我爱你你却爱着她王京杰论文(修改版)

2021年1月4日发(作者：霍士廉)
学校代码： 10126 学 号：01110002
分 类 号： 密 级：



本科毕业论文



阳离子荧光化学传感器近年来的发展



院 系： 化学化工学院
专业名称： 应用化学
年 级：2011 级
学生姓名： 王京杰
指导老师： 田福利 教授



2014年5月4日
内蒙古大学本科毕业论文(设计) 第 I 页
阳离子荧光化学传感器近年来的发展



摘要 < br>荧光传感器能够将分子识别的信息转换成荧光信号,荧光法在灵敏度、选择性、响应
时间和实时原 位检测等方面优势突出。实时检测被分析物的水平已引起包括化学家、生
物学家、临床生物化学家和环境 学家的极大兴趣。本文综述了荧光传感器在阳离子识别
检测中的分子设计、作用机理和应用效果,展望了 该领域的发展方向。

关键词
：荧光传感器；分子识别；分子设计；反应机理














内蒙古大学本科毕业论文(设计) 第 II 页
Fluorescent Sensors
Auther: Wang Jing Jie
Tutor: Tian Fuli

Abstract
Fluorescent sensors can transfer molecular recognition events into fluorescent signals. Of the
variouskinds of chemosensors ,fluorescent sensors offer distinct advantages in terms of
sensitivity , selectivity , response time and real-time in situ observation. Monitoring in
real-time and real-space the level of analytes is of great interest to many scientists ,including
chemists , biologists , clinical biochemists and environmentalists. In this paper , the molecular
design , mechanism and application of coumarin-basedfluorescent sensors for cations are
reviewed. The developing orientation for further researchis presented.

Keywords
: fluorescence sensor molecular recognition; molecular design mechanism



















内蒙古大学本科毕业论文(设计) 第 1 页
1 引言
化学、生物学和材料科学中至关重要的识别事件常发生在为人所不熟知 的微观世界里，
而这些识别事件的信号可通过分子器件以光的形式表达出来，本文所述荧光传感器 就
是一类能将分子识别事件通过荧光信号有效表达的分子
[1]
。它广泛应用于阳离子、 阴离
子和中性分子等被分析物的荧光识别检测。荧光检测法在灵敏度、选择性和实时原位检
测等 方面优势突出。
典型的荧光传感器一般是由荧光团(fluorophore) 通过连接基( spacer) 与受体
( receptor) 相连而成，已有文献报道的荧光团涉及荧光素类 、罗丹明类、菁染料、
BODIPY 类、萘酰亚胺和香豆素类等化合物。本文对荧光传感器在阳离子的 识别检测中
的分子设计、作用机理和应用效果进行了系统评述,展望了该领域的研发前景。

2 阳离子荧光传感器
金属离子、过渡金属离子的识别检测已引起包括化学家、 生物学家、和环境学家的
广泛关注。Fe
3+
在负责给身体器官和组织输送氧气的红 血球中是必不可少的元素；Zn
2+
、
Cu
2+
在痕量水平( < 1μmol·L - 1 )即可参与生物化学反应,而浓度过高将导致酶活动受阻
[2]
；H g
2+
、Cd
2+
、Ag
+
和Al
3+
对有机体是有毒的，提前检测他们在环境中的水平是非常
必要的。
最常见的阳离子 荧光传感器是由受体部分通过间隔基与荧光团相连而成的，其设
计原理
[3]
主要涉及 光诱导电子转移( photoinduced electron transfer，PET) 、分子内电荷转
移(intra-molecularcharge transfer，ICT) 、电子能量转移(electronic energy transfer，EET)
等。这里仅介绍应用较为广泛的PET、ICT 原理。在PET 传感器 中，具有电子给予能
力的受体能够将其处于最高能级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回原基态轨道,导致荧光团荧光猝灭。受体结合金属
离子后 ，其氧化还原电位升高致使相应的最高能级能量低于荧光团的能量，使得受体给
电子能力降低,PET 过程被禁阻而荧光恢复。在ICT 传感器中，荧光团的两边分别连有
吸电子基团和供电子基团(它们本身即可充当受体或受体的一部分) 形成―推-拉‖电子体
系,当客体与受体不同位置结合被光激发后，将引起电子云密度重新分布而发生较 大的偶
极矩变化，表现为荧光光谱的变化(红移或蓝移)。一般情况下,PET 传感器将引起阳离子
络合荧光增强,而ICT 传感器主要表现为光谱移动。此外，过渡金属离子经自旋轨道耦
内蒙古大学本科毕业论文(设计) 第 2 页
联、电子和能量转移会导致荧光猝灭，设计荧光增强的此类传感器难度较大。一个理想的阳离子荧光传感器设计应综合考虑诸多因素：化学与光稳定性，荧光选择性与识别敏
感性，检测与 传递快速，适合的溶解性等。

2.1 Fe
3+
荧光传感器
李宏达、李亮亮等人利用7-氨基-4-三氟甲基香豆素作为荧光基团通过双尿素作连接
体将其与双氮杂 18冠6连接产生一种新的荧光传感器
[4]
。在实验过程中需考虑Fe
3+
溶液
的强酸性和双氮杂18冠6存在的强碱性环境。得到的传感器分子（化合物1）结晶为三
斜 晶体，其一半分子为不对称结构，另一部分通过反演中心产生。在分子中两个香豆素
基团分别位于类似椅 型大环的对位且垂直于大环。
化合物1的空穴适合Fe
3+
的检测，在二氯甲烷中采 用激发光入
max
=456nm，随着加
入的Fe
3+
浓度的增加， 荧光强度逐渐减弱；当加入的Fe
3+
浓度达到120uM，荧光发射强
度达到饱和。 通过已经报道过的方法可计算出其检测限为0.31uM。Fe
3+
与化合物1之间
1 :1络合，络合常数达3.9×10
4
M
-1
。1与Fe
3+
络合后引起荧光猝灭，这可能是由于，当
Fe
3+
加入到溶液中时，由于Fe
3+
的缺电子性使得大环中的N原子上的孤电子对向金属离
子配位，从而阻断了其电子云向香 豆素部分转移，使得荧光猝灭。此外，当Fe
2+
存在时，
其只会引起很小的荧光响应 ，而不会干扰Fe
3+
的荧光检测。

O
O
NH
F
3
C
N
O
OO

图1 化合物1
OO
O
N
HN
O
O

CF
3
2.2 Zn
2+
荧光传感器

闫慧敏，李天荣等人利用香豆素衍生物合成了一种可以作为荧光开关型传感器（化
内蒙古大学本科毕业论文(设计) 第 3 页
合物2）用来检测Zn
2+[5]
。随着Zn
2+
的加 入，在THF中化合物2（结构如图2）在最大
发射波长534nm处其荧光强度逐渐增强且红移至53 8nm，当Zn
2+
浓度为5.0uM时荧光
强度达到最大，且荧光强度变为原来的1 9.5倍。这表明化合物2可以作为Zn
2+
的―开关‖
传感器。其机理可解释为带有 孤电子对的氮原子向锌配位阻止了其向香豆素基团的PET
过程，因此使得荧光增强。


N
N
HOOO
CH
3
图2 化合物2


2.3 Cu
2+
荧光传感器

赵秀文，张亚男等利用简单的席夫碱反应将具有荧光特性的功能基团香豆素的酰肼
化 合物与含有氮、氧配位点的识别基团吡啶醛相结合，设计合成了一种高选择性的 Cu
2+
荧光探针分子化合物3（如图3）
[6]
。在乙腈水溶液中化合物4 ( 10μmol·L
-1
) 在 307 nm
和 441 nm 处显示出较强的紫外吸收峰，向此溶液中逐滴加入 Cu
2+
( 1×10
-3
mol·L
-1
) 后，
紫外吸收峰强度逐渐减弱，并在355 nm和465 nm 处各出现了新的吸收峰。即化合物4
与铜离子配位后紫外吸收峰分别红移了45 nm 和24 nm， 荧光猝灭的同时伴有裸眼可见
的从黄绿色到橙黄色的颜色变化过程。紫外光谱的红移变化可能是由于化合 物4与Cu
2+
离子的配位使两个配体之间距离减小，体系的共轭程度增大造成的。由摩尔比率 的方法
可以计算出Cu
2+
与配体的配位比为1∶2。加入Cu
2+
使溶液荧光猝灭可解释为带有孤电
子对的氮原子向铜配位阻止了其向香豆素基团的PET过程。

内蒙古大学本科毕业论文(设计) 第 4 页
O
N
H
(Et)
2
N
O

图3 化合物3
N
N

O

三年后，闫凌云，宋桥等通过Cu< br>2+
与传感器的反应，以蒽的派生物为基础合成了一
种新的对Cu
2+
具有高选择性的化合物4（如图4）
[7]
。蒽的部分作为荧光团，其在450nm
左 右会有荧光发射信号，在401nm处出现了最大吸收波长，454nm处展现出最大发射
峰。在401 nm的激发波长下的乙腈溶液中化合物3与Cu
2+
加热时，在468nm出有很强
的 荧光增强被观测到。席夫碱部分作为识别单位用于检测Cu
2+
，其在Cu
2+
存在的条件下
基于PET机理会有很强的荧光增强被观测到。从核磁光谱研究中，随着Cu
2 +
的增加，
化合物3上的甲基呈现出稳定的高场移动趋势，这种向高场移动的趋势强有力的支持 了
化合物3上S原子向Cu
2+
配位。通过已有实验方法，化合物3与Cu
2 +
键合常数确定为
4.35×10
4
M
-1
，高键合常数表 明N原子和S原子提供了一个十分有效的识别单位用来选
择性的键合Cu
2+
。整个过 程机理如图5所示。

S
N


图4 化合物4


内蒙古大学本科毕业论文(设计) 第 5 页
S
PET
N
Cu
2+
S
NO PET
N
Cu
2+


图5


2.4 Cd
2+
荧光传感器
刘达英，齐静 等
[8]
人基于4-氨基-1，8-萘二甲酰亚胺设计并合成出了针对Cd
2+
的荧
光传感器（如图6）。λex=470nm时，在550nm处其展示了4-氨基-1，8萘二甲 酰亚胺
的特征发射带，是一个弱的绿色发射光。随着Cd
2+
的加入，在发射光谱中C d
2+
传感器的
荧光强度逐渐增强，直至放大24倍后不再变化，然而在Zn
2+
发射光谱中并没有发现没
有荧光发射强度的改变，这种结果表明传感器对Cd
2+
具有高选择性且有潜力作为大量
Zn
2+
存在时Cd
2+
的 定量检测。此外，工作曲线在Cd
2+
浓度分数为0.5达到最大值，表明
Cd
2+
与Cd
2+
传感器是以1：1的比率键和的。荧光成像实验在活细胞内被实施, 结果表明
Cd
2+
传感器达到了可以检测活细胞内的Cd
2+
的水准 。

内蒙古大学本科毕业论文(设计) 第 6 页
ONa
O
ONO
NH
ONa
O
NO
O
O
O
ONa


图6

2.5 Al
3+
荧光传感器
萘的一部分已经被证实可作为一种 理想的荧光团，在确定一些金属离子方面，萘的
相关衍生物也被作为一种高效的荧光探针被合成出来。刘 增晨，李艳霞等
[9]
人基于萘的
衍生物设计并合成出传感器L（如图7）。

对L与Al
3+
的紫外可见光谱表明，游离的传感器L在水溶液中显淡黄色，最大吸 收波
长在400nm到420nm之间，随着Al
3+
的加入，伴有黄光消失，在吸收 峰范围内其吸收
强度渐渐减少。同时，随着Al
3+
的加入，在310nm处吸收强度 线性的减少，并在L与
Al
3+
比例为1：1时达到饱和。在HEPES缓冲溶液中， 传感器L在380nm处展现出了很
弱的荧光性。加入各种金属离子，Al
3+
是唯一 一种可使L的荧光强度显著增强的金属离
子，并伴有10nm的红移，而在其他金属离子存在的条件下， 几乎没有荧光改变被观测
到，这种荧光表现表明在水溶液中传感器L对Al
3+
展现出 了高选择性，水溶性的传感器
L可被用来做Al
3+
的荧光探针。随着Al
3 +
浓度增加，HEPES缓冲液中L的荧光强度也相
应增强，这是由于L与Al
3+< br>之间的相互作用造成的，当Al
3+
与L等量时，其荧光强度达
内蒙古大学本科毕业论文(设计) 第 7 页
到饱和，可推测L与Al
3+
的配位比例为1：1。根据工作曲线图进行 理论计算缔合常数
为1.19x10
8
mol
-1
，当λex=32 0nm，HEPES缓冲液中，每一个样本的荧光发射被观测记录。
L与Al
3+
在每 个样本中的总浓度为1.0x10
-5
mol，在实验过程中，L与Al
3+
的浓度相应改
变，最终实验结果表明L-Al
3+
化合物以1：1的配比形成。根据1 HNMR光谱，通过H
化学位移信息确定L与Al
3+
配位的位置在三羟甲基甲胺的三 个羟基上。L对Al
3+
识别的
检测限用荧光光谱来进行测定，实验表明纯水中对Al
3+
的检测限1.0×10
-7
mol。

OH
OH
N
CH
OH
OH


图7

化合物L-Al
3+
的荧光机理如下图所示（图8）。Al
3+
作为电子受体，在L与Al
3+
配
位前，L上的电子转移到荧光 团上，这就导致了荧光猝灭。传感器L与Al
3+
发生作用后，
从受体到荧光团的PE T过程被阻断，荧光性处于打开状态。
H
O
O
N
O
HOH
H
N
H
O
O
O
H
OH
H
Al
3+
Al
3+


图8

2.6 Hg
2+
的荧光传感器
已经发现的用于检测Hg
2+
的荧光传感器，大部分都很复杂，耗时，成本高。因此合
内蒙古大学本科毕业论文(设计) 第 8 页
成Hg
2+
检测器引起了很多化学家的关注，同时，很多操作简单，高灵 敏度，低成本的检
测器都已被发现。但大都是基于荧光猝灭设计的，只有很少一部分是利用荧光增强设计
的。罗丹明B由于其具有较大的摩尔吸光系数，激发和发射波长较长和高量子产率等特
点，其可 以作为荧光基团来识别多种离子。马秋娟等人将罗丹明B与肼反应制得中间产
物，令其再与7-二乙胺基 -3-醛基香豆素反应制得荧光传感器分子（目标产物5）
[10]
。产
物5在H2
O：C
2
H
5
OH=1:1(v:v)，pH=7.24溶液 中对Hg
2+
有识别性，同时具有可逆性和可
实时测定的特点。随着Hg
2+
的加入化合物5的荧光强度逐渐增强，当Hg
2+
：化合物5
的比值超过1: 1时，荧光强度不再增高，在溶液中当Hg
2+
浓度达到20uM时可引起荧光
增强2 4倍，荧光量子产率为0.12。
这种阳离子传感机理是基于目标产物分子在闭环和开环之间 的一种结构转变。如果
没有阳离子，产物5将会以闭环的形式存在，且无荧光，颜色很弱。但当加入金属 阳离
子之后，这些化合物会经过可逆或不可逆的化学反应来经历相应的开环过程，导致有很
强的 荧光产生。有紫外吸收光谱的测定可以得出，在565nm处的吸收峰显著增强，这是
由于当Hg
2+
加入之后，Hg
2+
与化合物5结合使得环被打开。同时，由于香豆素基团中的
羰基参与到与Hg
2+
的配位中，使得其在459nm处的吸收峰消失。
N
O
O
S
N
N
N
O
CH
3
N
CH
3
H
3
C
H
3
C

图9 化合物5的闭环形式
内蒙古大学本科毕业论文(设计) 第 9 页
N
O
O
S
Hg
2+
N
NN
ON

图10 化合物5的开环形式
2.7 Ag
+
荧光传感器
黄珊珊，宋河等人利用二氯二乙胺和苯硒盐反应制得产物6（结构 式如下图）
[11]
。
产物6在H
2
O：C
2
H< br>5
OH=1:1(v:v)溶液中对Ag
+
有识别性并且通过抑制分子内的PE T过
程而使得6的荧光增强4倍。通过光谱性质实验研究表明产物6与Ag
+
之间1: 1结合，
结合常数为1.61×10
8
M
-1
，检测限为5.2×1 0
-8
M。Ag
+
使产物6荧光增强可以解释为未加
入Ag
+
时，氮原子的电子云向香豆素部分转移，加入Ag
+
之后，氮原子与羟基氧原子向< br>Ag
+
配位，使得氮原子上电子云密度降低，所以荧光增强。

HO
Se
Se
N
O
O


图11 化合物6


3总结与展望
荧光传感器仍是一个充满机遇和挑战的研究领域，它的应用有助于我们对生命体系
内蒙古大学本科毕业论文(设计) 第 10 页
的了解，有助于人们探索生命和化学领域的未知世界。它目前仍不失为一种灵敏度高、< br>选择性好、检出限低的微量分析技术。荧光传感器的设计的多样性和不可准确预测性，
仍激发着科 研工作者追求未知世界的兴趣，具体表现在以下几个方面：
虽然已有许多诸如被分析物诱导的罗丹明开 环等许多荧光传感器设计原则，但设计
合成更多具有良好光学性质，适用于生物环体境系的荧光传感器将 会是近期的研究热
点，在生物应用方面，需要更好地了解荧光传感器在生物体类的运输过程，提高设计的
功能导向型颇为重要。
配位在荧光传感器设计中仍具有重要意义，通过操控与荧光团和具有荧 光发射的金
属的配位手段，可以获得有用的信号。但是，荧光传感器的识别机理并不是很完美，PET，
ICT，FRET等广泛应用的机理在有些时候不够理想，如ICT机理中金属配位后应该有
吸 收和发射波长的位移，但许多ICT荧光传感器仅表现“turn-on”或“turn-off”响应而
没有波长的改变。通常顺磁金属如Cu
2+
和Fe
3+
对荧光是猝灭的，但 仍有针对它们的
“turn-on”型荧光传感器
[12]
，同时配位理论仍不能很好 的解释一些配合物的构型和电子
藕合状态
[13]
。具有发射的过渡金属配合物同有机 荧光团相比也有许多自己特别的地方，
但目前这类荧光传感器不是很多，所以基于过渡金属配合物的荧光 传感器的研究目前仍
有广阔的空间。
荧光传感器活体成像的应用使得近红外发射，双光子激发 以及水溶性良好的荧光传
感器得到青睐，此外，荧光成像与PET的结合增强了荧光传感器在生物医学领 域的前景。
虽然近红外荧光传感器在生物领域得到了快速的发展和广泛的应用，但其和可见光荧光
传感器相比仍处于初级阶段，面临着许多挑战，相对较高的最高占有轨道能级，使得基
于PET机理的 近红外荧光传感器设计非常困难
[14]
，因此设计具有灵敏的荧光转换机理
的近红外 荧光团得到了重视。提高现有荧光试机的荧光量子产率与近红外荧光团的长波
长发射即低背景干扰相结合 ，同时合成荧光团激发波长与激光光源相匹配，以获得最大
的荧光强度的荧光探针，也是未来近红外荧光 传感器的一个方向。
近10年以来,荧光传感器的研究正以令人鼓舞的速度发展，新型受体的设计与合 成
使得该类材料的应用领域不断拓宽。荧光探针由于其高灵敏性、选择性、操作简单已被
广泛应 用，在追踪相关离子方面被视为一种高效的方法并展现了其独特的潜在优势。国
外相关研究报道较多，而 国内则起步较晚。尽管部分产品已通过荧光成像技术用于活细
胞中离子和分子的识别检测，但真正商业化 还需进一步完善性能。今后,具有高灵敏度、
内蒙古大学本科毕业论文(设计) 第 11 页
高选择性、光稳定性好和溶解性可调等优点的荧光传感器的设计合成及应用研究仍是化< br>学家、环境学家和生物化学家关注的课题。此外，纳米技术、生物技术与超分子化学的
交叉融合， 也将给开发新型类荧光传感器带来新的启示。











参考文献
[1] De Silva A P , Gunaratne H Q N , Gunnlaugsson T, et al . . , 1997 , 97 : 1515
—1566

[2] Valeur B. Molecular Fluorescence : Principles and im: Wiley2VCH
Verlag GmbH , 2001. 273 —350

[3] 李亮亮. 基于香豆素荧光团的化学传感器的合成及其研究[J] . 延边大学

[4] Li Hongda ,Li Liangliang , Yin Bingzhu . Highly selective fluorescent chemosensor for
Fe
3+
detection based on diaza-18-crown-6 ether appended with dual nic
Chemistry Communications ,2014 , 42: 1-4


[5] Yan Mihui ,Li Tianrong ,Yang Zhengyin . A novel coumarin Schiff-base as a Zn(II) ion
fluorescent sensor .J .Inorganic Chemistry Communications ,2011 , 11: 463-465

[6] 赵秀 文,张亚男,何广杰等.基于香豆素酰肼的高选择性的铜离子荧光探针[J].发光学
报.2010,3 2

[7] Lingyun Yang, Qiao Song, Kevanie Damit-Og, Haishi sis and spectral
investigation of a Turn-On fluorescence sensor with highaffinity to Cu
2+
.Sensors and
Actuators B,2013,176:,181-185
内蒙古大学本科毕业论文(设计) 第 12 页

[8] Daying Liua, Jing Qia, Xiaoyan Liua, Zhigang Cuib, Hexi Changb, Jiatong Chenc,
Guangming Yanga,4-Amino-1,8-naphthalimide- based fluorescent Cd
2+
sensor with high
selectivity against Zn
2+
and its imaging in living s and Actuators B,2014,204:
655–658

[9] Zengchen Liua, Yanxia Lia, Yongjie Dinga, Zhengyin Yangb, Baodui Wangb, Yong
Lic,Tianrong Lib, Wen Luoa, Wenping Zhua, Jianping Xiea, Chunjie Wanga Water-soluble
and highly selective fluorescent sensor from naphtholaldehyde-tris derivate for aluminium ion
s and Actuators B,2014,197: 200–205

[10] Ma Qiujuan ,Zhang Xiaobing ,Zhao Xuhua ,et al .A highly selective fluorescent probe for
Hg
2+
based on a rhodamine-courmarin conjugate .J . Analytica Chemica Acta ,2010 ,663:
85-90

[11] Huang Shanshan ,Song He ,Yan Lu ,et al .Highly sensitive and selective fluorescent
chemosensor for Ag
+
based on a coumarin-SeN chelating conjugate .mm ,2011 ,
47: 2408-2410

[12] Bricks J K, Kovalchuk A, Trieflinger C,et al. On the development of sensor molecules
that display feiii-amplified fluorescence[J]. Journal of the American Chemical
Society,2005,127(39):13522-13529.

[13] Burress C N, Bodine M I, Elbjeirami O, et al. Enhancement of external spin-orbit.
Coupling effects caused by metal-metal cooperativity[J]. Inorganic Chemistry,2007,46(4):
1388-1395.

[14] Egawa T, Hanaoka K, Koide Y, et al. Development of a far-red to near- infrared
fluorescence probe for calcium ion and its application to multi-color neuronal imaging[J].
Journal of the American Chemical Society,2011,133(36):14157-14159.