荧光机理.doc

1光致电子转移(PET)光致电子转移是指电子给体或电子受体受光激发后，激发态的电子给体与电子受体之间发生电子转移从而导致荧光的淬灭过程。具体PET过程如下:在光激发下，具有电子给予能力的键合基团能够将其处于最高能级的电子转入激发态下荧光基团空出的电子轨道，使被光激发的电子无法直接跃迁到原基态轨道发射荧光，从而导致荧光的淬灭;当键合基团与底物结合后，降低了键合基团的给电子能力，抑制了PET过程，荧光基团中被光激发的电子可以直接跃迁回到原基态轨道，从而增强了的荧光基团的荧光发射。因此在未结合底物前，传感器分子表现为荧光淬灭，一旦键合基团与底物相结合，荧光基团就会发射荧光(见图)由于与客底物结合前后的荧光强度差别很大，呈现明显的“关”、“开”状态，因此这类荧光化学传感器又被称为荧光分子开关。PET荧光分子传感器的作用机制可由前线轨道理论来进一步说明(见图1.5)。2002年 Nolan 小组合成了手性的二氮杂环-9-冠-3 衍生物化合物 1，它是第一个用来检测 Li+的 PET 荧光探针56。在乙腈溶液中，相较于其它碱金属和碱土金属，能够高选择性的识别锂离子。用 280 nm 光激发，不断向溶液中加入 LiClO4，化合物 1（ = 0.022）对Li+的滴定表现出 5 倍荧光信号增强效应，表明从胺的冠醚到荧光团的电子转移，荧光量子效率升高（ = 0.11），形成 1 : 1 的配合物，结合常数 log = 5.4。 Gunnlaugsson, Bichell, Nolan, A Novel Fluorescent Photoinduced Electron Transfer (PET) Sensor for Lithium J. Tetrahedron Lett., 2002, 43, 4989-4992. Bozdemir, Altan Sozmen, Fazli Buyukcakir, et al. Reaction-Based Sensing of Fluoride Ions Using Built-in Triggers for Intramolecular Charge Transfer and PhotoinducedElectron TransferJ. Organic Letters, 2010, 12(7) : 1400-1403.2010年Akkaya等18通过在BODIPY的中位引入一个含三异丙基硅烷的酚盐基团,已知酚盐是强的给电子基团,当被硅烧保护后,酚盐的强给电子能力被抑制,即PET现象被抑制,所以探针2在与F离子作用之前发出很强的荧光,当探针与F-离子作用之后,硅浣保护基团被去除,酚盐的强给电子能力恢复,发生PET现象,荧光被淬灭。在F-离子的浓度达到0.5mM时,探针的荧光被完全淬灭。2分子内电荷转移(ICT)ICT荧光化学传感器由推电子基团、吸电子基团通过p电子体系连接而成，在基态时表现为极化结构，一端为缺电子部分，另一端为富电子部分;而在光激发下，偶极矩增大，强化了这种极化特征，容易发生ICT过程(如图)。ICT荧光化学传感器的工作原理有两种(见图l.7a):当底物是缺电子基团(阳离子)时，一种是底物与吸电子基团结合，将增大分子内电荷转移程度，导致荧光光谱红移;一种是底物与推电子基团结合，则使原来向共扼体系转移的孤对电子用于与阳离子形成配位键，导致ICT推一拉电子的特征下降，导致荧光光谱蓝移。当底物是富电子基团(阴离子)时，情况相反。一般情况下，ICT荧光化学传感器对荧光强度的影响不如PET荧光化学传感器显著。典型例子是同时含有吸电子取代基、推电子取代基的电子体系，如氨基邻苯二甲酞亚胺、二苯基烯、氟代香豆素等。ICT荧光化学传感器的缺点是对外部环境的变化十分敏感，有较强的溶剂化效应。 2011年陈修福设计了以蔡酞亚胺为荧光母体，基于ICT机理的铜离子比率荧光探针1,探针1是一个高选择、比率型铜离子荧光探针。在各种金属离子中,它能专一性选择识别Cu2+,在与Cu2+识别过程中,与Cu2+结合后的两个萘环共扼氨基对荧光团的供电能力下降,从而引起了荧光波长50lum的蓝移,能明显观察到荧光从黄绿色变为蓝色。同时,还在乳腺癌细胞MCF7中做了铜离子检测实验,证明了探针1能够透过细胞膜进入细胞体内,并且在细胞内对Cu2+能同样产生荧光蓝移的光谱响应。1陈修福. 基于ICT机理铜离子比率荧光探针D.大连理工大学,2011. 2012年Liu等人选用萘醜亚胺为荧光母体报道了一例能同时检测Hg2+和CH3Hg+的突光探针324,如图1.7。探针的4位上的氨基由于酰化作用,其供电子能力很弱,因而探针本身的发射波长较短,呈现出蓝色焚光。与Hg2+或CHsHg反应后,醜基脱除生成氨基,其供电子能力显著增大。所以探针反应后化合物的波长有红移现象,发射出绿色焚光。该探针能够实现对萊的比率及比色双模式的检测,并成功实现了在活细胞内对的检测。24Jiang J.,Liu W.,Cheng J.,Yang L. Z.,Bai D. C. , Liu W. S. A Sensitive be Colorimetricand Ratiometric Fluorescent Probe for Mercury Species in Aqueous Solution and LivingCells J. Chemical Communications, 2012, 2448:8371-8373.3荧光共振能量转移(FRET) FRET荧光传感器分子的组成与其他类型传感器有所不同，除了含有键合基团(Reccptor)、连接基团(Spacer)，还含有两个负责光吸收井产生荧光发射信号荧光基团(FluoroPhore)，而这两个荧光基团一个是能量给体(Energy donor，D)，另一个是能量受体(Energy acceptor，A)。 荧光共振能量转移是指在一定波长的光激发下，荧光基团中的能量给体(D) 产生荧光发射，并通过偶极一偶极之间的相互作用把能量无辐射地转移给其附近的处于基态的能量受体(A)荧光基团的过程。FRET过程的发生与很多因素如光谱重叠的程度、跃迁偶极的相对方向，给体(D)和受体(A)之间的距离等有关。首先，能量给体(D)的发射光谱与能量受体(A)的吸收光谱有明显的重叠，能量受体必须能够在能量给体的发射波长处吸收能量，但能量受体可以是荧光发射基团，也可以是荧光淬灭基团。对于前一种情形，激发能量给体时，可以观察到能量受体的荧光发射;而后一种情形，只能观察到能量给体的荧光变化。其次，能量给体与能量受体相隔的距离必须远大于它们之间的碰撞直径(有时甚至相距远达70-100)时，才可能发生能量给体与能量受体的非辐射能量转移，又称为长距离能量转移。另外，能量给体(D)与能量受体(A)还必须以适当的方式排列。利用FRET效率对距离的强的依赖性，FRET广泛应用于蛋白质和核酸的结构及动力学研究、分子结合的测定等领域。例如，当荧光分子传感器的两个荧光基团都是荧光发射基团时，具体FRET工作过程如下(见图1.8):在光激发下，荧光基团中的能量给体(D)产生荧光发射;传感器分子通过键合基团键合底物来调节能量给体(D)和能量受体(A)之间的距离以及排列方向。如果底物的加入使这些因素均在适当范围，能量给体(D)可将能量通过非辐射转移给能量受体(A)，表现为能量受体(A)的荧光发射;如果底物的加入使这些因素与FRET因素不能匹配，则会抑制FRET过程，则表现为能量给体(D)的荧光发射(图)。2009 年，Zhao等28报道了一类芘和罗丹明B结合的基于FRET 机理的Cu2 + 分子探针6， 在CH3CN-HEPES （4-羟乙基哌嗪乙磺酸） 缓冲溶液中（0.02 mol L， pH=7.4， vv=46）， 探针的浓度为20 mol L 时， 加入Cu2+之后， 550 nm 处的荧光强度强度逐渐减弱， 575 nm 处的荧光强度逐渐增强。Zhao Y， Wang F， Kim Y M， et al. Cu2 +-selective ratiometric and “off-on” sensor based on the rhodamine derivative bearing pyrene groupJ. Org Lett， 2009， 11： 4 442-4 445.Atilgan S, Ozdemir T, Akkaya E U, Selective Hg(II) Sensing with Improved Stokes Shift by Coupling the Internal Charge Transfer Process to Excitation Energy TransferJ.Organic Letters, 2010, 12i 4792-4795. 2010年Akkaya等报道了一例基于FRET机理的Hg2+探针39361,如图1.25所示。该探针具有大的斯托克斯位移和近红外的荧光发射。在没有金属离子存在时,探针39在可见区有两个特征发射峰,一个在500 nm的是短波长吸收的能量供体BODIPY的吸收峰,一个在690 nm的是能量受体联苯乙烯BODIPY的吸收峰,在加入10 M的不同金属离子时,除了 Hg2+以外,其他金属离子对探针的紫外吸收几乎没有影响。自由的探针在518nm和725 nm有两个特征荧光发射峰,加入Hg2+后,两个荧光发射峰强度都大大增大且都发生蓝移,假斯托克斯位移大约为300-250 nm,实现了多比率检测。4激基缔/复合物(exeimer/exciplex)基于激基缔/复合物(excimer/exciplex)的荧光化学传感器分子的特点是在一个分子中含有两个荧光基团，如多环芳烃萘、蒽和芘等，并且两个基团处于分子的合适位置。当两个荧光基团相同时，其中一个荧光基团(单体)被激发后，会和另一个处于基态的荧光基团形成分子内激基缔合物(excimer)。激基缔合物的荧光发射光谱取代了单体的发射峰，呈现出一个新的强而宽的、长波长的、无精细结构的荧光发射峰。当两个荧光基团不同时，则称之为激基复合物(exciplex)。激基缔/复合物形成与否的关键是两个荧光基团之间的距离，只有激发态分子与基态分子之间的距离约为3.5时，