化学前沿讲座作业

有机荧光染料的发展及应用 摘要：荧光现象自被发现后就引起科研人员的深入研究，而随着科研人员的研究，发现或合成了大量的功能性的荧光物质，这些荧光物质可改造为荧光染料。有机荧光染料，广泛应用于蛋白质、核酸、脂质、碳水化合物、毒素、激素和其它生物分子的荧光标记，对于生物医学的发展具有重要的意义，并在其他领域的应用也十分活越。关键字：荧光，染料 Abstract: The fluorescence phenomenon was discovered and result in depth study , researchers discovered and synthesized a large number of functional fluorescent substances, these fluorescent substances can be used as fluorescent dyes. The organic fluorescent dyes are widely used as fluorescent marker in proteins, nucleic acids, lipids, carbohydrates, toxins, hormones, and other biological molecules research, Its very important for biomedical development and applications in other fields are also very active.Keywords:fluorescence ;dye1.前言 近10几年来,有机荧光染料在工业、民用的各个领域都得到应用。在日常生产中，荧光染料作为增白剂添加到洗衣粉中，荧光路标漆和荧光标志服作为普遍的交通设备使用。由于其独特的光学特性，荧光染料也被用于军事追踪和测绘勘探研究中。由于荧光染料具有高效、灵敏、使用便捷的优点，在医学研究领域已经被作为指示剂应用于免疫分析各种功能性抗原和肿瘤基因以及作为荧光探针识别生物相关物质的生物学研究中。此外，荧光染料作为荧光技术的核心部分，对单分子荧光检测技术的发展和逐步完善起到了关键性的作用。荧光染料在吸收可见光或紫外线后，可以发射出较长波长的可见光，科学家对荧光染料的研究产生了极大的兴趣。2.荧光的基本概念荧光的产生荧光，又作“萤光”，是指一种光致发光的冷发光现象。当某种常温物质经某种波长的入射光（通常是紫外线或X射线）照射，吸收光能后进入激发态，并且立即退激发并发出比入射光的的波长长的出射光（通常波长在可见光波段）；而且一旦停止入射光，发光现象也随之立即消失。具有这种性质的出射光就被称之为荧光。荧光的发射与强度主要与染料的分子结构有关。荧光物质分子一般都含有发射荧光的基团(称为荧光团) , 如C=O、-CH=CH- 、-CH=N-等基团,以及能使吸收波长改变并伴随荧光增强的助色团, 如NH2 、NHR、OR、NHCOR等基团。从染料结构上分有荧烷衍生物类(包括罗丹明类) 、1 ,8 - 萘酰亚胺类、香豆素类、三芳甲烷类、偶氮类、蒽醌类、二苯乙烯类、萘二甲酸衍生物、苯并蒽酮衍生物等。但从近几年的研究看,有机荧光染料的合成与应用主要是荧烷衍生物类、1 ,8 -萘酰亚胺类和香豆素类3大结构。光照射到某些原子时，光的能量使原子核周围的一些电子由原来的轨道跃迁到了能量更高的轨道，即从基态跃迁到第一激发单线态或第二激发单线态等。第一激发单线态或第二激发单线态等是不稳定的，所以会恢复基态，当电子由第一激发单线态恢复到基态时，能量会以光的形式释放，所以产生荧光。Jablonski图表Stokes位移从上图表可以看出，由于系间窜越、振动弛豫等内转化过程的存在，发射光子的能量通常小于被吸收光子的能量。所以荧光分子的最大吸收波长小于最大发射波长，这种波长的差异称之为Stokes位移。正是由于Stokes位移的存在，荧光检测有效的避免了激发光对荧光测定的影响，这也正是荧光检测具有高灵敏度的主要原因之一。荧光寿命和量子产率荧光寿命和量子产率是评估一个荧光化合物性能的重要参数。量子产率是发射光子数相对于所吸收的光子数的比值，荧光寿命是指处于单重激发态的分子回到基态的平均时间，也是荧光分子具备的重要特征。一般来说，有机化合物的荧光寿命都接近于10 ns。对荧光量子产率和荧光寿命的定义可以由一个简化的Jablonski图表清晰的表示。处于单重激发态的分子除了发射荧光之外，还可以通过其它途径回到基态，这一过程称之为非辐射衰变。在分子由激发态返回基态过程中，分子产生荧光的简化的 Jablonski图表速率常数用表示，非辐射衰变速率用knr表示，因此给出了量子产率的公式为：Q=/(+knr)；荧光寿命的公式为：=1/(+knr)。对于同一类荧光染料，荧光量子效率越大，其荧光寿命越长。如果非辐射衰变率极小于辐射衰变率，即knr 7时，荧光素的寿命基本保持不变，约为4.65 ns。有其它物质添加到荧光素溶液中时，只会轻微地减小荧光寿命。3.4方酸菁类荧光染料及其应用方酸菁染料是由方酸或其酯与富电子基团发生缩合反应丽得l，3一二取代衍生物，取代衍生物通常是毗咯、吲哚、苯胺等基团。方酸菁上存在的方酸环残基使其最大吸收波长和发射波长向长波方向移动，并可以增加其富电子性，稳定方酸菁结构。对称性方酸菁的代表性结构如下方酸菁探针分子的对称性对光谱性质有较大的影响，随分子不对称性的增加，吸收峰半宽度变宽。在不同的试剂中，方酸菁染料的发射光谱的位移并不明显，但不对称方酸菁染料则可显示出一定的对负向溶致变色性能，同时溶剂对方酸菁染料的荧光量子产率影响较为明显。方酸菁染料对牛血清蛋白(BSA)有很高的亲和性。Ozinska报道了一种方酸菁衍生物和BSA结合后，荧光寿命为自由状态的31倍、荧光强度为28倍，量子产率也有较大的提高。在上图结构中，当x=Y=C(CH3)2，R2=R4=H，R l=R;C2H5时，此荧光探针量子产率在异丙酸中为0.09，与BSA结合后，其值变为0.70，提高了九倍多。许多荧光探针与蛋白质结合后，当染料蛋白质超过一定比率时，量子产率会降低，这是因为浓度高导致荧光猝灭的缘故，其机制有待进一步探讨。3.5酞菁类荧光染料及其应用1907年，Braun等人在乙醇中加热o-2-cyanobenzamde，得到了一定数量的蓝色沉淀，后来证实这就是酞菁。在三十年代早期，Linstead及其合作者合成了许多酞菁。随后，研究工作者应用X-ray确定了酞瞢的结构。酞菁环组成二维的共轭兀-电子体系，在此体系中，18个兀-电子分别于内环C-N位。在红光区，酞菁具有强烈的吸收；其固态颜色依据中心原子，晶型，颗粒大小不同，可在深蓝色到金属铜和绿色之间变化。由于酞菁是Vander Waals构成的分子，存在各种各样的堆积方式；Iwatsu认为酞菁分子堆积是柱状平面结构，在一个酞菁柱内，其作用力主要来自第一临近位。由于酞菁化合物的热稳定性(在空气中加热至400-500不发生明显分解)，加上酞菁化合物种类的多样性和其表现出的优异性能，使得酞菁的基础和应用研究得以广泛的进行。目前常用的酞菁类荧光染料试剂的基本结构如下：3.6罗丹明类荧光染料及其应用罗丹明衍生物和荧光素属于同一类的化合物，常见的罗丹明衍生物由罗丹明6G、罗丹明B、异硫氰酸罗丹明、罗丹明G、高氯酸罗丹明6G、罗丹明101等。罗丹明类化合物是以氧杂蒽为母体的碱性染料，与其它常用的荧光染料相比，罗丹明类荧光染料具有光稳定性好、对pH不敏感、较宽的波长范围和较高的荧光量子产率等优点，因此被广泛应用在药理学、生理学、分子生物学、细胞生物学、环境化学、单个分子检测、信息科学、荧光标记、激光染料等方面，是分析化学和生物医药科学等生物技术领域中最常用的荧光染料之一。罗丹明类荧光染料也是目前常用作荧光标记的化合物，其基本的结构如下： 罗丹明6G的荧光寿命在纳秒级。其实验在甲醇溶液中进行，这是因为甲醇对激光的发射波长是透明的，而且对荧光发射也是透明的，另外，甲醇对罗丹明6G具有很好的溶解性，可以得到清彻透明的溶液。校正自吸作用后，罗丹明6G的荧光寿命随着浓度增加而减小，在2x10-4mol/L时，为3.7ns。当罗丹明6G浓度大于10-2mol/L时，荧光寿命迅速降低，主要因为能量转移到双分子罗丹明6G熄灭中心了。熄灭中心的寿命约为1.0土0.5 ps。如果果流动状态下，罗丹明6G荧光寿命为4.2土0.2 ns。 近年报道的新型罗丹明类荧光染料，主要是通过增加分子共平面性、结构刚性以及分子二电子共扼体系来提高荧光效率并使荧光红移。在芳环上引入取代基以改变荧光的光量子产率和发射波长，这些结构上的修饰弥补了罗丹明的某些功能缺陷，使其具有了更高灵敏度、更高选择性和可靠性，更加有利于分析检测。随着合成及应用技术的不断进步，研制高荧光量子产率、结构高度刚化、高稳定性和超高灵敏度的复杂杂环罗丹明类荧光染料仍然是该领域的重要研究方向。开发多发色团的罗丹明荧光染料，通过不同性质的官能团接人，从中发现规律性，根掘这些规律设计合成并筛选出性能优异的罗丹明衍生物将是今后罗丹明研究工作的重点之一。4.结束语有机荧光染料作为重要精细化学品之一,以其独特的性能在越来越多的领域内起着重要的作用,已越来越引起众多研究者的关注。随着合成及应用技术的不断改进,人们对有机荧光化合物的认识和研究将不断深入,其应用范围也将不断扩大,有机荧光染料的发展前景将越来越广阔。虽然目前现有的荧光染料有其突出的优点，但同时也存在不足，如染料种类不多，合成困难，染料的光、热、化学性质不太稳定等。此外近红外探针分子共轭体系大，分子易扭曲变形，引起分子共平面性的改变，对荧光性质有不利影响。将现有某些荧光试剂的荧光量子产率提高与近红外荧光染料的长波长发射(即低背景干扰)相结合是新设计的近红外染料荧光探针合成的主要方向。另外要求新合成的荧光染料的发射波长与激光光源相匹配，以获得最大荧光强度。5. 参考文献1 Stokes G G. On the Composition and Resolution of Streams of Polarized Light from Different Sources. Trans. Cambridge Philos. Soc., 1852, 9: 399-4162 樊美公.光化学基本原理与光子学材料科学.第一版.北京:科学出版社,2001, 321-3293李学强,龚波林.光学笋与老学分析 2000,20,4204Qi X.,Jun E.J.;Xu L.,Kim S.J.,Hong J.S., Yoon .YJ.;J.Org.Chem2006,71,28815Zeng L，Miller E.W.,Pralle. A.,Isaeoff .E.Y.,and Chang C.J.,J.Am.Chem.Soc2006,128,106 Lymperopoulos K; Kiel A; Seefeld A; et al. Fluorescent Probes and Delivery Methods for Single-Molecule Experiments. ChemP