荧光

.1.1荧光探针的概述

荧光探针 (fluoresCentprobe)就是由一个连接体将荧光团和待测分子的接收基团连接在一起，随着待测分子的引入荧光会发生变化，通过荧光光谱的变化达到对待测分子识别的效果!’一3]。荧光探针将微观的化学变化转化成了宏观的光谱变化，是联系微观世界和宏观世界的桥梁。荧光探针通常由以下三个部分组成(图1.1):(1)接收基团(ReeePtor)，用来结合待测分子;(2)荧光团(Chrom叩her)，用来产生光信号，加入待测分子前后荧光信号会发生变化;(3)连接体(SpaCer)，用来连接荧光团和接收基团，在整个荧光探针中起着枢纽作用。通过改变连接体与接收基团和荧光团的作用方式，可以设计出各种机理不同的荧光探针附]。

目前荧光探针在分子识别中应用非常广泛，这是因为相对于其他检测手段荧光探针具有以下几个优点:(1)可以在不同的体系中识别，溶液中和界面上对分子识别的荧光信号都比较明显，通过光谱变化可以达到对分子识别的目的;(2)荧光探针的检测灵敏度高，可以在众多的分子离子中实现对某一种或某一个离子或分子的识别;‘3)

荧光探针对分子识别的检出限低，对一些阴离子，阳离子，中性小分子的最低检出限可以达到PPm级，可以应用于检测各种有危害性的离子或分子在环境中的存在浓度，对人类的健康有着重要的意义。荧光探针大部分都是含有共扼体系的有机小分子化合物，这是因为形成共辘双键的电子跃迁更容易吸收激发光，易于荧光的产生;同时其激发光的

波长大多处于近紫外区或者可见光区，发射光的波长大多处于可见光区，易于观测荧光光谱的变化16，7]。一般情况下，具有刚性结构的化合物通常发光能力较强，激发态的分子在势能曲线坐标上较小的范围内发生衰变，以辐射衰变为主(图12)。在荧光发射前是有一部分

能量被消耗的，因此发射光的能量要比吸收光的能量小，就是发射的荧光的特征波长要比紫外吸收光的特征波长长，可以认为是荧光发射的最大波长与紫外吸收的最大波长相比要发生红移，红移的大小用来衡量发射光与激发光能量差值的大小，这个差值称作斯托克斯位移 (Stokesshift)[8.9]。化合物的发光能力可以用荧光的量子产率来衡量，它是荧光发射的光子数与吸收的光子数的比值。由于在吸收光时，分子可以由基态跃迁到几个不同的激发态，而发射荧光时只有第一电子激发态的最低能级回到基态，所以荧光光谱通常只是呈现一个荧光光谱带，而不像吸收光谱那样有几个吸收带。

1阴离子探针的概述

阴离子在扛境生命体系中广泛存在，在生化过程中扮演着重要的角色。一方面，生物大分子间的相互作用都涉及到大量阴离子，并在生物质合成和能量转化过程中起着十分重要的作用[20];另一方面，人类的活动会给环境带来阴离子，其含量虽然常在PPm量级，但也会给环境带来污染影响人类的健康。因此建立灵敏、快速、高选择性的分析方法对于检测生命和环境体系中的阴离子具有重要的意义和潜在的应用前景。在众多检测方法中，荧光光一潜法由于其灵敏度高、操作简便及成本低等优点，被广泛应用于环境生命体系中离子的识别和检测I2v，28}。相对于阳离子，阴离子的体积较大、静电作用较弱，并且离子的几何形状、结构多样化，使得设计合成阴离子荧光探针比较复杂。阴离子探针的识别机理主要有以下三种类型:以氢键或静电作用键合阴离子的探针[29〕，含金属离子的阴离子探针创、3’〕，反应型的阴离子探针[32】。其中基于氢键作用的阴离子探针具有合成步骤简单，灵敏度高，成本较低等特点，因此被广泛应用于阴离子识别。在基于氢键作用的阴离子探针中，NH键是阴离子识别的活性位点之一，它能够与阴离子形成困一H…X)氢键，达到对阴离子识别的目的[33l

阴离子探针的分类

阴离子在自然界中存在广泛，识别阴离子的探针也多种多样。可以将阴离子探针分为三种类型来讨论:(l)卤素阴离子探针，包括氟离子探针，氯离子探针，澳离子探针和碘离子探针。(2)含氧阴离子探针，包括磷酸根离子探针，醋酸根离子探针，碳酸根离子探针，硫酸根离子探针，次氯酸根离子探针等。(3)其他阴离子探针，如氰根离子探针。下面分别介绍三类阴离子探针。

1卤素阴离子探针

卤素是一类重要的阴离子，卤素及其化合物的用途非常广泛，在自然界都以典型的盐类存在是成盐元素。例如，我们每天都要食用的食盐，主要就是由氯元素与钠元素组成的氯化物。卤素具有一定的毒性，如果人体摄入量超标会影响人类的健康，因此设计探针来检测生物体系和环境中的卤素离子具有很重要的作用。下面分别介绍氟离子、氯

离子、滨离子、碘离子的探针，其中氟离子探针研究的比较广泛，而且取得了一定的成就。

(1) 氟离子探针

由于环境中特别是水中的氟离子的含量对人类的健康至关重要，在我国欠发达地区氟骨病严重的危害着人类的健康，因此对氟离子的识别和传感得到了广泛的关注【34，3’〕。建立一套适合于普通人使用的饮用水中氟含量得测试方法，对于防止氟中毒具有重要的意义。相对于其它阴离子，氟离子具有半径小，电荷密度大的特点，很容易形成氢键或与金属离子键合形成化学键。主要介绍以下三种类型的氟离子探针的设计合成及其识别过程:氢键或静电作用键合氟离子的探针(大环酞胺类、基于眠基和基于2，4一二硝基苯膝的氟离子探针);含金属的氟离子探针;反应型的氟离子探针。基于氢键作用的氟离子探针大部分都

含有NH键，由于氟离子的电荷密度大、半径小能够与NH形成氢键，通过改变受体分子的共辘性使紫外吸收光谱发生红移，受体溶液颜色发生变化，实现对氟离子的识别。彭孝军等设计的含葱醒荧光团的阴离子比率显色探针[291基于分子内质子转移(图 1.5)，通过氟离子与分子内O…H氢键的竞争形成了F…H氢键，在乙睛溶液中，F一的加入引起紫外吸收和荧光光谱约100二的红移和很大比率的荧光响应，使分子共扼体系发生变化。随着氟离子量的增加发生脱质子作用，脱去的质子与氟离子作用形成F…H…F，脱去质子后分子内构成一个五元环形成一个大的共扼体系(图1.6)，紫外吸收光谱发生明显红移，最大吸收波长从39Onln红移到490nm，荧光强度增强，实现了对氟离子的选择性识别。

通过荧光比率信号对比发现受体分子虽然也可以与CH3COZ一和HZPO4一形成O…H氢键，但是O…H没有F…H的氢键强度大，因此对光谱的影响不大。而其他阴离子如HSO4一，Cl一和Br一不能与探针分子形成氢键，因此实现了对氟离子的选择性。

Eunjeong儿m等人设计了含葱醒基团的阴离子探针[36]，并且固载在硅氧乙烷上使之材料化(图1.7)。受体分子中含有两个NH在拨基的两侧，加入氟离子后两个N于1发生翻转后在同一侧，与氟离子形成H…F二H氢键，将氟离子包合在里面形成了一个分子内电子转移的通道，使电子转移消耗能量导致荧光强度的淬灭，实现了对氟离子的选择性识别。

(2)氯离子探针

cida’liaM.G.等人设计了探针lln’1，在邻菲哆琳上接了脉基，该探针对氯离子能选择性识别(图1.14)。在探针的乙睛溶液中加入C1一后在266nm和32Onm处的紫外吸收峰增强，但是没有发生光谱的红移，而加入其他阴离子如F一离子， 266nm和32OnLrn处的紫外吸收峰分别红移到27Onln和325nn:。

在探针分子中加入Cl一后探针分子荧光强度增强，而加入其他阴离子如F一，HZPO4一，AcO一等，体系荧光淬灭。这是由于F一，HZPO4一，AcO一等可以和探针分子中的NH形成氢键使分子是一个大的共扼体系可以发生分子内电子转移，导致荧光淬灭。因此该探针实现了对a一的选择性识别。