2荧光探针设计原理

荧光化学传感器是建立在光谱化学和化学波导与量测技术基础图2．信号报告基团(发色团,F)，把识别基团与()(3基团(S)，将信号报告基团和识别结合基团连接起来，根据设计的不同连接基团可有多种选择，一般用做连接基团的是亚甲基等短链烷1.1荧光探针的结构荧光探针的一般设计原理[21]+SpaceSignallingsubunitSpace

Bindingsubunit

Analyte Outputsignal1.2共价连接型荧光探针结合型荧光探针是利用化学共价键将识别基团和荧光基团连接(a)受体分子的荧光基团设计、合成：考虑到用于复杂环境体系的荧光检测，要求荧光基团要有强的荧光（Stokes（可有效消除常规荧光化合物如荧光素等具有的自猝灭现象，荧光发射最好要在长波长区（最好位于500nm以上，可避免复杂体系的常位。(b)受(c)荧光超分子受体的组（弱、光谱的移动、荧光寿命的变化等）可以及时传递出去。NNN11.3共价连接型锌离子荧光探针DeSilva19971[22]是一个典型的共价连接法(2-)氨(DPA)置换型荧光探针1.4置换型荧光探针利用该方法设计的荧光探针是通过识别基团分别与荧光指示剂识别的识别基团。该类设计方法多用于阴离子传感器的设计。2002年，Kim小组[23]设计了邻苯二酚紫作为荧光指示剂，双锌配合物为HPO2- 识别基团，并将二者自组装成化合物2，用于中性4条件下水溶液中HPO4

2-的检测。加入识别客体HPO4

2- 后，由于HPO2- 与双锌配位能力强于邻苯二酚紫，从而把邻苯二酚紫挤开，4使之进入溶液，表现为其原来颜色。在识别过程中，溶液颜色从蓝Ac-、CO2-、NO-、N-ClO、S2-、F-、Cl-、3 3 3 4Br-都不影响HPO2- 的检测，表现出较好的选择性。41.5置换型HPO2-化学传感器4化学计量型荧光探针（chemodosimeter）化学计量型荧光探针分子是利用探针分子与识别客体之间特异不可逆的化学反应前后产生荧光信号的不同而对分析对象进行检测:另一类是目标离子催化了一个化学反应（1.6）。1.6化学计量法的两种类型一般而言，化学计量型荧光探针分子都具有专一性和不可逆性。尽管这类探针已有不少报道,但由于设计较为困难和反应不够灵敏等缺陷而进展较为缓慢。3 41.7氨基酸荧光分子探针KimHong[25]设计的识别半胱氨酸及高半胱氨酸的荧光分子探针3，属于第一种类型。他们利用半胱氨酸及高半胱氨酸与醛生成五元噻唑环或六元噻嗪环的特异反应以及反应前后化合物3和4荧化合物5[26]是较早应用化学反应原理实现检测客体的荧光探针5倍6。5 61.8基于汞脱硫原理的汞离子荧光探针荧光分子探针的响应机理目前，荧光分子探针的响应机理主要有以下几种：光致电子转移（PET,photo-inducedelectrontransfer（ICT,intramolecularchargetransfe（FRET,resonanceenergytransfer）等。光诱导电子转移原理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RS和荧光基团相连组成的功能分子。PET1.。荧光基团(Fluorophore)连接体荧光基团(Fluorophore)连接体(linker)识别基团(Recepter)exchfluo(a)PET荧光基团

连接体 识别基团(Fluorophore)h hexc hfluo

(linker)(b)

(Recepter)1.9开”“光过程示意图。由于与待测物种结合前后的荧光强度差别很大，呈现明显的关”开”荧光分子探针的作用机制可由前线轨道理论来进一步说明（见图1.10。从图可以看出，识别基团处于自由态时，其HOMOHOMO轨道上转移，致使荧光基团被激发到LUMO上的激发态电子不能返回基态而难以产生荧光，此过程对应于发生PET现象。在识别基团与待测物种结合后，识别基团上的HOMO电子已无法转移到荧光基团的HOMOPET过程无PET过程的控制可以实现对体系荧光发射状态的调控。荧光团荧光团结合受体前荧光团结合受体后1.10光致电子转移机制机制的前线轨道理论解释。1PET机理荧光增强型的例子。锌离Zn2+存在时，Zn2+离子与PET过程被禁阻，荧光强度大幅度增强．实验结果也证实了此过程。在乙腈溶液中，加入Zn2+1的荧光量子产率仅为0.01Z2+77倍。(ICT机理（电子给体和缺电子基团（电子受体）共轭相连，形成推-拉作用的共轭体系，没有PETFR通体系的电荷重新分布，荧光团的推-拉作用被抑制或强化，进而导（如图1.1[27]7[28]ICTHg2+,6,7位氮的供电子能力大大60nm92nm，荧光颜色由蓝色变为黄色，同时实现了比色及比率型Hg2+离子的检测。1.11ICT动示意图7781.12D-AICT(FRET)荧光共振能量转移是指当一对合适的能量给体分子(Donor)和受(Acceptor(一般为2-5nmFörster理论，共振能1.5[29]: 1T R6

(1.5)1R00R为Förster距离(-受体之间的)R0910能量转移的效率强烈改变[24-26]9101.13D-A结构的FRET汞离子分子荧光探针FRET[