罗丹明荧光探针的设计、合成及光谱研究

1、罗丹明荧光探针的设计、合成及光谱研究【摘要】：罗丹明类荧光染料具有独特的结构特性和突出的光物理性质,即在螺环状态下表现为非颜色和非荧光性质,而与客体分子作用生成其开环结构后表现为明显的颜色变化和荧光释放特性。将反应位点与罗丹明生色团相结合,设计出大量的基于罗丹明衍生物的荧光探针,不仅能够运用于识别传感阳离子,而且能用于阴离子、活性氧物质和中性分子的传感识别。本论文在总结前人工作的基础上,设计开发了四个基于罗丹明衍生物的荧光探针：罗丹明吡啶甲酰肼衍生物、罗丹明水杨甲酰肼衍生物、罗丹明萘酰亚胺衍生物和罗丹明吡啶腙衍生物。通过客体与探针分子作用后产生的独特光谱变化,采用荧光发射和紫外可见光谱详细地研

2、究了其传感性能,主要研究内容如下：将罗丹明和吡啶甲酰肼相结合得到了探针分子2-1,不仅能够通过与Cu2+的配位作用实现了在水溶液中对Cu2+的高选择性和高灵敏性的检测,而且利用C1O能定向氧化甲酰肼基团实现了对ClO的识别传感。实验结果表明,在乙腈/Tris-HC1(pH=7.0)缓冲溶液中,探针2-1与Cu2+形成了1：1的络合物并且结合常数为1.79×106M-1(R2=0.994),具有非常高的检测限(1nM)。在甲醇/Na2B407-NaOH(pH=12.0)缓冲溶液中对C1O-也显示出了很好的识别性能,其检测限可以达到1nM。相比于其它已经报道的Cu2+或C1O-荧光探针,

3、这是第一个能在一个小分子中同时检测这两种离子的化学传感器。采用荧光”turn-on”策略来设计罗丹明铜离子配合物的CN-荧光传感器是非常困难的。因为氰离子会将配合物中的Cu2+取代,生成没有颜色也没有荧光的罗丹明关环结构。将做为发色团的罗丹明B与水杨甲酰肼相连,我们设计合成了一个能够通过配位模式,导致荧光释放来传感识别氰离子的荧光探针3-1。化合物先与Cu2+发生配位作用并导致了明显的紫外吸收光谱变化,其与Cu2+的结合常数为1.7×107M-1。第一次培养出了罗丹明衍生物和铜离子络合产物的单晶,通过分析可以看出,两个水杨甲酰肼基团与两个Cu2+所形成的双铜中心近乎处于一个平面上,两

4、个罗丹明基团处于垂直位置。由于化合物与Cu2+之间的强的配位作用和铜离子的强的荧光猝灭效应,我们将该配合物成功应用于CN-的识别。配合物3-1+Cu2+与氰离子的结合比为1：2,并且得到了高分辨质谱的证实。其对氰离子的检测限可以达到1.4×10-7M,远远低于世界卫生组织(WHO)对饮用水中氰离子含量不得超过1.9M的规定。基于FRET机理,我们设计合成了一个基于罗丹明萘酰亚胺的Hg2+比率荧光探针4-4。在甲醇水=2/1(V/VpH=7.0,Tris-HCl,10mM)溶剂体系中探针能够和汞离子进行定量的1：1加汞脱硫反应,并进一步发生分子内成环反应而导致罗丹明开环结构,并释放出光

5、信号。探针能够对Hg2+实现高效且具有高选择性的特异性识别,当主体浓度为0.1M时,Hg2+浓度在0.030.08M之间,汞离子浓度和荧光比值之间产生了良好的线性,说明探针对Hg2+浓度的检测可以在一个非常低的范围内进行。在单一分子中,同样条件下探针能够实现对不同物种的选择性识别,具有重要的实际应用价值。我们采用罗丹明肼毗啶腙化合物5-3,实现了在同一溶液中利用紫外可见光谱识别Cu2+,而通过明显的荧光增强来选择性识别Fe3+。其与Cu2+的作用模式为两个探针分子结合一个铜离子,即按照2：1的化学计量比进行配位作用,结合常数为7.8×104M-2,并且这种结合是可逆进行的。探针在溶液

6、中能够对1.76×10-9M的Fe3+进行检测,具有潜在的应用价值。【关键词】：罗丹明识别荧光探针紫外可见/荧光光谱【学位授予单位】：山西大学【学位级别】：博士【学位授予年份】：2012【分类号】：O621.3【目录】：中文摘要14-16ABSTRACT16-19第一章综述19-571.1引言191.2荧光分子探针技术19-311.2.1荧光的产生19-201.2.2荧光化学传感器设计原理20-221.2.3荧光分子传感响应机制22-311.3罗丹明类荧光染料及其探针研究进展31-561.3.1罗丹明类荧光染料概述31-331.3.2罗丹明类Cu(2+)荧光传感器33-371.3.3

7、罗丹明类Hg(2+)荧光传感器37-471.3.4罗丹明类Zn(2+)荧光传感器47-481.3.5罗丹明类Fe(3+)荧光传感器48-501.3.6罗丹明类其他金属离子荧光传感器50-531.3.7罗丹明类阴离子及活性氧物质荧光传感器53-561.4本论文研究工作的主要内容56-57第二章基于罗丹明B吡啶甲酰肼衍生物的Cu(2+)和ClO-荧光探针的研究57-762.1引言57-582.2仪器与试剂58-592.2.1主要仪器582.2.2主要试剂58-592.3目标化合物的合成59-602.3.1化合物2-1的合成59-602.4目标化合物对Cu(2+)的识别研究60-682.4.1pH对

8、Cu(2+)识别性能的影响60-612.4.2探针对Cu(2+)识别紫外光谱性能及机理研究61-642.4.3探针对Cu(2+)识别荧光光谱性能研究64-662.4.4探针对Cu(2+)选择性和竞争性识别性能研究66-682.5目标化合物对ClO-的识别研究68-752.5.1探针对ClO-识别溶剂体系的筛选68-702.5.2探针对ClO-的紫外光谱滴定研究702.5.3探针对C1O-的荧光光谱滴定研究70-712.5.4探针对ClO-选择性和竞争性识别性能研究71-722.5.5探针对ClO-的检测限研究72-732.5.6探针对Cu(2+)和ClO-的颜色和荧光变化73-752.6本章小

9、结75-76第三章基于罗丹明B-Cu()配合物的荧光增强型氰离子化学传感器的设计合成76-993.1引言76-773.2仪器与试剂77-793.2.1主要仪器77-783.2.2主要试剂78-793.3目标化合物的合成793.3.1化合物3-1的合成793.4目标化合物的铜离子识别研究79-853.4.1化合物3-1的晶体研究79-813.4.2pH对Cu(2+)识别性能的影响81-823.4.3时间对Cu(2+)识别性能的影响823.4.4化合物3-1对Cu(2+)的紫外吸收光谱滴定研究82-833.4.5探针对Cu(2+)选择性和竞争性识别性能研究83-853.5探针对Cu(2+)作用机理

10、研究85-923.5.1化合物3-1对Cu(2+)的晶体结构研究85-873.5.2化合物3-1对Cu(2+)的JOB实验研究87-883.5.3化合物3-1对Cu(2+)的质谱研究88-893.5.4化合物3-1对Cu(2+)的结合常数的确定89-903.5.5化合物3-1对Cu(2+)作用的红外光谱研究90-923.6配合物3-1+Cu(2+)与氰离子作用研究92-973.6.1配合物3-1+Cu(2+)与氰离子作用动力学研究92-933.6.2配合物3-1+Cu(2+)与氰离子作用荧光滴定实验研究93-943.6.3配合物3-1+Cu(2+)与氰离子作用检测限研究943.6.4配合物3-

11、1+Cu(2+)与氰离子作用的选择性实验94-953.6.5配合物3-1+Cu(2+)与氰离子作用的颜色和荧光变化95-963.6.6配合物3-1+Cu(2+)与氰离子作用的机理研究96-973.7本章小结97-99第四章基于FRET机理的萘酰亚胺-罗丹明BHg(2+)荧光比率探针99-1154.1引言99-1004.2仪器与试剂100-1014.2.1主要仪器100-1014.2.2主要试剂1014.3目标化合物的合成101-1044.3.1化合物4-2的合成1024.3.2化合物4-3的合成102-1034.3.3化合物4-4的合成1034.3.4化合物4-5的合成1034.3.5化合物4

12、-6的合成103-1044.4目标化合物的汞离子识别研究104-1134.4.1pH对Hg(2+)识别性能的影响1044.4.2时间对Hg(2+)识别性能的影响104-1054.4.3探针4-4对汞离子的紫外吸收光谱滴定研究105-1064.4.4探针对Hg(2+)紫外选择性和竞争性研究106-1074.4.5化合物4-4对Hg(2+)的荧光光谱滴定研究107-1084.4.6探针对Hg(2+)荧光选择性和竞争性研究108-1094.4.7探针对Hg(2+)识别颜色及荧光变化109-1104.4.8探针对Hg(2+)识别机理研究110-1114.4.9探针对Hg(2+)识别FRET机理研究11

13、1-1134.5本章小结113-115第五章双通道检测Cu(2+)和Fe(3+)化学传感器的设计合成115-1275.1引言115-1165.2仪器与试剂1165.2.1主要仪器1165.2.2主要试剂1165.3目标化合物的合成116-1175.3.1合成方法1175.3.2主客体溶液配制1175.4目标化合物的铜离子识别研究117-1225.4.1化合物5-3对铜离子的紫外吸收光谱滴定研究117-1185.4.2探针对Cu(2+)选择性和竞争性识别性能研究118-1195.4.3探针对Cu(2+)的检测限研究119-1205.4.4探针对Cu(2+)作用的原理研究120-1225.5目标化合物的铁离子识别研究122-1255.5.1化合物5-3对铁离子的荧光发射光谱滴定研究122-1235.5.2探针对Fe(3+)选择性和竞争性