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荧光化学传感器的产生、发展及应用

发布时间:2019-04-20 10:51所属分类:科技论文浏览:1

摘要:简要介绍荧光化学传感器的产生、发展及应用。详细介绍了:(1)新型荧光探针和荧光化学传感器的合成及在分析分离科学中的应用;(2)新型荧光化学传感器和荧光探针的合成及在医药学中的应用;(3)新型荧光化学传感器和荧光探针的合成及在环境科学中的应用。并对

  摘要:简要介绍荧光化学传感器的产生、发展及应用。详细介绍了:(1)新型荧光探针和荧光化学传感器的合成及在分析分离科学中的应用;(2)新型荧光化学传感器和荧光探针的合成及在医药学中的应用;(3)新型荧光化学传感器和荧光探针的合成及在环境科学中的应用。并对荧光化学传感器科学的发展进行了展望。

  关键词:荧光化学,传感器,应用

广州化学

  传感器是指利用某一种或某一类分子的特殊物理或化学性质对被测物质进行检测的器件。而荧光化学传感器是基于传感器分子与目标分子作用引起传感器分子产生物理或化学变化而达到检测目的的一种方法。即荧光化学传感器是利用被测物与某种荧光分子或材料之间的特定的相互作用引发荧光强度的增加或降低,或者是所发射的荧光波长的变化来实现对被测物质的检测与信号的传递。

  一般可用作荧光传感器的材料有稠环类芳烃类化合物、分子内共轭的电荷转移化合物、金属离子发光体系等。荧光探针则是这种物质利用其自身荧光或者与荧光物质作用后,物质的荧光性质发生变化,来研究二者作用情况的物质。即荧光探针是荧光化学传感器上的一个部件,是主要起检测作用的那个部件。

  荧光分子传感器作为分析化学进行分析测试的新兴手段,因其具有灵敏度高、方便快捷、选择性好、能实时在线检测、响应时间短、准确度高等优点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21世纪的热点学科如生命科学、材料科学、环境科学、能源科学、纳米科学、信息科学等领域已得到应用;而且在工业生产、化工科技、生物科学、临床医学、催化科学、环境监测、工厂的自动化控制及科学研究等诸多方面也彰显出广阔的应用前景。特别是稀土发光配合物的荧光分析技术可消除短寿命的仪器产生的各种散射光和来自样品、试剂等背景荧光对检测的干扰,从而使得荧光化学测定准确度得到极大的提高。

  近年来,荧光化学传感器的研究和应用已取得了重大进展,其测试条件由有机溶剂已转变为水溶液,其检测范围由环境中的阴离子、小分子已过渡到生物体内的离子、小分子、生物大分子(如蛋白质、酶、核酸等),甚至可以检测到生物体内的某些变化过程。由于荧光传感器特别是基于化学类型的荧光化学传感器的响应时间的大大缩短,有人预言:“它的出现将不可避免的引发实验室及程序控制仪器的又一场新的技术革命”。目前,荧光化学传感器已成为一门新兴的热门边缘学科———荧光化学传感器科学。

  1新型荧光化学传感器和荧光探针的合成及在分析分离科学中的应用

  1.1丹磺酰胺类受体荧光化学传感器的合成及金属离子识别方面的应用

  研究表明,由于阳离子在生物体中起着至关重要的生理作用,因而阳离子识别和传输已受到人们的广泛关注[1]。在寻找性能优良的阳离子传感器的过程中,双响应化学传感器由于其独特的功能而备受青睐[2]。目前已经报道的阳离子双响应化学传感器都是由于其在相同的媒介中对不同的阳离子产生不同的颜色或者是荧光。

  为此,宁波大学的何璐燕等人首先合成了丹磺酰胺类受体荧光探针,并发现溶剂(乙腈和水)的改变同样可以调节传感器对不同阳离子的识别行为。实验结果表明,该探针可以通过改变溶剂而达到选择性识别铜离子和银离子的目的[3]。该研究将在分析分离科学、环境科学、生命科学的研究中得到应用。

  1.2芳乙烯基型探针

  2-(2'-羟基苯乙烯基)萘啶的合成及分析分离科学中的应用荧光探针是建立在分子识别基础上的人工光学器件。单分子多目标识别探针[4]具有结构简单、制备成本低廉、识别方式多样、检测性能优越、操作条件易于控制等突出特点[5]。

  为此,贵州大学的李钊等人采用微波反应,由2-甲基萘啶与水杨醛缩合,制备了2-(2'-羟基苯乙烯基)萘啶(探针A),该探针A分子中的羟基和氮原子提供了与金属离子、阴离子的作用位点;配合物的形成增大了分子的共轭和刚性结构,并产生显著的荧光和吸收光谱信息变化,因而具备了探针的基本特征。他们通过控制不同溶剂或溶剂比,采用荧光猝灭、比率荧光方法,选择性识别多种目标离子。

  他们发现,探针A(10μM,DMF/H2O,V/V,19/1)溶液在375nm波长激发下发射475nm荧光。当分别加入200μM的Hg2+、Ag+、Li+、Na+、K+、Mg2+、Ca2+、Ba2+、Sr2+、Zn2+、Al3+、Co2+、Ni2+、Cu2+、Pb2+、Cd2+、La3+,仅有Hg2+使探针在475nm处的荧光显著降低,Ag+使探针的荧光有微弱降低。探针对Hg2+荧光猝灭识别且不受上述其它金属离子共存影响。

  他们还发现,探针A(20μM,CH3CN)溶液在355nm激发下发射460nm荧光,分别加入400μM阴离子F-、AcO-、HSO4-、H2PO4-、PF6-、ClO4-、Cl-、Br-、I-、NO3-后,仅有F-使探针在460nm处的荧光强度显著降低,且呈现浅粉红色荧光。在650nm处出现新的荧光峰,在460nm与650nm处形成比率荧光,而探针对F-有选择性的识别作用,其识别是基于氢键作用[6]。

  该研究将在环境科学、分析分离科学及生命科学的研究中得到应用。1.32-[2-羟基-5-(4-硝基偶氮苯)苯乙烯基]-8-羟基喹啉探针的合成及应用阴离子探针的设计受阴离子的电荷/半径比、几何结构、空间效应、pH敏感、溶剂化作用等影响较大,相对于阳离子而言,阴离子探针的设计需要考虑更多的影响因素[7]。

  与其它阴离子相比较,F-能与探针分子中的氨基、羟基、酰氨基等形成较强的氢键。在有机溶剂中,F-的引入就会引起探针发生明显的颜色变化,而对于F-的检测往往伴随着AcO-的干扰,因此,研究选择性更好的阴离子探针或能同时实现对多种离子的选择性识别作用显得尤为重要[8]。为此,贵州大学的吴玉田等人用8-羟基-2-甲基喹啉和2-羟基-5-(4-硝基偶氮苯)苯甲醛,通过Knoevenagel缩合反应,合成了2-[2-羟基-5-(4-硝基偶氮苯)苯乙烯基]-8-羟基喹啉,其为一种大共轭偶氮结构的比色探针。他们通过控制不同溶剂介质,在近红外波长下该探针不仅能选择性识别F-、AcO-,而且还能对pH值、H2O有敏锐的比色识别性能,故可简便、快速地应用于上述离子、分子的目视检测[9]。

  该研究将在生命科学、分析分离科学及环境科学的研究中得到应用。1.4喹唑啉-4(3H)-酮的烯胺酮型荧光探针对Pd2+的荧光识别近年来,金属离子荧光探针的合成及应用已是分析分离科学中的一个热点[10-11],为此,渤海大学的丁双丽等人以2-(2-羟基-5-甲基苯基)喹唑啉-4(3H)-酮为原料,合成了一种喹唑啉-4(3H)-酮的烯胺酮型荧光探针(QA),并表征了其结构。

  他们的研究表明,探针QA具有较好的水溶性,在磷酸盐缓冲液(PBS缓冲液)10mM中、pH=7.4的条件下对Pd2+呈现高度的选择性,这是因为Pd2+可引起QA的荧光猝灭,而其它金属离子则不能造成探针QA荧光强度的显著变化。该识别过程几乎不受其它共存的金属离子干扰,且具有响应快速、灵敏度高的优点,故其可以用于MCF-7(人乳腺癌细胞系的缩写)细胞成像以及实际水样中Pd2+的检测[12]。该研究将在分析分离科学、环境科学、生物化学的研究中得到应用。

  2新型荧光化学传感器和荧光探针的合成及医药学中的应用

  2.1一种新型快速、高选择性检测

  ClO-的rhodol荧光探针的合成及应用ClO-在日常生活中具有广泛的用途,如用于清洁、消毒、漂白等。同时作为一种活性氧,ClO-也存在于人体内,是免疫系统中一种重要的抗菌试剂,是生物体免疫系统最关键的活性氧物种。但是,生物体中ClO-过量累积会导致人体产生氧化应激从而引起某些疾病,如关节炎、癌症、神经衰弱等[13-14]。

  因此,对ClO-的检测不但具有重要的现实意义,而且对探索次氯酸根在免疫系统中的作用机制方面具有重要的科学意义。基于荧光探针光学信号响应的光谱检测法具有响应快、成本低、灵敏度高等优势,从而被广泛用于各种阴、阳离子的分析检测中。因此,各类荧光探针的设计合成已成为当前光谱检测法的研究热点领域。为此,哈尔滨工业大学王庆等人以rhodol为荧光母体连接邻羟基苯胺,设计出具有聚对苯二甲酸乙二酯(PET)机制的荧光探针1,并利用ClO-的强氧化性原理,将探针1的羟基苯胺被氧化脱去,恢复rhodol的荧光,从而达到快速、高选择性检测ClO-的目的[15]。该研究将在生命科学、环境科学、生物学、医学及分析分离科学中得到应用。

  2.2光诱导电子转移机制的次氯酸荧光探针的设计合成及应用

  由于生物活性氧化物小分子在生理和病理方面具有重要作用[16],其浓度水平反映了细胞的生理病理状态,其中次氯酸根对身体健康具有很重要的作用,但是过量的次氯酸会引起各种组织损伤和疾病包括心血管疾病和肺损伤等[17]。由于荧光探针具有选择性好和灵敏度高及实时检测等优点,用做细胞内的次氯酸的检测。为此,哈尔滨工业大学的梁丽娟等人设计合成了荧光探针含氮硫杂稠环衍生物(PTZ-AO),并实现了其对细胞内次氯酸含量水平的检测[18]。该研究将在医学、生命科学、环境科学及分析分离科学中得到应用。

  3新型荧光化学传感器和荧光探针的合成及在环境科学中的应用

  3.1汞离子近红外比率荧光探针的设计合成及应用

  汞是环境中最为普遍的有毒金属之一,很容易透过生物膜中毒,例如:皮肤、呼吸粘膜和肠胃粘膜[19]。近年来,研究者们根据不同的分子识别机理设计了许多检测金属汞离子的荧光分子探针,但这些荧光分子探针存在一些局限性,因此设计更多性能良好的分子探针是非常必要的。为此,天津理工大学的焦晓洁等人根据分子荧光传感和分子识别的基本原理,在已有染料结构[20]的基础上加以修饰,故他们设计合成了比率型的汞离子荧光探针含氧稠杂环衍生物(L),并对其识别性能进行研究。他们的研究表明,化合物L能够作为选择性的裸眼识别汞离子的比率荧光探针[21]。该研究将在环境科学、生命科学、医药学及分析分离科学的研究中得到应用。

  3.2香豆素衍生物荧光探针的设计合成及应用

  由于阴离子在生物、环境及工业生产中发挥着重要的作用,因而阴离子传感器的研究备受人们关注[22-23]。其中氰根阴离子广泛用于电镀、塑料制造、黄金和白银的提取、制革、冶金,但由于其对生物体具有高毒性,故研究出迅速的、高选择性、高灵敏度检测CN-的传感器显得尤为重要。为此,西北师范大学的冷艳丽等人合成了大量以经典萘环、香豆素、罗丹明等大π键体系的化合物作为荧光基团,用氢键的非共价作用及C=C与C=N双键的亲核加成反应有效地识别CN-的传感器分子。

  另外他们还研究了CN-传感器工作的一部分内容,并设计合成了一些香豆素衍生物受体,该受体分子可以选择性地识别氰根离子而不受其它离子(F-、Cl-、Br-、I-、AcO-、H2PO4-、HSO4-、ClO4-、SCN-)的干扰。他们还通过多种手段研究了识别机理是氰根离子加成到C=N双键上,且发生了分子内电荷转移(ICT)过程,故产生了蓝色荧光。他们通过计算得到的最低检测限是7.72×10-8M,这表明了其对氰根检测的高灵敏度。他们还发现,该受体分子与氰根的反应在60s内完成,这说明其对氰根的检测可快速进行[24]。该研究将在环境科学、生命科学及分析分离科学的研究中得到应用。

  4结语

  综上所述,由于荧光传感器在分析检测方面具有灵敏度高、准确性好、检出限量低、可原位实时测定等优点,因之是目前分析检测中的时兴重要手段。由于荧光化学传感器和荧光探针是一类能特异识别目标分子并适合直接检测或带有可检测标记的高效探测试剂和方法,故它们在生化检测、环境监测、疾病诊断和药物筛选等领域越来越发挥着前所未有的重要作用,目前已成为化学领域的研究热点之一。因此,我们有理由相信,随着人们对荧光化学传感器和荧光探针分析手段研究的不断深入,它必将为分析测试手段的快速、准确、微量、实时在线及选择性好等环节彰显出有力的保障,并为人类的文明进步及可持续发展奠定坚实的基础。

  参考文献

  [1]CarterKP,YoungAM,PalmerAE.FluorescentSensorsforMeasuringMetalIonsinLivingSystems[J].Chem.Rev.,2014,114(8):4564-4601.

  [2]HienNK,BaoNC,NhungNTA,etal.AhighlysensitivefluorescentchemosensorforsimultaneousdeterminationofAg(I),Hg(Ⅱ),andCu(Ⅱ)ions:Design,synthesis,characterizationandapplication[J].DyesandPigments,2015,116:89-96.

  [3]何璐燕,李星,胡芳.溶剂控制的丹磺酰胺类受体的铜离子和银离子选择性识别[C]//中国化学会.全国第十八届大环化学暨第十届超分子化学学术讨论会论文集.长沙:湖南师范大学,2016:249-250.

  化工师评职论文投稿刊物:《广州化学》Guangzhou Chemistry(季刊)1976年创刊,主要报道有机化学、天然产物化学、高分子材料、药物化学等领域的应用研究、高技术创新及实际生产方面的新理论、新方法、新材料、新成果、新技术、新工艺、新产品、新设备;以及相关的环境保护、分析测试技术和产品等。

  

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