2荧光探针设计原理.pdf

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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。
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1
图 1.3 共价连接型锌离子荧光探针 De Silva 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。 (2) 置换型荧光探针
（ PET, photo-induced electron transfer）、分 子内电荷 转移 （ ICT, intramolecular charge transfe）r 、荧光共振能量转移 （FRET, fluorescence resonance energy transfe）r 等。 (1) 光诱导电子转移原理（ PET）
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]
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Signalling subunit
Space
Binding subunit
Analyte
Output signal
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 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，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
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著 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。
5
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
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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。
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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。
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。
图 1.5 置换型 HPO42-化学传感器
(3) 化学计量型荧光探针（ chemodosimeter）
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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）。
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 缺陷而进展较为缓氨基酸荧光分子探针
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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 光性质的显著差异实现了对半胱氨酸及高半胱氨酸的高选择性检测。