《荧光分析法》课程论文赵劲松 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 16 页《荧光分析法》课程论文赵劲松 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：∆G = Eox − Ered − ∆E0,0 − C （Eox 和 Ered 分别为给体化合物和受体化 合物的氧化和还原电位，∆E0,0 为受激化合物跃迁能量，C 为常数），当∆G 为负值 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 PET 动力学过 程则有 Marcus 理论描述。

AB于图会发荧1.生光从团A.外两外来轨来基道基团之团向间的荧时H光便O团会M方发O向生轨的从道电荧介子光于转团荧移向光外。

团来HB基O.M团外O方来、向基L的U团M电的O子L轨转U道M移之O。

间轨时道便介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》课程论文赵劲松 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）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）。

hυ e−hυ' hυDDWeakly FluorescentStrongly Fluorescent图 2. 基于 PET 机理的荧光传感器模型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，以作为荧光团 的猝灭剂。

1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[1]。

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 分质子化，残留一个自由氨基作为荧光团蒽的猝灭剂。

当HPO42−的加入后，其羟 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》课程论文赵劲松 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 (HPO42−)。

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 断了PET的发生，荧光强度显著增强，可实现在水中识别HPO42−和AcO−，其与 HPO42−形成2:1的配合物[2]。

22.2 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。

3子图结3. 合受后体的分荧子光3与发金射属光离谱受体分子3是选择性识别Hg2+的PET传感器[3]。

萘酰亚胺是分子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》课程论文赵劲松 200425135刚性结构可增强与金属离子结合的选择性。

在pH=6.98的HCl-Tris缓冲溶液中受 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Zn2+、Cd2+、Ag+ 和Pb2+均能使3的荧光不同程度的增强(Φ/Φ0 < 3)，唯有Hg2+使其的荧光增强17倍， 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 溶性，可实现水相中Hg2+的选择性识别。

同样为选择性识别Hg2+的荧光传感器，受体4以荧光素为荧光团，同时在受 体中引入硫原子以增加与Hg2+的结合能力。

在pH = 7的缓冲溶液中，受体4存在 从苯胺到荧光素的PET过程，荧光量子产率仅为0.04。

随着Hg2+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 表明除Cu2+外，其它金属离子的存在对Hg2+的检测并不干扰[4]。

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＝ ， 为能量转移的速率， 为 光共振能量转移有著名的Forster方程：kT 1/τD (R0 / r)6 kTτD没有能量受体条件下能量供体的荧光寿命，R0为Forster距离，r为能量转移效率为50％时的供体与受体间的距离，为供体与受体间的距离。

有此可见，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》课程论文赵劲松 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。

受体分子 5 是利用共振能量转移原理识别 F−的传感器[5]。

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，说明发生了从三芳基硼到卟啉的能量转 移过程。

氟离子加入后与硼反应，使硼原子的杂化轨道由 sp2 变为 sp3，进而减弱 了体系的π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。

5图4. 受体分子5对F−的荧光传感分子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)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， 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[6]。