(完整word版)荧光机理

1光致电子转移(PET)

递给荧光基团的键合基团(RecePtor)，负责光吸收并产生荧光发射信号的荧光基团(Fluorophorc)—其荧光发射强度反映键合基团的结合状态，以及连接键合集团和荧光基团的连接基团(Spacer)。键合基团和荧光基团通常为电子给体或者电子受体。

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从而导致荧光的淬灭过程。例如，当荧光分子传感器的键合基团是电子给体，荧光基团是电子受体时，具体PET作过程如下:在光激发下，具有电子给予能力的键合基团能够将其处于最高能级的电子转入激发态下荧光基团空出的电子轨道，使被光激发的电子无法直接跃迁巨}到原基态轨道发射荧光，从而导致荧光的淬灭;当键合基团与底物结合后，降低了键合基团的给电子能力，抑制了PET过程，荧光基团中被光激发的电子可以直接跃迁回到原基态轨道，从而增强了的荧光基团的荧光发射。因此在未结合底物前，传感器分子表现为荧光淬灭，一旦键合基团与底物相结合，荧光基团就会发射荧光(见图)

由于与客底物结合前后的荧光强度差别很大，呈现明显的“关”、“开”状态，因此这类荧光化学传感器又被称为荧光分子开关。PET荧光分子传感器的作用机制可由前线轨道理论“来进一步说明(见图 1.5)。

2分子内电荷转移(ICT)

ICT荧光化学传感器由推电子基团、吸电子基团通过p电子体系连接而成，在基态时表现为极化结构，一端为缺电子部分，另一端为富电子部分;而在光激发下，偶极矩增大，强化了这种极化特征，容易发

生ICT过程(如图)。

ICT荧光化学传感器的工作原理有两种(见图l.7a):当底物是缺电子基团(阳离子)时，一种是底物与吸电子基团结合，将增大分子内电荷转移程度，导致荧光光谱红移;一种是底物与推电子基团结合，则使原来向共扼体系转移的孤对电子用于与阳离子形成配位键，导致ICT 推一拉电子的特征下降，导致荧光光谱蓝移。当底物是富电子基团(阴离子)时，情况相反。一般情况下，ICT荧光化学传感器对荧光强度的影响不如PET荧光化学传感器显著。典型例子是同时含有吸电子

取代基、推电子取代基的电子体系，如氨基邻苯二甲酞亚胺、二苯基烯、氟代香豆素等。ICT荧光化学传感器的缺点是对外部环境的变化十分敏感，有较强的溶剂化效应。

在ICT中，有一种情况被称为扭曲的分子内电荷转移(TICT twisted Intramolecular charge transfer)。在具有推一拉电子共扼体系的荧光分子中，如果推电子基(如二甲氨基)通过可旋转的单键与荧光团相连接，当荧光团被光子激发时，由于强烈的分子内光致电荷转移，导致原来与芳环共平面的电子给体绕单键旋转，而与芳环平面处于正交状态，原来的共辘系统被破坏，部分电荷转移变为完全的电子转移，形成TICT激发态(见图)。当形成TICT激发态时，原有的ICT荧光则被淬灭。TICT态常常不发射荧光或者发射弱的长波荧光，少数情况下会出现ICT与TICT双重荧光现象。

3荧光共振能量转移(FRET)

FRET荧光传感器分子的组成与其他类型传感器有所不同，除了含有

键合基团(Reccptor)彩!连接基团(Spacer)，还含有两个负责光吸收井产生荧光发射信号荧光基团(FluoroPhore)，而这两个荧光基团一个是能量给体(Energy donor，D)，另一个是能量受体(Energy acceptor，A)。荧光共振能量转移是指在一定波长的光激发下，荧光基团中的能量给体(D)产生荧光发射，并通过偶极一偶极之间的相互作用把能量无辐射地转移给其附近的处于基态的能量受体(A)荧光基团的过程。FRET 过程的发生与很多因素如光谱重叠的程度、跃迁偶极的相对方向，给体(D)和受体(A)之间的距离等有关。首先，能量给体(D)的发射光谱与能量受体(A)的吸收光谱有明显的重叠，能量受体必须能够在能量给体的发射波长处吸收能量，但能量受体可以是荧光发射基团，也可以是荧光淬灭基团。对于前一种情形，激发能量给体时，可以观察到能量受体的荧光发射;而后一种情形，只能观察到能量给体的荧光变化。其次，能量给体与能量受体相隔的距离必须远大于它们之间的碰撞直径(有时甚至相距远达70-100Å)时，才可能发生能量给体与能量受体的非辐射能量转移，又称为长距离能量转移。另外，能量给体(D)与能量受体(A)还必须以适当的方式排列。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。

例如，当荧光分子传感器的两个荧光基团都是荧光发射基团时，具体FRET工作过程如下(见图1.8):在光激发下，荧光基团中的能量给体(D)产生荧光发射;传感器分子通过键合基团键合底物来调节能量给体(D)和能量受体(A)之间的距离以及排列方向。如果底物的加入使这些因

素均在适当范围，能量给体(D)可将能量通过非辐射转移给能量受体(A)，表现为能量受体(A)的荧光发射;如果底物的加入使这些因素与FRET因素不能匹配，则会抑制FRET过程，则表现为能量给体(D)的荧光发射(图)。

4激基缔/复合物(exeimer/exciplex)

基于激基缔/复合物(excimer/exciplex)的荧光化学传感器分子的特点是在一个分子中含有两个荧光基团，如多环芳烃萘、蒽和芘等，并且两个基团处于分子的合适位置。当两个荧光基团相同时，其中一个荧光基团(单体)被激发后，会和另一个处于基态的荧光基团形成分子内激基缔合物(excimer)。激基缔合物的荧光发射光谱取代了单体的发射峰，呈现出一个新的强而宽的、长波长的、无精细结构的荧光发射峰。当两个荧光基团不同时，则称之为激基复合物(exciplex)。激基缔/复合物形成与否的关键是两个荧光基团之间的距离，只有激发态

分子与基态分子之间的距离约为3.5Å时，才能形成激基缔/复合物。

基于激基缔/复合物(excimer/exciplex)的荧光化学传感器就是利用受体结合底物后导致激基缔/复合物构型的形成或破坏，使激基缔/复合物的荧光增强或消失，通过单体、激基缔/复合物的荧光光谱变化表达底物识别的信息。因此，构型的变化是此类信息产生的原因，图给出了加入底物后可以形成激基缔合物的荧光化学传感器的工作原理。萘、芘、蒽等荧光团由于具有较长的激发单线态寿命，容易形成激基缔/复合物，常常被用于此类荧光化学传感器中。

杂原子对荧光的影响比较复杂，有时增强荧光，有时减弱荧光。主要看杂原子化合物的结构。简单杂环化合物的荧光量子产率很小，几乎为0，但当他们与苯环相并后的产物荧光大大增强。含氮杂环化合物的分子中含有N原子。在非极性介质中它们的荧光很弱，随着介质极性的提高，其荧光强度亦随之提高。

取代基的影响

取代基的性质对荧光体的荧光特性和强度均有强烈影响，芳烃和杂环