（有机化学专业论文）基于光诱导电子转移的荧光传感薄膜的制备和传感性能研究.pdf

基于光诱导电子转移的荧光传感薄膜的制备和传感性能研究 蒋林玲 摘要设计制备具有分子器件性质的荧光化学传感器是近年来迅速发展起来 的一个新的研究热点 荧光化学传感器灵敏度高 选择性好 其已经在生物化学 临床医学以及环境监测中得到了广泛应用 将荧光传感器分子固定在固体基质表 面 如硅 二氧化硅或高分子膜上 制备成薄膜传感器 相比于液相荧光探针传 感技术则具有明显的优越性 如可重复使用 能实现原位在线检测等 因此对各 类新型荧光传感薄膜的设计 制备和性能的研究具有十分重要的意义 在过去的几年中 本实验室以芘 丹磺酰等对环境非常敏感的荧光小分子为 传感元素 利用自组装单层膜技术将其化学结合到石英 玻璃等固体基质表面 通过改变连接臂的长度 柔性及其亚结构 设计 制备了多种性能优异的荧光传 感薄膜 实现了对水中硝基甲烷 亚硝酸钠 二元羧酸 硝基苯和金属c u i i 离子 的选择性识别以及对水 乙醇混合体系中水含量的半定量测定 基于光诱导电子转移 t 原理设计的用于溶液 口h 值测定的荧光传感器已 p 有h o 文t o 献i n d 报u c 道e d e 但l e c 该仃 方n 面t r a 的n s 研f e r 究 p 工e 作主要集中于液相荧光 探针传感技术 而基于荧光薄膜传感器的研究工作并不多 因而设计 制备具有 p e t 效应的荧光薄膜传感器对实现非污染条件下的p h 在线监测具有重要的意义 在上述本实验室工作的基础上 本论文拟将p e t 原理引进传感薄膜的设计制备中 通过选用合适的荧光物种 调节连接臂的长度和柔性 以及在连接臂中增加新的 识别位点等方法 以期得到可重复使用且可进行在线检测的性能各异的多种新型 荧光传感薄膜材料 基于p e t 作用的荧光化学传感器的研究中 蒽是一种常见的荧光报告基团 且作为探针和标记物在生命科学和化学科学研究中有着广泛的应用 因此以蒽为 荧光传感元素 设计制备荧光薄膜传感器的研究具有很大的潜在应用价值 本工 作将葸经由不同结构特征及不同长度的连接臀化学键合于玻璃基质表面 利用连 接臂结构单元与传感元素问产生的p e t 效应 设计并制得了几种新型荧光传感薄 膜材料 以亚甲基介导 将氨基衍生结构与多环芳烃的衍生结构连接构成一类典 型的分子内电子转移体系 二 9 蒽甲基 7 胺 该化合物连接臂中存在具有孤对 电子的仲胺基 化合物被激发时 该对电子可向缺电子的蒽环转移 发生p e t 过 程导致荧光猝灭 酸化溶液使胺基质子化 孤对电子受缚 p e t 过程受阻 荧光恢 复 类似地 z n 2 的引入也可以部分阻断p e t 过程 使体系荧光部分恢复 少量 e d t a 的引入可部分解除z n 2 对p e t 过程的阻断作用 体系荧光又被猝灭 然而 进一步增加e d t a 浓度 p e t 受阻程度增大 体系荧光重新恢复 而且荧光强度 更高 模型体系研究表明 e d t a 的引入虽然可以消除z n 2 对p e t 过程的阻断作 用 但e d t a 自身所带质子对胺基的质子化使得p e t 过程阻断更加彻底 因此荧 光恢复程度更高 二 以玻璃为刚性基质 采用柔性长臂丙二胺为连接臂将葸固定到基质表面 该功能薄膜内存在具有孤对电子的仲胺基 能够导致p e t 过程的发生 使荧光猝 灭 而在酸性介质中胺基质子化 孤对电子受缚 p e t 过程受阻 荧光恢复 因 此葸功能化薄膜对溶液p h 表现出强烈的依赖性 并且该传感薄膜对h 具有快速 的响应性和良好的可逆性 三 以玻璃为刚性基质 经化学键合将葸经柔性长臂z z 胺组装到玻璃基 质表面 得到一种新的荧光传感薄膜 由于在分子骨架内引入胺基作为电子给体 部分 当客体分子存在时会引起胺基到蒽的p e t 程度的改变 从而对客体分子进 行识别 同时 由于基片表面形成一层不同于本体溶液环境的由柔性长臂 荧光 物种和少量溶剂分子形成的弱极性 二维溶液 相 使其对疏水性硝基苯表现出 良好的猝灭选择性 关键词蒽光诱导电子转移荧光薄膜传感器 s t u d i e so nt h ep r e p a r a t i o na n ds e n s i n gp r o p e r t i e so ff l u o r e s c e n t f n m sb a s e do np h o t o i n d u c e de l e c t r o n r r a a s f e r l i u l i n gj i a n g a b s t r a c tt h ed e s i g no ff l u o r e s c e n tc h e m o s e n s o r sa sp o t e n t i a lm o l e c u l a rd e v i c e s h a sb e c o m eo n eo f t h ea c t i v er e s e a r c hf i e l d si nc h e m i c a ls c i e n c ed u r i n gt h ep a s td e c a d e s f l u o r e s c e n c et e c h n i q u e sa r ew i d e l yu s e di nb i o p h y s i c s b i o c h e m i s t r y c l i n i c a lc h e m i s 仃y a n de n v i r o n m e n t a ls c i e n c ed u et ot h e i rh i 曲s e n s i t i v i t ya n ds e l e c t i v i t y m o s tf l u o r e s c e n c et e c h n i q u e sh a v eb e e nu s e da ss g n s o r s t h es e n s i n gi sm a i n l yb a s e do nt h e r e s p o n s eo f f l u o r e s c e n tp r o b e so rl a b e l st ot h ep r o p e r t i e so f t e s t e ds o l u t i o n so rs y s t e m s t h ep r o b e sa n d o rl a b e l s g e n e r a l l ys p e a k i n g c a n n o tb er e u s e df o rf u r t h e rm e a s u r e m e n t s u r f a c e o r i e n t e df l u o r e s c e n ts e n s o r t h r o u g hi m m o b i l i z a t i o no faf l u o r e s c e n tm o l e c u l e o ns o l i ds u b s t r a t e sl i k es i l i c ao rq u a r t z c a np r o v i d em o r ea d v a n t a g e so v e rf l u o r e s c e n t p r o b e su s e do n l yi ns o l u t i o n s u c ha sr e u s i n ga b i l i t y i nt h ep a s tf e wy e a r s an u m b e ro ff u n c t i o n a lf i l m s 晰t i lp y r e n e 口y a n dd a n s y la s s e n s i n ge l e m e n t st h a ta r eq u i t es e n s i t i v et ot h em i c r o e n v i r o n m e n ta r o u n dt h e mh a v e b e e np r e p a r e da n ds t u d i e di no u rl a b o r a t o r y t h e s ef l u o r e s c e n tf i l m ss h o wr e m a r k a b l e s e n s i n gp r o p e r t i e st ot h ep r e s e n c eo fn i t r o m e t h a n ei nm e t h a n o lo rw a t e r s o d i u mn i t r i t e d i e a r b o x y l i ea c i d s a n dn i l r o b e n z c n ei nw a t e r f l u o r e s c e n tc h e m o s e n s o r sb ye m p l o y i n gt h ep h e n o m e n o no fp h o t o i n d u c e d e l e c t r o nt r a n s f e r p e t c a nb eu s e da ss e n s o r st om o n i t o rp ho fs o l u t i o n s h o w e v e r m o s to ft h er e s e a r c hw o r kh a sf o c u s e do nt h ed e s i g na n dp r e p a r a t i o no ff l u o r e s c e n t p r o b e su s e do n l yi ns o l u t i o n a n dv e r yl i t t l ew o r kh a sb e e nd o n ea b o u td e s i g n i n ga n d p r e p a r i n gf l u o r e s c e n tf i l ms e n s o r sf o rp hm e a s u r e m e n t t h e r e f o r e d e s i g na n d p r e p a r a t i o no ft h i sk i n do ff i l ms e n s o r si sw o r t h w h i l e b a s e do nt h ew o r k so fo u rg r o u p m e n t i o n e da b o v e p h e n o m e n o no fp e tw a si n t r o d u c e di n t ot h ep r e p a r a t i o no fs o m e n o v e lf i l ms e n s o r s a n t h r a c e n ea n di t sd e r i v a t i v e sa l ew i d e l y u s e df l u o r o p h o r e si nd e s i g n i n gf l u o r e s c e n ts e n s o r si n v o l v i n gp e t a n dt h e ye x h i b i tah i g hp o t e n t i a la ss e n s o r sf o ro r g a n i ca n d i n o r g a n i ca n a l y t e sa n da sp r o b e si nl i f es c i e n c ea n dc h e m i c a ls c i e n c e b a s e do nt h e a b o v ec h a r a c t e r so fa n t h r a c e n c ea n db yi n t r o d u c i n gi m i n ou n i t e si n t os p a c e r s s e v e r a l n o v e lf l u o r e s c e n tf i l ms e n s o r se x h i b i t i n gp e tp r o p e r t i e sh a v eb e e np r e p a r e d f u r t h e r m o r e t h ep h o t o p h y s i c a lb e h a v i o r sa n ds e n s i n gp r o p e r t i e so ft h ef i l m sh a v eb e e n i i l s t u d i e dt h r o u g hv a r i o u ss t e a d y s t a t ea n dt i m e r e s o l v e df l u o r e s c e n c et e c h n i q u e s i nt h ef i r s t p a r t o ft h i s d i s s e r t a t i o n b i s f 9 a n t h r y l m e t h y l e t h y l e n e d i a m i n e b a m e d a w a ss y n t h e s i z e d a se x p e c t e d p r e s e n c eo fa m i n es t r u c t u r ei nt h es p a c e r c o n n e c t i n gt h et w oa n t h r y lu n i t sm a d et h ei n t r a m o l e c u l a re l e c t r o nt r a n s f e rp o s s i b l e w h e nt h ea n t h r y lu n i tw a sp h o t o ne x c i t e d w h i c hi st h es o c a l l e dp 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 a n dr e s u l t e di nq u e n c h i n go f t h ef l u o r e s c e n c ee m i s s i o no f t h ec o m p o u n d i tw a sf o u n dt h a tt h ef l u o r e s c e n c ee m i s s i o nc o u l db ep a r t i a l l yr e c o v e r e db ys i m p l e a c i d i f i c a t i o n t h ea c i de f f e c tw a se x p l a i n e db yt h ep r o t o n a t i o no f t h ea m i n eg r o u po f t h e c o m p o u n d o rb yt h ei n t e r r u p t i o no fp e tp r o c e s s i n t r o d u c t i o no fz n 2 h a das i m i l a r e f f e c tu p o nt h ee m i s s i o no ft h eb a m e d as o l u t i o n t h i se f f e c t h o w e v e r c o u l db e p a r t i a l l yr e m o v e db ya d d i t i o no fal i r l ea m o u n to fe d t ad u et oc o m p l e xf o r m a t i o n b e t w e e nt h ei o na n dt h ec h e l a t o r f u r t h e ra d d i t i o no fe d t ai n t ot h es y s t e mc o n t a i n i n g z d a n dal i t t l ea m o u n to fe d t am a d et h ef l u o r e s c e n c ee m i s s i o n o fb a m e d a i n c r e a s e d i nt h es e c o n dp a r to ft h i sd i s s e r t a t i o n f l u o r e s c e n ts e n s i n gf i l mw a sp r e p a r e db y c o v a l e n tb i n d i n go fa n t h r a c e n em o i e t i e st og l a s sp l a t es u r f a c ev i aal o n gf l e x i b l es p a c e n i th a sb e e np r o v e dt h a tt h el o n e l ye l e c t r o np a i ro nt h es e c o n d a r ya m i n ec a l lp a r t i c i p a t e i nt h ep e tp r o c e s sw i t h i nt h es t r u c t u r ea n dm a k et h ef l u o r e s c e n c ee m i s s i o nq u e n c h e d w h i l eu n d e ra c i d i cc o n d i t i o n s t h es t r o n ga n dc h a r a c t e r i s t i c a l l ys t r u c t u r e de m i s s i o n b a n d o fa n t h r a c e n ew a so b s e r v e da sar e s u l to ft h ei n t e r r u p t i o no fp e t p r o c e s s f u r t h e r m o r e t h er e s p o n s et oh w a sf o u n dt ob er e v e r s i b l e i nt h et h i r dp a r to ft h i sw o r k d i e t h y l e n e t r i a m i n ew a se m p l o y e dt op r e p a r eas i m i l a r f i l m t h ef l u o r e s c e n c ee m i s s i o no f t h ef i l mc o u l db ec h a n g e db yc o n t r o la n dm o d u l a t i o n o fp e tp r o c e s st h r o u g ht h ec o m p l e x a t i o no fg u e s tm o l e c u l e s i tw a sa l s of o u n dt h a t c o m p a r e dt oo t h e rc o m n l o nw a t e r s o l u b l eq u e n c h e r s t h ep r e s e n c eo fn i t r o b e n z e n e q u e n c h e ss e l e c t i v e l yt h ef l u o r e s c e n c ee m i s s i o no f t h ef i l m w h i c hh a sb e e ne x p l a i n e db y e m p l o y i n ga t w o d i m e n s i o ns o l u t i o n m o d e l k e y w o r d sa n t h r a c e n e 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 f l u o r e s c e n c e s e n s i n g f i l m 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我在导师的指导下进行的研究工作及取得的研 究成果 尽我所知 除文中已经注明引用的内容外 论文中不包含其他个人已经 发表或撰写过的研究成果 也不包含为获得陕西师范大学或其它教育机构的学位 或证书而使用过的材料 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体 均已在文中 作了明确说明并表示谢意 作者签名 学位论文使用授权声明 日期 型 本人同意研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属陕西师范大 学 本人保证毕业离授后 发表本论文或使用本论文成果时署名单位仍为陕西师 范大学 学校有权保留学位论文并向国家主管部门或其它指定机构送交论文的电 子版和纸质版 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 院系资料室被查阅 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 储签名 煎监塑日期 竺皇 三 墅 第一章基于p e t 过程的分子开关型荧光传感器研究进展 近年来 分子开关型荧光传感器研究已经成为传感器研究的一个热门领域 不同于一般的荧光传感器 这类荧光传感器以荧光 亮 或 灭 报告待分析物 的存在 因此 具有使用方便的特点 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 o t o i n d u e c de l e c t r o nt r a n s f e r p e t 分子内电荷转移型 i n t e r n a lc h a r g et r a n s f e r i c t 以及分子内单体 激基缔合物转化型 m o n o m e r e x e i m e r 等 其中以基于p e t 过程的荧光分子开关研究的最多 作为一种重要的光物理现象 人们对p e t 过程进行了大量研究 但利用这一 过程设计荧光传感器和荧光分子开关还是近二十年来的事情i 众所周知 金属 离子 阴离子和糖类在生命过程中扮演着十分重要的角色 制各能够特异性检测 这些物质的荧光传感器显得十分重要 经过多年努力 人们已经设计合成了多种 能够识别l r 碱金属离子 葡萄糖和i i p 0 4 2 等物质的p e t 型荧光传感器 依据以 有荧光 开 还是以无荧光 关 方式显示被检测物质的存在 可将开关型荧光传感器 分为 关 开 o f f o n 型和 开 关 o n o 自0 型两大类 除此之外 还有更为复杂 的荧光分子开关体系 引起这类分子开关状态改变的因素可以是简单的物理结合 也可以是可逆的氧化还原反应结合 有些复杂分子开关可以识别多个受体 发生 多重开关效应 具有逻辑门的特点 这些荧光型分子开关在分子计算机 信息传 递与加工 新型智能材料设计与开发等领域具有重要的潜在应用价值 1 1p e t 型荧光分子开关原理 一般来讲 p e t 型荧光分子开关由荧光发色团 连接臂和受体单元三部分组 成 荧光发色团一般多是多环芳烃 例如蒽 萘 芘等 它们是光能吸收和荧光 发射的场所 受体单元则是具有客体 识别作用的冠醚 多胺或硼酸等基团 连接臂的主要作用是将发色团和受体 联结成为一个整体 同时又使它们相 隔一定距离 p e t 型分子开关对客体的识别 原理如图l 一1 所示 在受体与客体结 合之前 处于激发态的发色团足以氧 化受体 使自身还原成为不能产生荧 光的物种 此过程就是所谓的p e t 过 程 与之相应 体系处于弱荧光态或 图1 1p e t 过程发生 上 和受阻 卜 示意图 无荧光态 该分子开关也就处于 关 的状态 图1 1 当受体结合客体后 其氧 化电势提高 激发态发色团已经不能氧化受体 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 1 可以利用前线分子轨道理论解释p e t 过程 i 0 j 从图1 2 可以看出 受体处于 自由态时 其h o m o 轨道上的 电子可以向荧光物种的h o m o 轨道上转移 致使荧光物种中 被激发到l u m o 上的激发态电 子不能返回基态而难以产生发 光 此过程对应于发生p e t 现 象 在受体与客体结合后 图 1 2 受体上的h o m o 电子已 无法转移到发色团的h o m o 轨道上 使p e t 过程无法进行 这时发色团的激发态电子可以 返回基态 产生荧光 由此可 见 利用客体对p e t 过程的控 制可以实现对体系荧光发射状 态的调控 f l u o r o p h o r e l t r e er e c e p t o r f i u o r o p h o r e b o u n dr e c e p t o r 图1 2 前线轨道理论解释p e t 过程发生 上 和受阻 下 示意图 1 2 物理结合型荧光分子开关 1 2 1 o 搀o n 型体系 由于线性多胺对旷及某些金属离子具有良好 的结合能力 经常被作为p e t 型荧光分子开关的 受体部分 据此 人们设计制备了多种p h 传感器 例如 1 9 9 6 年 s o u m i l l i o n 小组 1 1 以氯甲基蒽与 n p n h f 2 渤 共价结合到玻璃上的胺丙基硅烷反应制备了对h 敏感的p e t 型荧光传感器 在没 有h 时 n 上的孤对电子能够向激发态蒽转移 发生p e t 过程 猝灭葸的荧光 h 的存在使胺基质子化 阻断了n 上孤对电子向蒽的转移 p e t 过程禁阻 荧光 恢复 此类分子开关型传感器响应时间不到半分钟 是很理想的p h 传感器 s o u m i l l i o n 等 还发现 在干燥的乙腈或甲醇中 葸的荧光光谱除了其单体荧光发 射外 在4 8 0 到6 0 0n m 处还出现其激基缔合物荧光光谱 与单体荧光不同 激基 缔合物荧光对水十分敏感 微量水的存在使其立即消失 利用这一性质可以检测 有机溶剂中的微量水分 同年 f a b b r i z z i 及其合作者 l2 j 合成了化合物1 其荧光发 2 i酬 l引l 射也依赖于溶液的p h 最近 本实验室i j 卅合成了具有对称结构的二 9 蒽甲基 乙二胺 测定了其在 酸性和碱性条件下的荧光光谱 如同预期的一样 在该化合物中也存在p e t 过程 碱性介质中 体系荧光弱 酸性介质中 体系荧光恢复 z n 2 的引入也可以部分阻 断p e t 过程 使体系荧光部分恢复 有意思的是在以e d t a 夺取z n 2 恢复p e t 过程时 发现少量e d t a 的引入确实可以消除z n 2 对p e t 过程的阻断作用 但当 加入的e d t a 过量时 p e t 受阻程度反而加大 模型体系研究表明 e d t a 的引 入虽然可以因络合作用消除z n 2 对p e t 过程的阻断作用 但与此同时 e d t a 自 身所带的质子又使该化合物胺基质子化 反而使其中的p e t 过程阻断更加彻底 荧光恢复程度更高 因此 在此体系中 e d t a 的引入具有双重效应 最终效果取 决于两个效应的平衡结果 考虑到萘二甲酰胺比较稳定 荧光量子产率比较高 而且其在生物标记 1 4 d n a 光切割 1 s 1 7 光引发聚合f 1 卅等方面具有重要应用这些事实 y u 掣1 9 1 重点研 氏足2 洲m 洲2 州2a 跫 州州2 c h 2 小褂 n h c h 2 c h 2 c h3 n h 2 r nr n 今犬一蛔2 ww k 人乡 23 4 究了含萘二甲酰胺结构的各类荧光传感器 该小组首先合成了n 一烯丙基4 4 甲 基一哌嗪 1 8 一萘二甲酰胺 a m p n 并将其与2 羟乙基异丁烯酸酯和丙烯酰胺光聚 合于玻璃表面制成了p e t 型p h 荧光传感器 该传感器在p r 为3 5 的缓冲溶液中 的荧光强度是p h 1 2 时同种缓冲溶液中强度的4 7 倍 这种p h 传感器具有几乎不 受离子强度影响 选择性高 响应快 回复性好等优点 具有良好的应用前景 吴世康等1 2 0 研究了三种含萘直链多胺化合物的荧光p h 效应及其对核营磷酸盐的 识别作用 该小组合成了三种含不同长度多胺化合物链的萘衍生物2 3 4 此类 化合物的结构决定了它们所在体系的荧光强度是p h 的函数 因此 它们也可以作 为测量溶液p h 的探针化合物 糖是生命体的重要营养物质 有些还具有生理活性 在生命过程中发挥着十 分重要的作用 2 糖类传感器的研究越来越受到人们的重视 j a m e s 小组 2 2 1 设计合 成了基于光诱导电子转移的糖类荧光传感器5 6 该传感器以芘为传感元素 以 苯硼酸作为糖的识别位点 通过六个亚甲基和氮原子将两个苯硼酸分子连接 实 验表明 没有糖时 p e t 过程的发生使体系荧光猝灭 随糖浓度增加 芘到苯硼 酸的p e t 过程被抑制 体系荧光增强 实验中 该小组还将具有一个苯硼酸识别 位点的传感器7 与5 6 进行了对比 发现具有两个苯硼酸的5 6 与糖的结合能 力要比7 高很多 说明苯硼酸确实能够作为糖类的识别位点 将这一类识别体系 接到高分子链上得到的传感器6 不仅保持了其对糖类的传感功能 而且对d 一葡 萄糖具有选择性识别作用 t o n g 等 2 3 制各了能在水溶液中识别糖类的传感器8 该传感器由包含芘的荧光 单元及识别糖分子的苯硼酸单元经由连接臂连接而成 从图1 3 中明显看出 化合 物8 由于发生从芘到苯硼酸的p e t 过程 使芘的荧 光猝灭 结合糖后 芘到苯硼酸的p e t 过程被阻断 荧光恢复 这一传感器与其它识别糖类的荧光传感器 相比较 具有一些独特的优势 例如 水溶性好 可 以在水体中检测糖类 此外 可以和p 一环糊精 p c d 6 恰伊 毪 廿 l o wf l u o l c s c e t l c c h i s hf l u o f c s c c t i c c 图1 3 糖类的加入阻断化台物8 的p e t 过程 7 图1 4 传感器9 识别糖类衍生物过程 形成包结化合物 使芘的荧光量子产率提高 检测灵敏度也因此提高 h a m a c h i 等口4 1 将人工合成受体与基于p e t 原理设计的糖类传感器连接 得到 糖脂 糖肽传感器9 具体做法是在半刀豆球蛋f j c o n a 上修饰蒽的衍生物 a p e t a p e t 上携带糖类识别单元苯硼酸 从图1 4 可以看出 糖类衍生物存在时 p e t 过程被禁阻 荧光强度由弱到强 相对于单糖 半刀豆球蛋白的存在使得该传感 器对寡聚糖更加敏感 由于大环化合物可以选择性结合碱金属及碱土金属离子 因此 常被作为这 些离子的p e t 型荧光传感器的受体结构使用 大环化合物可以是冠醚 氮杂冠醚 也可以是穴状冠醚等 p e a r s o n 等 2 5 以冠醚为受体 合成了1 0 1 1 1 2 所示的多 种选择性c a 2 传感器 化合物1 0 1 1 以叔胺为电子给体 化合物1 2 则包含两个 电子给体结构 即叔胺基和苯基 当在化合物1 0 1 1 1 2 的溶液中分别加入n a k m 9 2 和c a 2 时 均出现体系荧光增强现象 但c a 2 所引起的荧光增强作用远 远大于其它三种离子的效应 此外 该小组1 2 6 1 还以丹磺酰为传感元素 合成了化 合物1 3 研究发现 1 3 对m 矿和c a 2 的选择性远高于对n a 和k 十的选择性 除了芘 葸等常见荧光物质可作为传感元素外 f r e e m a n t l e 等 27 还报告了以三 联吡啶e u 1 1 1 配合物为传感元素的分子开关型荧光传感器1 4 该体系中受体单元 l ol l1 21 3 1 4 15 晨 爨爨 为两个氮杂1 b 冠 6 在其结合k 十后 氮原子上的孤对电子被k 束缚 阻断了p e t 过程 使体系荧光增强 这一传感器的优点是配合物荧光寿命较长 通过时间分 辩可以避开多种干扰 使其对k 的选择性进一步提高 k u b o 等 2 8 j 利用芘易形成激 基缔合物的特性和p e t 原理 设计合成了化合物1 5 该化合物含有两个芘发色团 其激基缔合物与单体荧光强度之比 i d i m 强烈依赖于n a k b a 2 c a 2 等的存 在 也依赖于金属离子的本性 这一化合物对k 和b a 2 的响应最为灵敏 穴状配体对有关金属离子的配位能力较之单环 冠醚要强 基于此性质 k o n o p e l s k i 和g o l c h i n i 小组 2 9 3 0 分别将蒽和香豆素与不同的穴状配体结合 设计 合成了具有p e t 特性的 对k n a 等碱金属离子 敏感的化合物1 6 和1 7 由于存在p e t 过程 不结 合金属离子的1 6 和1 7 荧光很弱 当结合碱金属离子 后 p e t 过程被阻断 体系荧光强度显著增强 显 示出典型的碱金属离子控制的 o f f o n 开关行为 在化合物1 6 中 穴状配体以其两个n 原予与葸的9 1 0 位连接 这种连接使蒽与受体之间的相互作用以 及蒽与被络合碱金属离子后的受体之间的相互作用 1 6 1 7 减弱了 因此体系荧光光谱蓝移 与1 6 不同 在化合物1 7 中 穴状配体以侧旁 的两个相邻氧原子与香豆素直接连接 发色团 t 电子可以促进穴状配体对碱金属离 子的结合 p h 适当时 可以直接测定胶体中的k 然而 如果将香豆素结构中的 甲基全氟化后 离域的兀电子被定向 失去参与上述促进结合的能力 体系荧光强 度因此而降低 相应的 化合物1 7 的三氟甲基衍生物也就丧失了对碱金属离子的 传感能力 r 矿n n n h 矿n n 佩 渤q 妁q b 1 8 2 l 礤 v a na r m a n 等p i 利用线型多胺分子与过渡金属离子的良好结合能力设计制备 了1 8 1 9 等对z n 2 特异识别的荧光传感器 从实验结果看 没有z n 时 含1 8 的体系荧光很弱 z n 2 的逐渐引入使该体系荧光逐渐增强 显示出荧光螯合增强效 应 c h e l a t i o n e n h a n c e df l u o r e s c e n c e c h e f 单体荧光可增加到初始值的6 倍以上 与1 8 结构类似的化合物1 9 对z n 2 的响应完全不同 虽然z n 2 的加入也可以阻断 p e t 过程 但葸单体荧光增强程度远不如含1 8 的体系 不过 可以发现在4 9 0 n m 附近出现的蒽的激基缔合物荧光发射也因z n 2 的结合而增强 早在1 9 8 8 年 c z a r n i k 小组 3 2 在实验中就发现了类似的现象 当在化合物2 0 的溶液中加入z n c l 2 时 发 现体系荧光发射强度急剧增加 可达1 0 0 0 倍 随后 该小组又合成了蒽基氮杂大 环化合物 发现该类化合物对某些金属离子具有良好的响应性p 例如 在化合 物2 l 的溶液中加入c d 体系荧光可增加1 9 0 倍以上 除了上述能够识别阳离子的p e t 型荧光传感器外 有些p e t 型荧光传感器还 可以识别阴离子 例如 c z a m i k 小组 3 4 合成了化合物2 2 发现其对h p 0 4 2 具有很 好的响应性 从图1 5 可以看到 i i p 0 4 2 的引入消除了n 上孤对电子对蒽荧光的 猝灭 体系荧光增强 显示出 o f f o n 型荧光开关效应 据此 可以检测i r p 0 4 图l 5 化合物2 2 识剐h p 0 4 2 阻断p e t 的过程 的存在 w a n g 等 35 将特殊卟啉二聚体修饰到聚氯乙烯膜上得到了对组氨酸响应的 荧光薄膜 该卧啉二聚体包含一个自由态卟啉和一个结合金属离子的卧啉 图h 磅 由于单线激发态卧啉可以将电子转移给低自旋的c o n 发生p e t 过程 因此最初 体系荧光很弱 当组氮酸存在时 组氨酸参与与c 0 0 1 的配位 使上述p e t 过程 无法发生 体系荧光增强 利用这一性质可以检测溶液中微量组氨酸 惑三滔 0 o 图1 6 基rp e t 过程的卟啉二聚体识别组氨酸的过程 裔一 1 2 2 o n o f f 型体系 识别糖的p e t 型荧光传感器多为 o f f o n 型 几年前 s h i n k a i 小组 3 6 j 率先 设计了一种 o 1 o f f 型糖荧光传感器 他们以四苯基卟啉锡为荧光发色翻 以2 氨甲基苯硼酸为糖受体 设计合成了如同2 3 所示的糖荧光传感器 作为对比 该 小组还合成了化合物2 4 和2 5 借以证明2 3 对糖的传感源于糖类的引入改变了b n 之间的相互作用强度 从而影响p e t 效率所致 计算机模拟表明 没有糖存在时 b 靠近叔胺n 能够发生n 到b 的电子转移作用 使其无法参与p e t 过程 因此 体系荧光较强 此时传感器处于 o n 状态 当2 3 与糖分子结合后 b 远离n 原 2 4 2 5 子 n 上的孤对电子恢复自由 可以参与p e t 过程 使体系荧光减弱 传感器处 于 o f f 状态 实验结果与计算机模拟结果完全吻合 以2 4 2 5 所进行的对比试 验也完全支持上述结论 d i a z g a r e i a 等p 以类似的办法设计了对乳糖敏感的 o n o f f 型荧光传感器 该传感器对半乳糖和蔗糖的识别能力要比乳糖差得多 以该传感器对食物样品中乳糖的分析结果与常规酶法完全一致 阴离子在生命过程中 环境变迁中发挥着重要的作用 因此 发展能够识别阴 离子的荧光传感器成为化学家们研究的热点问题 g u n n l a u g s s o n 等 叫制备了阻蒽 为报告基团并含硫脲基团的化合物2 6 2 7 并以连于蒽9 1 0 位的两个硫脲基团 作为二酸的识别位点 当二酸加入后 硫脲与二酸结合发生硫到蒽问的p e t 过程 萏 2 8 荧光强度降低7 0 9 5 发生 o n o f f 型荧光开关效应 该小组将p e t 过程阻断 的具体原因归结于硫脲结合阴离子后 使其还原电势增加 降低了从受体到激发 舻h 凹 态荧光物种电子转移的效率 动植物体和环境中f 的测定具有重要的意义 目前f 一的测定多用离子选择性 电极法测定 虽然这种方法的选择性和灵敏度都比较好 但难以适应一些特殊场 合的需要 例如 细胞内f 的测定就不好用这种方法进行 针对细胞内f 的测定 j a m e s 小组1 3 9 1 分别以苯和萘为发色团 苯硼酸为受体 设计制备了p e t 型荧光传 感器2 8 和2 9 该传感器对f 具有很高的测定灵敏度和选择性 用c 1 或b r 替代 f 进行同样的实验发现体系荧光强度几乎不受这两种离子加入的影响 y o o n 等 4 0 利用荧光 0 1 1 o f f 型开关效应设计合成了化合物3 0 以其作为金 属离子的荧光传感器 在3 0 中存在着胺基氮原子 从理论上讲 当溶液p h 7 时 体系荧光强度应该很弱或无荧光 但实验发现p h 7 时 体系的荧光强度仍很强 这是由于化合物3 0 中与n 原子邻近的羧基使胺基质子化 阻断了p e t 过程 使 得荧光增强 当金属离子c 0 2 m n 2 或z n 2 加入后 金属离子与羧基螯合释放了 n 上的孤对电子 p e t 过程恢复 体系荧光强度减弱 表现出 o i l o f f 型荧光开 关效应 1 3 氧化还原型荧光分子开关 在简单物理结合型荧光分子开关体系中 客体没有或仅有微弱的氧化还原活 性 不足以成为p e t 过程的电子给体或受体 只是借助与受体相互作用来影响p e t 过程 与之相反 氧化还原活性较大的客体本身就具有电子传输能力 因此有可 能直接调制p e t 过程 也就是说p e t 过程发生与否决定于客体和荧光发色团之间 的氧化还原反应 与这种反应相伴随的p e t 过程必然引起体系荧光猝灭 即发生 o l l o f f 型荧光开关现象 f a b b r i z z i 等 4 l j 成功地合成了通过氧化还原性客体控制的开关型荧光分子3 1 该分子中包含了能接受客体c u i 或c u i i 的大环受体1 4 a r i e s 4 受体与具有d 电 子结构的c u i 的结合抑制了9 蒽甲酸酯可能参加的所有p e t 过程 使得3 1 c u i 的荧光发射大大加强 化学氧化或电化学氧化使c u 0 变成c u n 相应的铜离子 的电子结构变成d 9 从而使得9 葸甲酸酯到c u n 的p e t 过程变得可能 荧光强 度显著降低 这一特殊的荧光分子开关体系已经用于两种不同价态铜离子的选择 性检测 同样的设计理念也在化合物3 2 4 2 中得到体现 该结构中苯醌 氢醌氧化还 原对在较高氧化态下能够引起从2 2 一 二毗啶基 钌到苯醌的p e t 过程 丽在氧化 态较低的情况下该过程被禁熙 化合物3 2 是文献报道的第一个氧化还原型超分子 磷光开关体系 f e i l i 是重要的氧化还原客体 针对它的p e t 型荧光分子开关很多 例如 s h a n z e r 等1 4 3 合成的化合物3 3 f a g e s 等 4 4 l 合成的化合物3 4 都是对f e 1 1 1 选择性 响应的p e t 型荧光分子开关 不过 这两个分子开关的可逆住不好 只有用酸或 e d t a 才可以使f e i i i 再循环 3 i 3 3 阱 睇p 由于卟啉能够识别客体喹咛 紫罗碱 富瓦烯等 目前阻卟啉为受体来识别 氧化还原型客体的p e t 型荧光分子开关的研究受到人们的普遍关注 y a g i 小组h 5 1 报道的化合物3 5 是依靠二芳基脲连接而成的卟啉锌的二聚体化合物 用以识别紫 3 5 c e h 拽 沁h f c5 h 1 2 c 1 0 7 罗碱的衍生物 h e x y lv i l o g e np e r e h l o r a t e h v 实验发现 当h v 存在时 h v 与化 合物3 5 结合 发生卟