2荧光探针设计原理.doc

图荧光探针的构造荧光探针的一般设计原理(1) 联合型荧光探针[21]+SignallingSpaceBindingAnalyteOutputsubunitsubunitsignal图共价连结型荧光探针联合型荧光探针是利用化学共价键将鉴识基团和荧光基团连结起来的一类荧光探针，是比较常有的一类荧光探针该类探针经过比较加入分析物前后荧光强度的变化、光谱地点的挪动或荧光寿命的改变等实现对分析物的检测在该类荧光化学传感器的设计中，必定充分考虑以下三个方面的因素a)受体分子的荧光基团设计、合成：考虑到用于复杂环境系统的荧光检测，要求荧光基团要有强的荧光（高荧光量子产率，有利于提高检测的敏捷性），Stokes位移要大（可有效除去常例荧光化合物如荧光素等拥有的自猝灭现象），荧光发射最好要在长波长区（最好位于500nm以上，可防范复杂系统的常位于短波长区的背景荧光的搅乱，其余由于长波长区发射的荧光能量的降低可减少荧光漂白现象的发生而延伸传感器的使用寿命）b)受体分子的鉴识基团：受体分子的鉴识基团设计以软硬酸碱理论、配位作用以及超分子作用力（如氢键、范德华力等）作为理论指导，多项选择择含氮、硫、磷杂环化合物作为鉴识分子。

c)荧光超分子受体的组装：组装荧光超分子受体就是利用一个连结基将鉴识基团和荧光基团经过共价键连结在一同，要充分考虑到鉴识基团和荧光基团之间能通过连结基进行信号传达，对鉴识对象的鉴识信息（如荧光的增强或减弱、光谱的挪动、荧光寿命的变化等）可以及时传达出去NNN1图共价连结型锌离子荧光探针DeSilva在1997年报导的化合物1[22]是一个典型的共价连结法设计的荧光探针它分别以有优秀光学性质的蒽作为荧光基团，以对Zn2+有特异性识其余基团双(2-吡啶甲基)氨(DPA)为鉴识基团，经过亚甲基将鉴识基团和荧光报告基团连结在一同经过比较加锌前后荧光强度的不一样样实现了对锌离子的检测2) 置换型荧光探针图置换型荧光探针利用该方法设计的荧光探针是经过鉴识基团分别与荧光指示剂和被分析物联合能力的强弱来实现对被分析物的检测该类传感器对鉴识基团和荧光指示剂的要求都比较高，既要选择能和鉴识基团联合但联合能力又不是特别强的荧光指示剂，又要设计对被分析物能特异识其余鉴识基团该类设计方法多用于阴离子传感器的设计2002年，Kim小组[23]设计了邻苯二酚紫作为荧光指示剂，双锌配合物为2-鉴识基团，并将二者自组装成化合物2，用于中性条HPO4件下水溶液中2-的检测。

加入鉴识客体2-2-与HPO4HPO4后，由于HPO4双锌配位能力强于邻苯二酚紫，从而把邻苯二酚紫挤开，使之进入溶液，表现为其原来颜色在鉴识过程中，溶液颜色从蓝色变为黄-2---、ClO-2----都不影响色，常有的Ac、CO、NO、N、S、F、Cl、Br33342-HPO4的检测，表现出较好的选择性2-图置换型HPO4化学传感器(3) 化学计量型荧光探针（chemodosimeter）化学计量型荧光探针分子是利用探针分子与鉴识客体之间特异不可以逆的化学反响前后产生荧光信号的不一样样而对分析对象进行检测的一类探针[24]主要包括两各样类：一类是目标离子和探针分子发生化学反响后依旧经过共价键相连结:另一类是目标离子催化了一个化学反响（图）图化学计量法的两各样类一般而言，化学计量型荧光探针分子都拥有专一性和不可以逆性尽管这类探针已有好多报导,但由于设计较为困难和反响不够敏捷等弊端而进展较为缓慢34图氨基酸荧光分子探针Kim和Hong等[25]设计的鉴识半胱氨酸及高半胱氨酸的荧光分子探针3，属于第一各样类他们利用半胱氨酸及高半胱氨酸与醛生成五元噻唑环或六元噻嗪环的特异反响以及反响前后化合物3和4荧光性质的明显差异实现了对半胱氨酸及高半胱氨酸的高选择性检测。

化合物5[26]是较早应用化学反响原理实现检测客体的荧光探针，属于第二各样类化合物5的乙腈溶液中加入汞离子后荧光明显增强(34倍)并红移，进一步用质谱检测发现生成了脱硫产物656图鉴于汞脱硫原理的汞离子荧光探针荧光分子探针的响应机理当前，荧光分子探针的响应机理主要有以下几种：光致电子转移（ PET,photo-inducedelectrontransfer）、分子内电荷转移（ICT,intramolecularchargetransfer）、荧光共振能量转移（FRET,fluorescenceresonanceenergytransfer）等1) 光引诱电子转移原理（PET）光致电子转移是指电子给体或电子受体受光激发后，激发态的电子给体与电子受体之间发生电子转移的过程典型的光致电子转移荧光探针系统是由拥有电子赏赐能力的鉴识基团R经过连结基团S和荧光基团相连构成的功能分子一般情况下，荧光分子探针的鉴识基团是电子给体，荧光基团是电子受体，并且平常情况下多采用含有氨基的基团作为鉴识基团具体PET工作过程以下：在鉴识基团与待测物种联合以前，当荧光基团受激发，拥有给电子能力的鉴识基团可以使其处于最高据有轨道的电子转入激发态荧光团因电子激发而空出的电子轨道，使被光激发的电子无法直接跃迁到原基态轨道发射荧光，以致荧光基团的荧光猝灭。

而鉴识基团与待测物种联合今后，由于降低了鉴识基团的给电子能力，光致电子转移过程被减弱或许不再发生，荧光基团的荧光发射得到恢复（如图）PETPET荧光基团连结体鉴识基团荧光基团连结体鉴识基团(Recepter)(Fluorophore)(linker)(Recepter)(Fluorophore)(linker)hexchfluohexchfluo(a)(b)图荧光分子光致电子转移的“开”“光”过程表示图由于与待测物种联合前后的荧光强度差异很大，表现明显的“关”、“开”状态，因此这类荧光分子探针又被称为荧光分子开关PET荧光分子探针的作用系统可由前线轨道理论[2]来进一步说明（见图）从图可以看出，鉴识基团处于自由态时，其HOMO轨道上的电子可以向荧光基团的HOMO轨道上转移，以致荧光基团被激发到LUMO上的激发态电子不可以返回基态而难以产生荧光，此过程对应于发生PET现象在鉴识基团与待测物种联合后，鉴识基团上的HOMO电子已无法转移到荧光基团的HOMO轨道上，使PET过程无法进行，这时荧光基团的激发态电子可以返回基态，产生荧光因此可知，利用鉴识基团对PET过程的控制可以实现对系统荧光发射状态的调控。

荧光团联合受体前荧光团联合受体后图光致电子转移系统系统的前线轨道理论解说化合物1是一个特别典型的PET机理荧光增强型的例子锌离子不存在时，由于鉴识基团中氮原子上的孤对电子可以在荧光基团受激发态时据有激发态荧光团因电子激发而空出的电子轨道，使被光激发的电子无法直接跃迁到原基态轨道发射荧光，以致荧光基团的荧光猝灭，即发生了光致电子转移（PET）当Zn2+存在时，Zn2+离子与两个吡啶氮及氨基配位，拘束了氮上的孤对电子，使发生在氮原子和荧光团之间的PET过程被禁阻，荧光强度大幅度增强．实验结果也证明了此过程在乙腈溶液中，加入Zn2+离子以前，化合物1的荧光量子产率仅为；加入Zn2+离子今后，它的荧光量子产率为，荧光增强了77倍2) 分子内电荷转移(ICT)机理分子内电荷转移荧光探针分子平常由富电子基团（电子给体）和缺电子基团（电子受体）共轭相连，形成推-拉作用的共轭系统，没有PET探针分子那样明显的连结基也就是说荧光团F和受体R通常交融在一同，鉴识过程二者同时参加当受体联合被分析物后，作为受体的供电子部分或拉电子部分的供拉电子能力被改变，整个共轭系统的电荷从头分布，荧光团的推-拉作用被控制或增强，从而导致汲取光谱、激发光谱以致发射光谱发生红移或蓝移（如图）[27]。

化合物7[28]两头分别含有羰基、苯并噻唑两个强拉电子基和两个氨基强供电子基团，激态时荧光团可以有效地实现了从供体到受体的整个系统电荷分别，是典型的ICT机理的荧光分子探针当汞离子存在时，四氨基鉴识基团捕获Hg2+离子,6,7位氮的供电子能力大大减弱，减弱了整个系统电荷分别程度，惹起汲取波谱和荧光光谱分别蓝移了60nm和92nm，荧光颜色由蓝色变为黄色，同时实现了比色及比率型Hg2+离子的检测图鉴识基团分别为电子供体和电子受体的ICT过程光谱挪动示妄图78图拥有D-A构造的ICT汞离子荧光探针(3) 荧光共振能量转移(FRET)机理荧光共振能量转移是指当一对合适的能量给体分子(Donor)和受体分子(Acceptor)相距必定距离(一般为2-5nm)，且给体的发射光谱与受体的汲取光谱能有效重叠时，处于激发态的给体。