熒光染料發(fā)光及探針設計機理

1光誘導電子轉移（Photoinduced electron transfer，PET）

光誘導電子轉移是電子供體或電子受體在光激發(fā)后，激發(fā)態(tài)電子受體與電子供體發(fā)生電子轉移而導致的熒光猝滅現(xiàn)象（如圖1.1）。以光誘導電子轉移（Photoinduced electron transfer，PET）為機理的傳感器通常包括三個部分：熒光團，識別受體，鏈接基。熒光團通過電子轉移發(fā)射或關閉熒光，來實現(xiàn)信號表達。受體可以結合或者釋放識別客體。鏈接基將熒光團和受體鏈接到一起，同時又將二者隔離而形成熒光傳感器?；诠庹T導電子轉移設計的傳感器具有“開-關”熒光的功能，常用于識別客體誘導的“開-關”或“關-開”型的熒光傳感器。具體識別過程如下：在光激發(fā)下，熒光團基態(tài)電子躍遷到激發(fā)態(tài)軌道，同時，識別受體的電子躍遷至熒光團基態(tài)軌道。由于基態(tài)軌道被占，熒光團的激發(fā)態(tài)電子無法回到基態(tài)軌道，導致熒光淬滅。當識別受體與識別客體結合后，識別受體的供電子能力降低，熒光團的激發(fā)態(tài)電子躍遷回到基態(tài)軌道，熒光傳感器表現(xiàn)為熒光增強信號

年來，基于PET機制設計的熒光傳感器被廣泛的引用于重金屬離子、陰離子以及有機小分子的識別。Ramamurthy課題組以吖啶為熒光團，通過苯環(huán)連接識別受體DPA構筑了一個PET機制的熒光傳感器。DPA在為結合鋅離子時，發(fā)生PET導致傳感器熒光淬滅。當結合鋅離子后，PET被阻斷，傳感器發(fā)射出熒光，信號表達

2分子內電荷轉移（Intramolecular charge transfer，ICT）

在非苯芳烴中，由于d電子體系具有較大的分子偶極距，可以導致分子內電荷轉移（Intramolecular charge transfer，ICT）?；贗CT設計的熒光傳感的熒光團是一個具有強電子推拉的共軛體系，共軛體系的電子供體或者電子受體可以結合是被識別客體，在光激發(fā)后可以產生從電子供體到電子受體的分子內電子轉移（ICT）。當傳感器的受體結合被識別客體后，傳感器中的電子受體(供體)的拉電子（推電子）能力發(fā)生變化，共軛體系中的電子分布發(fā)生變化，前后形成不同的基態(tài)，進而發(fā)生吸收光譜、激發(fā)光譜以及熒光發(fā)射光譜波長向長波或短波方向移動（如圖1.6）。

Hua等人設計合成了以吩嗪為熒光團的熒光傳感器化合物1.當氰離子加入化合物1中，與化合物自身的烯烴鍵發(fā)生加成，導致烯烴一側的供電子能力發(fā)生改變，從而影響化合物1的分子內電荷轉移。化合物的熒光發(fā)射從720nm處藍移到630nm。熒光傳感器在識別氰離子的過程中通過對ICT的調控熒光信號發(fā)生了比率型的變化。

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3熒光共振能量轉移（Fluoresence resonance energytransfer,FRET）

熒光共振能量轉移（Fluoresence resonance energytransfer,FRET）是在兩個熒光團中，如果一個熒光團（Donor）的發(fā)射光譜與另一個熒光團(Acceptor)的吸收光譜重合，當它們的距離在一定范圍內（70-100Ao）就可以觀察到熒光能量轉移的過程。FRET過程容易受到很多因素影響，如光譜重疊程度、供體（Donor）和受體（Acceptor）之間的距離等。因此，設計一個良好的FRET熒光傳感器必須供體與受體的吸收光譜和發(fā)射光譜清晰可分辨且供體的發(fā)射光譜與受體吸收光譜重疊度較大，它們間的連接基團應具有剛性且距離合適，同時熒光供體與熒光受體的量子產量應接近并能使能量完美的傳遞。

近年來FRET熒光傳感器被廣泛應用在生物體內微量小分子的檢測中?；衔?和化合物3分別是檢測NO和HOCl的熒光傳感器，能量供體和能量受體分別是香豆素和羅丹明類熒光染料。在不加入識別客體時，不發(fā)生熒光共振能量轉移，發(fā)射出香豆素的熒光。在加入識別客體后，羅丹明的結構發(fā)生改變，其吸收光譜發(fā)生改變，熒光共振能量轉移過程被激活，整個熒光團發(fā)射出羅丹明的熒光。



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4激基締/復合物（excimer/exciplex ）

基于激基締/復合物設計的熒光傳感器通常有兩個多環(huán)芳烴熒光團組成，同時二者處于分子中合適的位置。當其中一個熒光團被激發(fā)后會和另一個熒光團形成激基締/復合物。激基締/復合物的發(fā)射峰取代了原有的發(fā)射峰，形成一個新的、強而寬、長波長無震動精細結構的熒光發(fā)射峰。激基締/復合物的形成關鍵是兩個熒光團間的距離，只有激發(fā)態(tài)基團與基態(tài)基團的距離約為3.5A時才可以形成激基締合物/激基復合物。通過加入識別客體來促進或者破壞激基締/復合物的形成來控制熒光傳感器的熒光信號的變化，從而獲取客體的識別信息。萘、芘、蒽等熒光團由于具有較長的激發(fā)單線態(tài)壽命，易形成激基締/復合物，常被用于此類熒光傳感器的設計。

Han等人設計合成了以芘為熒光基團的化合物4.化合物4在結合鋅離子時發(fā)出較弱的藍色熒光。在傳感體系中加入PPi后，PPi結合兩個鋅離子配合物拉近了熒光團間的距離，形成激基締合物，從而體系內發(fā)出的熒光發(fā)射改變，由原來較弱的藍色熒光變?yōu)檩^強的綠色熒光。



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5聚集誘導發(fā)光（Aggregation-induced emission，AIE）

通常情況下，熒光團在溶劑體系中發(fā)生聚集而導致熒光淬滅已經是眾所周知的現(xiàn)象。與之相反，一些在溶劑中不發(fā)光的分子在聚集狀態(tài)下可以發(fā)出較強的熒光，這一現(xiàn)象被稱為聚集誘導發(fā)光（Aggregation-inducedemission，AIE）。鑒于這種不尋常的熒光行為，AIE現(xiàn)象已經被成功用于設計靈敏度和選擇性熒光傳感器?？腕w分子可以通過靜電相互作用、配位相互作用、疏水性相互作用、空間位阻、特定的巰基反應或極性和粘度的影響來調節(jié)AIE分子的聚合，從而實現(xiàn)對客體分子識別信息的表達。

唐本忠等人以TPE為底物設計AIE熒光傳感器（化合物5）.化合物5包含兩個鳥嘌呤，可以很好的結合銀離子。化合物在銀離子和鳥嘌呤的協(xié)調作用誘導下發(fā)生聚集，發(fā)出較強的熒光，而其他離子不能引起TPE的聚集。



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6 C=N異構化（C=N isomerization）

C=N異構化可以導致分子熒光發(fā)生改變，這一現(xiàn)象最初被人們研究分子理化性質時發(fā)現(xiàn)。如圖1.6所示，沒有被固定C=N的化合物分子熒光較弱，而被固定C=N的化合物有很強的熒光，這是由于C=N的異構化而導致了它們之間熒光性能的差別?；谶@一假設，人們成功設計合成了通過客體分子控制C=N異構化的熒光傳感器。



圖1.6

基于這一現(xiàn)象，Lee等人設計了以香豆素類熒光團的化合物6.化合物6在未結合金屬離子時，由于C=N異構化沒有熒光發(fā)出。當加入鋅離子后，分子內的異構化被阻斷，發(fā)出強的熒光。化合物6在加入鎘，銅，鉛和汞等金屬離子后也能產生熒光的變化，這一現(xiàn)象從側面證明了分子內異構化對熒光的影響，但是也說明其特異選擇性不是很好。



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7激發(fā)態(tài)分子內質子轉移（Excited-stateintramolecular proton transfer，ESIPT）

激發(fā)態(tài)分子內質子轉移（Excited-state intramolecular protontransfer，ESIPT）是指當分子受光激發(fā)后，發(fā)生在激發(fā)態(tài)分子內部臨近的質子受體與質子受體間的質子轉移。ESIPT通常是羥基（氨基）的質子轉移到相鄰距離小于0.20Ao的羰基氧（亞胺氮）上，通過氫鍵作用形成一個五元環(huán)或六元環(huán)。一般具有ESIPT性質的分子的吸收光譜上與普通的分子沒有很大的區(qū)別，但是在熒光光譜中，它具有較大的斯托克位移。這一性質在分子識別過程中可以完美的避開吸收光譜與熒光光譜的重疊，降低對信號表達的影響，因此， ESIPT型分子可以作為很好的熒光團用于設計熒光傳感器。

許多ESIPT型分子，如2 -(2 ’- 羥基苯基) -苯并惡唑(HBO)，2 -(2’-羥基苯基)苯并噻唑(HBT)，1 - 氨基蒽醌(1-AAQ)和3 - 羥基黃酮(3HF)作為熒光團識別分子的過程已被廣泛的報道。Yang等人設計合成了以2 –(2’ - 羥基苯基)苯并噻唑(HBT)為熒光團的氟離子熒光傳感器(化合物7) .化合物7的水溶液中發(fā)藍色熒光，加入氟離子后，氟離子促進硅醚鍵斷裂，苯并噻唑骨架的氧負離子結合一個質子成為羥基，化合物7的苯并噻唑骨架自身的ESIPT被激活，體系內發(fā)出黃色熒光。

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