二维相关荧光光谱技术

1、第18卷第12期2006年12月化学进展PROGRESSINCHEMISTRYVol.18No.12Dec.,2006二维相关荧光光谱技术余婧武培怡333(复旦大学高分子科学系聚合物分子工程教育部重点实验室上海200433)摘要从发展历史、计算方程、一般规则和特有性质等方面系统地介绍了近年来在二维相关荧光光谱技术方面的方法探索和应用进展。以不同的外扰方式,如浓度、激发波长、猝灭以及其他外扰方式如pH等分类,举例阐述了二维荧光相关光谱的可操作性及其应用,并与普通一维荧光光谱比较,说明了二维荧光相关光谱技术的优势。关键词二维相关荧光光谱技术相关分析外扰中图分类号:O657.3文献标识码:A文章编号

2、:()122Two2JingWuPeiyi33(ofMolecularEngineeringofPolymers,DepartmentofMacromolecularScience,FudanUniversity,Shanghai200433,China)AbstractThetechniqueandprogressintwo2dimensionalfluorescencecorrelationspectroscopyissystematicallyintroducedintheaspectsofhistory,mathematicequations,generalregulationandc

3、haracteristicproperties.Theintroductionissortedintherangeofdifferentperturbations,suchasconcentration,excitationwavelength,fluorescencequenchingandthepH.Thereareseveralexamplesineachcasehelpingtoillustratetheoperabilityandapplicationofthenewtechnique.Additionally,thenewtechniqueisalsocomparedwiththe

4、traditionalone2dimensionalfluorescencespectroscopy,whichindicatestheadvantageofthetwo2dimensionalfluorescencecorrelationspectroscopyclearly.Keywordstwo2dimensionalfluorescencecorrelationspectroscopy;correlationanalysis;perturbationNoda于1986年就二维NMR技术理论提出了31背景介绍1.1历史发展一个概念性的突破,把磁实验中多重射频励磁看作是对体系的一种外部扰动

5、。这种全新的看待二维NMR技术的视角为二维相关技术在其他领域的应二维相关技术起源于30年前,并最先被应用于核磁共振领域。其基本原理是,通过多脉冲技术激发核自旋,采集时间域上原子核自旋弛豫过程的衰减信号,经双傅里叶变换而得到二维相关核磁谱1,2用提供了无限的潜力。1989年,Noda11又在二维相关NMR谱的基础上提出一项新的实验方案,用一个低频率的扰动作用在样品上,通过测定比振动弛豫慢许多,但与分子尺寸运动紧密相关的不同弛豫过程的红外振动光谱,将数学相关分析技术用于红外光谱中,得到二维红外相关光谱图。这些慢的弛豫过程可以用现有的普通红外光谱仪,通过简单的时。二维相关技术的应用将光谱信号扩展到第

6、二维上,提高了光谱分辨率,简化了含多重重叠峰的复杂光谱,并能通过提供各信号峰之间变化的相关关系,鉴别和研究分子内和分子间的相互作用。收稿:2006年2月,收修改稿:2006年4月3国家杰出青年基金(No.20425415)、国家自然科学基金(No.20474013,20573022)、国家基础研究专项经费(No.2005CB623800)和教育部博士点基金(No.2005CB623800)项目资助33通讯联系人e2mail:peiyiwu© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights

7、 reserved. 1692化学进展第18卷间分辨技术加以研究。这就解决了阻碍二维相关技术发展的最重要难题:普通光谱的时间标尺比核磁的时间标尺短得多1993年,Noda等4,因此难以用仪器检测研究。如图1a所示,参数A和C处的交峰为负值,表示一个峰在增长,而另一个峰在减小;参数B和D处的交峰为正值,表示两个峰在同时增大(或减小)。14,15再次对已有理论进行修正,将二维相关光谱技术由狭义扩展到广义,即外扰形式从原来的波形仅限于正弦波形扩展到多种多样,从简单的正弦波、脉冲波到随机的噪音或静态的物理变化都可应用于外扰,如电场学9,105,6、热7,8、磁、化、近红、机械1117甚至声波等变化。此

8、后,二维相关182127技术的应用范围逐渐从核磁扩展到红外22,232426外、拉曼、X射线衍射、凝胶渗透色谱28,293538扰t的Tmin和Tmax区间内,在1和2测量的光强同步的变化,表征两个动态光谱信号之间的协同程度。当发生在波数1和2处的动态变化完全一致时,(1,2)达到最大值;而当两个动态变化正交(即相差为2)时,它的值为零;当两个动态变化彼此反相(即相差为)时,它的值最小。图1是二维相关光谱的等高图。同步光谱是以1=2对角线为对称轴的对称图形。相关峰在对角线和非对角线区域均会出现。在对角线上出现的相关峰和数学上的自相关函数有关,因此被称作自峰(autopeak)。由图1a所示,对

9、角线上的A、B、C、D峰为自峰。自峰总为正值,它的强度代表特定的光学变量在外扰Tmin和Tmax区间内变化的程度。因此在外扰区间内光谱的任一区域内出现显著的变化都会出现强自峰。剩下的近似不变的区域将不会产生自峰。换言之,自峰代表了系统在外扰影响下随光强变化不同区域相关光谱变化的敏感度。位于对角线两侧的同步二维光谱峰称作交叉峰(crosspeak),表示位于不同波数1和2的波峰的同步变化。交叉峰的存在可能意味着两个峰的变化有共同的机理和起源。自峰永远是正值,而交叉峰可能是正值也可能是负值。在所观察的外扰t的变化区间内,如果在不同波数处的两个峰同时增大或减小,则在二维光谱上交峰为正值;反之则为负值

10、。图1二维相关光谱示意图4Fig.1Schematiccontourmap:(a)synchronousand(b)asynchronous2Dcorrelationspectrum41.2.2异步光谱图1b为异步二维相关光谱示意图。异步光谱表示的是在继承的变化,其1和2处光强连续的、光谱强度(1,2)表征两个动态光谱信号彼此间相差的程度。当两个动态信号彼此正交时,它的值达到最大或最小;而当两个动态信号同相或异相时,它的值为零。与同步光谱不同的是,异步光谱在对角线两侧是反对称的。异步光谱没有自峰出现,完全是由对角线两侧的交峰组成。异步的交峰产生是由于两个光谱峰的强度变化存在相对的加速度。这种特

11、性可以帮助我们区分重叠在一起的起源不同的© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 第12期余婧等二维相关荧光光谱技术1693峰。只要光强的连续变化有足够大的差别,即使两峰紧密靠近也可准确加以区分,二维异步光谱在光学参数范围内一定会有交峰出现。异步交峰可以是正值也可以是负值。如果在1发生的光强变化明显地在2之前,则出现正峰(对对角线左上方区域而言);如果在2之后,则出现负峰(对对角线左上方区域而言)。但如果(图1b所示,A和C1,2)<0,则规则相反。处

12、的交峰发生在B和D之后。1.2.3读谱规则曼、红外、近红外研究中也是最普遍的一种外3234扰。而荧光光谱技术还有一些特有的外扰手段,如改变激发光波长应36,3735,38、应用荧光猝灭效等。固定激发波长ex不变,扫描发射波长,则得到荧光发射光谱;反之,固定发射波长f不变,扫描激发波长,则得到荧光激发光谱。以改变激发光波长为二维荧光相关光谱技术的外扰时,固定研究体系的浓度不变,用一系列不同的波长N)ex,m(m=1激发,得到对应的一系列发射光谱If(f,ex,m)。(f1,f2)和35(f2ex,1-1二维相关光谱的解读遵循两个规则。其一,在时,波数1的变化快于波数2;相反,若相应的同步光谱强度

13、(1,2)与异步光谱强度(1,2)正负情况相异,即(1,2)与(1,2)的乘积小于零时,波数2的变化快于1。1.3二维荧光相关光谱Y1( )Y2( )d (2)是If(f1,ex)激发波长微区间的2( )是If(f2,ex)的共轭傅里光光谱的另一种特有技术。溶液中的猝灭剂分子与荧光物质分子之间发生相互作用,会引起荧光物质分子的荧光效率降低,或者荧光物质激发态的寿命缩短,从而导致荧光强度的降低39。荧光猝灭效应可以用Stern2Volmer方程来定量表述:F0=1+KSVCqF本文中所介绍的广义二维荧光相关光谱完全不同于传统的激发2发射矩阵二维荧光光谱。前者体现了体系中不同荧光峰之间的相互作用,

14、而后者只是简单地将激发波长和发射波长作为两个维度,体现了发射强度与激发波长间的依赖关系33,35(3)此处,F、F0分别代表有无猝灭剂存在下的荧光强度,Cq是猝灭剂浓度,KSV被称作Stern2Volmer常数,是猝灭效率的量度,猝灭效率越高,KSV越大。固定体系中发色团浓度不变,改变猝灭剂浓度Cq,m(m=1N),得到一系列溶液,其荧光强度表示为F(i,Cq,m),i涵盖了光谱的整个波长范围。同步和异步二维荧光相关光谱的强度(f1,f2)和(f1,f2)由下式得到36。将广义二维相关光谱技术应用于荧光光谱时,为得到二维图中的相关峰,必须对体系选定合适的外扰,该外扰须是能引起荧光峰强度变化的某

15、一因素。荧光物质稀溶液的荧光强度If(f,ex,C)通常表示如下:(If(f,ex,C)=Iex(ex)ex)C<(ex)35(1)(1,2)+i(1,2)=(Cq,N-Cq,1)-1式中,ex和f分别是激发和发射波长,Iex(ex)是激发光的强度,(ex)是发色团的摩尔消光系数,C是发色团的浓度,<(ex)是荧光量子产率。从式1中可以清楚地看到,荧光发射强度依赖于激发波长ex和发色团浓度C。这一关系就是浓度外扰和激发光波长外扰的理论根据。浓度是最常用的外扰35Y1( )Y2( )d (4)此处,Y1( )是(1,cq,m)猝灭浓度微区间的傅里叶变换,而Y2( )是(2,cq,m)

16、的共轭傅里叶变换。显然,由以上方法得到的二维荧光相关光谱与传统的激发2发射矩阵二维荧光光谱从根本上是完全不同的。,它在其他光谱如拉© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 1694化学进展第18卷2二维相关荧光光谱的应用举例二维相关光谱技术相对于传统一维谱图有两大显著优势:一是将光谱信号扩展到第二维上,大大提高了光谱分辨率;二是能通过给出不同信号峰之间的变化关系揭示各个基团之间的关系和变化顺3,4序。荧光光谱中的峰都较宽,重叠情况严重,并且其归属信息不如红外

17、等其他光谱一样全面清晰。因此,将二维相关技术应用于荧光光谱研究是很有前途,但同时又是比较困难的。迄今为止,虽然有很多人对二维相关荧光光谱技术表现出了浓厚的兴趣,但所能查到的真正运用二次傅里叶变换计算二维相关荧光光谱的文献却寥寥无几。笔者将以不同的外扰形式分类,对近年来的二维相关荧光光谱研究工作做一简单介绍。2.1改变浓度35和PH(35图2AN)andPH()in2sconcentrations:AN=10molL,PH=10molL.Thesamplesareexcitedat262nm35研究手段等原理的Noda,率先就该技术的可操作性等方面进行了探索实验。他们以蒽(AN)、菲(PH)和芘

18、(PY)这3种常用的多环芳烃荧光探针作为研究对象。这3种探针的荧光特征峰归属十分明确,荧光峰结构也很清晰,所以用这3种芳烃作为样本来探索二维相关荧光光谱技术的基本方法是比较合适4042的。图2是纯蒽和纯菲二氧六环溶液的荧光发射光谱,从图中可以看出,这两个物质的荧光峰重叠不太严重,分别各有4个和5个荧光发射特征峰。蒽的特征峰表示为Ai(i=14),菲的特征峰表示为Hi(i=15)。改变蒽和菲混合物二氧六环溶液中蒽和菲的浓度,测得一系列荧光发射光谱(图3)。对此动态光谱作二维相关分析,得到二维相关荧光光谱(图4a,b)。考察同步图(图4a),可以看到,(347,347)(H1)的自相关峰可归属于菲

19、,而其他相关峰则可以此为(347,356)、(347,363)、(347,385)从波标准,长上看可分别归属于H1与H2、H3、H4的相关,在图(347,377),(347,398),(347,中都是正峰。而(347,448)分别是H1与A1、422)和A2、A3、A4的相关,在图中都是负峰。实际上,所有的Hi与Hj之间,Ai与Aj之间的相关峰都是正的,而Hi与Aj之间的相关峰都是负的。这种现象完全符合属于同一物质的所有峰都是同步变化而属于不同物质的峰之间变化趋势不同这一结论。图3AN、PH混合物的荧光光谱:图中AHmn(m,n=19)表示其中AN和PH的浓度分别为m和nmolL;而最上和最下

20、的PH、AN则分别表示样品中只含10molL的PH和AN35Fig.3FluorescencespectraofthemixturesofANandPHwithvaryingconcentrationincyclohexanesolutions.Thesamplewasexcitedat262nm35异步光谱中,不难注意到,归属于蒽的各个荧光特征峰之间,或归属于菲的各个特征峰之间是没有相关峰的。理论上说,因为属于同一探针分子的各个荧光峰强度是同步变化的,异步光谱中应该没有它们之间的相关峰。该体系中,探针分子(蒽、菲)在溶液中的浓度很低,并且溶质与溶剂分子都为非极性分子,所以研究时可排除探针分子

21、间相互作用与© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 第12期余婧等二维相关荧光光谱技术1695得该体系出现异步相关的原因并不是荧光再吸收作用。无独有偶,给体(菲)猝灭而受体(蒽)增强这一非辐射跃迁的特征现象也并未在该体系中出现,因此同样排除非辐射跃迁影响的可能性。然而,考察蒽与菲的荧光激发光谱可以发现,蒽的激发波长与菲的发射波长有部分重叠,这些重叠就是产生菲到蒽辐射跃迁的必要条件。与非辐射跃迁整体光谱信号降低不同,由于菲的某些波长的发射光被蒽吸收,辐射跃迁

22、的光谱特征表现为菲与蒽激发波长重叠部分的发射峰强度降低。因此,蒽到菲的辐射跃迁可能是造成体系荧光光强变化偏离方程1的原因之一。另外,262;同样,菲。当体系内菲浓度升,浓度和内滤的双重作用将使菲荧光强度升高的速率大大快于其浓度升高的速率,从而使荧光强度的变化偏离浓度的线性变化。总之,该体系中,辐射跃迁和内滤作用都是使得异步谱中出现Hi,Aj之间相关峰的原因,虽然至今为止我们还不清楚两者中何者起主要作用,但在进行二维相关荧光光谱研究时,这些作用都是不可忽视的。352.2改变激发波长在上面所提到的报道中,Nakashima等不仅引入浓度外扰,还采用了激发波长外扰。图5a,b分别是纯蒽和芘环己烷溶液

23、的荧光发射光谱和荧光激发光谱。蒽的特征峰表示为Ai(i=14),芘的特征峰表示为Yi(i=05)。从图5a中可以看出,蒽和芘的荧光发射峰严重重叠,只有芘的Y0峰不在重叠的范围之内。这就给这两种物质的荧光分析带来了很大的困难。图5b中,我们也可以很明显地看到,两者的激发光谱也十分类似,很难找到一个较宽的光谱区域,使得在这段区域内,蒽的荧光强度升高(或降低)而芘的荧光强度降低(或升高)。因此,作者在激发光谱上找了7个离散点(17),使得在这7点上,随着波长的增大,蒽的荧光强度升高而芘的荧光强度降低。图6是分别以这7个波长为激发波长测得的蒽与芘11混合物(浓度都是5molL)环己烷溶液的荧光激发谱图

24、。最上面两条线主要是芘的荧光激发,最下面两条线主要是蒽的荧光激发,而中间的3张图则体现了混合物荧光峰严重重叠的现象。将图6中的动态光谱进行二维相关分析,得到了二维荧光相关光谱(图7a,b)。图4蒽、菲混合物环己烷溶液的二维相关荧光(a)同步光谱;(b)异步光谱35Fig.4(a)Synchronousand(b)asynchronous2DfluorescencecorrelationspectroscopyofthemixtureofANandPHincyclohexanesolution,constructedfromthespectraofFig.335溶剂2溶质相互作用的影响。因此该体

25、系中的荧光峰强度变化都简单归因于样品溶液浓度的变化。属于同一探针分子的荧光特征峰的变化是同步的。这也是Hi和Hj之间以及Ai和Aj之间都没有相关峰的原因所在。同时,由于体系中蒽与菲的浓度同步线性变化,从方程1,2中可以得到,其荧光信号强度也是同步变化的,因而,Hi和Aj之间也不应该有异步相关峰。然而令人惊奇的是,异步光谱(图4b)中Hi和Aj之间有非常清楚的相关信号。对此,Nakashima等提出4种导致荧光强度变化偏离线性的可能:(1)荧光的再吸收;(2)从菲到蒽的非辐射跃迁;(3)从菲到蒽的辐射跃迁;(4)内滤作用。由于S0S1跃迁的能级差较大,再吸收作用只会影响短波长的荧光发射峰(如本例

26、中蒽的A1发射和菲的H1发射)。但从图4b中可以看到,出现异步相关的不仅仅包括A1和H1,还有其他的发射特征峰,所以,使© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 1696化学进展第18卷ANPY1135;5ol,i(i=76FluorescencespectraofthemixturesofANandPYexcitedatvariouswavelengthsinacyclohexanesolution35concentrations:AN=5molL,PY=

27、5molL)和PY()环己烷溶液的(a)荧光发射光图5AN(谱,激发波长321nm,(b)荧光激发光谱,蒽的发射波长为398nm,芘的发射波长为382nm35Fig.5(a)Fluorescencespectraand(b)excitationspectraof)andPY()incyclohexanesolutions.concentrations:AN(35AN=10molL,PY=10molL图7a是二维荧光同步光谱。正如图6所示,随着激发波长从1变到7,蒽和芘的荧光强度变化很大,因此,在同步图中可以看到很明显的自相关峰和交叉峰。与一维谱中的波长相对应,365nm可归属为芘的Y0激发峰。

28、考察其他荧光峰:(365,371)>0,所以371nm(Y1)与365nm峰同归属于芘;(371,384)>0,(371,388)>0,所以384nm(Y3)、388nm(Y4)与371nm同归属于芘;而377nm(A1)、399nm(A2)、424nm(A3)、452nm(A4)与371nm的相关图7蒽、芘混合物环己烷溶液的二维相关荧光(a)同步光谱;(b)异步光谱35Fig.7(a)Synchronousand(b)asynchronous2DfluorescencecorrelationspectroscopyofthemixtureofANandPYincyclohe

29、xanesolution,constructedfromthespectraofFig.635峰均为负值,所以这4个特征峰归属于蒽。类似于上面提到的,所有的Yi与Yj之间,Ai与Aj之间的© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 第12期余婧等二维相关荧光光谱技术1697相关峰都是正的,而Yi与Aj之间的相关峰都是负的。考察二维异步谱图7b,由于相关信号只出现在不同荧光物质的特征峰之间,对于有严重重叠现象的复杂体系,结合同步与异步图中的信号,可以得到更确切的

30、各峰归属信息。如图7b,399nm与409nm,438nm和467nm峰有明显的异步相关。结合同步分析中得到的399nm是蒽的特征峰这一信息,409nm等3个峰则应归属于芘。二维相关分析提高光谱分辨率的优势在这个例子中也得到了很好的体现。例如,芘的412nm特征峰在一维谱图上是强峰392nm的肩峰,难以分辨,而在二维图里,412nm峰则可以看得十分清楚。芘的另外几个较弱的特征峰如438nm和467nm也是同样。2.336,37-研究所采用的外加猝灭剂分别为碘离子(I)和丙烯酰胺(AA)。其中,碘离子易猝灭亲水的W7,而丙烯酰胺和W7、W14都能接触。图8a,b分别是加入不同浓度碘离子和丙烯酰胺

31、的HM荧光谱图,虚线描绘的是水的拉曼峰。如图,随着猝灭剂含量的增加,HM的荧光强度不断降低;同时,不难发现,丙烯酰胺的猝灭效率比碘离子高,这是因为丙烯酰胺能够同时猝灭W7和W14,而碘离子只能猝灭W7的原因。,也39生的导致荧光强度下降的物理或化学作用过程。改变体系中猝灭剂浓度或是仅改变发色团和猝灭剂分子周围的环境都能使体系发生猝灭。因此,实际应用中,猝灭外扰大致也有简单应用猝灭剂浓度变化和需要考虑发色团周围化学环境等不同情况。372.3.1猝灭剂浓度简单外扰众所周知,荧光光谱法被广泛地应用于蛋白质43分子的研究。在蛋白质分子中,能发射荧光的氨基酸残基只有色氨酸(Trp)、酪氨酸(Tyr)和苯

32、丙氨酸(Phe)。这3种氨基酸中,Trp的荧光强度最大,且因为它是蛋白质中固有的荧光团,可避免因引入外界干扰对研究产生负面影响,因而最常被用作内源4446探针来研究蛋白质的结构。但是,荧光基团的猝灭程度决定于其对溶剂的暴露影响,而蛋白质中的Trp残基受其在蛋白质分子中位置的制约,很难控制其可接触性,所以其荧光光谱常常显得过于复杂而无法分析。例如马的心脏肌血球素(HM)中包含两种Trp:一种位于第7位,较为亲水,称W7;而另一种位于第14位,被深埋在疏水的蛋白质分子主体中,称W14。理论上,Trp的荧光发射对环境极性很敏感,W14的发射波长应该比W7的发射波长短。但这两个峰重叠太严重,在一维荧光

33、光谱中只能看到一个荧光发射峰。因此,Nakashima等采用外加猝灭剂为外扰,对该体系进行二维相关荧光光谱研究。3747,48图8不同猝灭剂浓度的HM荧光光谱:(a)碘离子猝灭;(b)丙烯酰胺猝灭37Fig.8FluorescencespectraofHMintheabsenceandpresenceofquenchers:(a)quencherI;(b)quencherAATheconcentrationofHMis10mmolLforallsamples.Thesampleswereexcitedat282nm-37图9a,b是由碘离子作为外扰所得动态光谱分析得到的二维相关荧光光谱。同步谱

34、中,猝灭剂浓度增加,两种Trp的荧光强度都降低,因而只出现(335,335)一个自相关峰。在这个例子中,同步分析对于提高光谱分辨率并没有多大帮助;而异步图(图9b)中,则存在(322,348)的正相关峰。结合前面的分析,W14的发射波长较W7短,因此,W14的发射峰应位于322nm,而W7的发射峰在345nm。由于(322,348)>0,根据Noda的二维相关理论,348nm峰的变化快于322nm峰,即碘离子对W7的猝灭作© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights rese

35、rved. 1698化学进展第18卷图9碘离子猝灭作用后的HM二维荧光相关:(a)同步光谱;(b)异步光谱Fig.9(a)37图10丙烯酰胺猝灭作用后的HM二维荧光相关:(a)同步光谱;(b)异步光谱37Fig.10(a)Synchronous37Synchronous37and(b)asynchronous2Dand(b)asynchronous2DfluorescencecorrelationspectraofHMinaqueoussolutions,constructedfromFig.8afluorescencecorrelationspectraofHMinaqueoussoluti

36、ons,constructedfromFig.8b用较对W14更易于发生,这与预期也是相吻合的。图10a,b是丙烯酰胺作为外加猝灭外扰相对应的二维相关光谱。同步谱与图9a类似,而异步图中则看不到任何相关峰的存在。这是因为丙烯酰胺能同时猝灭W7和W14,且对两者的猝灭速率没有很大差别。另外值得一提的是,水的拉曼峰强度不受猝灭剂影响,因而二维相关光谱中没有该峰的相关信息,从而排除了水相体系中难以避免的水的拉曼峰影响。这也是二维相关荧光光谱的重大优势之一。362.3.2猝灭剂与其他因素相互作用的复杂情况上文中已经提到,荧光基团的猝灭程度决定于其对溶剂的暴露程度,也就是与猝灭剂相互接触的程度。如果某种

37、化学环境使得猝灭剂分子无法接近发色团,则猝灭效率会降低。例如,当荧光物质被包裹于表面活性剂在水中形成的微球中时,亲水性猝灭剂的猝灭效率将会大大降低;反之,憎水性猝灭剂将会与荧光物质一同包裹于微球中,与荧光物质的碰撞几率大大增高,因而其猝灭效率也会显著增强。对用碘离子猝灭包裹在CTAC微球中PY2PYS混合物这一水相体系的研究表明,物质分子与猝灭剂的相互作用对猝灭过程有非常大的影响(本节所提到的各个化合物分子式及其全名和简称见图11)。由于重原子效应的影响,碘离子对于PY和。但PYS离子带有4个负电荷,与猝灭剂碘离子所带电荷相同,由于静电相互排斥作用,PYS离子与碘离子相碰触的几率远小于PS分子

38、与碘离子的碰撞几率。因而碘离子对PYS的猝灭效率可能比对PY的猝灭效率低很多。固定体PYS都有猝灭作用41,49系中其他因素不变,仅改变碘离子浓度,得到一系列的动态光谱(图12),该谱图有非常严重的重叠现© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 第12期余婧等二维相关荧光光谱技术1699灭效果不明显,PYS的荧光发射强度变化不大的原因,这也进一步证实了上面的猜想。异步图(图13b)中出现了7个荧光特征峰,这些峰在高度重叠的一维谱图中根本无法辨认,这又一次体现

39、了二维相关光谱在提高光谱分辨率上的巨大优势。将这些峰编号为Yi(i=15)和Si(i=12)。考察这些相关峰,以Y1,S1为例,有(Y1,S1)>0,(Y1,S1)>0;对其他峰,也存在(Yi,Sj)>0,(Yi,Sj)>0,(i=15,j=12)。根据Noda的二维相关分析理论,PY对碘离子猝灭剂比PYS敏感。图11各荧光物质、Fig.11Structural,36象,。下面是对该图作二维相关分析(图13a,b)。对照PY和PYS的荧光发射光谱,PY367nm(Y0)和374nm(Y1)的荧光特征峰不在重叠的范围之内,可用作下一步分析的参考标准。与文献中的归属信36息

40、对照,还可发现385nm(Y3),395nm(Y5)都是PY的特征峰。在同步谱(图13a)中,完全没有任何有关PYS的相关信息。这可能是由于碘离子对其猝图13碘离子猝灭外扰CTAC微球体系中PY、PYS混合物的二维相关荧光光谱:(a)同步光谱;(b)异步光谱36Fig.13(a)Synchronousand(b)asynchronous362DfluorescencecorrelationspectraofthemixturesofPYandPYSinCTACmicellarsolutions,constructedfromFig.12图12不同碘离子浓度时CTAC微球体系中PY、PYS混合物

41、的荧光发射光谱36Fig.12FluorescencespectraofthemixturesofPYandPYSwithvaryingconcentrationofNaIinCTACmicellarsolutions.除了荧光物质与猝灭剂之间的相互作用会影响猝灭外扰外,荧光物质与介质等(如表面活性剂)的相互作用也会影响猝灭剂的猝灭效率,从而形成外扰。例如PY包裹在SDS微球中时,位于微球内较靠外壁的地方,与水相中猝灭剂CPC的距离很近,可以产生猝灭效应。而AP在水中电离后成为负离子,与表面活性剂SDS微球的带负电表面相concentrations:c(PY)=10molL,c(PYS)=10

42、molL,c36(CTAC)=0105molLThesamplesareexcitedat34315nm© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 1700化学进展350nm左右53第18卷斥,位于微球内核,因而难以与猝灭剂碰触。在二维相关光谱中,AP的自相关峰就较弱,而异步图中的相关峰也说明AP对猝灭剂的敏感性低于PY。此处不再作详细说明。382.4其他外扰除了以上提到的最常用外扰:浓度,以及荧光分析的特有外扰即激发波长和猝灭效应外,另外一些适用于其他光谱如

43、拉曼、红外、近红外等的外扰也可用于荧光光谱。pH外扰即是其中较为常见的一种。;当用多重红外光量子(710880nm)54激发时,其发射波长是500nm左右。图14a,b是以pH为外扰的血清素发射2发射二维荧光相关光谱。同步图(图14a)中,有很强的(336,336)自相关峰。异步图(图14b)提供了更多的光谱信息,其中存在异步相关峰(336,350),说明作为pH的函数,这两个峰变化并不同相。图15pH外扰血清素二维相关激发2激发荧光光谱:(a)同步光谱,(b)异步光谱38图14pH外扰血清素二维相关发射2发射荧光光谱:(a)同步光谱,(b)异步光谱38Fig.14(a)Synchronous

44、and(b)asynchronousemission2emission2DfluorescencecorrelationspectraoftheserotoninwithpHasperturbation.EmissionspectrausedincalculationarefrompH=810topH=12.5Fig.15(a)Synchronousand(b)asynchronousexcitaion2excitation2DfluorescencecorrelationspectraoftheserotoninwithpHasperturbation.Emissionspectraused

45、incalculationarefrompH=8.0topH=12.53838含于血液中的复合胺血清素是一种与感觉和行为能力如饥饿、疼痛、紧张、学习和睡觉等相关的神50经递质,其化学成分是一种复合胺。血清素的紊乱与忧郁症、精神分裂和强迫症等精神疾病有很大51的关系。因此,对血清素的研究成为生理科学的52重要问题之一。血清素中主要的官能团是吲哚环,因此,其光物理性质比较复杂。在pH值210的范围内,水溶液中血清素的荧光发射都在紫外区域,最大的发射波长是336nm。当pH<115时,一般情况下血清素的53荧光发射波长在550nm;当用氩离子激光激发时,它的荧光峰为一315400nm的宽峰,峰

46、顶位置在类似地,图15a,b是同一研究体系的激发2激发二维荧光相关光谱。光谱区域250280nm和280340nm对应的荧光激发分别适用于血清素的不同离子化作用。作为pH的函数,这两种离子化作用的变化速率并不相同。相应地,在异步光谱中有这两个区域之间的相关信号。从图14b和15b中都可以观察到,离子化和非离子化的荧光光谱信号变化并不一致。这可以用两种不同的电离模型来解释。一步电离模型:+-(5)HAH+A-若HA和A都有荧光特性并有不同的荧光发射谱,在pH作为外扰时,两者应该同步线性变化,因而在异步图中不会出现两者之间的相关信号。© 1994-2010 China Academic

47、Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 第12期余婧等二维相关荧光光谱技术81701两步电离模型:+-H2AH+HA-CzarneckiMA,MaedaH,OzakiY,etal.Appl.Spectrosc.,1998,52:9941000NakanoT,ShimadaS,SaitohR,etal.Appl.Spectrosc.,1993,47:13371342WangY,MurayamaK,OzakiY,etal.J.Phys.Chem.B,1998,34:66556662NodaI.J.Am.Chem.Soc.,

48、1989,111:81168118NodaI.Appl.Spectrosc.,1990,44:550561NodaI.Chemtracts2Macromol.Chem.,1990,1:89105NodaI,DowreyAE,MarcottC.Appl.Spectrosc.,1993,47:13171323NodaI.Appl.Spectrosc.,1993,47:13291336MarcottC,DoweryAE,NodaI.Anal.Chem.,1994,66:A1065A1075NodaI,oweryAE,MarcottC.olymerSpectrocopy.Weinheim:iley23

49、2J,PY,DingYF,2002,35:WuPY.J.Phys.Chem.B,2003,107:42244226WuPY,SieslerHW.Chem.Phys.Lett.,2003,374:7478PengY,WuPY,SieslerHW.Biomacromolecules,2003,10411044WuPY,YangYL,SieslerHW.Polymer,2001,42:1018110186WuPY,SieslerHW.Chem.Mater.,2003,15:27522756NodaI,MarcottC.J.Phys.Chem.A,2002,106:337133762H+A2-+2-(

50、6)这种情况下,若H2A、HA和A中的两种有荧光特性并有不同的荧光发射谱,则在pH作为外扰时,有荧光活性的两者变化不可能同步线性,因而在异步图中有此两者之间的相关信号。对照二维相关荧光光谱中得到的信息与模型推理的结论,不难发现,血清素的电离过程与两步电离模型类似。因此,在离子化与非离子化物质之外,体系中必定还存在第三种电离状态。实质上,这第三种电离状态即高pH值时,用341nm激光激发所得的380nm附近很弱的荧光发射。总的来说,二维相关荧光光谱在测试动态光谱变化方面较普通一维光谱灵敏,它不仅能够识别光谱信号的同步变化,种电离状态要的作用。910111213141516172021222324

51、253结语二维荧光相关光谱在二维相关光谱系列中还是一项比较新的技术,迄今为止的报道大多以探索研究方法本身为主,极少有将其真正用于解决实际问题的。这主要是因为与发展相对成熟的红外、近红外等振动光谱相比,荧光光谱本身就是一种比较新的研究方法,其影响因素多,对环境极为敏感,而且很多归属并不十分明确。这是将二维荧光相关光谱推广应用的障碍,但同时也使得该技术的发展应用有巨大的潜力和广阔的前景。参考文献12BaxA.TwoDimensionalNuclearMagneticResonanceinLiquids.Boston:Reidel,1982EmstRR,BodenhausenG,WakaunA.Pr

52、inciplesofNuclearMagneticResonanceinOneandTwoDimensions.Oxford:OxfordUniversityPress,198734567NodaI.HandbookofVibrationalSpectrosc.,2002,3:21232134NodaI,DowreyAE,MarcottC,etal.Appl.Spectrosc.,2000,54:236A248AAtakaK,OsawaM.Langmuir,1998,14:951959GregoriouVG,ChaoJL,ToriumiH,etal.Chem.Phys.Lett.,1991,1

53、79:491496OzakiY,LiuYL,NodaI.Appl.Spectrosc.,1997,51:526533徐金泽(XuJZ),赵雨(ZhaoY),赵冰(ZhaoB)等.高等学校化学学报(Chem.J.ChineseUniv.),2002,23:11101112262728293031323334353637ShenY,ChenFE,WuPY,etal.J.Chem.Phys.,2003,119:1141511419ChoiHC,JungYM,NodaI,etal.J.Phys.Chem.B,2003,107:58065811IzawaK,OgasawaraT,MasudaH,etal.J.Phys.Chem.B,2002,106:28672874IzawaK,Ogasawa