荧光化学传感器研究中的光化学与光物理问题.docx

荧光化学传感器研究中的光化学与光物理问题吴世康(中国科学院理化技术研究所北京 100101)摘要在对分子识别用的荧光化学传感器化合物进行设计合成时 ,必须对传感器分子在工作中所涉及的发光光化学及光物理问题有一基本的了解 。本文从几个方面分别对传感器的报告和中继部分中的光化 学 、光物理问题作了较充分的讨论 ,也对传感器分子中接受体部分和光化学相联系的内容作了介绍 。关键词荧光化学传感器光化学与光物理超分子化学分子识别中图分类号 : O644 . 1 ; TP212 . 2文献标识码 : A文章编号 : 10052281X(2004) 0220174210Some Photo2Chemical and Photo2Physical Problemsin Fl uorescent Chemical Sensor StudyWu S hikang( Technical Institute of Physics and Chemistry , Chinese Academy of Sciences , Beijing 100101 , China)AbstractIn the design and synthesis of fluorescent chemical sensor for the molecular recognition , it is necessary tograsp and understand the fundamental knowledge of emission photo2chemistry and photo2physics well . In this article the photo2chemistry and photo2physics of the part of reporter and relay of fluorescent chemical sensor have been discussed in details. Meanwhile , the photo2chemistry concerned with the receptor part of fluorescent sensor is also discussed.Key wordsrecognitionfluorescent chemical sensor ; photochemistry and photophysics ; supramolecular chemistry ; molecular为 3 个部分 : (1) 外来物种的识别部分 ; (2) 传感器在接受外来物种后将信息传输外出的报告器部分 ; (3)中继体部分 。十分清楚 ,在荧光化学传感器的研究中 ,传感器 体系的设计 、合成占有重要的位置 。对体系的正确 设计与合成将对传感器的识别能力和灵敏度起到重 要的作用 ,而其中特别是器件中的“报告器”部分与 “中继体”部分涉及一系列的光化学与光物理问题 ,需要人们在设计中有着对光化学和光物理知识的充 分了解和掌握 。事实上 ,这种情况已在过去大量的 实践和报道中得到反映和说明 。因此正确而系统地 掌握这些基本光化学和光物理的知识原理及其有关 方面 ,不仅对正确理解各种器件的工作原理有益 ,而且对设计新型的荧光化学传感器也是十分必要的 。 为此本文将就在荧光化学传感器中涉及的一些主要一 、引言在分子识别领域中 ,具有分子器件性质的荧光化学传感器 (fluorescence chemical sensor) 是近年来迅 速发展起来的一个新的科学问题1 4 。它的出现显然和近年来超分子科学的进展诸如分子组装 、主客体化 学 、非 共 价 相 互 作 用 , 以 及 光 诱 导 电 子 转 移( PET) 及分子内共轭的电荷转移化合物结构和发光 特性的研究进步等密切相关5 7 。而另一方面 , 它的发展也和许多科学技术领域诸如生物化学 、临床 医学 、药物化学以及环境科学中提出的大量实际问 题密切相关 。由于上述种种原因 ,有力地促进了该 领域的科学研究 。但应当指出的是 ,这一领域的研究目前尚处于初级阶段 ,许多问题尚待进一步探索 。 一个具实用价值的荧光化学传感器可简单地分收稿 : 2003 年 1 月 , 收修改稿 : 2003 年 3 月通讯联系人 e2mail : shikangwu yahoo . com. cn第 2 期吴世康 荧光化学传感器研究中的光化学与光物理问题175 光化学问题作简单的讨论 。作为一种分子器件 ,荧光化学传感器所包含的 部件可用“3R”即下图表示 :发的芳香基团就会发射荧光 ,或使荧光得以增强 ,如图式 3 所示 。图式 1 荧光化学传感器的 3R 图Scheme 1 “3R”scheme of fluorescent chemical sensor3R 即分子的识别和接受 ( recognize and receptor) , 信息的中继传递 ( relay) 及信息的报告输出 ( reporter) 三 部分 。现分别对和光化学有关的报告器和中继体作 如下讨论 。图式 2 分子内的电子转移体系引起荧光的猝灭Scheme 2 The quench of fluorescence by intra2molecular electron transfer二 、信息输出用的报告器 ( reporter)目前采用的以发光形式 ,包括荧光的增强或减弱 ,作为信号报告器的物种数量非常有限 。这大大 妨碍了传感器灵 敏 度 的 提 高 , 亟 待 发 展 新 的 品 种 。在发展新的报告体系时 ,如仍以发光作为向外传递信息的主要形式 ,则首先要解决的是合成新的发光 物种以及搞清物种的发光机制 。同时还必须考虑当 外来物种引入时 ,如何影响化合物的发光行为 ,即搞清作为报告器的发光或猝灭的控制机制 。这表明在 发展新的报告器时 ,必须对控制发光的中继体系的工作原理有一清晰的了解 ,并在设计和合成传感器分子中加以联系和贯彻 。一般说来 ,目前用作报告 器的发光化合物有以下几类 : 稠环类芳香化合物 , 分子内共轭的电荷转移化合物 ,以及金属离子发光 体系 ,如稀土镧系元素中的铕和锝以及重金属元素 的钌 ,铼等离子 。11 稠环类芳香化合物由于该类化合物具有刚性平面结构 ,因此都有 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 。正是因存在着上述两个特点 ,因此如在体系中引入电子给体基 团如 N 、S 和 O 等原子时 ,就有可能组成如图式 2 的发光控制体系 。芳香发色团在受光激发后 ,应发射 的荧光 会 因 发 生 光 诱 导 的 电 子 转 移 ( PET) 而 被 猝灭 。但如体系中引入能和电子给体相作用的外来物 种 包括金属离子或其他化合物 ,致使电子给体不能或减弱了与激发芳香基团间的电子转移 ,则激图式 3 因引入的外来物种与体系给电子部分相作用导致分子内原有的电子转移过程减弱 ,荧光增强Scheme 3Owing to the foreign species introduced , which caninteract with the electron donating part of sensor , it leads the reduction of the original electron transferprocess and makes the fluorescence enhancement8对 此 现 象 可 用 下 列 的 能 级 图 加 以 说 明( 图3 激发态的能级附近存在着1) : 原则上只要在 23n2 能级或电子转移激发态能级 ,则该激发态就有可能作信号发射之用 。图中左下方为带有给电子基 D 的传感器分子在受光激发后 ,由于存在着分子内 的电子转移 ,形成离子自由基 ,因此无荧光发射 ; 但 当体系内引入外来物种 A 时 ,A 可与 D 发生相互作用 ,导致给电子基 D 的电子向 A 移动 ,于是传感器 分子就不能接受电子形成离子自由基 ( 见图的右下 方) 而发出荧光 。3在能级图中还可看到 :在发光的 2 能级附近3 或 PET 能级 ,正因它们彼此间的能级靠存在着 n2近 ,因此在有外来物种存在时可引起体系能级的重3新定位 ,当定位于 2 跃迁时体系发光 ,而位于 n2化学进展176 第 16 卷左图中是在化合物 7 位的给电子二甲氨基处联以一多胺环作为外来物种的接受或识别部位 。已知环多 胺可作为过渡金属离子的配体 ,因此当外来金属离 子进入环内 ,就可改变化合物 7 位氨基的给电子能 力 ,从而影响化合物的发光 。这是通过对化合物电 子给体部位给电子能力的变化来达到信息外传的目的 。而在右图中 ,则可看出在化合物的 3 位处联有 一小环冠醚 ,冠醚作为接受体可用以识别碱金属或 碱土金属离子 。由于作为化合物拉电子部分 2 位的 酯羰基与所联的冠醚相靠近 ,因此它就有可能参与 冠醚络合的金属离子相配位 ,或通过金属离子的正电荷强化电荷转移化合物的拉电子部分 ,从而使化 合物的发光行为发生变化 ,提供报告的信息 。和左 图联结的部位相反 ,它是通过与化合物拉电子部分 接受电子能力的改变来达到报告的目的 。因此在以 分子内共轭的电荷转移化合物为荧光化学传感器的报告部件时 ,和用芳香稠环化合物不同的是 :必须考 虑拟通过与发光化合物分子内何种部分 是推电 子部分还是拉电子部分 ,进行联结 ,以完成其作为传 感器报告部件的目的 。有关上述发光体系可用下列 势能图作进一步的说明 :图 1 带给电子基的荧光化学传感器的工作能级图Fig. 1 The energy level of fluorescent chemical sensor with electron donating group3 或 PET 时则体系不发射荧光 。这就是这类荧光化学传感器的基本工作原理和其检测原则8 11 。21 分子内共轭的电荷转移化合物这是另一类发光物种12 14 ,无论它们是处于基 态或激发态 ,它们的分子都表现为极化结构 ,一端偏 正 ,而另一端偏负 ,如下式所示 : + - + hfluorescence图中可以看出 :这类化合物的分子内存在“推电子”和“拉电子”两个部分 。如带有推电子基的 N , N2二 甲氨基香豆素或黄酮类化合物14 就是很好的例子 ,如下式 :它们在基态时就具有极化结构 ,而在光照激发后则更进一步强化了这种极化特征 。由于两端存在 着不同的极性基团 ,因此将它们用作“报告器”时 ,就 存在着如何与其相联结的问题 。以香豆素为例 ,有以下的两种可能 :一是和推电子基相联结 ;另一种则 是和拉电子基相联结 ,如下图所示 。图中可以看出 :图 2 以分子内共轭的电荷转移化合物为传感器的发光部件时 ,其工作状况的势能图说明Fig. 2Potential energy diagram to demonstrate the working be2havior of the emission part of intramolecular conjugated charge transfer compounds as a sensorelectron donating partelectron withdrawing part2systemh -electron withdrawing part2systemelectron donating part第 2 期吴世康 荧光化学传感器研究中的光化学与光物理问题177 图中可以看到荧光化学传感器分子在激发后的局域态 (localized) 发射 ( hL E ) 和电荷转移态发射 ( hICT ) 。当传感器分子在接受外来物种后 ,则将根据所接受 物种与发光部件间位置的不同而引起发光化合物荧 光发射行为的变化 。这是由于外来物种的引入导致 发光化合物分子内电荷的重新分布 ,以及化合物在 不同位置 接 受 外 来 物 种 时 所 引 起 的 ICT 能 级 的 变稀土元素中的铽 ( ) 和铕 ( ) 作为报告 器 光 源 。这些离子的最低能量通道可见下图 。化15。所有这些都将十分灵敏地在其发光强度和能量上反映出来 。在以分子内共轭的电荷转移化合物为报告器 时 ,一个值得注意的问题是 :当分子内存在着强烈的 电荷转移时 ,可引起分子从部分的电荷转移 (partialelectron transfer) 转变为整个电子的转移 (full electron transfer) 。此时 ,分子内给电子与受电子部分会发生 正交扭曲 ,出现所谓的扭曲的分子内电荷转移现象(twisted intra2molecular charge transfer , TICT) 16 ,17 并使 荧光强度降低 。这 也 可 从 下 列 的 势 能 曲 线 加 以 说明 。图 4 Eu3 + 和 Tb3 + 离子最低能量激发态的能级图列出的仅是发光激发态在5 D 处的通道jFig. 4 The energy level diagram of lowest excited state of Eu3 +and Tb3 + . Only the emissive excited states within the5Dj manifold are shown由于辐射跃迁中S = 0 的自旋限制 ,因此在直接照射激发时镧系金属离子 Ln3 + 的发光微弱18 ,19 。 而如通过体系中另一强的光子“吸收体”来 捕 获 能量 ,然后使 Ln3 + 实现间接激发 , 就可越过自旋的障碍使5 D 能级得以布居 (population) 。在这样条件下 ,j只要敏化剂分子的激发态能有 效 地 将 能 量 转 移 至Ln3 + 的过程顺利进行 ,则从金属离子发射的诱导荧 光就会足够的强 。因 此 人 们 在 化 学 传 感 器 的 设 计 中 ,对进行分析的外来物种常被用作敏化剂组分 ,在 特定条件下 ,被分析物种进入到化学传感器内 ,它就可通过吸收入射光 ,并将能量转移至潜在的发光中图 3 TICT 的势能曲线图Fig. 3 The potential energy diagram of TICT3 +3 +心 Tb 和 Eu 而发出金属离子的荧光 。这一过程类似于下面将讨论的所谓吸收 能 量 转 移 发 光 过 程(AETE) 。通过 Ln3 + 离子的发光就可对分析物是否 已存在于化学传感器内给以确定20 ,21 。在这类体系 中作为分析物的克分子吸收系数应有 :104 M - 1可以看出 ,图中左侧的势能曲线为正常的平面(normal planar , NP) 激 发 和 发 光 , 而 右 侧 的 则 为 TICT。原则上 TICT 应是“full electron transfer”将 导 致荧光 的 猝 灭 。但 图 中 可 以 看 到 TICT 仍 有 发 光 。 这是因体系处于热振动的条件下 ,上述的扭曲并非完全正交 ,因此也就可观察到一定程度的电荷转移发光 。这一结果表明当发光化合物的给电子部分与 受电子部分间存在着强烈的电荷转移时 ,化合物的发光行为将会发生负面的影响 ,使发光强度降低 ,值 得加以注意 。31 金属2中心激发态为发光光源的体系在许多化学传感器中常利用金属2中心激发态cm - 1 ,其辐射的速度常数应有 k = 107 9 s - 1 ,这就可r5使 Dj 能级实现较大的布居 ,从而发射出由分析物诱导产生的 AETE 发光 。这由分析物自身作为信号枢3 +纽体系 , 因而有很强的发光 。另外 , 已知 Ln离子的激发态有很长的寿命 (011 2 ms) ,这是否会引起 镧敏化体系易于发生猝灭 ? 这不必担心 ,因为 f 中3 +心轨道会深深地将 Ln 离子埋入其中 ,而与外界环境相隔离 ,而且与5 D 激发态间的电子偶合因仅有j(metal2center excited state) 的5 D 7 F 发 光 跃 迁 如很小的重叠而变得甚差 。在这样情况下 ,猝灭常数jj化学进展178 第 16 卷也就变得很小 ,它抵消了长寿命的影响 ,甚至典型的猝灭剂如氧也不能有效地起到作用 。另一方面 ,在 络合配体中的高能谐振子如水 ,特别善于诱导 Ln3 + 离子激发态发生有效的无辐射衰变22 ,23 ,因此在设 计以 Ln3 + 离子为报告器的化学传感超分子体系时 ,必须注意保留允许分析物进入到临近金属中心的空 间 ,而且还必须排除原初配位球中存在水分等问题 。金属离子和具有配位场激发态的络合物在化学 传感器中的应用目前还是较为有限的 ,原因是它们 中许多是不发光的 。典型的配位场激发态常涉及金感器分子中阳离子基 、酯基以及芳基相作用 ,并有效地插入传感器分子中时 ,则叠合的芘基可发生分离 , 使化合物原有的构型发生改变 ,导致芘的激基缔合 物荧光逐步减弱 ,向人们报告传感器已和外来物种 相作用 。有关 excimer 和芳香化合物单体发光问题可由 下图给予说明 :属2配位3 轨道的布居 ,因而其 k 常很大 ,而激发态nr的发光又因能量可通过金属2配体框架的振动耗失而 不 能 被 观 察 到 。金 属 d 中 心 的 激 发 态 是 发 光的24,它包括如 :Cr ( ) 的2 E 激发态 ; d2 金属2配体g多重键的3 E 激发态 d1 , ( d , d ) 1 ,以及铂 、铑及xyxzyz铱二硫代络合物的 d8 d2p 激发态以及一大批其他的多核金属贵金属及其簇集体 d10 激发态 25 ,26 等 ,但 到目前为止用于化学传感器中的金属 2中心激发态 仍为数甚少 。Excimer生成的能级说明 : ( a) 两个基态分子 (M) 间的作用导致形成不稳定的二聚体 ; ( b) 基态分子 (M) 与激发态分子 (M 3 ) 间的相互作用 , 形 成能量稳定的 excimer ( E 3 )Fig. 5 Energy level diagram explaining excimer formation : (a) Interaction between two ground state molecules results in no net stabilization of dimer. ( b) Interaction of ground state (M) and excited molecule (M 3 ) results in an en2ergetically stabilized excimer ( E 3 )图 5三 、中继体的机制与设计中继体 ( relay) 设计中最为常见的机制有 : 构型 的转变 ,光诱导电子转移 ( PET) 以及光诱导能量转移等 。11 构型的转变当一种荧光化学传感器分子在与外来 (分析) 物 种相遇时 ,可引起传感器分子构型发生变化 ,进而导 致体系发光行为的改变 ,均可属于本类机制 。可以举下列例子来加以说明27 :图中可见 ,体系存在着单体激发态发光及 excimer 的发光 ,并可看到它们各自的发光机制 。在上例中可 以看出 :因外来物种的引入导致激基缔合物构型的 破坏 ,而使 excimer 荧光消失 。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 。21 光诱导电子转移机制利用光诱导电子转移 ( PET) 作为信息传递的中 继部分已被广泛地应用于分子识别的研究领域 。对分子间的光诱导电子转移已有较多讨论 ,作为电子 给体化合物和电子受体化合物在光的作用下 ,只要 满足 Weller 公式中的 G 为负值 ,两者间的电子转28移就可发生 。Weller 公式可简写如下 :这是由本实验室合成的一种新型荧光化学传感器 。它可溶于水中 ,由于分子中存在两个芘环 ,因此 在水中时会因强的疏水相互作用而相互叠合 ,于是可在荧光光谱中清晰地观察到芘的激基缔合物 ( ex2cimer) 发光 。即敏感器分子在未和外来物种作用时 存在着芘的叠合构型 。当引入的某外来物种能与传G = Eox -Ered - E0 ,0- constant式中G 为反应过程中自由能的变化 。 Eox 和 Ered 分别为给体化合物和受体化合物的氧化和还原电位 , E0 ,0 则为受激化合物的跃迁能量 。和分子间光诱导电子转移情况相同 ,分子内的第 2 期吴世康 荧光化学传感器研究中的光化学与光物理问题179 电子转移情况是一样的 ,只是电子给体与受体基团(或化合物) 同处于一个分子之内 。它们彼此间不是 通过共轭联结 ,而是相对独立的存在 。因此它不像 分子内共轭的电荷转移化合物 ,推电子基和拉电子 基间通过 键体系以强扰动的方式联在一起 ,而是以 C C 的 键 的 弱 扰 动 方 式 联 结 起 来 , 如 下 图 所示 :来完成 PET 过程的 。被识别的外来 物 种 常 被 设 计用以干扰 PET 过程的进行 ,如可通过对上述给电子 基的质子化 ,金属阳离子的配位或氢键的形成等途 径 ,使体系原有给电子基的“电子对”变得稳定化 ,于 是就减小了电子转移过程的总驱动力 ,使猝灭过程不易发生 。这就可减小荧光猝灭 ,增强发光化合物 的荧光发射 。图 6 为 Marcus 理论涉及的 3 个不同区域 。分子内电荷转移强扰动体系分子内电子转移弱扰动体系体系内基团间相互作用的强弱 ,即所谓的强或弱的扰动体系可在它们的吸收 光 谱 中 得 到 有 关 信 息 。对弱扰动体系 ,分子中各吸光的发色团均系独 立存在 ,因此各基团的吸收均可在光谱中得到反映 。 相反 ,对于强扰动体系由于基团间的强烈相互作用 , 因此往往看到的是分子整体性的吸收 。强扰动的分子内电荷转移化合物常是强的发光化合物 ; 而弱扰 动的分子内电子转移化合物 ,由于存在着电子转移 猝灭 ,因此常是不发光或发光不强的化合物体系 。 电子转移过程的速度常数 k ET可以由 Franck2Con2图 6 电子转移的不同 Marcus 区间 。R 为反应物 ,P 为产物Fig. 6The different Marcus regimes of electron transferR : reactant , P :product30图中的G 为反应活化能 ,G 则为过程自由能的变化 。可以看出 :是当反应物 R 与产物 P 处 在相同核构型时的能差 ,显然这就是所谓的重组能 ,即由反应物分子经结构重组形成产物所需的能量 。 从上面的讨论中可以看出 : 当电子转移处于正常区 间时 ,发光化合物的发光强度将随反应驱动力 G0 的增大而增大电子转移的速度常数 ; 但如电子转移 已处于反转区域时 ,则驱动力越大其电子转移速度 常数就越小 。这是利用 PET 作为中继体时必须加以注意的 。对图 6 的左侧正常区域部分可以更清楚地用势 能图表述如下 (图 7) :29 ,30don 项和电子偶合项 HAD 两者的乘积来导出 :2k ET ( r) = (2h )( FC)HDA因此可分别通过对 FC 及 HDA 的讨论 ,来考虑它们如何影响荧光化学传感器分子信号的变化和传感 器的设计问题 。FC 项的影响 : FC 项是用以描述电子转移事件中的能量问题 。它可用下式表示 :FC = (4R T) 12 exp - (G0 + ) 2 4R T 式中的 为重组能 ,可分为内重组与外重组两个部 分 。G0 为经校正 (产物生成时所需“功”) 后的自由 能变化 驱动力 。Marcus 理论表明 : 按提供活化 能的能量相对大 小 不 同 , 可 引 出 三 个 不 同 的 区 域 。即 :正常区域| G0 | 等三个部分31 ,32 。可以看 出 :电子转移速度常数在正常区域内将随驱动力的 增大而不断增大 。相反在反转区域内电子转移速度 常数将随驱动力的增大而减小 。普通电子转移的中继机制一般是通过 FC 项来进行工作的 。上面已提到 : 具有发射能力的荧光化 学传感器 ,其荧光的猝灭是通过分子内的给电子基 团 (如 N 、S 及 O 原子上的孤对电子) 所提供的电子图 7 电子转移处于正常区域时的势能图Fig. 7 The potential energy diagram of electron transfer in the normal region电子给体体系电子受体推电子部分体系拉电子部分化学进展180 第 16 卷图中 AB 即为反应物 R , 而 A + B - 则为产物 P ,G 为反应活化能 (即为图 5 中的G 3 ) ,图中两势 能曲线的交叉点则反映了电子偶合项 HDA ( 图中为HAB ) 的大小 。电子偶合项 HAD 的影响 : 对电子偶合项 HAD 的 控制同样可作为电子转移中继器的一种机制 。敏感 器分子中电子给体与受体轨道间的混合 (mixing) ,为 电子偶合提供了一个物理基础 。从原子波函数线性 组合和其与距离间存在指数衰减的关系来看 , HAD 和电子受体与给体间的距离也呈现指数关系就不足种轨道间的直接重叠 。因此总的速度常数所采取的形式类似于电子偶合矩阵元 ,但是它用 4 个前线轨 道来代替电子转移中的两个轨道 。正因如此 ,在能 量转移上的有关物种间的距离依赖性和电子转移有37所不同 ,在电子转移上为 : exp - RDA , 而在能量转移上则为 exp - 2RDA 。0Jexp - 2( RDA -)Ken Ken=0式中为 : 当 RDA = 时的能量转移速度常Ken数 ,这里的光谱重叠项 J和 Forster 的不同 ,因为这里的数据是与受体吸收截面经归一化处理过的 。因 此 Dexter 的能量转移和 Forster 的不同 ,它能在激发 态的轨道和自旋禁阻条件下发生 ,只要能量条件得 到满足就行 。能量转移的中继机制是比较特殊的 ,其能力不 仅受影响于能量转移的速度常数 ken ( 或 kq ) , 而且也受影响于报告器的辐射衰变常数 kr 。 在分子内或分子间的能量转移过程中 ,可以产生出发光的激发态 。可将分析物种看作为一种敏化剂 ,当它被接受器捕获后也可受光激发 ,并将能量转 移到报告器部分而产生出报告器的敏化激发态 ,然后发光 。在这种情况下 ,敏化激发态的发光强度受两个重要的因子控制 : 一是敏化 剂 ( 吸 收 能 量 的 物 种) 的吸收截面大小 ,另一个则是能量转移的效率 。这种敏化发光可用于能量转移的化学传感器 。当传感器分子中的报告器部分发光不很有效而仅有 弱的吸收时 ( 也即吸收和发射常数 kr 都很小 , 且非辐射常数 knr 也较小) ,结果当在直接照光时 ,从光源 中能吸收的只是很小的一部分 。如报告器的位置和 接受部分 ( receptor) 的位置甚近 ,而接受的分析物种 本身是一强的吸收物种时 ,则它的进入就可能使吸 收的能量转移给报告器部分 ,实现吸收能量转移发33为奇了 。 HDA 有如下的关系:0= HDA exp - ( RDA - ) HDA当式中的 = RDA , 即等于反应中分子“伙伴”0(partner) 间的有效半径时 ,则 HDA = HDA 。为依赖于介质 电 导 的 一 个 常 数 , 在 许 多 体 系 中 该 值 为 在0182 112 之间 ,一般可认为= 1 。传感器分子 (D2A) 中的两个部分电子给体 D 与电子受体 A 间因电 子转移而形成 (D + 2A - ) ,两者间有一定的距离 。电子转移速度常数和转移的距离间存在下列关系 : 距 离每增加 2 ! 时 ,速度常数将减小 10 倍 。这一距离的依赖关系为设计化学传感器提供了一个考虑的因 数 。31 能量转移机制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 Forster 能 量转移理论中 ( 或称共振能量转移) 能量是通过偶极2偶极相互作用发生交换的 。由于两个相互作用偶极3的势能面具有下列的形式 :DARDA 和几率 ,结果能量转移的速度常数 ken 将正比于作用能的平方 ,此6外 Forster 能 量 转 移 的 距 离 依 赖 性 为 1RDA , 因 此Forster 公式总的对能量转移速度常数的表述可有下式34:22 46= 9 (ln10) e J 128 n N0kenRDA式中 0 和 e 分别为给体发色基 ( 在无能量受体存在时) 的寿命和量子产率 。 n 为介质的折射率 , N 则为 Avogadro 数 。在决定总的能量转移速度常数 其它重要的因子中可包括 : 能量给体发光曲线和受 体吸收曲线的积分重叠项 J ,以及由能量给体与受 体偶极间 、波长和取向角的二次因子 ( quadratic fac2 tor)2 等 。能量转移的电子交换 Dexter 机制35 ,36 最早是通 过量子力学计算 导 出 的 。它 涉 及 到 两 个 电 子 的 交 换 ,因此和电子转移相类似 。电子交换要求作用物图式 4 吸收能量转移发光图示Scheme 4 Absorption energy transfer emission (AETE)第 2 期吴世康荧光化学传感器研究中的光化学与光物理问题181 光 ( absorption energy transfer emission ,AETE) 的 过(图式 5) 。图 8 中列出了上列图示的吸收光谱说明 。外来 物种的引入导致接受器与报告器的吸收光谱可经引 入物种的介入而联系起来 ,使能量转移得以发生 ,否 则是不可能发生的 。另一方面 ,从接受体 ( receptor) 的角度看 ,虽然接 受体涉及的主要问题应是超分 子 科 学 中 的 基 本 概 念 ,如主2客体化学 ,物种尺寸的匹配以及不同的相 互作用力等 ,似和光化学问题关系不大 。但在某些 传感器中的接受体部分恰起到了报告器的环境因素作用 ,因此这里也常存在和光化学相关的问题 ,值得 引起注意 。这说明在荧光化学传感器的研究中 ,光 化学问题不只局限于在报告器或中继体设计中应加 以注意 ,即使对接受体也应加以关注 。在这方面有 下列两点值得注意 : 环境的尺寸因素对光化学所起的作用和环境的极性因素对光化学所起的作用 。 (1) 接受体尺寸因素的光化学效应 从光化学已知一种发光化合物当改变其所处的环境时 ,可引起其发光行为的变化 ,如非辐射衰变常 会因发光化合物所处空间的狭窄化而使其减小 。这可从其势能曲线上看出 ( 图 9) ,即因空间变窄会迫 使化合物激发 态 通 过 Franck2Condon 途 径 恢 复 到 基 态 ,这就可促进辐射衰变速度常数的增大 。此外 ,当 化合物处于受保护的环境时也可大大避免外来杂质 对激发态荧光的猝灭 。因此这就可明显地看出环境尺寸的大小对分子激发态衰变过程的影响 。程38,并发出报告的信号 (图式 4) 。图式 5 阶段式的能量转移机制图 。Scheme 5 Step by step mechanism of energy transfer upper : before foreign species catched by the receptor , without energy transfer occursdownward : after foreign species catched by receptor , energytransfer occurs图 8 外来物种的引入使接受体与报告器的吸收光谱发生重叠使能量转移得以发生Fig. 8 The introduction of foreign species results in the overlap of absorption spectra of receptor and reporter and makesthe energy transfer occurs通过 AETE 已发展出许多不同类型的发光传感器 ,包含了采用镧系离子作为报告器用以分析芳香(给体) 化合物的体系 。设计其他的以能量转移为机 制的中继器模式也有所考虑 。如引入的分析物种能 影响或改变传感器内能量给体与受体间的距离 ,从 而使传感器产生一个可以测得的发光信号变化 ,就 是一种新的思路 。这种方法是在设计传感器时将一 强烈的吸收中心处于离报告器 有 较 长 距 离 的 位 置处 。当被分析物种进入到传感器内时 ,将会导致建 立起一种从吸收中心到报告器的多阶能量转移的传 递过程 ,观察到被分析物进入而引起的报告器发光图 9 发光分子和反应分子基态和激发态的势能图Fig. 9 The potential energy diagram of emissive and reactive molecules in ground and excited states图中可以看出 ,如将分子激发态的几何构型限制在光谱构型区而不任其变化 ,包括扭转 、伸长 、异 构化等 ,则激发分子的能量就将主要从 Franck2Con2化学进展182 第 16 卷don 部位回到基态 。在这样情况下 , 能量将主要以辐射衰变形式回到基态而发射荧光39 。相反 ,如激 发态的几何构型因无外部障碍而引起较大的构型变 化时 ,则能量将通过无辐射的形式耗失而无荧光发 生 。因此 ,如果采用的荧光敏感器有着能限制识别物种几何形态变更的接受器时 ,则可以预期 ,被识别 物种的荧光发射将会因它自身的束缚而导致荧光量 子产率的提高 ,如下例 (图式 6) :要使化合物的核构型有重大变化 ,必须穿越较高势垒 ,这就使化合物激发态的构型限制在一定范围之 内 ,促进辐射跃迁的发生 。具有确定形状或空间的接受体系在接纳外来物 种时的第二方面作用是 :(2) 环境的极性因素对光化学所起的作用 接受体作为一种能接受外来物种的“容器”有其一定的原因 。首先 ,容器作为主体应有能容纳客体 的“容量”,它不能接受它所无法收容的大体积客体 。 而更为严峻的是主客体彼此间的相容性41 。如二者均有相同的亲油或亲水性或二者互为“配偶 (part2 ner) ”,如一为氢键给体 ,一为氢键受体等 ,就易于相 容 。但已知作为报告器的化合物多为分子内电荷转 移化合物 ,它们往往有强烈的溶致变色42 效应 , 即 当它们处于不同极性溶剂或环境中时 ,它们的荧光峰值波长会因此而发生变化 。从下列的例子43 可以 看出 (图式 7) 。图式 6 CD 对化合物分子荧光发射的促进作用Scheme 6 The fluorescence emission enhanced by CD从图中可看出 : 二苯基乙烯 ( stilbene) 在溶液中的发光量子产率甚低 ,原因是它在被激发后易于发 生异构化反应而耗失能量 ; 但如处于环糊精 ( cyclo2 dextrin , CD) 的腔内 ,则可有效地防止异构化反应的 发生 ,因此可大大地提高其荧光量子产率 。这是一 个非常典型的例子 ,说明阻碍了构型的变化 ,有利于化合物发光行为 的 改 善 。这 一 现 象 在 很 早 前 已 由 Nobel 奖获得者 Cramer40 所首先发现 ,并已有大量的 工作报道 。可以用势能图对上述受阻现象给以说明(图 10) 。图式 7查尔酮由水中进入 CD 内腔 ,改变了周围环境而引起其发光强度的大大增强Scheme 7 The chalcone part goes into the CD cavity from wa2ter resulting in the fluorescence enhancement这是由本实验室合成的环糊精 ( CD) 型荧光化学传感器 。它是在 CD 的边缘处接出了联有单个二 甲氨基查尔酮的长链基团 ,显然 ,查尔酮是作为传感 器的发光报告部分 ,而 CD 则是接受体 。由于该 CD 衍生物和常规 CD 一样 ,可溶于水中 ,而已知查尔酮在水中时 ,因水的极性过大而不发射荧光 ,但当查尔 酮分子因与 CD 相容而进入了 CD 腔内时 ,由于所处 的极性变化 ,于是就出现了强烈的荧光 ,明确地指示 出查尔酮分子已进入 CD 腔内 。这一例子清楚地表明 :作为接受体部分 ,对于传感器接受外来物种的报告行为 也 起 到 相 当 重 要 的 作用 。图 10 构型受阻引起势垒提高The molecular configuration inhibition results in the increase of potential barrierFig. 10图中可见 , 由于化合物 A 处 于 受 阻 环 境 之 中 ,第 2 期吴世康 荧光化学传感器研究中的光化学与光物理问题183 四 、结语11 De Silva A P , Gunnlaugsson T , Rice T E. 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