（有机化学专业论文）新型亲水性18萘酰亚胺类衍生物的合成及光谱性能研究.pdf

摘要 利用光学方法实现选择性地识别和检测生物或环境体系中的重 要物质是生物化学 分析化学和环境化学领域的一项重要的研究工 作 与其它方法相比较 荧光方法具有灵敏度高 选择性好的特点 而倍受关注 l 8 萘酰亚胺类衍生物作为应用最常见的荧光基团 被 广泛用来识别不同体系中多种金属离子或氢离子 设计 合成了具有可反应基团和亲水基团的n 取代基 1 8 萘酰 亚胺衍生物 这些分子是进一步合成复杂荧光探针的中间体 研究 了n 2 2 羟乙基氨基 乙基 1 8 萘酰亚胺和n 氨乙基 1 8 萘酰亚胺 这两种水溶性分子作为氢离子荧光分子探针的识别性能 它们均为 性能良好的氢离子荧光分子开关 考察了这些化合物的荧光光谱性 质 发现这些化合物在不同溶剂中具有明显不同的荧光光谱性质 其中在非质子 非 弱极性溶剂 极性 非质子溶剂中几乎不产生或产 生较弱的荧光 而在极性 质子性溶剂产生较强的荧光 在水溶剂中 的荧光强度最强 这些化合物的这种性质有望使其用于识别有机溶 剂中水的存在 采用1 hn m r 对几类代表性溶剂影响n 2 2 羟乙基 氨基 乙基 1 8 萘酰亚胺荧光光谱的原因进行了分析 提出了这种化 合物对溶剂选择性的可能机理 对这两种不同识别基团 不同亲水 性的荧光分子化合物的研究中 发现了n 2 2 羟乙基氨基 乙 基 1 8 萘酰亚胺是在中性缓冲水溶液中能够高度敏感性和选择性地 络合促进荧光淬灭识别亚铁离子的化合物 在借鉴了小肽荧光探针与金属离子的结合性能研究的基础上 根据l 8 萘酰亚胺荧光母体的特点以及荧光探针分子构造的基本原 理 设计 合成了新的荧光分子化合物 n 2 m n 2 二羟乙基氨基 乙基 1 8 萘酰亚胺 考察了这种化合物的荧光光谱性质 发现该化 合物在不同溶剂中具有明显不同的荧光光谱性质 其中在非质子 非 弱极性溶剂 极性 非质子溶剂中几乎不产生或产生较弱的荧光 而 在极性 质子性溶剂产生较强的荧光 在水溶剂中的荧光强度最强 研究了这种水溶性分子作为氢离子荧光分子探针的识别性能 它为 性能良好的氢离子荧光分子开关 还研究了这种水溶性分子作为氢 离子荧光分子探针的识别性能 它是一种性能良好的氢离子荧光分 子开关 该化合物分子具有良好的水溶性 在b r 的中性缓冲溶液 中 于常见金属离子中能够选择性地 可逆 敏感 荧光淬灭识别 f e 和f e 2 但不能够高度敏感性和选择性地络合促进荧光淬灭识别 亚铁离子 考察了这三种化合物的阴离子选择性 发现对阴离子都没有选 择 这三种荧光分子化合物是具有荧光开关能力的p e t 体系 具有 较好的水溶性 其水溶液的荧光强度随溶液由碱性到酸性变化 荧 光强度增加了5 倍以上 化合物1 化合物2 和化合物3 的pk f l 值 分别为8 4 3 l o 7 8 和5 7 3 关键词l 8 萘酰亚胺衍生物 荧光分子化合物 氢离子 铁 i i 识 别 i l a bs t r a c t t h ed e v e l o p m e n to fo p t i c a lm e t h o d st os e l e c t i v e l yr e c o g n i z ea n d d e t e c tt h eb i o l o g i c a l l yo re n v i r o n m e n t a l l yi m p o r t a n ts p e c i e si sa ni n s p i r e d w o r ki nt h ef i e l d so fb i o c h e m i s t r y a n a l y t i ca n de n v i r o n m e n t a lc h e m i s t r y d u et ot h ea d v a n t a g e so fh i g hs e n s i t i v i t ya n ds i m p l i c i t yc o m p a r e dw i t h o t h e rw a y s f l u o r e s c e n c es i g n a l i n ga p p e a r st ob ep a r t i c u l a r l ya t t r a c t i v ei n t h i sr e g a r d 1 8 n a p h t h a l i m i d ea n di t sd e r i v a t i v e sa r et h em o s tu s e d f l u o r o p h o r e st oc o n s t r u c tc h e m o s e n s o ro f m e t a l i o n sa n dp r o t o n o v e rt h e p a s tf e wy e a r s 1 8 n a p h t h a l i m i d ed e r i v a t i v e sh a v eb e e nu t i l i z e dt os i g n a l v a r i o u sm e t a l i o n sa n dp r o t o n si nd i f f e r e n ts y s t e m s n s u b s t i t u t e d 1 8 n a p h t h a l i m i d e s d e r i v a t i v e sw i t hr e a c t i v eg r o u p s a n dh y d r o p h i l i cg r o u p sh a v eb e e nd e s i g n e da n ds y n t h e s i z e dt oa c ta s f l u o r e s c e n tp r o b e s t w ow a t e r s o l u b l ec o m p o u n d sw i t hd i f f e r e n t a c c e p t o r s n a m e l yn 一 2 一 2 一h y d r o x y l e t h y l a m i n o 一e t h y l 一1 8 一n a p h t h a l i m i d e a n dn a m i n o e t h y l 1 8 n a p h t h a l i m i d ew e r es y n t h e s i z e da n dc h a r a c t e r i z e d t h e i ra b i l i t yt or e c o g n i s i n gp r o t o n sw e r es t u d i e d t h er e s u l t si n d i c a t et h a t b o t hc o m p o u n d sa r ew e l lf i tt ob ec a n d i d a t e so ff l u o r e s c e n ts w i t c h e sf o r p r o t o n s t h ef l u o r e s c e n tp r o p e r t i e s o ft h e s ec o m p o u n d si nd i f f e r e n t s o l v e n t sw e r ei n v e s t i g a t e d ar e m a r k a b l ef l u o r e s c e n c ee n h a n c e m e n to f t h e s ec o m p o u d si np o l a r p r o t i cs o l v e n t sb u tag r e a tq u e n c h i n ge f f e c ti n a p o l a r l e s s p o l a ra n dp o l a r a p r o t i cs o l v e n t sw e r eo b s e r v e d s u g g e s t i n g t h ek e yr o l eo ft h ep r o t i c i t yo ft h es o l v e n t s a m o n gt h ep o l a r p r o t i c s o l v e n t s t h ef l u o r e s c e n ti n t e n s i t yo ft h e s ec o m p o u d si n c r e a s e da l o n gw i m as l i g h tr e d s h i f to fkw i t ht h ei n c r e a s eo fs o l v e n tp o l a r i t y s u c h p r o p e r t yo ft h e s ec o m p o u d sm a k e si t s u i t a b l et os e r v ea saf 1 u o r e s c e n t c h e m o s e n s o rt od i s t i n g u i s hw a t e rf r o mo r g a n i cs o l v e n t s t h er e a s o no f f l u o r e s c e n ts p e c t r u mo fn 2 2 一h y d r o x y l e t h y l a m i n o 一e t h y l 一1 8 一n a p h t h a 1 i m i d ee f f e c t e db ys o m er e p r e s e n t a t i v es o l v e n t sw e r ea n a l y z e db y 1h n m r a n dt h ep o s s i b l e m e c h a n i s mo fs o l v e n t s e l e c t i v i t y t ot h i s c o m p o u n dh a sb e e np r o p o s e d m o r e o v e r n 2 一 2 一h y d r o x y l e t h y l a m i n o e t h y l 1 8 n a p h t h a l i m i d ec a ns i g n a lf e 2 s e n s i t i v e l ya n ds e l e c t i v e l yi n n e u t r a lb u f f e ra q u e o u s i i i an o v e lf l u o r e s c e n tc o m p o u n d 2 一 2 一d i h y d r o x y l e t h y l a m i n o e t h y l 一l 8 n a p h t h a l i m i d ew a sd e s i g n e da n ds y n t h e s i z e db a s e do n t h e c h a r a c t e ro f1 8 n a p h t h a l i m i d ea n dt h ep r i n c i p l eo fc o n s t r u c t i o no f f l u o r e s c e n tp r o b e m e a n w h i l et h es h o r t p e p t i d ep r o b e sw i t hm e t a li o n s w e r er e f e r e n c e d t h ef l u o r e s c e n tp r o p e r t i e so ft h i sc o m p o u n di nd i f f e r e n t s o l v e n t sw e r ei n v e s t i g a t e d ar e m a r k a b l ef l u o r e s c e n c ee n h a n c e m e n to f t h e s ec o m p o u d si np o l a r p r o t i cs o l v e n t sb u tag r e a tq u e n c h i n ge f f e c ti n a p o l a r l e s s p o l a ra n dp o l a r a p r o t i cs o l v e n t sw e r eo b s e r v e d s u g g e s t i n g t h ek e yr o l eo ft h ep r o t i c i t yo ft h es o l v e n t s a m o n gt h ep o l a r p r o t i c s o l v e n t s t h ef l u o r e s c e n ti n t e n s i t yo f t h e s ec o m p o u d si n c r e a s e da l o n gw i t h as l i g h tr e d s h i f to fk w i t ht h ei n c r e a s eo fs o l v e n tp o l a r i t y t h ea b i l i t yt o r e c o g n i s i n gp r o t o n sw a ss t u d i e d t h er e s u l t si n d i c a t e dt h a tt h ec o m p o u n d i sw e l lf i tt ob ec a n d i d a t e so ff u o r e s c e n ts w i t c h e sf o rp r o t o n s i t s f l u o r e s c e n c eb e h a v i o ro ft h en e wc o m p o u n dh a sb e e ns t u d i e di nt h e a b s e n c eo rp r e s e n c eo fm e t a li o n s t h ec o m p o u n dw a sas e n s i t i v e f l u o r e s c e n tc o m p o u n dw h i c hd i s p l a y e ds e l e c t i v er e s p o n s eo ff l u o r e s c e n c e q u e n c h i n go n l yt o w a r d sf e 计a n df e 3 十i nn e u t r a lb u f f e ra q u e o u ss o l u t i o n b u ti tc a n n o tc o o r d i n a t e dw i t hf e 2 s e n s i t s v e l ya n ds e l e c t i v e l y a n dt h e c o m p l e xi n d u c e dt h ef l u o r e s c e n c eq u e n c h m e n ti nn e u t r a lb u f f e ra q u e o u s t h ea n i o ns e l e c t i v i t yo ft h et h r e ef l u o r e s c e n tc o m p o u d sw e r e i n v e s t i g a t e d b u t i tc a n n o tc o o r d i n a t e dw i t ha n i o ns e n s i t s v e l ya n d s e l e c t i v e l y t h e s ec o m p o u n d s a r ep e ts y s t e m t h e i rf l u o r e s c e n c e i n t e n s i t yo fi n c r e a s e e dr e m a r k a b l yw h e nt h ep h v a l u e so ft h e i rs o l u t i o n s d e c r e a s e d t h e p k a w a sc a l c u l a t e dt ob e 8 4 3 1o 7 8 a n d5 7 3 r e s p e c t i v e l y k e yw o r d s1 8 一n a p h t h a l i m i d ed e r i v a t i v e s f l u o r e s e e n tc o m p o u n d p r o t o n f e 2 r e c o g n i t i o n i v 原创性声明 本人声明 所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果 尽我所知 除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果 也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料 与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均己在论文中作了明确的说明 作者签名 二陋 日期 垃年上月羔日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留 使用学位论文的规定 即 学校 有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文 允许学位论文被查阅和借阅 学校可以公布学位论文的全部或部分内 容 可以采用复印 缩印或其它手段保存学位论文 同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到 中国学位论文全文数据库 并通过网络向社会公众提供信息服务 中南人学硕士学位论文绪论 1 1 前言 第一章绪论 随着科学技术的发展 人们对有机荧光化合物的研究越来越深入和广泛 啦 有机荧光物质除了作为染料被广泛用于纺织 造纸 合成洗涤剂 合成塑料等传 统行业外 还在有机染料 涂料 光学增白剂 激光 电子 液晶显示 光电转 换 化学及生化分析 大型金属设备的探伤 太阳能收集器及药物示踪等领域得 到了广泛的应用 3 特别是随着空间技术 能源和电子技术等的发展 具有特殊 功能的新型有机荧光材料也得到了快速的发展和应用 有机荧光物质的广泛应 用 对人们的生活质量和审美观点产生越来越大的影响 分子识别是广泛存在的自然现象 特别是在生命科学中 分子识别起着极 其重要的作用 但分子识别作为物质分子之间所发生的相互作用 往往需要借 助一定的技术手段 通过检测分子间发生相互作用时所伴随产生的物理信号才 能发现 分子荧光作为传感的手段具有诸多优点 可达到单分子检测的高灵敏 性 荧光萃灭和恢复可逆 分辨率高 容易实现检测等 在长期的探索中 人 们己经积累了许多关于分子结构 超分子结构以及环境因素对分子荧光影响的 知识 发现了许多相关规律 4 目前 人们已经设计 合成了许多能够将分子 识别事件通过分子的荧光信号有效表达的荧光分子 即荧光分子探针 荧光分子探针是超分子科学中最引人关注的研究领域之一 它的主要功能 包括分子识别和将识别信息转换成荧光信号两部分 识别是超分子化学的核心 内容 是分子存贮和超分子读取分子信息的过程 这种分子间识别是分子在更 高的结构层次上实现功能的基础 是分子间自组装的前提 但由于这种结合是 由非共价键完成的 通常形成的结构稳定性较低 给研究带来一定的困难 荧 光分子探针能将这种分子结合信息转换成容易被检测的荧光信号 目前报道的荧光分子探针的被识别的客体分子从最简单的质子到手性分子 5 1 蛋白 6 1 寡聚核苷酸序列1 7 等千差万别 荧光分子探针发挥识别功能的部分 就要具有与被识别分子互补的结构 以便识别客体分子的结构信息 提高识别 的选择性和敏感性 也就是说 探针分子的识别部分通常应具有与被识别分子 类似的结构特征 在设计探针分子时 要设计成与客体分子的结构完全相同是 不现实的 通常只针对客体分子易于识别的结构特征部分设计互补的识别基团 另外 探针分子还要完成识别信息向荧光信号的转变 需要应用光物理和光化 中南大学硕十学位论文绪论 学的各种机理 因此 为实现这些转换机理所设计 合成的探针分子的化学结 构更是纷繁复杂 8 一些探针分子尽管取得了良好的识别效果 但人们并不是 十分清楚识别及信号转换的详细机理 还有一些关于荧光探针分子报道的结果 是错误的 例如在有机溶剂中将探针识别基与氢离子的结合误认为是与目标物 种的结合 9 总之 荧光分子探针是一个十分活跃 精彩纷呈 但又充满着未 知和挑战的新研究领域 1 2 荧光光谱法概述 1 2 1 荧光光谱法的特点 荧光分析法的最大特点是具有很高的灵敏度 荧光的最低检测限在质量分数 1 0 击 1o 9 数量级之间 对于荧光效率高的物质甚至达到1 0 的数量级 在一般的 测定条件下 其灵敏度往往是其他光谱法所不及的 荧光分析法的另一特征是选择性高 荧光是由于物质分子吸收一定波长的辐 射能受到光激发后 从激发态向基态跃迁时发出的光 但可吸收光的物质并不一 定都能产生荧光 而且在一定波长的激发下 能产生荧光的物质所发射的荧光波 长也不尽相同 因此 可利用单色器控制激发光 吸收 的波长和荧光 发射 的波长 通过两种波长的选择 得到比吸收光谱法更高的选择性 方法简便快捷 重现性好 取样容易 样品需要量少等特点 1 2 2 荧光光谱发光原理 荧光是自然界中一种常见的发光现象 即荧光化合物由短波长的光照射后 发出长波长的荧光的现象 1 0 1 物质的荧光特性与多种因素有关 荧光现象广泛 应用于许多领域 荧光化合物在受到紫外光 电和化学等能量激发后 电子从 基态跃迁到激发态 然后通过辐射衰减释放出光子而回到基态 从而产生荧光 图1 1 不同物质的分子具有不同的化学结构 因此具有不同的能级 大多数 分子在室温时均处在基态的最低振动能级 当被光照射时 该物质的分子吸收 了与其特征频率相一致的光 由原来的基态能级跃迁至第一电子激发态或第二 电子激发态中的各个不同振动能级和转动能级上 如图1 1 中的 1 和 2 所示 在通常情况下 它们急剧降落在第一电子激发态的最低振动能级上 在这一过 程中它们和同类分子或者其它分子撞击而消耗了相当于这些能级之间的能量 因而不发光 图1 1 中的3 所示 由第一电子激发态的最低振动能级回落到基态 的振动能级时发射的光即是荧光 l l 处于激发态的电子也可能以热量或者内转 换 系间穿越等形式耗散能量 1 2 1 2 中南火学硕士学位论文 绪论 j oj 1 光吸收 2 光吸收 i 1 l 工 第 二激发态 第一激发态 发生荧光 基态 图卜1 分子内的光物理过程 f i g 1 1i n t r a m o l e c u l a rp h o t o p h y s i c a lp l c e s s e s 通常荧光化合物分子在激发后的衰变过程中主要通过辐射衰变释放出光予 而回到基态 一般刚性结构的化合物常常具有较高的发光能力 激发分子在势 能曲线坐标变动不大的范围内发生衰变 常以辐射衰变为主 由于荧光的发生 是由第一电子激发态的最低振动能级开始的 而和荧光物质分子被激发到哪一 能级无关 因而荧光光谱的形状与激发光的波长无关 而取决于基态中能级分 布的情况 与吸收光谱极为相似 呈镜象对称关系 因为在发射荧光以前有一 部分能量被消耗 发射光的能量比吸收能量小i 因此荧光的特征波长比吸收光 的特征波长要长 由于在吸收光时 分子可以由基态跃迁至几个不同的电子激 发态 而发射荧光时仅由第一电子激发态的最低振动能级回落至基态 所以荧 光光谱通常只呈现一个荧光带 不像吸收光谱有几个吸收带 1 2 3 影响荧光产生的因素 荧光物质的荧光发生于该物质吸收光之后 因此 荧光物质要发光首先要 吸收光 即荧光物质要有吸收光的基团 荧光物质分子一般都含有发射荧光的 基团 称为荧光团 以及能使吸收波长改变并伴随荧光增强的助色团 1 3 1 发生 荧光的荧光物质大多数为有机芳香族化合物或它们与金属离子形成的配合物 在紫外光区和可见光区的吸收光谱和发射光谱 都是由该化合物分子的价电子 重新排列 跃迁 而引起的 因此 有机物产生荧光的基础是该物质的分子必须 具有吸收特征频率光的基团 此时分子中具有与照射光能量相同的电子能级跃 迁 会发生强烈荧光的有机分子 它们的激发光谱 发射光谱和荧光强度都与 它们的结构有密切的联系 强荧光物质一般需要具备的特征有 a 大的共轭兀 键结构 b 刚性的结构 特别是平面结构 c 较多的给电子取代基 d 最 低的单重激发态s l 为冗 矿型 1 4 l 1 化合物能够产生荧光的最基本条件 3 唧州成旧 间一瞰僻 咖州喊僻 中南大学硕十学位论文绪论 化合物能够产生荧光的最基本的条件是它发生多重性不变的跃迁时所吸收 的能量小于断裂最弱的化学键所需要的能量 2 结构的影响 分子共轭体系对荧光的影响 首先 发生荧光的物质 其分子都含有共轭体系 共轭系统对荧光的影响较 大 通常增加分子内7 电子共轭体系长度可提高荧光效率并使荧光红移 共轭体 系越大 离域兀电子越容易激发 荧光越容易产生 大部分荧光物质都具有芳环 或芳杂环结构 芳环越大 其荧光峰越向长波方向移动 而且荧光强度往往也越 强 苯 萘仅在紫外区有荧光 随着芳环个数的增加 他们的荧光光谱可以进入 可见光区 如葸能发出蓝色荧光 而并四苯则发出绿色黄光 1 5 其次 荧光通 常发生在具有刚性结构和平面结构的7 电子共轭系统中 闭环可以增加分子共平 面性和刚性而使荧光增强 许多本身无荧光或荧光很弱化合物与金属结合产生的 具有环状结构的鳌合物能产生较强的荧光 一般刚性结构的化合物常常具有较高 的发光能力 如荧光黄呈平面型 是强荧光物质 而酚酞没有氧桥 其分子不易 保持平面 不是荧光物质 再如芴和联苯在类似条件下前者的荧光量子效率接近 于1 而后者仅为0 2 0 他们的差别在于芴分子中具有亚甲基桥联结构的存在 使其刚性增加而呈平面结构 见图1 2 取的 占泔 荧光黄 酚酞 芴 联苯 图1 2 荧光与分子空间结构的关系 f i g 1 2e f f e c to ft h em o l e c u l a rs t r u c t u r eo ni t sf l u o r e s c e n c e 取代基的影响 a 取代基的性质对物质荧光特性和荧光强度都有很大的影响 大部分有机 荧光物质分子中含有芳基 芳基上引入取代基可改变荧光的光量子产率和发射 波长 通常邻 对位定位基可使荧光增强 间位定位基使荧光减弱 供电子基 如 o h n h 2 n h r n r 2 o c h 3 以及共轭取代基可以增强荧光 因为这类 取代基的有机荧光分子激发态的产生常常是取代基或杂原子上的n 电子被激发 到矿键上造成取代基的孤对电子参与了有机荧光分子的共轭大兀键 等于扩大 了共轭体系 使最大吸收波长和荧光发射波长比未含取代基的母体化合物的波 长红移 荧光强度明显增加 吸电子基如 c o o h c n c o s h 等使荧光 减弱 因为这类取代基中的n 电子跃迁到矿键上属于禁阻跃迁 激发态分子数 4 a v 叩 口p学 中南大学硕士学位论文 绪论 较小 另外s l 到t l 的体系间跨越占优势 发射光子的激发态分子数大为减少 致使荧光减弱 分子两端分别引入给电子和吸电子基团可使荧光波长发生红移 并伴随强度的增强 常见的吸供电子取代基列入表1 1 表1 1 常见的能激起荧光的供电基和受电基 t a b l el ic o m m o nf l o r e s c e n c e e x c i t i n ge x c i t i n ge l e c t r o nd o n o r sa n dr e c e p t o r b 重原子 b r i 一般使荧光量子效率降低 而磷光的强度往往增强 除卤 素原子外 能产生这种效应的原子和基团还有 s c n n n c o c s n o n 0 2 等 这些原子和基团的引入会使荧光减弱和磷光增强 3 环境因素对荧光光谱和荧光强度的影响 溶剂极性对荧光性质的影响 同一种荧光物质在不同的溶剂中 其荧光光谱的位置和强度都可能会有显 著的差别 许多荧光物质 尤其是在芳环上含有极性取代基的荧光物质 其荧 光光谱易受溶剂的影响 溶剂的影响可以分为一般的溶剂效应和特殊的溶剂效 应 前者指溶剂的折射率和介电常数的影响 后者指的是荧光体和溶剂分子间 的特殊化学作用 如氢键的生成和配合作用 一般的溶剂效应是普遍存在的 而特殊的溶剂效应则决定于溶剂和荧光物质的化学结构 特殊的溶剂效应所引 起荧光光谱的移动值往往大于一般的溶剂效应所引起的 许多共轭芳香族化合 物 激发时发生了 矿跃迁 其荧光光谱受溶剂的影响较大 由于这些分子 受激发时 其电子激发态比基态具有更大的极性 随着溶剂极性的增大 对激 发态比对基态产生更大的稳定作用 结果 荧光光谱随着溶剂的极性增大而向 长波方向移动 从l i p p e r t 方程式来考察 随着溶剂的极性增大 定向极化率的 数值增大 从而使荧光光谱向长波方向移动 1 6 此外 若溶剂使荧光物质电离 状态改变 会使荧光强度 荧光波长改变 含重原子的溶剂 碘乙烷 四溴化 碳 使荧光减弱 一般来说 由于n 矿跃迁和某些分子内电荷转移跃迁中包含了非成键的 孤对电子 氢键溶剂对这种类型的光谱位置影响较为严重 而在舯冗奉跃迁和 某些分子内电荷转移跃迁中 因为伴随着电子的重排而产生较大的偶极矩变化 所以这一类型的光谱极易受到溶剂极性的影响 温度对荧光性质的影响 5 中南大学硕十学位论文绪论 温度对于溶液的荧光强度有着显著的影响 通常 随着温度的降低 荧光 物质溶液的荧光量子产率和荧光强度增大 当溶液中没有淬灭物质存在时 荧 光量子产率与辐射过程和非辐射过程的相对速率有关 其中辐射过程的速率不 随温度变化而变化 因此 荧光量子产率的变化反映了非辐射过程速率的改变 随着溶液温度的降低 介质的粘度增大 从而使荧光分子与溶剂分子的碰撞淬 灭机会减小 荧光强度增强 p h 对荧光的影响 当荧光物质是弱酸或弱碱时 溶液的p h 对荧光强度有较大影响 因为弱 酸或弱碱在不同酸度中 分子和离子的电离平衡会发生改变 而荧光物质的荧 光强度会因其离解状态发生改变 如苯胺和苯酚的质子化和离解对它们的荧光 性能的影响 在p h 7 1 2 时 苯胺发出蓝色的荧光 而在p h 1 3 时无荧光 1 萘酚和4 羟基联苯都没有荧光 而它们的 o h 离解出h 后的阴离子形式有荧光 随着介 质酸度的变化 荧光素的荧光强度也变化 在碱性条件下荧光强度达到最大 此时荧光素以阴离子形式存在 如表1 2 除上述影响荧光的因素外 分子的立 体结构也有影响 像反式的1 2 二苯乙烯具有较强的荧光 顺式则无荧光 所 以在研究合成或选用新的荧光试剂时还要考虑立体结构的影响 表1 2p h 值对荧光素荧光强度的影响 1 7 m t a b l e1 2i n f l u e n c eo f p hv a l u e so nf l u o r e s c e n ti n t e n s i t y 1 3 荧光分子探针识别原理 荧光分子探针 f l u o r e s c e n tm o l e c u l a rp r o b e 荧光分子开关 f l u o r e s c e n t m o l e e u l a rs w i t c h 和荧光分子传感器 f l u o r e s c e n tm o l e c u l a rs e n s o r 是在荧光分子 识另1 f l u o r e s c e n tm o l e c u l a rr e c o g n i t i o n 经常使用的概念 荧光分子探针是其中 内涵最广的一个概念 一般在一定体系内 当某一种物质或体系的某一物理性 质发生变化时该分子的荧光信号能发生相应改变的分子就可称为某一物质或某 一物理性质的荧光分子探针 荧光分子开关是指在识别过程中分子荧光信号有 明显强弱变化的荧光分子探针 荧光分子传感器是指在识别过程中分子荧光信 号能够快速 可逆响应的荧光分子探针 所谓分子识别是指分子之间 主体与客 体或受体与底物 靠非共价键力的选择性结合并产生某种特定功能的过程 单纯 的结合不是识别 识别是有目标的结合 它是通过一系列结构确定的分子间相 6 中南大学硕士学位论文绪论 互作用而组成的模式识别过程 结合形成的超分子体系是由它的稳定性和选择 性 即形成过程中的能量和信息量来表征的 2 0 1 1 3 1 光诱导电子转移p e t 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 t 4 在各种阳离子荧光分子探针中 利用p e t 原理设计的荧光分子探针最为常 见 这类探针设计原理明确 特别是对于碱金属 碱土金属和氢离子通常都可 获得荧光增强的探针 典型的p e t 荧光分子探针是由识别基团r 连接基团s 和荧光基团f 三部分组成 其中荧光团的功能是光吸收和荧光信号的发射并且 它的发射强度与识别基团的结合状态相关 识别基团的功能是结合客体并将结 合信息传递给荧光团 这两部分被连接基团相连成一个分子并且使识别信息有 效地转化为荧光强度变化 p e t 图l 一3p e t 荧光开关一般原理示意图 f i g u r e1 3t h ea b r i d g e dg e n e r a lv i e wo f p r i n c i p l eo f p e tf l u o r e s c e n ts w i t c h e s 在p e t 荧光分子探针中 识别基团与荧光团之问的识别信息与荧光信号之 间的转化是靠光诱导电子转移完成的 p e t 荧光分子探针的具体工作过程如下 具有电子给予能力的识别基团能够将其处于最高能级的电子转入激发态荧光基 团 因电子激发而空出的电子轨道会使被光激发的电子无法直接跃迁回原基态 轨道 导致荧光团的荧光淬灭 然而 当识别基团与客体结合后 降低了识别 基团的给电子能力 p e t 过程被减弱或不再发生 使荧光团的荧光发射增强 因此在未结合客体之前 探针分子不发射荧光 或荧光很弱 一旦受体与客体 相结合 荧光团就会发射出强荧光 见图1 3 p e t 荧光探针的作用机制可由前 线轨道能量来进一步说明 见图1 4 由于与客体结合前后 荧光强度差别很大 呈明显的 关 开 状态 这类探针又被称为荧光分子开关 7 中南火学硕十学位论文 绪论 ll u m o e l l l h u m o r i i d f o p l 坤i l g m l 地c 印哪孵 图1 4p e t 机制的前线轨道理论示意图 f i g u r e1 4f r o n t i e ro r b i t a le n e r g yd i a g r a me l a b o r a t i n gt h em e c h a n i s mo fp e ts w i t c h e s 已报道的p e t 荧光开关分子中 d es i l v a 的研究小组利用多种荧光团 设计 了大量的p e t 荧光分子探针 用于氢离子 碱金属及碱土金属离子等的识舅j l j 2 1 并将荧光开关分子作为分子逻辑门器件 2 2 1 化合物l 例是一个带氮杂冠醚识别 基的p e t 荧光分子探针 在甲醇中和k 络合后 荧光量子产率从0 0 0 3 增加至 0 1 4 该小组还利用萘酰亚胺与葸两个荧光团通过烷基链相连设计了一个比较 复杂的荧光化合物2 2 4 1 在它的烷基链中间的识别基氮原子靠近葸荧光团 它 只与葸发生p e t 作用 另外 两个荧光团间的距离较远 没有明显的相互影响 随着p h 值的升高 葸发射峰的强度急剧降低 用于氢离子识别可作为荧光比 例探针 r 0 1 三三 l 甲 h z c r p n 夕 夕 图1 5p e t 荧光探针 f i g 1 5p e t f l u o r e s c e n tp r o b e s 1 3 2 分子内电荷转移 i n t r a m o l e e u l a rc h a r g et r a n s f e r i c t 文献中也将这一原理称为光诱导电荷转移 2 5 p c tp h o t o i n d u c e dc h a r g e t r a n s f e r 典型的i c t 荧光分子探针是荧光团上分别连接有强的推电子基和吸电 子基 是一个强的推 拉电子体系 推电子基团和吸电子基团与荧光团共轭相连 在光激发下会产生从电子给体向受体的电荷转移 i c t 荧光探针的受体单元往 8 中南大学硕士学位论文绪论 往是推 拉电子体系整体中的一部分 当受体单元与客体结合时 会对荧光团的 推 拉电子作用产生影响 或是减弱了分子内电荷转移 或是强化了电荷转移 从而导致荧光光谱的变化 主要是光谱蓝移或红移 一般情况下 i c t 荧光探 针对荧光强度的影响不像p e t 荧光探针那样显著 化合物3 为典型的i c t 荧光探针1 2 6 氮杂冠醚既是识别基团 同时也是推 拉电子体系的电子给体 当冠醚与碱土金属离子如c a 2 络合时 由于金属离子 的拉电子效应 降低了冠醚氮原子的供电子能力 因此发生荧光蓝移 且荧光 增强 识别基团为电子接受体的i c t 荧光探针如化合物4 2 7 1 在探针分子处于 未结合状态时 二甲胺基和氮杂冠醚部分均为电子给体 当冠醚与碱土金属c a 2 十 结合后 拉电子能力增强 使探针转化成推 拉电子体系 荧光发生红移 化合 物5 2 6 1 的苯并冠醚识别基团与香豆素荧光团是问接相连的 但当钙离子与之结 合时荧光波长显著红移 强度略有淬灭 这种现象出现可以设想是荧光团中的 羧基氧参与了配位 促进了荧光团的电荷转移 多数i c t 荧光探针在结合客体 后 荧光光谱移动在2 0 r i m 左右 荧光强度变化不明显 但化合物6 与钙离子 结合后荧光波长蓝移9 5 n m t 2 8 而化合物7 2 9 的荧光强度发生了显著变化 与 l i 络合荧光增强9 0 倍 与m g 络合增加2 2 5 0 倍 c h 3 3 图1 6i c t 荧光探针 f i g 1 6i c tf l u o r e s c e n tp r o b e s 扭曲的分子内电荷转移 t i c tt w i s t e di 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 实际是 i c t 的特例 在具有推 拉电子共轭体系的荧光分子中 如果推电子基 女n 甲胺 基 通过可旋转的单键与荧光团相连 当荧光团被光子激发时 由于强烈的分子 内光诱导电子转移 连接电子给体与荧光团的单键会发生扭转 使原来与芳环 共平面的电子供给体与芳环平面处于正交状态 原来的共轭系统被破坏 部分 电荷转移变为完全的电子转移 形成t i c t 激发态 原有的i c t 荧光则被淬灭 t i c t 态往往是无荧光或者发射非常弱的长波荧光 少数情况下出现t i c t 与i c t 双重荧光现象 3 0 1 9 n 一 o r q 中南入学硕士学位论文绪论 c 6 h 1 3 c e h 3 n n 审 c n 8 c o o c e h l 3 9 图1 71 i c t 荧光探针 f i g 1 7t i c tf l u o r e s c e n tp r o b e s 化合物8 3 l 是典型的能够发射双荧光的t i c t 荧光分子探针 以该化合物为 母体的衍生物被广泛地用于t i c t 双荧光现象的各种研究中 多年来该化合物 一直倍受关注 3 2 化合物9 也表现为双重荧光 3 3 1 分子中单键的旋转与分子所 在的微环境极性 黏度 温度等因素密切相关 因此这类探针经常被用于微环 境黏度 极性的检测 另外也可用于表面活性剂在溶液中的聚集状态 生物大 分子的折叠情况检测 化合物l o 阱 出现双荧光 短波发射带为局部激发态产生 的 而长波发射带来源于t i c t 态 与阳离子结合后 由于氮杂冠醚与阳离子 的相互作用 长波吸收带强度下降 化合物1 l 3 5 表现出非常特殊的三重荧光现 象 除了局部激发态和t i c t 态产生的双重荧光外 由于全氮杂冠醚的柔软性 能导致形成了激基缔合物 产生了第三重荧光 第三重荧光的产生取决于溶剂 p h 和键合阳离子的微扰作用 1 3 3 其他荧光探针识别原理 当两个相同的荧光团如多环芳烃葸或芘等连接到一个受体分子的合适位置 时 其中一个被激发的荧光团 单体 会和另一个处于基态的荧光团形成分子内激 基缔合物 它的发射光谱不同于单体 表现为一个新的 强而宽 长波 无结构 发射峰 由于形成这种激基缔合物需要激发态分子与基态分子达到 碰撞 距离 3 5 x 1 0 0 m 因此 两个同种荧光团之间的距离成为激基缔合物形成和破坏的关 键 所以可利用各种超分子作用力改变两个荧光团之间的距离 从而利用结合客 体前后单体 激基缔合物的荧光光谱变化识别金属离子 此类为激发单体 激基缔 合物 3 6 m o n o m e r e x c i m e r 例如化合物1 2 3 7 具有双芘荧光发色团 氮杂冠醚空 腔络合金属离子k 或b a 2 后 改变了两侧芘基团之间的距离 使荧光发射增强 同时单体 激基缔合物的荧光强度比发生变化 当能量给体荧光团d 与能量受体a 相隔的距离远大于d a 的碰撞直径时 只要d 与a 的基态和第一激发态两者的能级间能量差相当 或者说d 的发射光谱 i o 广zj 嚣 k 审嚣 中南人学硕士学位论文绪论 与a 的吸收光谱能有效重叠 可以发生从d 到a 的非辐射能量转移 又称为长距 离能量转移 实际上d a 发生能量转移的条件是很苛刻的 两者除了光谱重叠外 还必须以适当的排列方式 距离足够近 a 可以是荧光团 也可以是荧光淬灭团 对于前一种情形 激发d 时 由于能量转移 将观察到a 的荧光发射 而后一种 情 形 则只能观察到d 的荧光被淬灭 此类为荧光 共振能量转移 f r e t 3 s l 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 t c r