荧光分子探针的合成及性质研究

摘要
摘要
许多金属离子是生命过程中必须的痕量元素，当它们的浓度高于正常值时会毒害生物细胞。

因此发展检测这些金属离子的方法变得至关重要。

荧光分子探针具有选择性好、灵敏度高、响应时间快、检出限低、操作方法简单等显著优点，水溶性好和吸收在长波长波段的荧光化学传感器越来越受到科学家们的关注。

论文以一种双齿亚磷酸酯配体M为催化剂，利用经典的Buchwald-Hartwig偶合反应合成了荧光分子探针化合物1。

探针1可以选择性识别水中的Al3+，可以在一定程度上实现对Al3+的定量分析。

另外通过胺类和卤代烃的偶联反应合成了一种基于甲基吡啶和间氨基苯酚的荧光分子探针化合物2，可用于实现对Al3+和Fe3+、Cr3+的识别。

向化合物2溶液中加入Al3+后，荧光强度显著增加，并伴随着溶液颜色的明显变化，可以实现对Al3+肉眼识别。

再向铝配合物溶液中加入同浓度的Cr3+和Fe3+进行滴定实验，荧光几乎被完全淬灭，而且可以在低浓度范围识别Cr3+和Fe3+。

论文还由2,4-二甲基-7-氨基-1,8-萘啶和水杨醛合成了一种希夫碱化合物3。

化合物3对Fe3+表现出良好的选择性和灵敏度，而且响应时间只有1分钟。

由于Fe3+的顺磁性，化合物3与Fe3+络合后的荧光强度与游离的配体相比降低到了1/10，荧光几乎被完全淬灭。

而在0~30μmol/L Fe3+的小浓度范围内呈现了良好的线性关系，所以在低浓度范围内，我们完全可以实现化合物3对Fe3+的定量检测。

关键词：荧光分子探针金属离子水杨醛
Abstract
Abstract
Many metal ions are essential and trace elements to the life process.But excessive metal ions can poison the biological cell.Therefore,it is important to develop some methods for detecting these metal ions.Fluorescent molecular probe has the advantages of good selectivity,high sensitivity,fast response,low detection limit,simple operation method and so on.Excellent water solubility and the emission in the long wavelength of the fluorescence chemical sensor is more and more concerned by the scientists.
In this paper,the fluorescence molecule probe compound1was synthesized by a bidentate phosphite ligand M and a classical Buchwald-Hartwig coupling reaction. The probe1can selectively identify Al3+in water,and quantitatively analyze Al3+to a certain extent.In addition,a fluorescent molecule probe compound2was synthesized based on methylpyridine and m-aminophenol by the coupling reaction of amines and halogenated hydrocarbons.It also showed good selectivity and high sensitivity for Al3+and Fe3+,Cr3+.After adding Al3+to the compound2solution,the fluorescence intensity is significantly increased,and with the change of the color of the solution, Al3+can be recognized by the naked eye.The addition of Cr3+and Fe3+to the aluminum complex solution was carried out.The fluorescence of aluminum complex solution was almost completely quenched,and Cr3+and Fe3+could be identified in the low concentration range.
A Schiff based compound3was synthesized from 2,4-dimethyl-7-amino-1,8-naphthyridine and salicylaldehyde for the detection of Fe3+. Compound3showed good selectivity and sensitivity to Fe3+,and the response time was only1minute.Due to the paramagnetism of Fe3+,the fluorescence intensity of compound3complexed with Fe3+was reduced by10-fold compared with that of free ligand,and the fluorescence was almost completely quenched.And the linear is correlation in range of0~30μmol/L Fe3+,so we can realize the quantitative detection of Fe3+with compound3in the low concentration range.
Abstract
Key words:Fluorescent probe;Metal ion;Salicylaldehyde
目录
目录
摘要 (I)
Abstract (II)
第一章绪论 (1)
1.1概述 (1)
1.2荧光及荧光参数 (1)
1.3荧光分子探针的几种响应机理 (2)
1.3.1顺磁性荧光猝灭 (2)
1.3.2光诱导电子转移（PET） (3)
1.3.3光诱导电荷转移（PCT） (3)
1.3.4荧光共振能量转移（FRET） (4)
1.3.5激基复合物形成 (5)
1.4常见的荧光团 (6)
1.4.1蒽醌、氧杂蒽酮和吖啶酮 (6)
1.4.2香豆素 (6)
1.4.3罗丹明 (7)
1.4.4BODIPY (9)
1.4.54-氨基-7-硝基苯并恶-1,3二唑（NBD） (9)
1.4.6萘二甲酰亚胺 (10)
1.5用于检测Fe3+的荧光传感器 (11)
1.6用于检测Cr3+的荧光传感器 (13)
1.7用于检测Al3+的荧光传感器 (16)
1.8课题的提出 (21)
第二章实验部分 (22)
目录
2.1引言 (22)
2.2实验部分 (23)
2.2.1实验试剂与药品 (23)
2.2.2实验仪器 (25)
2.3.1荧光探针分子的合成路线 (25)
2.3.2荧光探针分子的合成步骤 (27)
2.3.2.12-羟甲基吡啶（b1）的合成 (27)
2.3.2.22-溴甲基吡啶（b2）的合成 (28)
2.3.2.32,4-二甲基-7-氨基-1,8-萘啶（c1）的合成 (29)
2.3.2.6化合物1的合成 (30)
2.3.2.7化合物2的合成 (34)
2.3.2.8化合物3的合成 (38)
第三章结果与讨论 (43)
3.1光谱测试实验 (43)
3.1.1光谱测试方法 (43)
3.2化合物1的光谱研究 (43)
3.2.1化合物1的紫外吸收光谱及摩尔消光系数的测定 (44)
3.2.2化合物1对金属阳离子的选择性 (44)
3.2.3化合物1的抗干扰能力 (45)
3.2.4化合物1对Al3+的识别 (46)
3.2.5化合物1的响应时间 (47)
3.2.6化合物1和Al3+的计量关系 (48)
3.2.7pH对化合物1识别Al3+的影响 (49)
3.2.8化合物1识别Al3+的可逆性 (50)
3.3化合物2的光谱研究 (51)
3.3.1化合物2的紫外吸收光谱及摩尔消光系数的测定 (51)
3.3.2化合物2对金属阳离子的选择性 (52)
3.3.3化合物2的响应时间 (53)
3.3.4化合物2的抗干扰能力 (54)
目录
3.3.5化合物2对Al3+的识别 (55)
3.3.6化合物2识别Al3+的紫外吸收图 (56)
3.3.7化合物2+Al3+体系对Cr3+的识别 (57)
3.3.8化合物2+Al3+体系对Fe3+的识别 (58)
3.3.9化合物2和Al3+的计量关系 (59)
3.2.10pH对化合物2识别Al3+，化合物2+Al3+体系识别Cr3+的影响 (60)
3.2.11化合物2识别Al3+的和化合物2+Al3+体系识别Cr3+的可逆性 (61)
3.4化合物3的光谱研究 (62)
3.2.1化合物3的紫外吸收光谱及摩尔消光系数的测定 (62)
3.4.2化合物3对金属阳离子的选择性 (63)
3.4.3化合物3的响应时间 (64)
3.4.4化合物3的抗干扰能力 (65)
3.4.5化合物3对Fe3+的识别 (66)
3.4.6化合物3识别Fe3+的紫外吸收图 (67)
3.4.7化合物3和Fe3+的计量关系 (68)
3.4.8pH对化合物3识别Fe3+的影响 (69)
3.4.9化合物3识别Fe3+的可逆性 (70)
3.5本章小结 (71)
3.6课题的不足 (72)
参考文献 (73)
致谢 (82)
个人简历 (83)
第一章绪论
第一章
绪论
1.1概述发展检测生物体内和环境中的金属离子及其浓度的技术方法一直具有特别重要的意义。

在近些年中，许多新型的荧光化学传感器被设计和合成出来。

经典的传感器通常含有一个或多个荧光团，通过间隔基与识别体相连。

识别体能够跟特定金属离子相互作用，引起发色团荧光强度或位移的变化，从而指示某个特征金属离子的存在及其浓度。

图1.1简要地给出了荧光化学传感器的工作机制。

荧光分子探针通常是由中继体连接发色团和接受体而成.发色体是探针的报告器部分，通过荧光的减弱或增强及发射峰的位移变化来反映接受体识别底物分子的过程。

发色体通常包括香豆素类、BODIY 类、罗丹明类等。

接受体是探针分子的识别部分，设计者需要选择能够专一性识别底物的接受体。

它直接地展现了探针的选择性和灵敏度，接受体一般包括不饱和烃类、多酰胺类、冠醚类等。

图1.1荧光分子探针的工作机制
1.2荧光及荧光参数
荧光是物质发光的一种形式，入射光或其它电磁辐射照射物质时，物质分子吸收能量被激发到激发态，因为在激发态电子能量高不稳定，而迅速回到基发色体中继体接受体底物荧光或颜色变化
第一章绪论
态，同时发射特定波长的光。

在大多数情况下，发射的光具有比吸收的光更长的波长，因此具有更低的能量。

具有大的共轭体系和刚性结构的分子通常具有强的发射荧光特性。

此外，当化合物含有给电子基团时，物质的荧光会增强，而含有吸电子基团时，物质的荧光会减弱甚至发生完全淬灭。

此外，荧光团的理论亮度定义为消光系数和量子产率的乘积。

消光系数是发色团吸收光的效率，而量子产率代表荧光团发光后的吸收效率。

1.3荧光分子探针的几种响应机理
1.3.1顺磁性荧光猝灭
在各种各样金属离子中，顺磁性的金属离子促进了分子系间窜越，使得处于激发单重态的分子易于系间窜越至三重态;[1]（图1.2）。

这种现象称为顺磁效应，例如d9Cu（II）离子引起的荧光猝灭，含有该金属离子的络合物被激发而经历从S1态到T1状态的系间窜越。

因此识别强顺磁性金属离子例如Fe（III），Cr（III），Co（II），Cu（II）的经典探针通常基于荧光淬灭的机理。

顺磁性荧光
图1.2.顺磁性荧光淬灭
第一章绪论
1.3.2光诱导电子转移（PET）
基于光诱导电子转移机理的荧光分子探针具有发色团、中继体和接受体三部分，如图1.3所示[1]。

接受体通常是电子供体，发色团是电子受体。

游离的荧光分子探针是没有荧光的，因为在激发光的照射下，电子被电子供体转移到发色团的基态，阻碍了发色团中激发态电子回到基态，导致荧光淬灭。

当接受体选择性识别底物分子后，它的供电子能力受到抑制，阻断了电子转移过程，导致激发态电子回到基态并发射荧光。

另外，配位金属离子的存在降低了参与配位的孤对电子的能量，抑制了PET从而导致荧光的接通。

PET型的荧光分子探针响应金属离子时不引起任何光谱发射带的位移。

电子转移驰豫回去
图1.3.光诱导电子转移(PET).
1.3.3光诱导电荷转移（PCT）
一般的，光诱导电荷转移机制涉及电子在电子给体和受体之间的转移来促进荧光的产生。

如图1.4所示，PCT传感器一般是荧光团直接作用于识别基团，没有中继体参与。

荧光团本身含有给电子基团(电子给体）和吸电子集团（电子受体），而且给电子基团或吸电子集团又充当识别基团的一部分。

当接受体选
第一章绪论
择性识别底物分子后，在激发光的照射下，给电子基团上的部分电荷转移到吸电子基团上，发生PCT引起电子能级的改变导致荧光关闭或开启。

相反，PET 传感器通过与荧光团连接的中继体来分离电子给体部分和供体体部分。

PCT荧光传感器的发射波长和吸收波长的变化一般取决于荧光团的类型以及与金属离子的络合模式[1]。

D：给电子基团
W：吸电子基团
图1.4.光诱导电荷转移(PCT).
1.3.4荧光共振能量转移（FRET）
荧光共振能量转移传感器通常含有两个荧光发色团，一个是能量供体，另一个是能量受体，如图1.5所示，FRET荧光分子探针的接受体与两个荧光团直接作用。

当接受体识别底物后，在激发光的照射下，荧光团A作为能量供体吸收能量被激发，通过偶极-偶极的相互作用，以非辐射形式传递给基态的能量受体B，能量受体通过发射荧光来释放能量，这个过程称为FRET。

荧光共振能量转移需要一些必要条件：首先，供体和受体分子的距离要超过它们的碰撞直径（通常为70-100A˚）[2];其次，受体的吸收光谱必须与供体的发射光谱有效重叠，但两者的吸收光谱一般是独立的，确保两个发色团能够被单独激发。

最后，供体和受体的偶极子取向必须近似平行。

第一章绪论图1.5.荧光共振能量转移（FRET).
1.3.5激基复合物形成
荧光发色团和另一个荧光发色团受到光能激发后，相互作用和接近以及缔合而成的新化学物种称为激基复合物，如图1.6所示。

激基复合物型的荧光分子探针含有两个不同的发色团，通过接受体连接起来。

含有两个相同的发色团的荧光探针称为激基缔合物。

激基复合物的形成是可逆过程，激基复合物的发射总是比单体发射有更低的能量，并且通常对应的是相当弱和宽的发射带。

此外，金属离子的存在会强烈促进或破坏激基复合物而影响发射光谱[1]。

通常，单体和激基复合物的发射强度之间的比率可以定量测量溶液中的金属离子浓度。

基于这个概念的传感器称为“比率传感器”。

荧光团A 荧光团B
图1.6.准分子或激基复合物形成
第一章绪论
1.4常见的荧光团
1.4.1蒽醌、氧杂蒽酮和吖啶酮
它们是激发波长在350-400nm的经典荧光团，蒽醌有以520nm为中心的发射宽带，氧杂蒽和吖啶酮的发射宽带中心在450nm。

这些分子含有能够与金属离子配位的羰基，可以引起强烈的PCT效应。

分子因为含有低位的n-π*过渡态而通常不发光，但由于PCT效应，n-π*的能量变得比相应的π-π*能量高，发生转换而接通荧光。

荧光团的配位引起了电子能级和几何构象的变化。

在这类传感器中，发射是由氧杂蒽的平面性引起的。

如果氧杂蒽是非平面的，那么传感器与金属离子配位后稳定了其平面形式会产生荧光。

相反，金属离子的配位使氧杂蒽的平面形式不稳定则会发生荧光淬灭。

换句话说如果金属络合稳定了含有电荷分离的平面形式，则荧光增强，但是如果非平面羰基形式稳定，则荧光淬灭。

图1.7.蒽醌、氧杂蒽、吖啶酮的结构
1.4.2香豆素
香豆素（2H-苯并呋喃-2-酮）及其衍生物由于它们光稳定性好，毒性低，大
第一章绪论
的斯托克斯位移，优异的量子产率等优点，以及容易被修改和含有长激发波长，能防止激发和发射光谱之间的重叠的特性而被应用于很多领域。

另一个重要特征是它们的光物理参数是可调的;事实上，荧光波长和发射量子产率强烈地取决于取代基的性质和位置以及分子的刚性。

例如，香豆素衍生物的吸收带中心为350nm〜500nm，发射光谱中心为450〜600nm。

此外，根据配体拓扑，香豆素的羰基可以参与配位。

7位上的给电子基团和3位上的吸电子基团的结合使香豆素衍生物显示在可见光区域有吸收，导致了由电子推拉体系诱导的有效PCT效应。

图1.8.香豆素和一些衍生物的结构
1.4.3罗丹明
在各种罗丹明衍生物中，主要是罗丹明B和6G被应用于合成金属传感器。

罗丹明B在溶液中具有五种平衡异构体：内酯（RhB），两性离子（RhB ）和三种质子化形式（HRhB+，H2RhB2+，H3RhB3+）。

具有螺环构象的内酯形式（RhB）
第一章绪论
是无色的（λmax<340nm）和非荧光的，两种两性离子和单质子化形式（RhB 和HRhB+），具有开环构象，是粉红色的（λmax=550nm）和强荧光（λem=575 nm，фfl=0.71，在乙醇中）。

二三质子形式主要存在于强酸[3]。

罗丹明的羧基与胺、肼反应容易转化为螺内酰胺或肟衍生物用来识别特定的金属离子。

由于金属离子与罗丹明络合后构象会发生可逆改变，从而探针分子可以实现“关-开”荧光切换，无色和非荧光的螺环形式转化为粉红色和强荧光的开环形式[4]。

图1.9.罗丹明、罗丹明B、罗丹明6G的结构：（A）罗丹明B的质子化形式（B）罗
丹明B传感器的响应机制
第一章绪论
1.4.4BODIPY
BODIPY衍生物因为它们具有光稳定性高、荧光量子产率高（通常фf>0.50），摩尔消光系数高（通常ε>80,000M-1cm-1）的优点，已被证明是有用和有效的荧光团。

而且，BODIPY染料可以被激发，从而拥有高峰值、高强度的窄发射带宽。

此外，荧光团具有相对温和的氧化还原电位，这对于合成基于电子转移过程的荧光化学传感器很重要。

BODIPY荧光团通常是基于PET过程[5]。

大多数游离配体通常是弱荧光或无荧光，这个一般归因于有效的PET淬灭过程，将受体上离子载体部分的电子转移到BODIPY荧光团上。

与金属离子的结合阻止了PET 淬灭机制而恢复荧光发射。

图1.10是基于BODIPY的荧光探针[6-8]。

L3[8]允许在中性pH下和在水性介质中选择性检测Cu（II）。

它在缓冲的乙腈/水中几乎没有荧光（ф=0.002），加入Cu（II）后显示强烈的荧光，并在596nm有最大发射波长（λex=540nm，ф=0.095），这是由于阻碍了胺基上的N到BODIPY的电子转移。

图1.10.BODIPY荧光探针(L1,L2,L3).
1.4.54-氨基-7-硝基苯并恶-1,3二唑（NBD）
NBD基团是经常使用的胺标记剂荧光团，发展于4-氯衍生物。

它不同于正常的PET荧光团，如蒽。

这类荧光团显示更大的斯托克斯位移（〜2500cm-1）
第一章绪论
和有处于可见光的吸收带，这是由于从4-胺基到共轭的7-NO2的PCT效应。

如图1.12，有三种检测金属离子的NBD传感器(L4,L5,L6)。

Sakamotoet al[9]合成了一种NBD受体连接到四硫单元的荧光传感器L4。

它是一种优异的Hg（II）离子选择性传感器，在492nm处有吸收和在536nm有虚弱的荧光。

通过加入Hg（II）和Ag（I）离子，两者的吸收光谱中都观察到蓝移，同时发生了不同的荧光响应。

加入Ag（I）荧光仅略微增加，而加入Hg（II）之后由于金属离子和NBD的氮原子之间的相互作用诱导了CHEF效应并伴随着红移现象。

其它的阳离子NBD 传感器如检测Fe（III)[10]。

图1.11NBD荧光探针（L4,L5,L6）
1.4.6萘二甲酰亚胺
最常用的荧光团结构单元之一是4-氨基-1,8-萘二甲酰亚胺（NI）片段;它可以被拓展，通过插入在4位的胺和酰亚胺氮原子。

4-氨基-1,8-萘二甲酰亚胺（NI）的主要荧光性质是有长发射波长带（460-600nm），大的斯托克斯位移和对pH 不敏感的优点。

调整4-氨基供体和1,8-萘二甲酰亚胺的结构影响了ICT过程[11]，Zn（II）通常是基于NI的化学传感器的目标金属离子，是基于PET机理的OFF-ON 型荧光分子探针。

CHEF效应通常被发现在Zn（II）的检测过程中，并伴随有红移或蓝移效应。

L7和类似传感器对高电荷的金属离子显示出显著的选择性，例如在DMF溶液检测Fe（III）或Cr（III）[12]通过CHEF效应[13]。

有Hg（II）和Cu（II）离子存在于溶液中时，L8通过开-关型的CHEQ效应展现其荧光响应[14]。

第一章绪论
L7L8
图1.12.基于萘二甲酰亚胺荧光分子探针L7，L8.
1.5用于检测Fe3+的荧光传感器
铁元素广泛分布在自然界中，是环境和生物系统中最重要的元素之一。

它存在于几乎所有生物体中，在氧气的摄取，药物代谢，三磷酸腺苷生产，DNA 合成和电子转移中发挥重要作用[15]。

但是，体内缺乏或过量Fe3+会导致各种疾病和失调[16-18],诱导生物体中的生物学障碍，例如贫血，肝肾损伤，心力衰竭和糖尿病[19-21]。

世界卫生组织限制了Fe3+离子的卫生安全浓度为2mg/L。

因此，开发快速、高效的监测方法是至关重要的，用来检测环境、生物和食品样品中痕量水平的Fe3+[22]。

文献调查显示，许多用于选择性检测Fe3+的荧光传感器已经被开发[23-26]。

荧光法比其他技术具有几个优点，包括易于检测，灵敏度高，可调性等适用于医疗、环境、工业和生物系统中。

如图1.14所示，人工铁载体[27]L9是以方酸染料的形式螯合Fe3+，紫外吸收光谱显示L9（DMSO）在λmax=651nm处有Q带，在600nm具有宽肩峰，加入到DBU（1,8-重氮双环[5.4.0]十一碳-7-烯）溶液中显示出101nm的蓝移。

这造成了颜色从深蓝色变为紫色。

加入不同金属离子到L9的溶液导致吸光度在A max= 555nm的降低，在λmax=651nm处增加。

结合亲和力显示L9对Fe3+的K Fe3+ =8.9×107。

加入Fe3+到比色化学传感器L10[28]的水溶液中，在402nm的吸收峰显著降低而在318nm有新带出现，这导致颜色从强烈的黄色变为无色。

具有三联吡啶基团的多受体系统L11[29]在加入Fe3+后，溶液的颜色由浅黄色变为浅品红色并在567nm出现尖锐的新峰。

近几年发表的识别Fe3+的罗丹明螺内酰胺开环探针[30-39],显示无色溶液的化学传感器（螺环形式）在500nm-650nm的范围没有吸收带。

当向化学传感器的溶液中加入Fe3+离子时，在中性缓冲液和乙醇中产生
第一章绪论
开环，在500nm-650nm的范围以上有新吸收带出现，伴随着颜色由无色变为粉红色，基于荧光增强或FRET机制。

L9L10L11
图1.13.识别Fe3+小分子荧光分子探针
近几年发表的识别Fe3+的希夫碱类荧光分子探针[40-42]。

希夫碱是含有C=N 键官能团的化合物，席夫碱可以被酸、胺和金属离子促进水解。

由于Fe3+能促进水解，Lin et al.[43,44]设计了双（香豆素基）希夫碱L12和L13作为检测Fe3+荧光化学测定器。

在没有Fe3+存在时，L12在402nm处仅显示弱发射，由于ICT过程具有低ф约为0.004。

但是在加入Fe3+后，双（香豆素基）席夫碱L12水解生成了高荧光香豆素产物，在甲醇-水溶液（49:1，v/v）中具有较高的ф约为0.27。

在其他金属离子存在下化学传感器L12表现出可忽略的荧光变化，除明显的Cu2+淬灭外。

然而，在加入Fe3+后需要约50分钟发射光谱才达到最大值。

通过修饰L12的二乙基氨基部分的给电子体基团和二氨基顺丁烯二腈部分的吸电子基团开发了化学计量器L13。

探针L12由于被电子推-拉体系诱导的有效ICT表现出显著的红移。

探针L13的发射光谱显示最大发射约573nm，与L12的相比红移约171 nm。

当Fe3+被引入，在甲醇-水溶液（99:1，v/v）中水解形成了香豆素衍生物产物，伴随着在573nm的荧光减弱和在461nm附近出现强峰。

发射光谱中位移高达112nm的转变，使得Fe3+处理前后发射峰几乎完全分离。

然而，在加入Fe3+后需要约35分钟发射光谱的荧光强度达到最大值。

第一章绪论图1.14识别Fe 3+荧光分子探针
1.6用于检测Cr 3+
的荧光传感器Cr 3+是许多生物化学过程中必需的金属离子，是人体所必需的痕量元素之一，存在于核酸、蛋白质、碳水合物和脂肪中，并通过活化某些酶来稳定核酸和蛋白质[45]。

体内缺少Cr 3＋
会引发各种疾病，包括肥胖[46]、糖尿病和心血管疾病等[47]。

但是当Cr 3＋含量过高时会破坏细胞结构和组成[48],它是在环境中积累
而形成酸雨的污染物之一［49］。

近年来，有许多方法来检测Cr 3+，如高效液相色谱，比色检测，荧光检测等[50,51]。

众所周知，由于Cr 3+的顺磁性能引起荧光淬灭使其检测非常困难。

因此，近几年报道的Cr 3+荧光传感器[52-67]克服了很多的困难。

化合物L 14[68]是基于罗丹明的化学传感器，在生理pH 和水溶液中检测Cr 3+。

Cr 3+与L 14以1：1的化学计量比结合后在500nm 激发螺内酰胺开环产生强荧光，发射峰在560nm 处。

Sinn et al [69]已经报道了一种非常简单的基于罗丹明的荧光化学传感器L 15，用于检测Cr 3+。

在其他金属离子存在时，化合物L 15可以选择性识别Cr 3+，除了Hg 2+显示较小的影响，但Hg 2+不会干扰Cr 3+的检测。

添加Cr 3+导致L 15螺内酰胺开环，可能是Cr 3+由于与氧、亚胺氮和噻吩硫螯合。

结果是无色溶液（对于环化的罗丹明）变成粉红色（对于开环的罗丹明），而且在583nm 处的荧光强度发生显著增强。

Li et al [70]已经报道了基于罗丹明B 的具有二茂铁取代基的多信号化学传感器L 16，用于在乙醇：水（1:1，v /v ）溶液中检测的Cr 3+。

添加Cr 3+诱导了罗丹
L 12
L 13
第一章绪论
明螺内酰胺开环，导致在宽范围pH（5〜10）荧光增强,颜色从无色到粉红色。

传感器对于Cr3+的选择性超过其它共存的金属离子，除了Hg2+导致轻微的干扰。

双光子激发荧光（TPEF）与单光子激发荧光相比有很多优点，例如背景噪音低，波长在近红外（NIR）区域等。

Wang Xia.etal[71]制备了一种基于罗丹明的荧光探针L17,含有萘二甲酰亚胺部分。

它可以通过FRET机制检测体内和体外系统的Cr3+，检测限为1.0μM。

L17可以显示双光子激发荧光，与其它金属离子相比，它对Cr3+的检测更灵敏和更有选择性。

在L17的溶液中加入Cr3+，罗丹明部分的螺环开环，溶液的颜色由浅黄色变为橘红色。

开放晶面式的罗丹明开环部分用作能量受体，吸收峰在568nm处。

萘二甲酰亚胺和烷基部分在FRET系统中作为能量供体，在380nm处有吸收峰。

在乙醇-水（2:1，v/v）溶液中激发波长在405nm处，萘酰亚胺部分在544nm处的荧光强度和在592nm处的荧光强度的比值随Cr3+的浓度的变化而变化。

该化合物能够在5〜10的pH范围内和在乙醇-水溶液中检测Cr3+。

L14L15
L16
图1.15.基于罗丹明的Cr3+荧光分子探针（L14，L15，L16）
第一章绪论
L17
图1.16.基于FRET的Cr3+荧光分子探针L17
Serkan Erdemir[72]设计合成了一种含有苯并噻唑基（BFA）的新型蒽基荧光探针L18。

紫外可见光谱和荧光光谱研究表明BFA是高度灵敏和选择性识别三价阳离子Cr3+，而对一价二价阳离子和Al3+离子没有响应。

BFA与Cr3+的相互作用引起了在575nm处的荧光强度显着增强,这归因于独特的蒽静态激基缔合物的形成，及严格的C=N异构化和抑制高效的光致电子转移（PET）。

Cr3+的BFA 检测限为0.46，展现了探针对Cr3+的灵敏性。

此外，可能利用BFA作为生物成像荧光探针和通过共焦荧光显微镜来检测人前列腺癌细胞中的Cr3+。

图1.17.基于希夫碱的Cr3+荧光分子探针L18
第一章绪论
1.7用于检测Al3+的荧光传感器
铝离子在自然界有丰富的资源，它的含量在地壳中排名第三，被广泛应用于我们的日常生活中。

这就导致了Al3+的浓度在环境和饮用水中不断地增加[73]。

科学家们已经发现铝离子对动物和人体的神经[95]以及土壤和植物[74–76]有很大毒性，过量的铝离子已导致很多健康问题和生物学疾病，例如微细胞性低色素性贫血，脑病，肌病，与铝相关的骨病（ARBD），神经元病症等如阿尔茨海默病和帕金森病[77-81].然而，环境和生物样品通常含有多种金属离子，开发一种选择性识别Al3+的方法仍旧有很大的挑战。

最近几年科学家投入了大量的精力来开发选择性检测Al3+离子的荧光探针[82-116]。

此外，发展感测水中和双相中的Al3+离子的探针，是应用于医学系统和诊断的必要条件。

Tang.etal[82]报道了用来检测Zn2+和Al3+席夫碱型荧光探针L19，它由2-羟基萘醛和谷氨酰胺部分组成。

当加入Zn2+和Al3+后，激发波长为385nm时，发射波长在445nm的荧光强度增加了6倍。

在Tris-HCl缓冲液中该探针显示pH依赖性地双选择Zn2+和Al3+，在pH=7.4可以选择性地识别Zn2+和在pH=6.0可以选择性地识别Al3+。

从Job’s图可知探针与Zn2+和Al3+的化学计量比分别为1：1和2：1。

探针的检测限是Zn2+可以低至5.5×10-8M-1和Al3+可以低至1.27×10-7 M-1。

探针L19通过破坏光诱导电子转移（PET）过程和C=N异构化来显示对Zn2+和Al3+的荧光响应。

图1.18.基于希夫碱的Al3+、Zn2+荧光分子探针
Qi.etal.[83]报道了罗丹明内酰胺衍生物L20作为比率型荧光探针，用于检测铝离子。

它对Al3+表现出高度灵敏的荧光响应，在与2当量的Al3+络合后，发射波长在580nm的荧光强度显著增强。

探针可以应用于定量检测Al3+，线性范围覆。