基于激发态过程机理的荧光传感器及离子识别

1、基于激发态过程机理的荧光传感器及离子识别 法 析 分 光 荧 文 论 程 课松 劲 赵 200425135 基于激发态过程机理的荧光传感器及离子识别 赵劲松 200425135摘要:荧光化学传感器融合了超分子化学、光物理化学、有机合成化学的研究内容,由于其具备荧光分析法的高灵敏度特点而引起人们的普遍关注。不同的荧光传感机理被应用到传感器的设计上,以适应不同的传感体系。本文综述了几种激发态过程的荧光传感机理并介绍其在离子识别中的应用。关键词:荧光化学传感器光物理传感机理离子识别一、前言 分子识别是超分子化学研究的核心内容之一,最初是由有机化学家和生物化学家在分子水平上模拟天然化合物所提出。分子识

2、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,维系分子间的作用力是几种弱相互作用力(非共价键)的协同作用。分子识别可分为离子客体的识别和中性分子的识别。当客体与受体的识别基团结合时,诱导受体的物理或化学性质发生改变,转换为可检测的宏观信号:如 NMR中的化学位移变化、光学信号(吸光度或荧光)的变化以及电位的变化等,此过程即为传感。 化学传感器是一类转换器,可选择性地将分析对象的信息如酸度、浓度、粘度、化学或生物物种等转变为分析仪器易测量的物理信号。目前,电化学与光化学传感器是两个活跃的研究领域。得益于现代电子技术的发展,电化学传感器出现较早,该领域的研究十分活跃,新技术新

3、方法不断出现;光化学传感器的出现相对较晚,然而该研究领域所独具的应用性为其发展提供了便利条件,因此迅速成为现代分析化学的前沿研究领域之一。由于荧光内在的高灵敏度、可实时检测及可实现远程检测等优越性,其在分子识别与传感中得到蓬勃发展。 与其它化学传感器相似,荧光传感器包含两个单元:一是识别基团,另一是荧光团。二者可由联接臂相联或直接相联在同一共轭体系中。分析对象被识别时,荧光团内在的光物理特性被影响,荧光信号的输出形式发生改变,例如荧光峰值位置的移动,荧光量子产率的涨落,荧光寿命的变更,荧光偏振的改变以及新荧光峰的出现等。因此荧光团可起信息转化的作用,即将识别信息转化为光学信号,第 1 页 共

4、16 页 荧光分析法 课程论文 松 赵劲 200425135 涉及的机理有光诱导电子转移(Photoinduced Electron Transfer, PET)、荧光共振能量转移(Fluorescence Resonance Energy Transfer, FRET),分子内电荷转移(Intramolecular Charge Transfer, ICT)、激基缔合物(Monomer-Excimer)的形成或消失、激发态分子内质子转移(Excited-state Intramolecular Proton Transfer, ESIPT)等,这些属于光物理研究领域。准确评价荧光信号的改变并

5、对光信号的改变作出合理的机理解释,则需对光物理化学过程有全面认识。本文将概述上述几种激发态信息传递机制并介绍其在离子识别与传感中的应用。二、光诱导电子转移(PET)机理 PET热力学基础由 Weller等于 20 世纪 60 年代末提出,用于描述分子间电子转移体系。这一开创性工作为光诱导电子转移体系的深入研究奠定了基础。根据Weller公式: D G E - E - D E - C (E 和 E 分别为给体化合物和受体化ox red 0,0 ox red合物的氧化和还原电位,D E 为受激化合物跃迁能量,C为常数),当D G为负值0,0时,就会发生从电子给体到电子受体的电子转移。对于分子内的

6、PET动力学过程则有 Marcus理论描述。A B图 1A. 的 团 基 来 外 HOMO 团 光 荧 于 介 道 轨 HOMO 、 LUMO 便 时 间 之 道 轨移 转 子 电 的 向 方 团 光 荧 向 团 基 来 外 从 生 发 会 。 B. 的 团 基 来 外 LUMO 介 道 轨移 转 子 电 的 向 方 团 基 来 外 向 团 光 荧 从 生 发 会 便 时 间 之 道 轨 两 团 光 荧 于 。在荧光传感器的研究中,光诱导电子转移最先得到研究并取得巨大的成功。图 1 描述了 PET荧光传感器的光物理机理。客体不存在时,荧光团被光激发后其最高占据轨道HOMO的一个电子跃迁到最低空

7、轨道LUMO,若外来基团(如识别基团)的 HOMO轨道或 LUMO轨道介于荧光团两轨道能量之间,此时就可以发生识别基团与荧光团的电子转移而导致荧光的猝灭,即发生光诱导电子转移过程。也就是说, PET过程提供了一个电子从激发态到基态的非辐射跃迁的途径,第 2 页 共 16 页 荧光分析法 课程论文 松 赵劲 200425135 降低了荧光团的量子产率,表现为荧光强度的减弱,既荧光猝灭。PET应用到传感器上一般需要如下几个条件,首先传感器分子中要包含一个荧光团,其应具有高的量子产率;其次还应包含电子给体(Electron Donor),可以发生向荧光团的 PET过程;最后,当结合目标分子(或离子)

8、后,会引发或抑制电子给体与电子受体间的光诱导电子转移,引起荧光团荧光猝灭或荧光恢复,实现信号报告目的(图 2)。 hu 'huhu-eD D Weakly FluorescentStrongly Fluorescent图 2于 基 PET 型 模 器 感 传 光 荧 的 理 机2.1 基于PET过程的阴离子识别与传感 就大多数 PET荧光传感器而言,其荧光团一般选用稠环类芳香化合物,因为该类化合物具有刚性平面结构,量子产率较高,具有较强的荧光发射。同时由于分子内的电子离域特性,常被看作能容纳大量电子的场所。识别基团一般含有脂肪胺或芳香胺,其上的孤对电子可作为 PET过程中的电子给体,以

9、作为荧光团的猝灭剂。 11荧光分子1为首例利用PET机理识别阴离子的荧光分子传感器 。其以蒽为荧光团,多胺阳离子为阴离子的识别位点。在进行阴离子识别前,先对多胺进行部2-分质子化,残留一个自由氨基作为荧光团蒽的猝灭剂。当HPO 的加入后,其羟4基与残余氨基孤对电子结合后,阻断了PET的发生,使可使蒽荧光得到恢复,表第 3 页 共 16 页 荧光分析法 课程论文 松 赵劲 200425135 现为受体分子荧光显著增强,实现在在pH 6 的水中选择性识别磷酸氢根离子2-HPO 。 4受体分子2以硫脲盐类为阴离子识别位点,荧光团为萘。在激发态时,会发-生从萘向硫脲盐方向的PET过程,致使萘的荧光被猝

10、灭,在乙腈中,阴离子如AcO与硫脲盐以静电吸引和多重氢键协同作用结合后,提高了硫脲盐的还原电位,阻2- -断了PET的发生,荧光强度显著增强,可实现在水中识别HPO 和AcO,其与42- 2HPO 形成2:1的配合物 。 422.2 基于PET过程的阳离子识别与传感 较PET机理识别阴离子而言,阳离子的荧光识别起步较早。大多数PET机制阳离子传感器分子中,一般将结合阳离子的受体设计成电子给体,而将具有荧光发射特征的荧光发光体设计成电子受体。图 3. 子 分 体 受 3 离 属 金 与3 谱 光 射 发 光 荧 的 后 合 结 子2+ 3受体分子3是选择性识别Hg 的PET传感器 。萘酰亚胺是分

11、子3的荧光团, 2,6-二胺甲基吡啶上的氮原子既是荧光团的猝灭基又是金属离子的结合位点,其半第 4 页 共 16 页 荧光分析法 课程论文 松 赵劲 200425135 刚性结构可增强与金属离子结合的选择性。在pH6.98的HCl-Tris缓冲溶液中受2+ 2+ +体自身的荧光较弱,荧光量子产率为0.007,过渡金属离子中的Zn 、Cd 、Ag2+ 2+和Pb 均能使3的荧光不同程度的增强F /F 3,唯有Hg 使其的荧光增强17倍,0其它金属离子的加入并不影响3的荧光行为。受体分子中的羟基可增加分子的水2+溶性,可实现水相中Hg 的选择性识别。 2+同样为选择性识别Hg 的荧光传感器,受体4

12、以荧光素为荧光团,同时在受2+体中引入硫原子以增加与Hg 的结合能力。在pH 7的缓冲溶液中,受体4存在2+从苯胺到荧光素的PET过程,荧光量子产率仅为0.04。随着Hg 的加入,苯胺到荧光素的PET过程被抑制,受体的荧光强度增加5倍,光谱略有红移。干扰实验2+ 2+ 4表明除Cu 外,其它金属离子的存在对Hg 的检测并不干扰 。hv4三、荧光共振能量转移(FRET)机理 荧光共振能量转移是激发态时能量供体与受体通过远程偶极-偶极耦合作用,发生的非辐射能量转移过程,又称长距离能量转移。一般说来,能量供体的荧光发射位于短波长处,且其发射光谱与能量受体的吸收光谱要能重叠。描述荧6光共振能量转移有著

13、名的Forster方程:k = 1/t R / r , k 率 速 的 移 转 量 能 为 , t 为T D 0 T D没 能 有 受 量 条 体 下 件 供 量 能 的 体 光 荧 命 寿 , R 为 Forster 距 离 , r 为 量 能 移 转 率 效 为 50 % 时 的0离 距 的 间 体 受 与 体 供 离 距 的 间 体 受 与 体 供 为 , 见 可 此 有 。 , 共振能量转移的效率与以下三个因素有关:供体的发射光谱与受体的吸收光谱重叠程度,供体与受体间的距离和供体与受体的跃迁偶极的相对取向。FRET在生物分析中的荧光探针方面取得巨大的成功,主要利用共振能量转移与能量供体

14、受体间的距离有关这个因素,而且这在生物蛋白质、DNA 大分子上容易实现。但对于单分子传感器而言,能量受体与供体间常用柔性的非共轭化第 5 页 共 16 页 荧光分析法 课程论文 松 赵劲 200425135 学键连接,因此可以通过客体结合后引起分子构型变化,改变供体与受体间距离来进行 FRET传感。此外还可利用受体与供体的光谱重叠程度、跃迁偶极距的相对取向,以及供体的量子产率等影响因素进行荧光传感。 - 5受体分子 5是利用共振能量转移原理识别 F的传感器 。在四氢呋喃溶液中,以 294nm(三芳基硼的吸收带)激发,只观察到位于 670nm的卟啉的荧光发射峰而观测不到三芳基硼基团的荧光发射,说

15、明发生了从三芳基硼到卟啉的能量转2 3移过程。氟离子加入后与硼反应,使硼原子的杂化轨道由 sp 变为 sp,进而减弱了体系的p 共轭,阻断了能量转移的发生,于是产生两个新的荧光峰,分别位于356nm(三芳基硼的发射)和 692nm(卟啉的发射),而位于 670nm 处的荧光强度减弱,说明由三芳基硼到卟啉的能量转移被阻断。因此该体系可用于比值法检- 测氟离子。该受体能对 F 专一性识别,其它阴离子的加入不会引起受体分子的荧光光谱变化。 -图 4. 子 分 体 受 5 对 F 感 传 光 荧 的 5+分子6中,芘为能量供体,蒽-9-羧酸酯为能量受体,杯芳烃为Na的结合位点。在甲醇-四氢呋喃15:1

16、的混合溶剂中,可同时观察到芘和蒽-9-羧酸酯的荧光+发射。随着Na的加入,相对于芘的荧光发射,蒽-9-羧酸酯的荧光增强程度更大,+ 6说明Na的加入使芘与蒽-9-羧酸酯间的距离减小,能量转移效率提高 。OOR1R 1OR4 R O2OOR3OR 3OOEtR R 2 4OO6 第 6 页 共 16 页 荧光分析法 课程论文 松 赵劲 200425135受体分子 7未结合阴离子时存在从芘(能量供体)到 2,3-二吡咯-喹喔啉(能量受体)的共振能量转移,以 325nm(芘的吸收带)激发,观察到位于 495nm- 2-的 2,3-二吡咯-喹喔啉的强荧光发射峰。随着阴离子(F或 HPO )的加入,2,

17、3-4二吡咯-喹喔啉的荧光强度减弱,且其吸收光谱也发生变化,表明 FRET过程受到抑制。通过对比实验,发现跟单独的 2,3-二吡咯-喹喔啉相比,受体 7 通过 FRET7进行传感的灵敏度有所提高 。 l lll : 315365 nm FRETl lll : 495 nm7受体分子8利用结合前后供体的发射光谱与受体的吸收光谱重叠程度的不3+ 8 3+同,从而选择性进行Al 的传感 。分子中邻羟基苯基三唑自身不发荧光,与Al结合后荧光有所增强(尽管仍很弱),但其发射光谱与香豆素343的吸收光谱重叠程度大为增加,能量转移效率提高,达到信号放大之目的。在甲醇-水(1:1)3+的pH 5.0缓冲溶液中

18、,以350 nm光激发受体8(邻羟基苯基三唑的吸收峰),Al2+ 3+的加入使香豆素343的荧光增强7倍,检测限为50 nM,其它金属离子除Cu 和Fe使受体8荧光猝灭外,对测定无影响。8第 7 页 共 16 页 荧光分析法 课程论文 松 赵劲 200425135 四、激基缔合物(Excimer)机理 一些荧光团在激发态与另一相同/不同荧光团接近,往往能生成激基缔合物(如萘、蒽、芘等易于通过p -p 堆积作用形成激基缔合物),此时可观察到双重荧光。位于短波长处且具有振动结构的荧光为单体荧光,长波长无振动结构的荧光为激基缔合物荧光(图 5)。 A*+AA * A 激基缔合物excimer*图 5

19、. 与 体 单 芘 谱 光 光 荧 的 物 合 缔 基 激 激基缔合物的形成过程受扩散控制,因此单体浓度与溶剂粘度是缔合物形成- 5 - 1过程中的决定因素。当单体溶于烷烃溶剂且浓度低于 10 mol L 时,通常观测到的为单体荧光。若受体分子中有两相同的荧光团,其相对距离与受体和客体的结合有关,如受体分子结合上客体后,分子构型发生变化,促进激基缔合物的形成(图 6)或破坏了单体本身的激基缔合物结构,因此可通过单体与 excimer间的荧光强度比值来进行客体的识别。图 6. 成 形 的 物 合 缔 基 激 进 促 后 合 结 子 分 体 受 与 体 客2.2 基于 monomer/excime

20、r的阴离子识别与传感受体分子9以胍基为阴离子识别位点,芘为信号报告基团,在甲醇中,其只发射单体的荧光,随着焦磷酸根离子的加入,导致单体荧光猝灭和excimer荧光的形成和增强,原因在于焦磷酸根离子与受体发生自组装作用。其它阴离子无第 8 页 共 16 页 荧光分析法 课程论文 松 赵劲 200425135 9此现象,因而该受体可选择性地识别焦磷酸根离子 。9作为磷酸根离子传感器,受体10采用了与上例相反的传感模式。它采用钳型10结构 ,以酰胺键为识别位点,可选择性地识别磷酸根离子。在四氢呋喃中10发射双重荧光,长波长的excimer荧光被认为来自不同侧链的芘分子间的激发态相互作用。磷酸根离子的

21、加入与酰胺N-H氢键结合,改变了分子构型,使芘分子间距离增大,导致excimer荧光减弱,单体荧光增强。102.2 基于 monomer/excimer的阳离子识别与传感 2+识别Zn 的荧光传感器11巧妙地应用变构原理。在受体分子中,金属配体(-NH)与荧光团(芘基)处于六元环结构的稳定的平伏键构象结构中。未结合阳22+离子时分子的荧光主要为单体荧光;Zn 的加入,诱使-NH 采取直立键构象,2使11的构象发生翻转,荧光团芘也只能以直立键键方式分处上下两端,促进11 第 9 页 共 16 页 荧光分析法 课程论文 松 赵劲 200425135 2+ 2+excimer的形成,导致excime

22、r荧光增强,单体荧光猝灭。除了Zn ,Cd 的加入11也可诱使excimer荧光大幅增强 。与受体分子 11相反, 12在未结合阳离子时,分子中的两个芘基彼此靠近、2+重叠,主要发射 excimer长波长荧光,阳离子(Hg )与之配合后改变芘基的空间位置, 破坏之前的 exciemr结构,所以观测到受体分子单体荧光增强,而 excimer2+ 12荧光被猝灭。该受体对 Hg 的选择性很好,而对其他金属阳离子的响应很弱 。12五、扭转分子内电荷转移(TICT)机理 5.1分子内电荷转移(ICT) 扭转分子内电荷转移属于分子内电荷转移(ICT)的一部分,除了具有 ICT的光物理性质外还具有其本身独

23、特的荧光发射行为。所谓的分子内电荷转移,是指分子在激发态时发生分子内电子转移(ET),造成正负电荷的分离,形成分子内电荷转移态(既 ICT态)。分子内的电子转移和电荷转移态是常见的光物理现象,也是植物进行光合作用的必须过程。一般来说,发生电荷转移的分子应包含电子给体和电子受体,而且两者通过共轭p 键连接,p 键提供电子转移的通道。分子处于激发态为什么会发生电子转移而导致正负电荷分离呢?这是由分子激发态的性质决定的。首先,激发态的分子较基态具有更大的反应活性,体现图 7. 图 意 示 态 组 子 电 的 子 分 态 发 激 与 态 基 。 IP 能 离 电 示 表 , EA 能 和 亲 子 电

24、示 表 。 第 10 页 共 16 页 荧光分析法 课程论文 松 赵劲 200425135 在其氧化电位下降和还原电位提高(图 7),因此易于发生电子的得失,为电子转移提供条件。其次,当电子给体与电子受体位于分子内的共轭体系中时,无论是给体被激发或是受体被激发,都会诱导从电子给体到受体的电子转移过程(图8)。随着电子转移的进行,分子内会发生正负电荷的分离,表现为分子偶极距的增大。 图 8. 图 意 示 移 转 子 电 的 内 子 分 态 发 激 。 A 体 受 子 电 示 表 , D 体 给 子 电 示 表 。通过分子内电子转移,受体接受电子,给体提供电子,形成一种电荷分离态,+ - + -

25、D.A,它的电子结构会发生较大变化,与带有自由基 D、A 的基态分子电子3结构相似。例如胺上的 N原子为 sp 杂化,为金字塔构型,当其一个电子被激发2并失去时,N变为为 sp 杂化为平面三角形构型。处于激发态上的分子内电荷转移态分子是不稳定的,具有正负电荷复合趋向而回到基态,要是这个过程为辐射跃迁,就会伴随 CT荧光发射。分子电荷转移态的稳定性受外界环境的影响较大,凡是能稳定正负电荷分离的因素将会降低电荷转移态的能量,导致 CT荧光光谱红移(例如溶剂效应),反之则会导致 CT光谱蓝移。 5.2扭转分子内电荷转移(TICT) 对二甲氨基苯甲腈DMABN是第一个被深入考察的具有双重荧光的分子。L

26、ippert等于二十世纪五十年代末首次观测到 DMABN在极性溶剂中发射双重荧光,即位于短波长区的正常发射带和位于长波长区的“异常”发射带。两个光谱带具有强烈的溶剂和温度依赖性。在非极性溶剂中,仅显现出短波长荧光,为局部激发态Locally Excited State,LE发光;在极性溶剂中,观察到长波长荧光峰产生,为分子内电荷转移态Intramolecular Charge Transfer State,ICT发光。溶剂极性愈高,短波长荧光强度就愈低(图9)。 第 11 页 共 16 页 荧光分析法 课程论文 松 赵劲 200425135 图 9. 图 左 : 对 的 光 荧 重 双 有 具

27、 腈 甲 苯 基 氨 甲 二 DMABN ; 图 右 : DMABN 在谱 光 光 荧 的 中 剂 溶 性 极 同 不 , 1. 烷 己 正 , 2. 醚 丁 , 3. 醚 乙 , 4. 烷 丁 氯 , 5. 腈 乙Grabowski等提出的 TICT模型,认为 LE态为平面状,当 DMABN分子发生分子内电荷转移时,二甲氨基D平面绕氨氮原子与苯甲腈基芳环A之间的单o键扭转 90,形成分子内扭转电荷转移TICT态图 10,正负电荷达到最大分离程度,偶极矩由基态 6.6D 增加到 LE态的 9-10D,最终达到 CT态的 16D。LE和 TICT态分别产生短波长高波数和长波长低波数荧光。图 10

28、. TICT 图 意 示 射 发 光 荧 其 及 型 模N NN NN CC C C CNN N NNDMABN NMC5 JULCN CBQ MMD图 11. DMABN 的 LE 、 TICT 构 结 子 分 型 模TICT模型的重要实验依据是 DMABN的 LE模型分子 NMC5、 JULCN和 CT模型分子 CBQ、MMD图 11的稳态荧光光谱。在 NMC5和 JULCN分子中,氨氮原子被固定在苯环平面上,仅观察到 LE荧光;而在 CBQ和 MMD分子中,二甲氨基平面被固定与芳环平面垂直或因邻位甲基的空间位阻使其扭转而与芳环平面几乎垂直,仅观察到 CT荧光。由此阐明二甲氨基平面扭转是

29、CT荧光产生的必要条件。 第 12 页 共 16 页 荧光分析法 课程论文 松 赵劲 200425135 5.3基于 TICT机理的离子传感通过对 DMABN的研究发现,对二甲氨基苯甲酸、对二甲氨基苯乙酮、对二甲氨基苯甲醛等不同电子受体的分子都有双重荧光现象。丰富的取代基为设计双重荧光比例传感器提供了合成条件。受体分子 13以硫脲为阴离子识别位点,在-乙腈中发射典型的 ICT 双重荧光,阴离子如 AcO的加入,使 13的 CT荧光发射显著猝灭,但峰位置未发生改变,同时 LE荧光增强。荧光强度的变化可能源自13质子耦合电子转移机理,可通过 13的双重荧光强度之比,灵敏地检测阴离子 。13受体分子

30、 13与其它很多基于 ICT的离子识别类似,都是通过改变电子给体或电子受体的推拉电子能力影响分子内电荷过程来实现传感。而下面的受体 1414则利用 TICT机理对分子结构的敏感来进行离子识别 。未结合金属阳离子时,14 中的吡啶环可以绕其与氨氮原子之间的单键旋转,因此可以观察到双重荧光2+现象。随着金属离子(Zn )加入,吡啶环上的氮原子会参与金属配位,形成分子扭转结构,不利于 LE荧光发射而促进 TICT的长波长荧光发射。因此可以通-过比例荧光法检测阳离子。当形成 14-金属络合物后,如果再加入阴离子(OH)且其可以与吡啶环上的氮原子竞争与金属配位,使吡啶环重新恢复自由旋转状态,但加上阴离子的空间位阻效应,分子更趋向采取共平面结构,使其 LE荧光恢复。14 第 13 页 共 16 页 荧光分析法 课程论文 松 赵劲 200425135 六、激发态分子内质子转移(ESIPT)机理 含有分子内氢键的分子,光激发时其质子酸性提高,易于发生质子转移。可发生分子内激发态质子转移的物质一般含羟基或氨基,受光激发时,质子从