荧光化学传感器的研究与应用

第49卷第3期2013年6月兰州大学学报（自然科学版）JournalofLanzhouUniversity(NaturalSciences)Vol.49No.3Jun.2013文章编号:0455-2059(2013)03-0416-13荧光化学传感器的研究与应用韩庆鑫,石兆华,唐晓亮,刘伟生兰州大学化学化工学院,功能有机分子化学国家重点实验室,甘肃省有色金属化学与资源利用重点实验室,兰州730000摘要:通过对近几年荧光化学传感器在离子、分子的检测和识别、生物活性物质检测和细胞成像、近红外荧光分析和时间分辨检测、荧光化学传感器与磁共振成像以及纳米材料的结合等方面研究成果的归纳,分析和总结此类有机/稀土配合物荧光传感器的原理和制备方法,了解荧光传感器研究的前沿领域,为荧光化学传感器设计和应用提供新的思路.关键词:荧光传感器;时间分辨;近红外荧光;离子检测;细胞成像中图分类号:O614文献标识码:AAdvancedresearchintoandapplicationsforfluorescentchemosensorsHANQing-xin,SHIZhao-hua,TANGXiao-liang,LIUWei-shengCollegeofChemistryandChemicalEngineering,StateKeyLaboratoryofAppliedOrganicChemistry,KeyLaboratoryofNonferrousMetalsChemistryandResourcesUtilizationofGansuProvince,LanzhouUniversity,Lanzhou730000,ChinaAbstract:Adiscussionwasconductedontheprinciplesbehindthesekindsoforganic/lanthanidefluorescencesensorsthathavepotentialapplicationsinthedetectionofionsandneutralmolecules,biologicalimaging,near-infraredandtime-resolvedfluorescenceanalysis.Thiscanbeamajorbreakthroughwhencombinedwithmagneticresonanceimagingandnanotechnology.Itisnotmeanttobeacomprehensivereviewofthefieldbutrathertogivesomeflavourofthisfastgrowingareaofresearchandoffernewideasforthedesignandapplicationoffluorescentchemosensors.Keywords:fluorescentprobes;time-resolved;near-infrared;detectionandrecognition;biologicalimaging分子识别是超分子体系的基本功能之一[1],然而分子识别作为分子之间的相互作用,它所产生的微观变化需要借助特殊的工具才能转变成可被外界感知的信号.将分子之间的相互作用通过荧光信号传导出来的分子(包括小分子、配合物和它们的纳米颗粒等)被称荧光化学传感器,包括有机荧光分子传感器和稀土发光配合物荧光传感器.荧光分子传感器因其具有灵敏度高、选择性好、响应时间短等优越性得到科研工作者的广泛关注,它作为化学传感器和分子器件在生命科学、环境科学、材料科学等领域得以应用.稀土发光配合物荧光分析技术可消除短寿命的仪器产生各种散射光和来自样品、试剂等的背景荧光对测定的干扰,使得荧光测定准确度得到极大提高.近几年,已有许多关于荧光化学传感器的综述报道[2−23].荧光化学传感器的研究和应用取得了很大的进展,测试条件由有机溶剂转变为水溶液,检测范围由环境中的阴阳离子、小分子过渡到生物体内离子、小分子、生物大分子(如蛋白质、酶、核酸),甚至可以检测生物体内的某些过程[24].荧光传感器特别是基于化学反应型的荧光传感器的响应时间大大的缩短.本文通过对近几年荧光化学传感器在离子、分子的检测和识别,生物活性物质检测和细胞成像,近红外荧光和时间分辨检收稿日期:2013-04-17;修回日期:2013-05-21基金项目:高等学校博士学科点专项科研基金项目(20110211130002);中央高校基本科研业务费专项资金项目(LZUJBKY-2012-189)作者简介:刘伟生(1958−),男,山东临沂人,教授,博士研究生导师,e-mail:[e-mail],研究方向为稀土配位化学与功能材料化学,通信联系人.第3期韩庆鑫,等:荧光化学传感器的研究与应用417测,荧光传感器与磁共振成像以及纳米材料的结合等方面研究和应用的介绍,归纳、分析和总结此类有机分子荧光传感器和稀土配合物荧光传感器的原理及制备方法,促进了解荧光传感器研究的前沿领域,为荧光化学传感器设计和应用提供新的思路和文献支撑.1荧光化学传感器一般来说,荧光化学传感器[25−26]主要由三部分构成,即识别基团、连接臂和发光基团.识别基团是可以和检测底物特异性结合的基团,发光基团是发出光学信号的信息源,连接臂用以连接识别基团和发光基团.识别基团是一种由共价键结合的单元,其结构中的相关部分可以与被检测物质发生化学反应形成新的共价键,或者通过弱相互作用(如配位作用力、氢键、静电引力、范德华力、π-π堆积相互作用力、偶极偶极相互作用等)和不同的离子、小分子选择性地结合,形成两分子或多分子的超分子体系.识别基团的设计对荧光传感器的选择性起着非常重要的作用,决定着传感器的性质和性能.识别基团的广泛研究大大丰富了荧光传感器的种类,研究者可以方便地将性能优越的识别基团直接或间接地引入到自己的体系中,从而设计出新的荧光传感器.发光基团是发出光学信号的信息源,是将识别信息转换成荧光信号的报告器,如有机荧光团、稀土发光配合物等.发光基团的选择直接影响到识别信号的表达.一般而言,不同的荧光团具有不同的发射波长、荧光量子产率或Stoke’s位移.常见的有机荧光团有萘酰亚胺类[27]、罗丹明类[28]、香豆素类[29]、氟硼吡咯类[30]等;稀土发光配合物主要是铕(Eu)和铽(Tb)的羧酸、β-二酮或者大环多胺类配体的配合物[31].在探针设计时,可以根据实际检测的不同需要而选择不同类型的发光基团.连接臂是连接识别基团和发光基团的桥梁.受体识别底物后,连接臂把识别信息按照某种传递机制传递给发光基团,从而推动信号响应.传递机制(即识别原理)直接决定着信号的性能,从而影响整个识别事件的表达.相同的识别基团连接在不同的发光基团上,可能产生完全不同的选择性;相同的识别基团和发光基团通过不同的连接臂连接,也可能产生完全不同的选择性;相同的发光基团在不同环境中(溶剂、温度、pH值等)荧光性能也可能差别很大.值得一提的是,有些荧光传感器的发光基团和识别基团间也可以没有明显的连接基团.2荧光传感器的识别原理荧光传感器的识别原理在荧光传感器的设计中举足轻重,在此先讨论一下荧光传感器的识别原理.经典的有机荧光分子传感器的识别原理主要有以下几种:光诱导电子转移(Photoinducedelec-trontransfer,PET)、分子内电荷转移(Intramolecu-larchargetransfer,ICT)、荧光共振能量转移(Fluo-rescenceresonanceenergytransfer,FRET)、激发态分子内质子转移(Excited-stateintramolecularpro-tontransfer,ESIPT)等.近年来,聚集诱导发光AIE(Aggregation-inducedemission),C=N异构化等新的识别原理相继被报道[32−33].虽然新的识别原理没有传统识别机理研究得那么深入,应用也不及传统原理广泛,但是,新的识别原理的出现,为设计新颖的荧光传感器提供了新的指导.此外,稀土发光配合物作为发光基团也被广泛地应用于荧光传感器中,它们的机理与有机荧光分子传感器不同,后面会具体讨论.2.1光诱导电子转移(PET)PET是目前应用最广泛的荧光传感器识别原理[34].这一机理可以从前线轨道理论来进一步解释:以“turn-on”型荧光传感器为例(图1)[35],荧光图1基于PET机理的“turn-on”型荧光传感器原理图Figure1PETfluorescentchemosensorsandtheir“turn-on”sensingmechanism团受光激发后,电子由最高占有轨道(HOMO)跃迁至最低空轨道(LUMO)产生未配对电子;当受体未结合目标分子前,受体上富电子基团(电子给体)的HOMO轨道能级比较高,电子由电子给体的HOMO轨道转移至电子受体(激发态的荧光团)的HOMO轨道上;当激发态荧光团的HOMO轨道被成对电子占据后,LUMO轨道上的未成对电子不能重新回落到HOMO轨道上,使得荧光团的荧光被淬灭.然而,当荧光传感器的受体与目标检测物418兰州大学学报（自然科学版）第49卷络合后,电子给体的HOMO轨道能级被显著降低,使之能级比原电子受体(荧光团)的HOMO轨道能级低,光诱导电子转移导致的荧光淬灭途径被抑制,荧光传感器的荧光恢复.为了克服PET传感器背景荧光强、荧光增强不显著、易受重金属离子(如Hg2+)和顺磁金属离子(如Cu2+)淬灭的缺点,通过改变荧光团和连接臂的结构以及设计双光子激发的荧光传感器仍然是研究的热点[12].2.2分子内电荷转移(ICT)ICT荧光传感器的荧光团与受体是直接(共轭)相连的.在光激发下会产生从电子供体向受体的电荷转移,这种转移不是一个电子的转移过程,而是部分电子的转移过程(图2)[35].典型的ICT荧光传感器的作用原理为:荧光团上分别连有电子给体(推电子基团)和电子受体(吸电子基团),而且推电子基团或吸电子基团本身也会充当识别基团或者识别基团的一部分.当荧光分子被光照射激发后,会增加从电子给体向电子受体的电荷转移,发射出荧光;但是当识别基团和被检测物结合后,荧光团的电子推拉作用将受到影响,从而导致吸收和发射波长的变化(红移或蓝移),据此可以实现比率检测.当被检测物与识别基团结合后降低了荧光团的HOMO轨道,从而使得吸收或发射光谱蓝移.一般而言,与检测物结合前后,ICT荧光传感器的荧光强度变化不像PET传感器那么明显,但是其可以实现比率检测,从而大大降低检测误差,因此,ICT荧光传感器越来越受到关注,目前有大量的ICT探针已被报道.在实际的应用中,ICT和PET往往是一个竞争的过程[36].图2ICT荧光传感器一般原理示意图Figure1ICTfluorescentchemosensorsandtheirratio-metricsensingmechanisms2.3荧光共振能量转移(FRET)荧光共振能量转移是指在两个不同的荧光团中,如果一个荧光基团(供体分子D-F)的发射光谱与另一个荧光基团(受体分子A-F)的吸收光谱有一定的重叠,并且两个荧光基团之间的距离合适时,便可以观察到荧光能量从荧光供体D-F向荧光受体A-F转移的现象(图3)[35],即以前一种基团的激发波长激发,可以观察到后一个基团发射的荧光[37].如果受体A-F的荧光量子产率为零,则发生能量转移荧光淬灭;如果受体A-F也是一种荧光发射体,则发射出受体的荧光,并且形成次级荧光光谱的红移.一对荧光给体受体间要发生有效的能量转移以形成荧光共振能量转移,必须满足以下两个条件:1)能量供体D-F的发射光谱与能量受体A-F的吸收光谱必须有较好的重叠;2)受体分子和给体分子之间的距离一般为7∼10nm,而FRET的效率会随着两个分子间距离的延长而显著减弱.此外,对于合适的荧光供体D-F、受体A-F在量子产率、消光系数、水溶性、抗干扰能力等方面还有众多的要