm e t a li o n sh a s d r a w nm u c hr e c e n ti n t e r e s t 4 a m i n o - 7 - n i t r o b e n z 一2 o x a - i ，3 - d i a z o l e ( n b d ) d e r i v a t i v e su s u a l l yh a v eg r e a t e rm o l a ra b s o r p t i o nc o e f f i c i e n ta n dh i g h e rq u a n t u m y i e l d a saf l u o r e s c e n tm a r k e r ，n b dd e r i v a t i v e sw e r ef o u n dt ob ee 赠脚1 s i v eu s ei n a n a l y t i c a lc h e m i s t r ya n db i o l o g i c a la p p l i c a t i o n s b a s e do nt h i sp o i n t , w em a i n l y c a r r i e do u tt h em e r c u r yi o n r e c o g n i t i o n a n df l u o r e s c e n t s e n s i n g o f 4 - a m i n o 7 n i t r o b e n z 2 o x a - i ，3 d i a z o l e d e r i v a t i v e s t h es u p e r i o r i t yo fi t ss p e c t r a p r o v i d e sg o o dt h e o r e t i c a lv a l u ea n da p p l i c a t i o np r o s p e c t s i na d d i t i o n ，i n t h i s d i s s e r t a t i o nw ea l s oe x a m i n e dt h e s p e c t r a l b e h a v i o ra b o u t8 - a m i n o q u i n o l i n e d e r i v a t i v e s a n dn - s u b s t i t u t e d a m i n o b e n z a m i d o - n - s u b s t i t u t e d p h e n y l t h i o u r e a s d e r i v a t i v e s t h i sd i s s e r t a t i o nc 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 ： c h a p t e r1b r i e f l ys u m m a r i e sr e s e a r c hp r o g r e s so ff l u o r e s c e n tc h e m o s e n s o ri n t e r m so fr e c o g n i t i o np r i n c i p l e t h er e s e a r c hp r o p o s a lo ft h i sd i s s e r t a t i o nw a s p r e s e n t e db a s i n go nt h ed e v e l o p m e n t so f f l u o r e s c e n tc h e m o s e n s o r s c h a p t e r 2d e s c r i b e se q u i p m e m s ，m a t e r i a l sa n dm e t h o d si n v o l v e di nt h i s d i s s e r t a t i o n s y n t h e t i cd e t a i l sa n dc h a r a c t e r i z a t i o no fs e n s o rm o l e c u l e sa r ep r o v i d e d c h a p t e r 3d e s c r i b e sr e s e a r c h e so n4 - a m i n o 一7 - n i t r o b e n z - 2 - o x a - 1 ，3 一d i a z o l e d e r i v a t i v e sa st h em e r c u r yi o ns e n s o r a tf i r s t ，ag e n e r a li n t r o d u c t i o nt oo p t i c a lm o l e c u l a rc h e m o s e n s o r sw a sp r e s e n t e d e m p h a s i sw a sp a i do nt h ed e v e l o p m e n t so fo p t i c a lm o l e c u l a rc h e m o s e n s o r sf o r m e r c u r yi o n s e c o n d a r y , t h i sc h a p t e ri n t r o d u c e dt h ef l u o r e s c e n ts e n s i n go fn b d - o e t f o rh 9 2 + n b d o e ti sag o o dh 9 2 + s e n s o r i n10 m m ，h e p e s ，p h 7 4 0 ，t h ea d d i t i o no f i th g ”i n d u c e dan e wp e a ka t514 n mi nt h ea b s o r p t i o ns p e c t r ao fn b d o e ta n d a b s o r p t i o nb a n da t4 7 6 n mr e ds h i f t e dt o5 14 n m t w oc l e a ri s o a b e s t i cp o i n tw e r e o b s e r v e da t3 4 7 n ma n d4 8 2 n m av a r i e t yo fc o m m o nm e t a li o n sd on o ti n t e r f e r ew i t h t h ed e t e r m i n a t i o no fh 9 2 + w i t hi n c r e a s i n gt h ec o n c e n t r a t i o no fh g ”，t h ew e a k f l u o r e s c e n c ee m i s s i o np e a ka t5 3 6 n mo fn b d o e tw a si n t e n s i f i e da n dr e ds h i f t e dt o 5 5 9 n m 埘mao b v i o u si s o e m i s s i o na t5 2 5 n m u n d e rt h ee x p e r i m e n t a lc o n d i t i o n s ， r e c e p t o rb i n d sh 9 2 + i na1 ：1s t o i c h i o m e t r y h o w e v e r , n b d o ka n dn b d n m ed o n o tb i n dh 9 2 + a n do t h e r sm e t a li o n s i t sr e c o g n i t i o nm e c h a n i s mc a l lb ed e d u c e dt h a t h e t e r o c y c l i cn i 仃o g e na t o m sa l s oi n v o l v e di n t h em e t a lc o o r d i n a t i o n , t h ed i r e c t e v i d e n c en e e df u r t h e re x p e r i m e n t s c h a p t e r4 d e s c r i b e ss e v e r a lo t h e rs e n s o r sa n di sd i v i d e di n t ot w os e c t i o n s i ns e c t i o n1w es t u d i e dt h em e t a li o n r e c o g n i t i o n a n d s e n s i n g o f 8 - a m i n o q u i n o l i n e ( 8 一a q ) d e r i v a t i v e s8 一a q - c l 、8 一a q ha n d8 一a q c h 3 w e r e c o r d e da b s o r p t i o na n df l u o r e s c e n c es p e c t r ao f8 - a qd e r i v a t i v e si nt h ep r e s e n c eo f m e t a li o n ss u c ha sh 9 2 + a n dc u o n l yt h ea d d i t i o no fc u ”c a l li n d u c ean e w a b s o r p t i o na t5 0 9 n m n or e s p o n s ew a so b s e r v e df o ro t h e rm e t a li o n s j o bp l o ts h o w s 1 ：1s t o i c h i o m e t r yb e t w e e n8 - a qa n d c u + t h ef l u o r e s c e n c ee n h a n c e m e n to b s e r v e d f o rh 9 2 + a n dc u 2 + w a sa t t r i b u t e dt oa ne n h a n c e dd g i d i t ya n dn n * e n e r g yl e v e la f t e r b i n d i n gw i t hh 9 2 + a n dc u 2 + i n s e c t i o n2 s p e c t r a l b e h a v i o ro ft h e s e s y n t h e s i z e d r e c e p t o r s - 仞- c h l o r o b e n z a m i d o ) w - s u b s t i t u t e d - p h e n y l t h i o u r e ad e r i v a t i v e s w e r ei n v e s t i g a t e di n d e t a i li na c e t o n i t r i l ea n da c e t o n i t r i l e w a t e r t h e h y d r o g e nb o n d i n gb i n d i n go f r e c e p t o r s 、析t l l a c o - c o u l di n d u c ec o n f o r m a t i o n a l c h a n g e o f r e c e p t o r s t h i o u r e a - b a s e d r e c e p t o r sr - hr e a c t e dw i t h c a t i o n ss u c ha sh 9 2 + a n dc u a n d a c h i e v e dc a t i o ns e n s i n g k e yw o r d s ：c a t i o ns e n s o r , m o l e c u l a rr e c o g n i t i o n ，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 , f l u o r e s c e n c ee n h a n c e m e n t , n b d ，h 9 2 + i o n 厦门大学学位论文原创性声明 兹呈交的学位论文，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的其他个人或集体的研究成果，均在 文中以明确方式标明。本人依法享有和承担由此论文产生的权利 和责任。 声明人( 签名) ： 。降歹 竹 只7 e t 厦门大学学位论文著作权使用声明 本人完全了解厦门大学有关保留、使用学位论文的规定。厦 门大学有权保留并向国家主管部门或其指定机构送交论文的纸 质版和电子版，有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允 许论文进入学校图书馆被查阅，有权将学位论文的内容编入有关 数据库进行检索，有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密 的学位论文在解密后适用本规定。 本学位论文属于 1 、保密() ，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密( ) ( 请在以上相应括号内打“4 ”) 作者签名： 导师签名： 日期： 日期： 年月日 年月日 第一章分子识别与荧光传感研究进展 第一章分子识别与荧光传感研究进展 第一节分子识别与荧光传感 1 1 1 分子识别 1 9 8 7 年j m l e h n 教授在诺贝尔获奖演讲中详细阐述了超分子化学的概念， 给化学家展示了无限宽广的天地。超分子化学始于p e d e r s e n 对冠醚的发现及其性 质的深入研究【l 】发展于c r a m 和l e h n 的主客体化学口3 1 ，它的诞生与发展极大地 激发了化学家的想象力与创造力。而所谓超分子化学，是指研究以非共价键弱相 互作用力结合起来的复杂有序且具有特定功能的分子集合体，称为“超越分子化 学概念的化学 。超分子化学与经典分子化学有着本质的区别：经典分子化学是 基于原子间的共价键，而超分子化学则基于分子间的相互作用( 如静电力、氢键、 范德华力、疏水作用等) 。近年来，超分子化学得到了长足的发展，主要包含以 下内容：分子识别；离子客体受体和分子客体受体；环糊精；生物有机体系和生 物无机体系中的超分子反应性及传输；固态超分子化学；超分子化学中的物理方 法；模板、自组装和自组织；超分子技术等。 分子识别是超分子化学研究的核心内容之一，最初是由有机化学家和生物化 学家在分子水平上模拟天然化合物所提出。分子识别是指主体( 受体) 对客体( 底 物) 选择性结合并产生某种特定功能的过程，维系分子间的作用力是几种弱相互 作用力( 非共价键) 的协同作用，其强度不次于化学键。分子识别可分为离子客 体的识别和中性分子的识别，本章主要介绍阳离子的识别。 1 1 2 荧光传感 当客体与受体的识别基团结合时，诱导受体的物理或化学性质发生改变，转 换为可检测的宏观信号，如n m r 中的化学位移变化，光学信号( 吸光度或荧光) 的变化以及电位的变化等，此过程即为传感。 化学传感器是一类转换器，可选择性地将分析对象的信息( 如酸度、浓度、 粘度、化学或生物物种等) 转变为分析仪器易测量的物理信号。目前，电化学与 光化学传感器是两个活跃的研究领域。得益于现代电子技术的发展，电化学传感 器出现较早，该领域的研究十分活跃，新技术新方法不断出现；光化学传感器的 第一章分子识别与荧光传感研究进展 出现相对较晚，然而该研究领域所独具的应用性为其发展提供了便利条件，因此 迅速成为现代分析化学的前沿研究领域之一。由于荧光内在的高灵敏度、可实时 检测及可实现远程检测等优越性，其在分子识别与传感中得到蓬勃发展。 与其它化学传感器相似，荧光传感器包含两个单元：一是识别基团，另一是 荧光团。二者可由联接臂相联或直接相联在同一共轭体系中，如图l 所示。 i n t e r g r a t c d im 。r o p h 。佗 i f l u o r o o p h 。佗 匡三习叵三习 q 圈圈 ( s p e c t r u m ，q u a n t u my i e l d , l i f c t i m o g u e s tc o n t r o lo f l i g a n dt o p o l o g y p h o t o i n du c e dp r o c e s s ： 。 g u e s tc h a r a c t e r s p e t 。i c t e x c i m e r e x c i p l e x s o l v e n t ，p h , f o r m a t i o n i o n i cs t r e n g t h 孙o t 叩h y s i c s 轧琶淼剖盯 f i g 1m a i na s p e c t so ff l u o r e s c e n tm o l e c u l a rs e n s o r sf o rg u e s tr e c o g n i t i o n 当分析对象被识别时，荧光团内在的光物理特性被影响，荧光信号的输出形式发 生改变，例如荧光峰值位置的移动，荧光量子产率的涨落，荧光寿命的变更，荧 光偏振的改变以及新荧光峰的出现等，因此荧光团可起信息转化的作用，即将识 2 第一章分子识别与荧光传感研究进展 别信息转化为光学信号，涉及的机理有光诱导电子转移( p h o t o i n d u c e de l e c t r o n t r a n s f e r , p 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 r , f r e t ) 、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 ) 、激基缔合物 复合物( e x c i m e r e x c i p l e x ) 的形成或消失、激发态分子内质子转移( e x c i t e d s t a t e i n t r a m o l e c u l a rp r o t o nt r a n s f e r ，e s i p t ) 、荧光化学计量法( f l u o r e s c e n t c h e m o d o s i m e t e r ) 等。这些机理属于光物理化学，准确评价荧光信号的改变并对 光信号的改变作出合理的机理解释，则需对光物理化学过程有全面认识。本章将 概述上述几种激发态信息传递机制并介绍其在离子识别与传感中的应用。 第一章分子识别与荧光传感研究进展 第二节光诱导电子转移( p e t ) 机理 ：再0 l u m o + 十乡三一p e t o m o - - + 卜乙u m o h 。m 。廿1 h l u 。m m o 兰+ 廿争h 二。t hlu。mmo兰二；二lum。 4 第一章分子识别与荧光传感研究进展 p e t 型的传感器一般需要三个条件，首先传感器分子中要包含一个荧光团， 其应具有高的量子产率；其次还应包含电子给体( e l e c t r o nd o n o r ) ，可以发生 向荧光团的p e t 过程；最后目标分子( 或离子) 的结合会引发或抑制电子给体 与电子受体间的光诱导电子转移，引起荧光团荧光猝灭或荧光恢复，实现信号报 告目的( 图3 ) 。 h d 一 w e a k l yf l u o r e s c e n ts t r o n g l yf l u o r e s c e n t f i g 3p r i n c i p l eo f g u e s tr e c o g n i t i o nb yf l u o r e s c e n tp e ts e n s o r s 1 2 2 基于p e t 过程的阳离子识别与传感 就大多数p e t 荧光传感器而言，其荧光团一般选用稠环类芳香化合物，因 为该类化合物具有刚性平面结构，量子产率较高，具有较强的荧光发射。同时由 于分子内的电子离域特性，常被看作能容纳大量电子的场所。其识别基团一般含 有脂肪胺或芳香胺，胺上的孤对电子可作为p e t 过程中的电子给体，作为荧光 团的猝灭剂。大多数p e t 机制阳离子传感分子中，一般将结合阳离子的受体设 计成电子给体，而将具有荧光发射特征的荧光发光体设计成电子受体。 1 9 7 6 年，m o r a w e l a 4 】报导了化合物苄基甲基氨1 ，当与质子结合时，荧光增强。 从此人们广泛地开展了这一领域的研究工作。1 9 7 7 年d a v i d s o n 5 f l ： i s e l i n g e r l 6 】相继 报道了一丁基一，- 双( 卜萘甲基) 氨化合物2 和化合物3 ，后来s h i z u k a 对苯基烷 基氨3 进行了深入研究【7 1 。这几个化合物共同特点是荧光团通过连接臂连结着氨 基受体单元。荧光团的荧光增长是因为氨基单元的质子化，也就是说它们是针对 质子客体的“o f f o n 开关化合物。 5 第一章分子识别与荧光传感研究进展 , i n h m e i l n m e 2 g = 洲r 2 3 虽然芳香烃的荧光经常被无机盐猝灭，但二苯并1 8 冠6 和1 ，8 萘2 1 一冠一6 ， 在碱金属离子存在下，荧光明显增强。1 9 9 6 年，h a y a s h i 、h u n t e r 等人将葸和香豆 素等荧光发色团同具有选择配位能力的穴状配体相结合开发出针对碱金属离子 k _ 、n a + 的p e t 体系化合物4 【8 1 和5 【9 1 。在这两个化合物中，芳烃荧光发色团连结到 比单环冠醚配合能力更强的穴状配体上，由于存在p e t 过程，芳烃和n 原子所在 的受体之间形成分子内激态复合物，荧光被猝灭。当碱金属阳离子进入穴状配体 时，阻止了p e t 过程，荧光明显增强，实现对碱金属离子的“o f f - o n ”传感。化合 物4 中，穴状配体在葸上连接位置的变化显示出一些相似性和有趣的差异。当穴 状配体连在蒽的l ，4 位时，葸环同受体之间内部相互作用和葸与被络合的碱金属 离子相互作用都减弱了，因而产生了谱带的蓝移现象。化合物5 中，穴状配体中 的两个氧原子与香豆素直接相连，使发色团兀电子辅助穴状配体对碱金属离子的 络合，在氮原子未被质子化的p h 条件下，利用它的传感功能，可以测定胶体内 部k + 离子，但香豆素单元甲基全氟化后，离域的7 【电子体系被定向分布，远离穴 状配体，使荧光发射降低，对碱金属离子失去了“o f f - o n 开关能力。 4 5 双( 2 一吡啶甲基) 氨最近被人们发现是z n ( i i ) 离子的良好受体。d es i l v a 等报 道的9 一葸甲基一双( 2 一吡啶甲基) 氨6 【l o 】采用了这一结构，它络合z n ( ) 离子后成 为化合物6 a 的结构，抑制氮原子和荧光团之间的p e t 过程，荧光大幅度增强。在 6 第一章分子识别与荧光传感研究进展 乙腈溶液中，6 的荧光量子产率仅为o 0 1 ，与z n ( i i ) 络合时l o g 赠达n 5 3 ，荧光 量子产率为0 7 7 ，荧光增强了7 7 倍。 6 荧光团和受体的复合应用以及受体接受金属离子客体形式的多样性使荧光 开关p e t 体系具有更新奇的功能。在一个p e t 体系中，同一个受体可以在接受第 一个客体后，利用第一个客体与第二个客体的相互作用，再接受第二个客体产生 的富于变化的荧光开关效应。d es i l v a 提出的7 【1 就是这样的一个例子，冠醚受体 络合b a 2 + 离子后，先是呈现“o f f - o n ”开关变换。第二个客体s c n - 进入与b a 2 + 离 子络合则又呈现“o n o f f 开关变换。这是因为b a 2 + 离子进入冠醚空腔，阻碍了 从受体到荧光发色团的p e t 过程；而s c n - 和b a 2 + 离子形成络合物作为中性分子客 体留在冠醚空腔中，冠醚只具有协调配体作用，因此又启动了p e t 过程。单一输 入呈现y e s 态，而双重输入呈现n o 状态，这种逻辑现象已经被大量应用。 n 以上概述了基于p e t 原理的p h 和碱金属或碱土金属的荧光传感器。至于过 渡金属或重金属离子，由于它们多存在空轨道，可发生从荧光团到金属离子的电 子转移或能量转移1 2 13 1 ，而重金属离子可诱导自旋轨道的耦合从而猝灭荧光， 故早期荧光检测该类金属离子多用猝灭法。而就检测灵敏度而言，荧光增强法优 于猝灭法。 7 第一章分子识别与荧光传感研究进展 8 受体分子8 是基于p e t 原理选择性识别h 孑+ 传感器【1 5 1 。萘酰亚胺是8 的信号报 告基团，2 ，6 - - - - - 胺甲基吡啶上的n 原子既是荧光猝灭剂又是金属离子的结合位点， 其半刚性结构可提高与金属离子结合的选择性。在p h = 6 9 8 的h c i t r i s 缓冲溶液 中受体自身的荧光较弱，荧光量子产率为0 0 0 7 ，过渡金属离子中的z n 2 + 、c d 2 + 、 a g + 茅1 1 p b 2 + 均能使8 的荧光不同程度的增强( f f o = s ， h n l r a ：r = h b ：r = c h 3 2 8 c h 3 c h 3 1 7 a ：r = h b ：r = c h 3 2 9 c h 3 c h 3 第章分干u 洲与荧光传堪研究进腱 第四节激基缔合物或激基复合物的生成( e x c i m e r ，e x c i p l e x f o r m a t i o n ) 识别机理 1 4 1 原理 一些荧光团在激发态与另一相同不同荧光团接近，往往能生成激基缔合物 复合物( e x c i m e r e x c i p l e x ) ，( 如萘、蒽、芘等易于通过“堆引作用形成激基 缔合物) ，此时可观察到双重荧光。位于短波k 处且具有振动结构的荧光为单体 荧光，长波长无振动结构的荧光为激基缔合物复合物荧光。 a + 十以- 9 a ! a激摹缔合物( e x c i m e d a + + 占_ a b 激基复合物( e x c i p l e x ) 激基缔( 复) 合物的形成过程受护散控制，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 4m o ll 。时，通常 观测到的为申体荧光；当单体浓度足够大时( 一般高于1 05 m o l l _ 1 ) ，微环境有 利于两个荧光发光体接近，且激发单体寿命较睦时，较易形成分子内激摹缔( 复) 合物。若受体分子中有两相同的荧光团，其柏对距离与受体和客体的结合有关， 如受体分子结台上客体后，分子构型发生变化，促进激基缔台物的形成( 图5 ) 或破坏了单体本身的激基缔合物结构，因此可通过单体二j e x c i m e r 间的荧光强度 比值来进行客体的识别。 l 1 1 i i i 】l 、i i f i g 5f o r m a t i o no f e x c i p l e xb e t w e e nh o s ta n d g u e s t 1 4 2 阳离子识别与传感 y u s a s 等蚓设计了识别z n 2 + 的荧光传感器3 0 ，巧妙地应用变构原理。在受体 、l一 第一章分子识别与荧光传感研究进展 分子中，金属配体( - n i l 2 ) 与荧光团( 芘基) 处于六元环结构的稳定的平伏键 构象结构中。未结合阳离子时分子的荧光发射单体荧光；z n 2 + 的加入，诱使一n h 2 采取直立键构象，使3 0 的构象发生翻转，芘基也只能以直立键键方式分处上下两 端，促使e x c i m e r 的形成，导致e x c i m e r 荧光增强，单体荧光猝灭。除t z n 2 + ，c d 2 + 的加入也可诱使e x c i m e r 荧光大幅增强。 m 2 + o o o o - o o _ o o 。o 一 _ - _ - _ _ _ _ _ - _ - _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ j l 与受体分子3 0 相反，3 1 3 9 j 在未结合阳离子时，分子中的两个芘基彼此靠近重 叠，主要发射长波长激基缔合物荧光，阳离子( h 9 2 + ) 与之配合后改变芘基的空 间位置，破坏之前的e x c i m e r 结构，所以观测到受体分子单体荧光增强，而激基 缔合物荧光被猝灭。该受体对h 矿+ 的选择性很好，而对其他金属阳离子的响应很 弱。 h 3 c 、 (o 圆钭韶国 j l m o l i n a 以芘为荧光团合成了1 ，4 一二取代吖嗪类化合物3 2 1 4 0 l 。它通过两种不 同的通道选择性传感h 9 2 + 和c u 2 + ，即黄色到深红色颜色改变和伴随红移的e x c i m e r 荧光发射的增强，h 9 2 + 存在可看到绿的荧光，c u 2 + 而存在则是橙色的荧光，以此 区别二者。最近m o l i n a 3 l 设计了受体3 3 4 1 1 。在乙睛溶液中，对c u 2 + 具有很好的选 择性，c u 2 + 存在时( k 唧i 如l i g a n d ) = 2 2 f o l d ) ，同时芘的e x c i m e r 荧光发射蓝移， 在( 3 3 c u 2 + = l ：1 ) 荧光强度达到最大，e x c i m e r 荧光发射蓝移了2 1 n m ( 4 5 0 n m 1 9 第一章分子识别与荧光传感研究进展 - - - - 4 2 9 n m ) ，溶液颜色由黄色变成橙色，结合常数为5 7 1 1 0 5 m o lr 1 。 3 2 分子3 4 采用钳式结构【4 2 】，3 4 是基于冠醚和s a l e n 配体结构的荧光化学传感 器。在甲醇四氢呋喃( 1 ：l ，v v ) 的混合溶液中，未螯合金属离子前，在3 4 7 n m 发射弱的单体荧光，当与金属离子配位时，在4 7 5 n m 就产生很强的e x c i m e r 荧光 发射峰，若向溶液中加e d t a ，则e x c i m e r 峰就会消失，因此它是一种很好的可 逆化学传感器，在一些宏观结构和先进材料方面具有很大的应用前景。 s a l e n - c o m p l e x 分子3 5 是s a s a k i 等1 4 3 】设计合成的阳离子受体。将化合物3 5 置于双分子脂质体 中形成单体一激基缔合物( m o n o m e r - e x c i m e r ) 传感模式。分子3 5 呈电中性，倾 向于在脂质体表面形成自缔合，其既有芘单体的发射峰( 3 7 6 n m ) ，又有芘二聚 体的发射峰( 4 7 0 n t o ) 。当体系中存在h 9 2 + 时，h 9 2 + 和二硫代酰胺识别单元结合， 使得分子3 5 呈正电性，由于静电排斥作用，导致3 5 在脂质体表面重新排布，减少 了自缔合，其单体发射峰显著增强，而二聚体发射峰减弱。对比化合物3 6 ，将硫 原子换成氧原子，则对h 孑+ 有没有任何光谱响应。 m | l 第一章分子识别与荧光传感研究进展 ( o c h 2 c h 2 ) 3 r 耳矗霄冒冒黾舂黾黾冒耳冒胃冒耳 阽h n ?孓2 3 5 垆 l 9 +，+ 9妒 h n ?孓帆2 3 6i 矗i 冒i 直f i ；亓矗而i i 丽 h 石一p i = o o 6 g 1 _ r g g t g t g g t t g g 6 l 一 纣 3 7 弋h 2 l 第一章分子识别与荧光传感研究进展 1 4 3 阴离子识别与传感 分子3 8 是以氨基基团为阴离子识别位点，芘为信号报告基团，可作为氟离 子( f ) 的荧光识别传感器【4 5 1 。在乙睛中，f _ 和3 8 的配位能引起吸收光谱红移 至4 0 0 n m ( 从= 5 4n m ) ，e x e i m e r 荧光发射蓝移至4 7 0 n m ( a 2 = 1 2n m ) 且荧光 增强，蓝移的e x c i m e r 发射归因于在基态芘二聚体的形成，即所谓的静态e x c i m e r 。 m o n o m e r k m = 3 8 5l i m d y n a m i cf x c i m e r k m = 4 8 2n m s t a t i ce x c i m e r k m = 4 7 0l l m 之后j o n g 又以杯芳烃为骨架设计合成了3 9 、4 0 4 5 1 。3 9 的两个氨基上的n h 和f _ 形成氢键，新的发射峰来自静态e x c i m e r ，而4 0 是两个o h 和f _ 形成氢键， 引起特征吸收光谱的显著变化，故可通过不同的途径实现对f - 选择性识别。 第一章分子识别与荧光传感研究进展 t e r a m a e 等m 1 设计合成了以硫脲为识别位点芘为信号报告基团的阴离子受体 4 l 。在乙腈或丙酮溶液中，4 1 只发射芘的单体荧光( m o n o m e re m i s s i o n ) ，随着 阴离子的加入，单体荧光被猝灭，同时在长波长处有一新的荧光发射峰生成。该 荧光峰被认为是激发态的芘与硫脲阴离子所生成的激基复合物( e x c i p l e x e m i s s i o n ) 。实验表明激基缔合物峰荧光强弱与阴离子的碱性有关，a c o - h 2 p 0 4 - c i - 。g o w n 等设计了含柔性链的阴离子化学传感器：4 2 1 4 7 1 ，具有三硫脲结构。在 氯仿和d m s o 中，e x c i m e r 的荧光强弱与键合位点、离子大小、形状和电荷密度 相关，h 2 p 0 4 - f - a c o - 。虽然4 2 在溶液中有可能存在d i m e r 和f o l d e dm o n o m e r 两种形式，但加入阴离子后，实验证明是d i m e r 的夹心结构而不是f o l d e d m o n o m e r 。 s 4 1 s c h 3 卜油。 n h ( o 0 0 ) n hh n 人。 s彭人n h 4 2 第一章分子识别与荧光传感研究进展 第五节荧光共振能量转移( 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 ) 机理 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一偶极耦合作 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，能量供体的 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。描述荧 光共振能量转移有著名的f o r s t e r 方程：k t = 1 仍( r o r ) 6 ，k t 为能量转移的速率， 仍为没有能量受体条件下能量供体的荧光寿命，粕为f o r s t e r 距离，r 为能量转移效 率为5 0 时的供体与受体间的距离。由此可见，共振能量转移的效率与以下三个 因素有关：供体的发射光谱与受体的吸收光谱重叠程度、供体与受体间的距离和 供体与受体的跃迁偶极的相对取向。 f r e t 在生物分析中的荧光探针方面取得巨大的成功，主要利用共振能量转 移与能量供体受体间的距离有关这个因素，而且这在生物蛋白质、d n a 大分子 上容易实现。但对于单分子传感器而言，能量受体与供体间常用柔性的非共轭化 学键连接，因此可以通过客体结合后引起分子构型变化，改变供体与受体间距离 来进行f r e t 传感。此外还可利用受体与供体的光谱重叠程度、跃迁偶极距