荧光探针设计原理
荧光探针设计原理
荧光化学传感器是建立在光谱化学和化学波导与量测技术基础上的将分析对象的化学信息以荧光信号表达的传感装置。
其主要组成部件有三个（图L1） : :L识别结合基团（F ）,能选择性地与被分析物结合,并使传感器所处的化学环境发生改变。
这种结合可以通过配位键,氢键等作用实现。
2•信号报告基团（发色团f F）,把识别基团与被分析物结合引起的化学环境变化转变为容易观察到的输出信号。
信号报告基团起到了信息传输的作用,它把分子水平上发生的化学信息转换成能够为人感知（颜色变化）或仪器检测的信号（荧光等）。
3 •连接基团（S厂将信号报告基团和识别结合基团连接起来,根据设计的不同连接基团可有多种选择z—般用做连接基团的是亚甲基等短链烷基。
连接基团的合适与否将直接影响是否有输出信号的产生。
信号表达可以是荧光的增强或减弱、光谱的移动、荧光寿命的变化等。
图荧光探针的结构1.1.1荧光探针的一般设计原理（1）结合型荧光探针㈤sugnar space 囂船OutputAn alytesig nal图共价连接型荧光探针结合型荧光探针是利用化学共价键将识别基团和荧光基团连接起来的一类荧光探针，是比较常见的一类荧光探针。
该类探针通过对比加入分析物前后荧光强度的变化、光谱位置的移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，必须充分考虑下列三个方面的因素。
（a ）受体分子的荧光基团设计、合成:考虑到用于复杂环境体系的荧光检测，要求荧光基团要有强的荧光（高荧光量子产率,有利于提高检测的灵敏性）,Stokes位移要大（可有效消除常规荧光化合物如荧光素等具有的自猝灭现象）,荧光发射最好要在长波长区（最好位于500 nm以上,可避免复杂体系的常位于短波长区的背景荧光的干扰,另外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长传感器的使用寿命）。
（b）受体分子的识别基团：受体分子的识别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z多选择含氮、硫、磷杂环化合物作为识别分子。
荧光探针在生物传感器中的应用研究
荧光探针在生物传感器中的应用研究生物传感器是一种能够将生物成分转化为电信号的装置，利用生物成分的特异性，能够用来检测生物分子的存在和活性。
其中，荧光探针是生物传感器领域中常用的一种探针。
荧光探针可以通过荧光强度的变化来监测目标分子的浓度、特异性和空间分布等信息。
本文将会详细介绍荧光探针的工作原理，以及其在生物传感器中的应用研究进展。
一、荧光探针的工作原理荧光探针是一种可以发出荧光信号的分子，可以通过结构设计，实现特定的识别和信号放大功能，从而用于检测并定量分析特定的生物分子。
荧光探针的荧光发射强度受到多种因素的影响，例如环境温度、溶液 pH 值、离子强度等。
这些因素的变化都会影响荧光信号的强度和波长，从而影响荧光探针的检测灵敏度和特异性。
荧光探针的设计主要依据其工作原理。
其工作原理包括两个方面：第一，荧光探针与靶分子之间的特异性识别，这是实现高灵敏度和高特异性的关键。
第二，荧光探针与靶分子结合后会发生光化学反应或荧光共振能量转移等过程，导致荧光信号的变化。
二、荧光探针在生物传感器中的应用虽然许多荧光探针已经被广泛应用于生物传感领域，但生物分子的复杂性和多样性仍然对荧光探针的设计和应用提出了一些挑战。
以下是荧光探针在生物传感器中的应用研究进展的几个典型案例。
1. 荧光探针在生物标签上的应用生物标签是一种将荧光探针结合到所需要监测的靶分子上，用于定量或定性检测靶分子的方法。
由于靶分子的多样性，生物标签的设计和制备需要根据不同的靶分子结构特点进行调整。
目前，荧光探针在生物标签的应用主要包括：DNA/RNA中的荧光探针、细胞荧光探针和蛋白质荧光标记。
2. 荧光探针在病原体检测中的应用病原体的检测一直是生物传感器研究的主要领域之一。
荧光探针的出现不仅提高了检测病原体的检测灵敏度和特异性，同时也简化了检测过程。
例如，荧光共振能量转移（FRET）技术结合荧光探针可以实现快速、高灵敏度的单细胞病毒检测。
3. 荧光探针在人类疾病监测中的应用除了病原体检测，荧光探针还广泛应用于人类疾病监测领域。
荧光探针技术原理及应用
荧光探针技术原理及应用荧光探针技术是一种在生物、医学、环境等领域中广泛应用的分析技术，其原理是利用特定荧光物质（荧光探针）对目标物进行特异性的识别和检测。
荧光探针技术的原理主要包括激发、激发态寿命和荧光发射三个基本过程。
首先，通过合适的激发源，荧光探针被激发到激发态，从而产生激发态寿命。
接着，部分激发态的荧光探针经历非辐射转移回到基态，这个过程称为非辐射损失。
最后，剩余的激发态荧光探针会通过放射转移激发态能量，在发射光子过程中产生荧光。
荧光探针技术的应用非常广泛。
在生物学领域，荧光探针技术可用于细胞成像、分子诊断、蛋白质研究等方面。
例如，在细胞成像中，可以通过给目标物标记荧光探针来实现对细胞、细胞器以及生物分子的实时可视化；在分子诊断中，可以通过标记特定的荧光探针来检测特定的基因突变、DNA合成以及蛋白质表达水平等。
此外，荧光探针技术也被广泛应用于药物筛选、生物传感器、基因芯片等领域。
荧光探针技术的应用还扩展到医学领域。
例如，在肿瘤诊断与治疗中，可以设计特定的荧光探针来检测和定位肿瘤细胞，实现早期诊断和精确治疗；在药物输送和释放研究中，荧光探针可以作为载药系统的标记，用于追踪药物的分布和释放过程。
在环境领域，荧光探针技术可以用于监测和分析水体、土壤和大气中的污染物。
例如，可以设计针对特定污染物的荧光探针，通过检测目标物的荧光强度变化或荧光光谱变化来实现对污染物的高灵敏度检测和定量分析。
随着荧光探针技术的不断发展，也出现了许多新的应用领域。
例如，荧光探针技术可以应用于纳米材料表面的检测和修饰，用于纳米材料的生物传感、药物传递等方面；荧光探针技术还可以与其他分析技术相结合，例如质谱、红外光谱等，实现更加灵敏和准确的分析。
总的来说，荧光探针技术以其高灵敏度、高选择性和实时可视化的特点，在生物、医学、环境等领域发挥着重要的作用。
随着技术的不断发展和创新，相信荧光探针技术在更多领域中将发挥更大的应用潜力。
pcr荧光探针法原理
pcr荧光探针法原理PCR荧光探针法是一种常用的核酸分析技术，可以快速、高效地检测特定DNA序列的存在。
其原理基于PCR技术和荧光探针的特性。
首先，PCR(聚合酶链反应)是一种体外的DNA扩增技术，可以在短时间内扩增特定的DNA片段。
PCR需要一段目标DNA序列的两个引物，引物能够特异性地与目标DNA序列的两个端部相互补充，作为DNA复制的起始点。
在PCR过程中，通过一系列的温度变化来实现DNA的分离、引物的结合和扩增。
反应体系含有模板DNA、引物、四种核苷酸和聚合酶。
在适当的温度下，DNA双链解离为两条单链，形成可供扩增的单链模板。
然后，反应体系升温使引物与单链模板互补结合，形成DNA双链。
随后，反应体系再升温至合适的温度，使聚合酶在引物的引导下开始DNA的合成，形成新的DNA分子。
每个PCR循环包含多个温度变化阶段，使DNA的扩增指数级增加。
PCR荧光探针是一种特殊的寡聚核苷酸序列，分为引物、探针和信号生成物三个部分。
引物与目标DNA序列互补结合，探针结合在引物扩增产物的中间，并且包含一个荧光信号生成物。
在PCR过程中，当探针与目标DNA序列互补结合时，引物酶的活性会切割探针，释放出荧光信号。
荧光信号的强度与目标DNA序列的存在量成正比。
PCR荧光探针法可以通过检测荧光信号的强度来间接定量目标DNA序列的含量。
总结起来，PCR荧光探针法通过PCR技术的扩增作用和荧光探针的特殊设计，实现了对特定DNA序列的快速检测。
该方法具有高灵敏度、高特异性和高可靠性的特点，被广泛应用于基因表达分析、病原体检测和基因突变鉴定等领域。
荧光探针的设计与应用
荧光探针的设计与应用荧光探针是一种基于荧光原理的化学分析工具，广泛应用于生物医学、环境监测、食品安全等领域。
本文将介绍荧光探针的设计原理及其在不同领域中的应用。
一、荧光探针的设计原理荧光探针的设计要考虑到其结构与性能之间的关系。
通常，荧光探针由荧光基团和识别基团组成。
荧光基团是探针的发光中心，可以通过能量传递或电荷转移机制转换为荧光信号。
识别基团则是根据目标分子的特异性与之发生特定的相互作用，从而实现对目标分子的检测和测量。
荧光探针的设计过程需要深入了解目标分子的特性，并且通过合适的化学修饰来实现与目标分子的选择性结合。
二、荧光探针在生物医学中的应用1. 生物分子检测：荧光探针可以用于检测生物分子，如DNA、RNA和蛋白质等。
通过荧光探针与目标生物分子的特异性相互作用，可以实现生物分子的定量和定位分析，为疾病的诊断和治疗提供重要依据。
2. 细胞成像：荧光探针可被用于细胞成像，实现对细胞内特定生物分子的实时监测。
通过合理设计荧光探针的结构，可以实现对亚细胞结构和生物活动的高分辨率成像，为细胞生物学研究提供了有力工具。
3. 肿瘤生物标志物检测：荧光探针可以选择性地与肿瘤相关的生物标志物结合，从而实现肿瘤的早期诊断和治疗。
这对于提高肿瘤治疗效果和降低治疗副作用具有重要意义。
三、荧光探针在环境监测中的应用1. 水质污染检测：荧光探针可以用于检测水体中的有害物质，如重金属离子、有机污染物等。
通过荧光探针与目标物质之间的特异性相互作用，可以实现对水质污染状况的准确监测和评估。
2. 大气污染监测：荧光探针可以用于大气中有害气体的检测，如二氧化硫、甲醛等。
通过对荧光探针与目标气体反应后荧光信号的变化进行测量，可以实现对大气污染源的定量分析和排放监控。
四、荧光探针在食品安全中的应用1. 农药残留检测：荧光探针可以用于检测食品中的农药残留。
通过荧光探针与目标农药残留之间的特异性相互作用，可以实现对食品中农药残留水平的快速检测和准确分析。
荧光探针原理
荧光探针原理引言：荧光探针是一种被广泛应用于生物科学研究中的工具，它通过发射荧光信号来检测和定量分析生物分子的存在和活动。
荧光探针原理的理解对于正确应用和解读荧光实验结果至关重要。
本文将详细介绍荧光探针的工作原理及其在生物科学研究中的应用。
一、荧光的基本原理荧光是一种当物质受到激发后发出的可见光。
荧光现象的产生涉及到分子的能级跃迁过程。
当物质受到激发后，其内部的电子从基态跃迁到激发态。
随后，电子会通过非辐射跃迁回到低能级的激发态，释放出能量，产生荧光信号。
荧光信号的特征是具有一定的波长和强度。
二、荧光探针的构成荧光探针通常由两部分组成：荧光染料和连接基团。
荧光染料是荧光探针的核心组成部分，它能够吸收外界的激发光，并发射荧光信号。
连接基团则是将荧光染料固定在生物分子上的部分，使荧光染料能够与目标生物分子结合。
三、荧光探针的工作原理荧光探针的工作原理是基于荧光共振能量转移（FRET）现象。
FRET 是一种非辐射能量传递的过程，它能够在两个相互靠近的荧光染料之间传递能量。
在荧光探针中，荧光染料通常被设计成能够与目标生物分子结合，并被定位在目标分子的近旁。
当目标分子与荧光探针结合时，能量传递发生，导致荧光信号的发射强度发生变化。
通过测量荧光信号的强度变化，可以获得目标分子的定量信息。
四、荧光探针在生物科学研究中的应用荧光探针在生物科学研究中有着广泛的应用。
以下是一些常见的应用领域：1. 细胞成像：荧光探针可以标记细胞中的特定蛋白质或分子，从而实现对细胞的可视化观察和研究。
通过荧光探针，研究人员可以观察细胞内分子的分布、定位和相互作用等信息。
2. 蛋白质相互作用研究：荧光探针可以标记两个相互作用的蛋白质，通过检测荧光信号的强度变化，可以判断蛋白质之间的相互作用程度和动力学特性。
3. DNA和RNA分析：荧光探针可以与DNA或RNA结合，用于检测和定量分析DNA或RNA的存在和活动。
例如，荧光探针可以用于检测DNA的扩增反应、基因突变和序列特异性等。
分析化学中荧光探针的设计与应用研究
分析化学中荧光探针的设计与应用研究引言分析化学是一门研究物质成分和性质的学科，而荧光探针则是分析化学中的重要工具之一。
荧光探针通过发射荧光信号来检测、分析和定量物质。
本文将深入探讨荧光探针的设计和应用研究。
一、荧光探针的基本原理荧光探针的设计基于荧光现象，即物质受到激发后能够发射出特定波长的荧光。
荧光探针通常由两部分组成：荧光基团和靶向分子。
荧光基团是能够发射荧光的物质，而靶向分子则是与目标物质相互作用的部分。
二、荧光探针的设计策略1. 荧光基团的选择荧光基团的选择是荧光探针设计的关键。
常用的荧光基团包括有机染料、量子点和荧光蛋白等。
有机染料具有较高的荧光量子产率和较长的激发寿命，适用于生物样品的荧光探针设计。
量子点具有较窄的发射光谱和较高的荧光稳定性，适用于多色荧光探针的设计。
荧光蛋白则具有天然的荧光性质，适用于细胞和生物体内的研究。
2. 靶向分子的选择靶向分子的选择取决于目标物质的特异性。
靶向分子可以是抗体、核酸或小分子配体等。
抗体作为靶向分子具有高度的特异性和亲和性，适用于生物分子的检测和定量。
核酸可以通过互补配对与目标物质结合，适用于基因检测和分析。
小分子配体则可以与目标物质发生特异性的化学反应，适用于有机物的检测和分离。
三、荧光探针的应用研究1. 生物传感荧光探针在生物传感领域有着广泛的应用。
通过选择适当的荧光基团和靶向分子，可以实现对生物分子的高灵敏度和高选择性检测。
例如，利用荧光探针可以检测细胞内的离子浓度、蛋白质表达水平和代谢产物等，为生物学研究提供了有力的工具。
2. 环境监测荧光探针在环境监测中也有着重要的应用。
通过选择适当的荧光基团和靶向分子，可以实现对环境中有害物质的快速、准确的检测。
例如，利用荧光探针可以检测水中的重金属离子、空气中的有机污染物和土壤中的农药残留等，为环境保护提供了有力的手段。
3. 医学诊断荧光探针在医学诊断中也有着广泛的应用。
通过选择适当的荧光基团和靶向分子，可以实现对疾病标志物的敏感检测和定量分析。
荧光探针原理
荧光探针原理荧光探针是一种能够通过发射荧光信号来检测特定物质的工具，它在生物医学、环境监测、食品安全等领域有着广泛的应用。
荧光探针原理是指荧光探针分子与被检测物质相互作用后发生荧光信号的基本原理，下面将对荧光探针的原理进行详细介绍。
首先，荧光探针原理的核心是荧光分子的特性。
荧光分子是一类能够吸收特定波长的光能并在短时间内重新辐射出较长波长光的分子。
当荧光分子与被检测物质结合时，会发生构象变化或电荷转移等过程，导致荧光分子的荧光特性发生改变，从而产生荧光信号。
这种荧光信号的产生是荧光探针原理的基础。
其次，荧光探针原理的实现依赖于荧光探针分子与被检测物质的特异性相互作用。
荧光探针分子通常通过化学手段设计合成，具有特异性的结构和功能基团，能够与目标物质特异性地结合并产生荧光信号。
这种特异性相互作用是荧光探针原理能够实现目标检测的关键。
另外，荧光探针原理还包括荧光信号的检测与分析。
荧光信号的检测通常通过荧光光谱仪等设备进行，利用荧光分子在特定波长下的激发和发射特性来检测目标物质的存在和浓度。
同时，对荧光信号的分析也需要结合实际应用需求，通过建立荧光信号与被检测物质浓度之间的定量关系，实现对目标物质的准确检测与分析。
最后，荧光探针原理的应用具有广泛的前景。
随着生物医学、环境监测、食品安全等领域对快速、灵敏、特异的检测需求不断增加，荧光探针原理作为一种高效、可靠的检测手段将得到更广泛的应用。
同时，随着荧光探针分子设计合成技术的不断发展，将有更多新型荧光探针分子应用于实际检测中，为各个领域的检测与分析提供更多选择。
总之，荧光探针原理作为一种重要的检测手段，具有独特的优势和广阔的应用前景。
通过对荧光分子的特性、荧光探针分子与被检测物质的特异性相互作用、荧光信号的检测与分析以及应用前景的分析，可以更好地理解荧光探针原理的基本原理和意义，为其在实际应用中发挥更大的作用提供理论支持和技术指导。
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(2)分子内电荷转移(ICT)机理
分子内电荷转移荧光探针分子通常由富电子基团（电子给体）和缺电子基团（电子受体）共轭相连，形成推-拉作用的共轭体系，没有PET探针分子那样明显的连接基。也就是说荧光团F和受体R通常融合在一起，识别过程二者同时参与。当受体结合被分析物后，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，整个共轭体系的?电荷重新分布，荧光团的推-拉作用被抑制或强化，进而导致吸收光谱、激发光谱以致发射光谱发生红移或蓝移（如图1.11）[27]。
(置换型荧光探针
图1.4置换型荧光探针
利用该方法设计的荧光探针是通过识别基团分别与荧光指示剂和被分析物结合能力的强弱来实现对被分析物的检测。该类传感器对识别基团和荧光指示剂的要求都比较高，既要选择能和识别基团结合但结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别的识别基团。该类设计方法多用于阴离子传感器的设计。
化合物5[26]是较早应用化学反应原理实现检测客体的荧光探针，属于第二种类型。化合物5的乙腈溶液中加入汞离子后荧光显着增强(34倍)并红移，进一步用质谱检测发现生成了脱硫产物6。
图1.8基于汞脱硫原理的汞离子荧光探针
1.1.2荧光分子探针的响应机理
目前，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。
图1.6化学计量法的两种类型
一般而言，化学计量型荧光探针分子都具有专一性和不可逆性。尽管这类探针已有不少报道,但由于设计较为困难和反应不够灵敏等缺陷而进展较为缓慢。
图1.7氨基酸荧光分子探针
Kim和Hong等[25]设计的识别半胱氨酸及高半胱氨酸的荧光分子探针3，属于第一种类型。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应以及反应前后化合物3和4荧光性质的显着差异实现了对半胱氨酸及高半胱氨酸的高选择性检测。
图1.10光致电子转移机制机制的前线轨道理论解释。
化合物1是一个非常典型的PET机理荧光增强型的例子。锌离子不存在时，由于识别基团中氮原子上的孤对电子能够在荧光基团受激发态时占据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，导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，束缚了氮上的孤对电子，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．实验结果也证实了此过程。在乙腈溶液中，加入Zn2+离子之前，化合物1的荧光量子产率仅为0.01；加入Zn2+离子之后，它的荧光量子产率为0.77，荧光增强了77倍。
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HPO42-识别基团，并将二者自组装成化合物2，用于中性条件下水溶液中HPO42-的检测。加入识别客体HPO42-后，由于HPO42-与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。在识别过程中，溶液颜色从蓝色变为黄色，常见的Ac-、CO32-、NO3-、N3-、ClO4-、S2-、F-、Cl-、Br-都不影响HPO42-的检测，表现出较好的选择性。
(1)光诱导电子转移原理（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体系是由具有电子给予能力的识别基团R通过连接基团S和荧光基团相连组成的功能分子。
一般情况下，荧光分子探针的识别基团是电子给体，荧光基团是电子受体，并且通常情况下多采用含有氨基的基团作为识别基团。具体PET工作过程如下：在识别基团与待测物种结合之前，当荧光基团受激发，具有给电子能力的识别基团能够使其处于最高占据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，导致荧光基团的荧光猝灭。而识别基团与待测物种结合之后，由于降低了识别基团的给电子能力，光致电子转移过程被减弱或者不再发生，荧光基团的荧光发射得到恢复（如图1.9）。
2004年，Ono小组[31]设计了以荧光素为能量供体，以没有发射的荧光猝灭剂4-(4-二甲氨苯偶氮)苯甲酰基为受体，二者通过富含胸腺嘧啶的碱基连接在一起。当加入汞离子之前，供体受体之间的距离较长，二者不会发生能量共振转移，只发射荧光素的荧光；当加入识别客体Hg2+后，含有多个T的碱基发生特异性分子识别，拉近了荧光素和4-(4-二甲氨苯偶氮)苯甲酰基间的距离，发生荧光素向4-(4-二甲氨苯偶氮)苯甲酰基的能量转移，从而猝灭荧光素的荧光。
图1.9荧光分子光致电子转移的“开”“光”过程示意图。
由于与待测物种结合前后的荧光强度差别很大，呈现明显的“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机制可由前线轨道理论[2]来进一步说明（见图1.10）。从图可以看出，识别基团处于自由态时，其HOMO轨道上的电子可以向荧光基团的HOMO轨道上转移，致使荧光基团被激发到LUMO上的激发态电子不能返回基态而难以产生荧光，此过程对应于发生PET现象。在识别基团与待测物种结合后，识别基团上的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。由此可见，利用识别基团对PET过程的控制可以实现对体系荧光发射状态的调控。
图1.3共价连接型锌离子荧光探针
DeSilva在1997年报道的化合物1[22]是一个典型的共价连接法设计的荧光探针。它分别以有优良光学性质的蒽作为荧光基团，以对Zn2+有特异性识别的基团双(2-吡啶甲基)氨(DPA)为识别基团，通过亚甲基将识别基团和荧光报告基团连接在一起。通过对比加锌前后荧光强度的不同实现了对锌离子的检测。
荧光化学传感器是建立在光谱化学和化学波导与量测技术基础上的将分析对象的化学信息以荧光信号表达的传感装置。其主要组成部件有三个(图1．1)：1．识别结合基团(R)，能选择性地与被分析物结合，并使传感器所处的化学环境发生改变。这种结合可以通过配位键，氢键等作用实现。2．信号报告基团(发色团,F)，把识别基团与被分析物结合引起的化学环境变化转变为容易观察到的输出信号。信号报告基团起到了信息传输的作用，它把分子水平上发生的化学信息转换成能够为人感知(颜色变化)或仪器检测的信号(荧光等)。3．连接基团(S)，将信号报告基团和识别结合基团连接起来，根据设计的不同连接基团可有多种选择，一般用做连接基团的是亚甲基等短链烷基。连接基团的合适与否将直接影响是否有输出信号的产生。信号表达可以是荧光的增强或减弱、光谱的移动、荧光寿命的变化等。
图1.1荧光探针的结构
1.1.1荧光探针的一般设计原理
(1)结合型荧光探针[21]
图1.2共价连接型荧光探针
结合型荧光探针是利用化学共价键将识别基团和荧光基团连接起来的一类荧光探针，是比较常见的一类荧光探针。该类探针通过对比加入分析物前后荧光强度的变化、光谱位置的移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，必须充分考虑下列三个方面的因素。(a)受体分子的荧光基团设计、合成：考虑到用于复杂环境体系的荧光检测，要求荧光基团要有强的荧光（高荧光量子产率，有利于提高检测的灵敏性），Stokes位移要大（可有效消除常规荧光化合物如荧光素等具有的自猝灭现象），荧光发射最好要在长波长区（最好位于500nm以上，可避免复杂体系的常位于短波长区的背景荧光的干扰，另外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长传感器的使用寿命）。(b)受体分子的识别基团：受体分子的识别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，多选择含氮、硫、磷杂环化合物作为识别分子。(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接基将识别基团和荧光基团通过共价键连接在一起，要充分考虑到识别基团和荧光基团之间能通过连接基进行信号传递，对识别对象的识别信息（如荧光的增强或减弱、光谱的移动、荧光寿命的变化等）可以及时传递出去。
图1.5置换型HPO42-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识别客体之间特异不可逆的化学反应前后产生荧光信号的不同而对分析对象进行检测的一类探针[24]。主要包括两种类型：一类是目标离子和探针分子发生化学反应后仍旧通过共价键相连接:另一类是目标离子催化了一个化学反应（图1.6）。
(1.5)
式中R为两个荧光基团的距离，R0为F?rster距离(供体-受体之间的临界转移距离)。从这个方程可以看出，即使R的微小变化都会导致能量转移的效率强烈改变[24-26]。
图1.13具有D-A结构的FRET汞离子分子荧光探针
利用FRET效率对距离的强的依赖性，FRET广泛应用于蛋白质和核酸的结构及动力学研究、分子结合的测定等领域[30]。同样，能量共振转移原理也被用于荧光分子探针的设计。
图1.11识别基团分别为电子供体和电子受体的ICT过程光谱移动示意图
图1.12具有D-A结构的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)相距一定距离(一般为2-5nm)，且给体的发射光谱与受体的吸收光谱能有效重叠时，处于激发态的给体将把一部分或全部能量转移给受体，使接受体被激发的过程。受体可以是荧光物质也可以是只有吸收而没有发射的荧光猝灭剂。根据F?rster理论，共振能量转移效率可以用式1.5表示[29]: