（有机化学专业论文）新型荧光化学传感器的合成及性能研究(1).pdf

新型荧光化学传感器的合成及性能研究 摘要 汞被公认为自然界中的有毒元素，由于重金属的滥用使汞污染大大威胁着自然 环境和人类的水源。一旦汞进入含水的环境，细菌便会将无机汞转化成甲基汞，甲 基汞不易被分解，最终会随着食物链在人体中沉积，给人类健康造成巨大伤害。世 界环境保护组织规定人类引用水的含汞量最高为2p p b ，因此，为了达到这一标准， 科学家们都在致力寻找新的检测方法，以求达到汞离子识别的高灵敏度和高选择性。 本论文综述了各种类型的h 9 2 + 荧光化学传感器，对它们的识别和光化学传感性 能作了较详细的介绍。在此基础上，以蒽醌1 ，8 二磺酸钾为起始原料，经多步反 应合成了具有葸荧光团和磺酰胺结构的荧光受体2 2 2 1 0 ( c 】4 h l o n 2 0 4 s 2 r ) ，并通过 核磁共振氢谱、碳谱、元素分析等分析测试手段确定了它们的结构。用x 射线单晶 衍射研究了受体2 3 和2 4 在固相中的结构。 通过荧光光谱法和紫外可见光谱法研究了受体2 2 2 1 0 与不同金属离子的相 互作用。结果表明2 2 2 5 对h 9 2 + 具有很好的选择性和很高的灵敏性，2 2 2 5 与h 9 2 + 均形成了1 ：1 的络合物。 通过核磁共振氢谱研究了2 2 和2 3 与汞离子的作用机制，并对二者的络合方 式进行了初步推测。 关键词：1 ，8 葸二磺酰胺，离子识别，h 9 2 + ，荧光化学传感器。 s y n t h es i sa n dp r o p e r t i eso f n o v e lf l u o r e s c e n tc h e m o s e n s o r s a b s t r a c t m e r c u r yi sah i g h l yt o x i ce l e m e n ta n di t sc o n t a m i n a t i o ni sw i d e s p r e a da n do c c u r s t h r o u g hav a r i e t yo fn a t u r ea n da n t h r o p o g e n i cs o u r c e o n c ei n t r o d u c e di n t ot h em a r i n e e n v i r o n m e n t ，i n o r g a n i cm e r c u r yw i l lb ec o n v e r tm e r c u r y i n t om e t h y l m e r c u r yb yb a c t e r i a ， w h i c he n t e r st h ef o o dc h a i na n da c c u m u l a t e si nh i g h e ro r g a n i s m s t h ee p a s t a n d a r df o r t h em a x i m u ma l l o w a b l el e v e lo fi n o r g a n i ch g ( i i ) i nd r i n k i n gw a t e ri s2 p p b d e v e l o p m e n t o fn e wo ri m p r o v e da n a l y t i c a lm e t h o df o r t h eh i g hs e n s i t i v ea n ds e l e c t i v e d e t e r m i n a t i o no fr i 9 2 + i sh i g h l yd e s i r a b l e i nt h i st h e s i s ，r e c e p t o r sb e a r i n gv a r i o u sm e t a li o n sb i n d i n gs i t e sc h e m o s e n s o r sw e r e r e v i e w e d t h e i ra b i l i t i e st os e l e c t i v e l yb i n da n ds e n s eh g 计w e r ed e m i l e dp r e s e n t e d o n t h eb a s i s as e r i e so fr e c e p t o r s2 2 2 1 0 ( c 1 4 h 1 0 n 2 0 4 s 2 r ) b e a r i n ga n t h r a c e n ef l u o r o p h o r e a n ds u l f o n a m i d eg r o u p sw e r es y n t h e s i z e df r o ma n t h r a q u i n o n e 一1 ，8 一d i s u l f o n i ca c i d p o t a s s i u ms a l ta n di d e n t i f i e db v 1h n m r ，cn m r ，a n de l e m e n t a la n a l y s i s t h e nw e s t u d i e dt h es t u c t u r eo f2 3a n d2 - 4i ns o l i dt h r o u g hx - r a y t h ei n t e r a c t i o nb e t w e e nt h er e c e p t o r sa n dv a r i o u sm e t a lc a t i o n sw a ss t u d i e db y f l u o r e s c e n c ea n du v 二v i ss p e c t r u m t h er e s u l t sd e m o n s t r a t et h a tr e c e p t o r s2 - 2 2 - 5h a da n e x c e l l e n ts e l e c t i v er e c o g n i t i o na n ds e n s i t i v i t yf o rh 9 2 + t h er e s u l t si n d i c a t et h a t 1 ：1 s t o i c h i o m e t r yc o m p l e xi sf o r m e db e t w e e nr e c e p t o r2 2 2 - 5w i t hh g 口 t h em e c h a n i s mo f2 2a n d2 - 3w i t hh 9 2 十w a ss t u d i e dt h r o u g h1 hn m r ，a n d p r e l i m i n a r l yi n f e r e dt h em o d eo f a c t i o nb e t w e e n2 - 2a n d2 - 3w i t hh 1 。 k e yw o r d s ：1 , 8 一a n t h r a c e n ed i s u l f o n a m i d ec a t i o nr e c o g n i t i o nh 9 2 + f l u o r e s c e n c e p h o t o c h e r n o s e n s o r 新型荧光化学传感器的合成及性能研究 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个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，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中 不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含本人已用于其他学位申请 的论文或成果。与我一同工作的同学对本研究所做的任何贡献均己在论文中做了 明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：日期：年月 日 7 0 青岛科技大学研究生学位论文 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解青岛科技大学有关保留、使用学位论文的规定，有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借 阅。本人授权学校可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。本人离校后发表或 使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，署名单位仍然为青岛科 技大学。( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 本学位论文属于： 保密口，在年解密后适用于本声明。 不保密口 ( 请在以上方框内打“ ) 喜会薹耄! 南a 三) 芝 导师签名：由l 1 三j 乙 日期： 日期：m 7 年月日 年6 嘣r 青岛科技大学研究生学位论文 i l 厶- j l - - 刖吾 1 9 6 7 年c j p e d e r s o n 发表了关于冠醚合成和选择性络合碱金属的报告，揭 示了分子和分子聚集体的形态对化学反应的选择性起着重要作用；d j c r a m 基 于在大环配体与金属或有机分子的络合化学方面的研究，提出了以配体( 受体) 为 客体，以络合物( 底物) 为主体的主客体化学；j m l e h n 模拟蛋白质螺旋结构的 自组装体的研究内容，在一定程度上超越了大环与主客体化学而进入了所谓“分 子工程”领域，即在分子水平上，制造有一定结构的分子聚集体而起到一定特殊 性质的工程，并进一步提出了超分子化学的概念。以共价键为基础，以分子为研 究对象的化学，可称为分子化学( m o l e c u l a rc h e m i s t r y ) ；以多种弱相互作用力( 或 称次级键) 为基础，以2 个以上分子通过这种弱相互作用高层次组装为研究对象 的化学，可定义为“超越分子概念的化学 ，也称为超分子化学( s u p e r m o l e c u l a r c h e m i s t r y ) 。与原子间由化学键作用而形成分子的分子化学不同，超分子化学是研 究分子间相互作用缔结而形成复杂有序且具有特定功能的分子聚集体的科学，这 种分子聚集体简称超分子。换言之，超分子化学是研究通过非共价键作用形成功 能体系的科学【l 吲。 超分子化学主要是研究由小的分子单元通过非共价键组装成为更大的“超分 子”的化学。超分子的形成依赖于氢键、芳环兀兀作用、极性作用以及范德华力 等弱的分子间力，而且形成的超分子具有原来的子单元不同的结构特点和化学性 质 3 】。分子识别和自组装是超分子化学的两个重要组成部分，它们之间相互关联。 自组装的前提是分子聚集，而分子聚集依赖于分子之间的相互识别。分子识别取 决于分子模块形状、大小、能量的互补。而自组装则指在一定的条件下，这些基 本分子模块进一步通过自组织自发地形成一个结构确定，具有一定功能的超分子 过程。 超分子化学的核心是分子识别，分子识别最初被有机化学家和生物化学家用 在分子水平上研究生物体系中的化学问题而提出，直至l j 2 0 世纪7 0 年代初，在研究 选择性地结合金属离子过程中，才进入到化学领域。所谓分子识别是指主体( 受 体) 对客体( 底物) 选择性结合并产生某种特定功能的过程。它们不是靠传统的 共价键，而是靠称为非共价键力的分子间作用力，如范德华力( 包括离子偶极， 偶极偶极和偶极诱导偶极相互作用) ，疏水相互作用和氢键等。分子识别主要分 为对离子客体的识别和对分子客体的识别【4 j 。 在识别过程中，两个分子选择性地相互作用时，其中体积较大的一般称为受 新型荧光化学传感器的合成及性能研究 体( r e c e p t o r ) 或者主体分子( h o s tm o l e c u l e ) ，而体积较小的则称为底物( s u b s t r a t e ) 或者客体分子( g u e s tm o l e c u l e ) 。底物和受体键合成为超分子，具有热力学和动 力学的稳定性和选择性。而受体分子的设计、合成以及功能的研究从一开始便成 为超分子化学的主要内容并取得了丰硕的成果。近三十年来，超分子化学在材料 科学、信息科学以及生命科学中都得到了广泛地应用。 2 青岛科技大学研究生学位论文 第一章文献综述 1 1 概述 1 0 0 年前e f i s h e r 曾以“锁与钥匙”的概念来描述分子间专一性结合，称之 为识别。随着分子识别机制的深入研究，特别是随着超分子化学的发展1 5 ，6 | ，它在 合成化学、生命科学、材料科学及信息科学中起着愈来愈重要的作用。 分子识别可理解为底物与给定受体选择性地键合，并可能具有专一性功能的 过程。相应于生物学中底物与受体的概念，人们也广义地把分子识别过程中相互 作用的化学物种称为底物及受体，较小的分子称为底物，较大的分子称为受体。 识别过程可能引起体系的电学、光学性质及构象的变化，也可能引起化学性质的 变化。这些变化意味着化学信息的存储、传递及处理。因此，分子识别在信息处 理及传递、分子及超分子器件制备过程中起着重要作用【7 j 。 互补性( c o m预组织是决定分子识别过程的两plementarity)及(preorganization) 个关键原则。前者决定识别过程的选择性，后者决定识别过程的键合能力。底物 与受体的互补性包括空间结构及空间电学特性的互补性。空间结构互补性最早由 f i s h e r 的“锁钥关系 所描述。1 9 5 8 年k o s h l a n d 提出了诱导配合( i n d u c e df i t ) 的 概念弥补了f i s h e r 概念的不足，指出在底物与受体相互结合时，受体将采取一 个能同底物达到最佳结合的构象。这个过程也被称为识别过程的构象重组纠引。 电学特性互补包括满足氢键的形成，静电相互作用( 如盐桥的形成) ，p 堆积 相互作用，疏水相互作用等 9 】。这要求受体及底物的键合位点及电荷分布能很好 的匹配。 分子识别的另一重要决定因素是预组织原则。它主要决定识别过程中的键合 能力。预组织原则是指受体与底物分子在识别之前将受体中容纳底物的环境组织 的愈好，其溶剂化能力愈低，则他们的识别效果愈佳，形成的络合物愈稳定。 分子识别过程的研究，对于生命、材料以及环境等科学领域的发展也具有十 分重要的理论与实践意义。例如，分子识别现象在生物界普遍存在，生命体系中 酶对氨基酸，肽，蛋白质，碱基，核苷，d n a ，r n a ，糖等一系列从简单到复杂 的分子有效识别和转化，构成生理活动的基础；小分子和生物大分子之间的高度 特异的识别在生命过程中的调控，生物体内反应，输送和生物体中受体底物相互 作用等，从化学角度看，其基本现象都是分子间的相互识别作用。 如何探测发生在微观世界的分子识别现象是超分子化学研究的一个基本问 题，为了解决这个问题，化学工作者设计合成出了一种可以通过某种宏观信号变 新型荧光化学传感器的合成及性能研究 化来反映这种微观世界识别现象的主体分子一化学传感器。在高效的分子识别的 基础上，发展光、电、磁等技术手段来检测识别产生的信号差别，实现分子的传 感是近年来分子识别研究的热点和重点课题之一 1 0 - l l 】。 1 2 化学传感器的一般设计原理【1 2 1 化学传感器的设计原理按产生识别信号反应的可逆与否可分为两大类：可逆 的和不可逆的。前者按照键合单元和信号单元的连接方式不同又可分为两类：一 类是通过共价键连接起来的键合单元一信号单元法，一类是不通过共价键连接起来 的置换法；后者为第三类，是化学反应法。 1 2 1 键合单元一信号单元法 目前，基于键合单元一信号单元法原理设计的化学传感器非常普遍，是一种 设计化学传感器都共同遵循的经典的、基本的、也是最重要的方法，也是应用的 最广泛的一种方法。如图1 1 所示，键合基团和底物之间键合后，导致受体分子 光物理性质的变化，具体表现为信号单元发生荧光淬灭或增强( 荧光化学传感 器) ，或者颜色产生变化( 比色化学传感器) 。 + 一 荧光偿号 储号革元鳐台单元 譬霎荛藿警鬻 图1 - 1 含有荧光基团的化学传感器与离子底物形成络合物【1 2 】 f i g 1 - 1c h e m o s e n s o rc o m p o s e do f f l u o r o p h o r ea n ds u b s t r a t eo f i o n s f o r m e dc o m p l e xc o m p o u n d 1 2 】 按照键合单元对离子作用形式的不同，此类化学传感器可以分为三类： 静电作用类：主要指带有正电荷的胍盐、季铵盐及硫盐受体。这类传感器 由于带有正电荷，不受溶剂p h 值的影响。 氢键作用类：指含有胍盐、多胺、脲、硫脲、杯吡咯、卟啉及酰胺等氢键 给予体。氢键给予体在离子识别中被广泛地用作键合部位。其中，酰胺官能团常 用来发展中性阴离子化学传感器，这对生物体系的模拟有着非常重要的意义。 金属类络合物类：金属络合物也经常用作离子键合部位。金属络合物对离 4 青岛科技大学研究生学位论文 子的作用力要强于静电作用和氢键作用。但其缺点是合成比较复杂，体系为非中 性的，不能应用在生理条件下。 信号单元起着信号传递者的作用，也就是说它将发生在分子水平上的化学 信息( 离子键合过程) 转化成宏观信号。在光化学传感器中，光谱信号单元的应用 可以将微观的分子水平上离子的络合行为转化成荧光或颜色的变化。 1 2 2 置换法 基于置换法的化学传感器也包括键合基团和信号基团，所不同的是两者之间 不是通过共价键结合，而是形成一种配合物。当底物被加入到含有这种受体的溶 液中时，底物与键合基团络合而将信号基团置换到溶液中，如果受体分子( 键合 基团一信号基团) 的光谱性质和单独的信号基团的光谱性质不同，键合过程就可以 产生荧光或者颜色的变化，可为仪器或者裸眼识别( 见图1 2 ) 。由此可以推论， 对于这类化学传感器，只有键合基团和信号基团之间的络合常数低于键合基团和 底物之间的络合常数，置换过程才可能发生。因此，在设计传感器时，可以通过 选择一种信号基团，其和键合基团的络合常数小于键合基团和目标底物之间的络 合常数，而大于键合基团和干扰离子的络合常数，以增大受体对目标底物的选择 性。 防， l _ - 一 + 一 r e c 印m rb o t m dw i t h 柚 砌c 刮【o r 托目b p l o rb o u n d w i t h 趾a d j 、! + 一三；= 一 l 。 丘m d i e j i l o r 图l - 2 基于“置换法”的化学传感器示意图 f i g 1 - 2c h e m o s e n s o rb a s e d 0 1 1s u b s t i t u t e dm e m o d 1 2 3 化学反应法 化学反应法是基于不可逆的化学反应设计化学传感器的方法，是在底物的存 在下发生的一类特殊的化学反应( 一般是不可逆的) ，从而引起颜色或荧光发射的 差异。图1 3 给出了化学反应过程的两个示例，一个是底物和受体发生反应后， 底物和受体通过共价键连接为产物；另一个是底物作为催化剂使受体发生不可逆 的化学反应生成新的化合物。在两个示例中，最终的产物在化学性质上和底物完 全不同，相应的光谱学性质也发生变化，从而能够实现对目标底物的检测。这种 不可逆体系可以利用选择反应的优势识别特定的底物分子，因此通常具有较好的 5 新型荧光化学传感器的合成及性能研究 选择性，但是这种途径应用的时间比较长，大多数商业用的离子的半定量识别都 是基于不可逆的化学反应，而不是配位反应，这些反应往往并不具有预期的选择 性，因此这个领域仍然需要新的发展。 广 i _ _ _ _ _ 一 口+ 一m ， + 一酬_ + o f i g 1 - 3c h e m o s e n s o rb a s e do nc h e m i c a lr e a c t i o n 1 3 荧光基团感应的几种机理 荧光化学传感器是由具有荧光发射特征的分子受到周围环境( 如温度、酸度、 粘度、溶剂，特别是接受外来化学或生物物种) 的影响，使其荧光发射( 如光谱和 强度) 发生变化，从而使人们获知其周围环境的特征或环境中存在的某种特定物 种信息。 随着荧光分析技术和传感技术的发展，作为化学传感器中的一员，荧光化学 传感器已经成为一种重要的连续分析测量装置。它具有很高的选择性和灵敏度， 可以实现对p h 、溶解氧、含氮化合物、有毒害重金属离子、有机污染物进行实 时和在线测定，因此在环境分析监测方面具有广泛的应用前景。 在荧光化学传感器中，荧光基团是如何对外界发生感应，产生相应的光谱变 化的呢? 常见的荧光化学传感机理主要包括：光诱导电子转移( p e t ) 、分子内电 荷转移( i c t ，i 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 ) 、单体激基缔合物的形成、荧光共振 能量转移( f r e t ，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 f e r ) 、刚性效应、激发态质子 转移( e s p t ) 等。 1 3 1 光诱导电子转移( p e t ) 1 3 3 在各种荧光分子传感器中，利用p e t 原理设计的荧光分子传感器最为常见。 典型的p e t 荧光传感器分子由三部分组成：具有键合底物能力并将键合信息传 递给荧光基团的键合基团( r e c e p t o r ) ，负责光吸收并产生荧光发射信号的荧光基团 ( f l u o r o p h o r e ) - 其荧光发射强度反映键合基团的结合状态，以及连接键合基团和荧 光基团的连接基 羽( s p a c e r ) 。键合基团和荧光基团通常为电子给体或者电子受体。 6 青岛科技大学研究生学位论文 如果有来自分子的其它部分或其它分子的轨道能量恰好位于荧光团的 h o m o ( 最高占有轨道) 和l u m o ( 最低分子空轨道) 之间，且这个“外来”的轨 道是完全充满的，在激发态下可能发生从这个全满轨道向荧光团h o m o 轨道的 p e t 过程。然后，荧光团的l u m o 轨道向这个外部轨道的电子转移使得稳定的 基态得以恢复。由于激发态向基态以非辐射的方式转变，会发生荧光淬灭( 图1 _ 4 a ) 。 宏观观测到的现象是荧光发射强度的减弱甚至荧光完全消失。如果有来自分子的 其它部分或其它分子的空轨道，能量恰好位于荧光团的h o m o 和l u m o 之间， 也能够发生类似的p e t 过程。这种情况下，首先发生从荧光团受激发的l u m o 轨道向这个空轨道的p e t 过程，然后这个“外来”的轨道向荧光团h o m o 轨道 电子转移，同样在无辐射情况下从激发态转变为基态，观测到荧光淬灭( 图1 4 b ) 。 理想的p e t 过程有以下特征：( 1 ) 在离子识别过程中，仅有荧光发射的强度( 或量 子产率) 和寿命发生变化；( 2 ) 在离子识别过程中，激发态荧光团和受体之间电子 转移的自由能( g ) 发生变化；( 3 ) 荧光团的吸收光谱没有变化【1 4 j 彻 l 一切 w 蚺1 0 4 i z - 、 聃啪+ 8 图1 - 4 外来分子轨道( a ：全满轨道；b ：空轨道) 与荧光团h o m o 与l u m o 参与下的 p e t 过程 f i g 1 - 4 ( a ) p e tp r o c e s sw i t ht h ep a r t i c i p a t i o no f t h eh o m oa n dl u m oo ft h ef l u o r o p h o r ea n d e x t e m a lm o l e c u l a ro r b i t ；( b ) p e tp r o c e s sw i t ht h ep a r t i c i p a t i o no ft h eh o m oa n dl u m o o ft h ef l u o r o p h o r ea n da i le m p t ye x t e r n a lm o l e c u l a ro r b i t 1 3 2 分子内电荷转移( i c t ) 与光诱导电子转移( p e t ) 不同的是，分子内电荷转移( i c t ) 中，电子给体与电 子受体以兀键相连，构成d 兀a 型共扼体系。一般地，分子内电荷转移分子的基态 偶极矩较小，受光激发后，发生电荷分离，偶极矩大为增加，荧光光谱发生明显 的s t o k e s 位移，位移大小与荧光团的微环境有关。离子与荧光团的电子给体或 受体作用时，电荷转移效率将发生改变，造成i c t 的光物理性质变化，例如量 7 寸 一 啪 m 嬲 转 牛 是n 一 一 钞* 吣 一 * o o m m 绀 一 新型荧光化学传感器的合成及性能研究 子产率、荧光寿命以及吸收和荧光峰位置的变化。如电子给体的供电子能力减弱， 则导致吸收光谱蓝移同时摩尔吸光系数减小；反之，电子受体的拉电子能力增强， 则导致吸收光谱红移，摩尔吸光系数增大，如图1 5 所示。随着离子的加入，电 荷转移过程被促进或抑制，在荧光光谱分别表现为长波长荧光( c t ) 增强减弱和短 波长荧光( l e ) 减弱增强，据此可由单一荧光峰的增强检测阳离子，或可通过两个 荧光峰的强度比值( c t l e 或l e c t ) 检测。后者可消除激发光源强度波动、荧光试 剂光漂白和荧光传感分子浓度变化等外在因素的影响。 、t 一1 飞、r e d !b s h i l l i n t e r a c t i o nw i l hd o n o rg r o u p i n t e r a c t i o nw i t ha c c e p t e rg r o u p 。图1 - 5 分子内电荷转移的作用原理 f i g 1 - 5p r i n c i p a lo ff l u o r e s c e n ti c ts e i l s o r s 1 3 3 单体一激基缔合物的形成【1 3 】 激基缔合物是指一个处于激发态的荧光团和另一个处于基态具有同样结构 的荧光团之间发生相互作用形成的复合物。形成激基缔合物的重要特征是其荧光 光谱相对于单体红移，而且在大多数情况下，可以观测到单体和激基缔合物的双 重荧光发射峰。离子加入后引起激基缔合物形成或断裂，通过监测激基缔合物发 射峰可以方便地实现荧光传感。一般说来，平面的7 c 电子高度离域体系如芘和葸 更易于形成激基缔合物。此外，激基缔合物的形成要求两个单体距离接近，形成 兀堆积相互作用( 图i - 6 ) 。 8 青岛科技大学研究生学位论文 皿o n o m l = f “t 疆血嚣 啪撸甜册血e 协p m z 泗l t y 图1 - 6 含有两个平面型荧光团和柔性键合位的受体与离子相互作用，出现 单体和激基缔合物双重发射峰 f i g 1 - 6r e c e p t o rc o m p o s e do faf l e x i b l ec o o r d i n a t i n gs u b u n i ta n dt w o “f l a t f l u o r o p h o r e s c o o r d i n a t i o nw i ma na n i o ni n d u c e ds p a t i a lp r o x i m i t yb e t w e e nt h et w of l u o r o p h o r e sa n dd u a l e m i s s i o n sf r o mt h em o n o m e ra n dt h ee x c i m e r 1 3 4 荧光共振能量转移( f r e t ) 【l 5 j f r e t 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( r e c e p t o r ) 和连接基团( s p a c e r ) ，还含有两个负责光吸收并产生荧光发射信号 荧光基团( f l u o r o p h o r e ) ，而这两个荧光基团一个是能量给体( e n e r g yd o n o r ，d ) ， 另一个是能量受体( e n e r g ya c c e p t o r ，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 【1 5 】。f r e t 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7 0 - 1 0 0 a ) 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f r e t 效率对距离的强依赖性，f r e t 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6 l 。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f r e t 工作过程如 下( 见图1 7 ) ：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 9 新型荧光化学传感器的合成及性能研究 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f r e t 因素不能匹配，则会抑制f r e t 过程，则表现为能量给体( d ) 的荧光发射。 图1 7 荧光共振能量转移的作用原理 f i g 1 - 7p r i n c i p a lo ff l u o r e s c e n tf r e t s e n s o r s 1 3 5 刚性效应原理 提高分子的刚性可增加荧光，这是因为分子的刚性增加后，一方面会减弱分 子的振动，从而使分子的激发能不易因振动而以热能形势释放；另一方面，可增 加分子的共平面性，从而发生f r a n k c o n d o m 跃迁，也有利于荧光的产生。因此， 这类荧光传感器可以利用分子刚性的变化进而引起的荧光光谱的变化来判断外 来物种是否已被识别，如当主体化合物与底物络合后，所形成的络合物较原来的 主体化合物刚性增强，荧光发射强度就会增强。 1 4 汞离子荧光传感器的研究进展 1 4 1 汞离子的危害及汞离子识别遇到的挑战 重金属离子( 女n z n 2 + ，p b 2 + ，c d 2 + ，c u 2 + ，c r 6 + ，m n 5 + ，a s ”，f e 3 + ，h 9 2 + ) 能 对人体产生有害甚至是致命的影响，特别是对于中枢神经系统，能够引起神经紊 乱。因此重金属的定量检测在药物、食品、临床和环境检测方面是非常重要的， 而对于汞离子的检测是其中最重要的环节之一。汞是一种具有严重生理毒性的化 1 0 青岛科技大学研究生学位论文 学物质，由于其具有持久性、易迁移性和高度的生物富集性，使其成为目前全球 最引人关注的环境污染物之一【l 刀。环境中的无机汞离子可在一定条件下由生物体 转化为剧毒的甲基汞。无机汞主要影响。肾脏，而甲基汞进入人体后主要侵害神经 系统，尤其是中枢神经系统。二者均可通过食物链在生物组织里高度富集，从而 对人和自然界造成巨大的危害【1 8 】。汞中毒会对整个社会产生极其恶劣的影响，现 在汞被优先列在全球环境监控系统( g e m s ) 清单上，全世界都花费大量的人力、 物力和财力开发和研究新型的检测汞离子的方法。 迄今为止，已有大量的论文介绍了检测汞元素的方法，其中最广泛使用的定 量检测汞技术是原子吸收光谱和原子发射光谱，还有其他一些方法，如中子活化 分析法、阳极溶出伏安澍1 9 】，x 射线荧光光谱法、等离子体感应光谱、双硫腙比 色法和用悬液计测量悬液法等【2 0 】。这些方法一般而言操作成本较高，需要复杂的 仪器和熟练的操作人员，不能或不方便在户外使用，即现场采样后须进行离线分 析，存在耗时、分析步骤复杂、分析仪器昂贵、采样频率低以及样品不易保存等 缺点，这显然不符合现代环境监测所要求的快速现场评价的要求。在某些情况下， 需要及时掌控环境污染情形，以便迅速制定相应的处理对策。因此，在很多重要 的应用场合，人们迫切需要一种能够快速、准确、低成本并能选择性地分析检测 汞离子的方法。 基于对汞离子的重视，人们着眼于不同的化学传感机制合成了多种汞离子的 光学化学传感器。迄今人们己经将各种能够与h 矛+ 选择性结合的化合物，如冠醚、 杯芳烃、多胺等m - 于h 9 2 + 的识别，成功地设计了一系列h 9 2 + 的化学传感器。 1 4 2 冠醚类h 9 2 + 传感器 冠醚类化合物经常被用来选择性结合各种阳离子，也使得其成为设计h 矿+ 化 学传感器的首选。r u r a c k 等人【2 1 啦! 以硫原子代替冠醚中氧原子，使得其对h 9 2 + 等亲硫性重金属离子有着较好的选择性。以此为基础，他们设计了一系y u h 9 2 + 的 化学传感器。 最初的冠醚类h 9 2 + 传感器( 1 ) 以萘酰亚胺作为荧光报告基团【2 3 2 4 1 ，测试的结果 表明，加入h 9 2 + 后1 的荧光光谱位置没有发生改变，但强度有所增加。该传感器有 较好的选择性，灵敏度很高，最低检出限为5 1 0 。m o l l 。 选择不同的发光基团可以改变其光学性能。如r u r a c k 等人【2 5 】后来以硼化二 吡咯甲基为荧光基团合成化合物2 为h 矛+ 的化学传感器。这种硼化二吡咯甲基基团 有良好的光稳定性、较高的荧光量子产率( o 1 5 ) 以及能在较长波长下( 约5 0 0 1 1 i n ) 激发等优点。 新型荧光化学传感器的合成及性能研究 l r 2 而以硼化- - l l 咯甲基为荧光基团则提高了传感器的水溶性，同时该基团的荧 光出现在可见光区，从而增强了传感器的实际应用价值，如r u r a c k 等人【2 6 1 报道 的化合物3 。为了保证对h 孑+ 的选择性识别，设计者同样应用了含有n ，s 的大环 结构。该传感器对h 孑+ 的选择性在水溶液中依然存在，对h 9 2 + 的检出下限达到了 1 0 一m 0 1 l 数量级。对比实验表明，n a + ，k + ，m 矿+ ，c a 2 + 等离子不干扰对h 孑+ 的 传感。 3 r 卜沁r i o o r u r a c k 等人【27 】还以同样的冠醚结构与方酸相连，合成了化合物4 。在乙腈 水( v v = 2 0 8 0 ) 溶液中对各种金属离子进行测试，只有h 9 2 + 导致方酸单体和聚集体 吸收峰的同时消失，溶液由紫色变成无色；a r 则诱导聚集体的解聚，其短波长 处的聚集体吸收峰减弱，而长波长处的单体吸收峰增强，溶液变成绿色。其它金 属离子如l i + ，n 矿，k ，m 孑+ ，c a 2 + ，b a 2 + ，f e 3 + ，n i ”，c u 2 + ，z n 2 + ，c 0 2 十和p b 2 + 则不会引 起化合物4 的任何光谱变化，显示了分子4 对h 9 2 + 的高选择性。该操作可在可见光 区进行，能同时利用两个波长处吸光度的变化测定h f + ，且测定能达到n m o l l 级水平。 l i p p o l i s 等人 2 8 】用丹磺酰胺连接冠醚( 5 ) 传感h 9 2 + 。在p h3 3 的溶液中，h 矿+ 强烈淬灭化合物5 的荧光。其测定范围宽，可从5 0 1 0 以2 至1 0 x 1 0 4m o l l ，选择 性也非常高，a r 、c u 2 + 、c d 2 + 、p b 2 + 等2 0 几种金属离子均不干扰测定。 1 2 、心 s _ 一 三) r n l 鞲 4 黔 寸 青岛科技大学研究生学位论文 5 n ( c ) 2 除s 杂冠醚外，n 杂冠醚也被用：于二h 9 2 + 化学传感器的设计。早在1 9 9 5 年，p o a e r 等人【2 9 】设计并合成了化合物6 和7 作为h 孑+ 的选择性萃取剂，并指出在h 矛+ 络合 后，6 和7 的吸收光谱有红移。s a v a g e 等人【3 0 】在此基础上，设计了化合物8 作为h 9 2 + 的化学传感器。在甲醇水( v v = 7 0 3 0 ) 溶液中，化合物8 r - 与h 9 2 + 、c u 2 + 和c d 2 + 形 成络合物，而与其它离子的络合常数# l 曼d , ( 1 0 9k s 2 5 ) 。在 - 8 h 9 2 + 络合后，8 的荧光 明显增强，检出限为1 0 一m o l l 。而c u 2 + 、c d 2 + 的络合物没有荧光。此外，h 9 2 + 能 将c u 2 + 、c d 2 + 等离子从其络合物中取代出来，形成有荧光的络合物。因此c u 2 + 、 c d 2 + 等离子对h g ”的检测并不产生干扰。 八 厂。、 r - n n - r l od j 舡 u 6 o h 7 8 同时，s a n c e n o n 等人【3 l 】的研究表明，开链冠醚也对h 9 2 + 有较好的结合能力， 并以此为基础没计合成了化合物9 、1 0 和1 1 以期能找到合适的h 矛+ 化学传感器。这 一系列化合物在可见光波段( 4 6 0n m ) 有一强吸收，其溶液呈橙黄色。在这三种化 合物溶液中分别加入“+ 、n a + 、a ，、h 9 2 + 、c d e + 、p b 2 + 、a 1 3 + 等近二十种金属 离子，只：f i h 9 2 + 导致化合物1 0 的吸收波长红移，从而使溶液的颜色由橙黄色变为 红色。这说明1 0 对h 矿+ 有着很好的选择性。此外，h 9 2 + 对化合物9 和1 l 的影响较小， 说明开链冠醚的链长对h 9 2 + 的结合能力有很大的影响。 新型荧光化学传感器的合成及性能研究 9 ：n = l1 0 ：n = 21 1 ：n = 31 2 s a n c e n o n 等人【3 2 j 以开链冠醚为基础又设计出化合物1 2 。在二氧六环水( v = 7 0 3 0 ) 溶液中，= j n ) k h 9 2 + 使得二酮结构发生闭环反应，形成吡喃翁盐形式，吸收 从3 8 01 1 1 1 1 红移n 5 5 0n l i l 。由于采用了同传感器1 0 相同的识别基团，传感器1 2 对 h 9 2 + 选择性也很高，对h 9 2 + 检测限达到1 0 一m o l l 。 s a k a m o t o 等人p 3 j 也以开链冠醚为基础，设计了化合物1 3 作为h 孑+ 的化学传 感器。在二氧六环水( v v - - 4 0 6 0 ) 溶液中，化合物1 3 只m h 9 2 + 和a g + 形成络合物， 其吸收光谱发生蓝移且吸光值相应下降。t 旦_ h 9 2 + 可使化合物的荧光显著增强，而 a 矿只能使其荧光稍有增强，以此可以区分h 孑+ $ l l a g + ，其它金属离子不影响检测。 八厂 ss 乙t 、l ，、 l i p p a r d 设计合成了选择性识别h 矿+ 的荧光传感器1 4 【3 4 1 。分子1 4 以荧光素为 发光团，考虑到与软酸( h 9 2 + ) 的亲和性，在受体中引入了硫原子以增加对h 9 2 + 的 结合能力。此外，1 4 的优越之处还在于其水溶性。在p h = 7 的缓冲溶液中，分子 1 4 由于存在从苯胺到荧光素的p e t 过程，1 4 的荧光量子产率仅为0 0 4 ，h 9 2 + 的加 入使1 4 的荧光强度增加5 倍，光谱略有红移。除c u 2 + 外，其它金属离子的存在对 h 9 2 + 的检测并不干扰。而后他们【j 6 j 又合成了类似的化合物1 5 ，1 6 ，1 7 ，同样对 h 9 2 + 具有较高的选择性和灵敏度。 1 4 青岛科技大学研究生学位论文 - s 、7 l s 厂n 1 41 51 6 ：r = h1 7 ：r = c h 3 最近，c h a n g 等a t 3 7 1 利用二氧杂辛烷肼和芘分别作为接收器和信号基团合成 t4 匕厶物1 8 。在甲醇l t g ( v l v = 1 1 ，p h = 6 ) 的溶液中，化合物1 8 对h 矿+ 表现出较高 的选择性。加入h 孑+ 前，位于3 8 3n m 和4 8 9 砌有荧光发射峰，分别对应于芘单体 和激基复合物的发射；加入h 9 2 + 后，位于4 8 9 衄的荧光发生淬灭，而芘单体峰保 持不变。这是由于h 9 2 + 的加入诱导化合物1 8 从折叠式变为开翼式构型。 矗弋，p 1 8 1 4 3 多胺类n g + 传感器 多胺配体对过渡金属离子有着很好的结合能力，因而在离子传感器的设计中 有着重要价值。然而，正由于多胺配体有着较强的结合能力，其选择性往往较低。 因此如何提高多胺配体对离子的选择性是化学传感器研究中一个难点。 y o o n 等人【38 】将多胺配体刚性固定在葸荧光基团上形成h f + 化学传感器1 9 。 结果表明，在1 9 的溶液c p 力口2 k h d + 其荧光强度降低了1 8 倍。传感器1 9 对h 矿