大連理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 摘要 汞被公認(rèn)為自然界中的有毒元素，由于重金屬的濫用使汞污染大大威脅著自然環(huán)境 和人類的水源。一旦汞進(jìn)入含水的環(huán)境，細(xì)菌便會將無機(jī)汞轉(zhuǎn)化成甲基汞，甲基汞不易 被分解，最終會隨著食物鏈在人體中沉積，給人類健康造成巨大傷害。世界環(huán)境保護(hù)組 織規(guī)定人類引用水的含汞量最高為2 p p b ，因此，為了達(dá)到這一標(biāo)準(zhǔn)，科學(xué)家們都在致力 尋找新的檢測方法，以求達(dá)到汞離子識別的高靈敏度和高選擇性。羅丹明類化合物由于 其高量子產(chǎn)率，近些年來逐漸被科學(xué)家門用作汞離子識別的理想探針。本文根據(jù)前人的 工作總結(jié)，設(shè)計出一系列基于羅丹明衍生物的汞離子識別探針，并對其檢測效果進(jìn)行了 測試。 合成了基于羅丹明b 的h ，+ 離子識別探針，在表征其結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，對其性能進(jìn) 行了相應(yīng)的測試，發(fā)現(xiàn)其對h 礦+ 離子具有一定的選擇性和靈敏度。 利用汞的親硫性對所設(shè)計的探針進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，得到一種新型的h 礦+ 離子識別探 針，并對其性能進(jìn)行了相應(yīng)的測試，發(fā)現(xiàn)其能在純水中對汞離子的識別效果可以達(dá)到 2 p p b ，證明其為較理想的汞離子識別探針。 在硫代探針的基礎(chǔ)上考察推拉電子基團(tuán)對識別效果的影響，驗證了推電子基團(tuán)將進(jìn) 一步提高探針的識別效果，為探針的進(jìn)一步優(yōu)化提供了理論依據(jù)。 對分子探針的材料化進(jìn)行了研究，將得到的汞離子識別探針與分子篩結(jié)合，通過測 試證明了分子篩可以吸附汞離子識別探針，為分子探針材料化提供了理論依據(jù)。 關(guān)鍵詞：h 礦+ 離子：羅丹明b ；熒光探針；變色探針 蒸予羅丹明衍生物的h 礦離子識別變色熒光探針的研究 h 9 2 + p r o b e sb a s e d o nr h o d a m i n ed i r e v a t i v e s a b s t r a c t m e r c u r yi sah i g h l yt o x i ce l e m e n ta n di t sc o n t a m i n a t i o ni sw i d e s p r e a da n do c c u e s t h r o u g hav a r i e t yo fn a t u r ea n da n t h r o p o g e n i cs o b r c e o n c ei n t r o d u c ei n t ot h em a r i n e e n v i r o n m e n t , b a c t e r i aw i l lc o n v e r ti n o r g a n i cm e r c u r yi n t om e t h y l m e r c u r y , w h i c he n t e r st h e f o o dc h a i na n da c c u m u l a t e si nh i g h e ro r g a n i s m s 啊1 ee p as t a n d a r df o rt h em a x i m u m a l l o w a b l el e v e lo fi n o r g a n i ch g ( i i ) i nd r i n k i n gw a t e ri s2 p p b ，t oa c h i e v et h i ss t a n d a r d ，t h e d e v e l o p m e n to fn e wo ri m p r o v e da n a l y t i c a lm e t h o 出f o rt h es e n s i t i v ea n ds e l e c t i v e d e t e r m i n a t i o no f r i g z + i sh i g 撻yd e s i r a b l e 。b e c a u s eo f h i g hq u a n t u my i e l do f r h o d a m i n e 。m 瓣 a n dm o l es c i e n t i s t su s ei ta si d e a lh g z + s e n s o r u n d e rt h es u m m a r i z a t i o no f f o r m e rw o r k s w e d e s i g n e das e r i e so fh r s e n s o rb a s e do nr h o d a m i n ed e r i v a t i v e s ，a n dt e s t e dt h e i re f f e c t s w em a d eas y n t h e s i so fh s e n s o rb a s e do nr h o d a m i n ed e f t v a t i v e s ，a n dc o n f i r m e di t s s t r u c t u r e 骶a l s ot e s t e di t se f f e c t sa g a i n s th r ，a n dm a d es n r et h a ti th a dc o n s i d e r a b l y s e n s i t i v i t ya n ds e l e c t i v i t yt o w a r d sh + w eu s e dt h es u l f u rp r e f e r e n c ec h a r a c t e r i s t i co fm e r c u r yt oi m p r o v et h es y n t h e s i so fh g z + s e n s o r ，w eg o tan e w + i l s o r a f t e rt h et e s to fi t se f f e e t , w ef o u n dt h a ti tc o u l dm a k et h e c r i t e r i ao f 2 p p bi nw a t e r s oi ti sa ni d e a ln g + s e r s o r 馘ei n d u c e dp u s ho rp u l le l e c t r o nc o m p o u n d si n t oo p t i m i z e dh s e n s o r , a n dw ef o u n d t h a tp u s he l e c t r o nc o m p o u n d si m p r o v e dt h ee f f e c to fh 礦s e n s i n g s ow ec d nu s ep u s h e l e c t r o nc o m p o u n d st om a k ea d v a n c e dh 疊”s e n s o r w ep u tt h eh s e n s o ri n t om o l e c u l a rs i e v em c m - 4 8i no r d e rt on l a k eaf l e wm a t e r i a l 。 u n d e rt h et e s to f t h en e wm a t e r i a la g a i n s th g z + , w ei n a d es u r et h en e wm a t e r i a lc a nb eu s e dt o a b s o r bh g i nw a t e r 1 tm a d ean e w t h e o r yt om a k ec h e m o s e n s o ri n t on e wm a t e r i a l s k e y w o r d s ：h 礦i o n ；r h o d a m i n e ；f l u o r e s c e n c es e n s o r ；c o l o r i m e t r i es e n s o r i i 獨創(chuàng)性說明 作者鄭重聲明：本碩士學(xué)位論文是我個人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工 作及取得研究成果。盡我所知，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外， 論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫的研究成果，也不包含為獲得大連理 工大學(xué)或者其他單位的學(xué)位或證書所使用過的材料與我一同工作的同志 對本研究所做的貢獻(xiàn)均已在論文中做了明確的說明并表示了謝意 作者簽名：沏塑翌日期：之竺宓! 三：! z 人連理工大學(xué)碩十研究生學(xué)位論文 大連理工大學(xué)學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書 本學(xué)位論文作者及指導(dǎo)教師完全了解“大連理王大學(xué)硬士、博士學(xué)位 論文版權(quán)使用規(guī)定”，同意大連理工大學(xué)保留并向國家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送 交學(xué)位論文妁復(fù)印件和電子版，兔誨論文被查闞和鐳閱。本人授權(quán)大連理 工大學(xué)可以將本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索，也 可采用影印、縮印或掃描等復(fù)鑭手段保存和匯編學(xué)位論文。 名：沏塑圣 導(dǎo)愿簽名： 大i 毫理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 1文獻(xiàn)綜述 1 。 化學(xué)缽系中赫燕子識別 1 1 1 識別的定義 1 0 0 年前e f i s h e r 曾以“鎖與鑰匙”的配念來描述分子間專一性結(jié)合，稱之為識 別。隨纂分子援澍穩(wěn)裁懿深入磅究，特別是蕤羞麓分子純學(xué)懿發(fā)袋“，宅褒會成純學(xué)、 生命科學(xué)、材料科學(xué)及信息科學(xué)中熱著愈來愈重要的作用。 分予議別可理解為底物與給定爨體選擇性地鍵合，并可能貝有專一性功能的過程。 糖應(yīng)于生物學(xué)中底物與受體的概念：人們也廣義她把分子識剃過程中期要佟嗣豹化學(xué) 秘耱稱為瘋物及受俸，較，l 、的分子裙為底褥，較犬豹分子秣為受體。識巍避程霹琵弓| 莛 體系的電學(xué)、光學(xué)性質(zhì)及構(gòu)象的變化。也可能引起化學(xué)性質(zhì)的變化。這些變化意味著化 學(xué)信息的存儲、傳遞及處理。因此，分子識別在信息處理及傳遞。分子及超分子器件制 冬過程串起羞重要雩# 髑”。 互補性( c o m p l e m e n t a r i t y ) 及礞綴織( p r e o r g a n i z a t i o n ) 是決定分子識掰j 馥程的兩個 關(guān)鍵原則。酊者決定議剮過程的選擇性，后者決定識別過程的鍵合能力。底物與受體的 互補性飄插空間結(jié)構(gòu)及空矧電學(xué)特性的互孫性?？諡懡Y(jié)構(gòu)互補憾最早由f i s h e r 的“鎖鑰 關(guān)系”掰接速。1 9 5 8 笨k o s h l a n d 攆遺了誘導(dǎo)配會( i n d u c e df i t ) 1 豹穰念豫餐t f i s h e r 藏 念的不怒，指出在底物與受體相互結(jié)合時，受體將采取一個能岡底物達(dá)到最健結(jié)合的構(gòu) 象。這個過程也被稱為識別過程的構(gòu)象重組織“】。 電拳將縫互於憊攢潢是氫鍵翁形裁，靜奄鞠囂終用( 婦簸攜豹形殘) ，p 蠖積捐互攆 塌，碗求鞠互作用等瀚。這要求受體及底物的鍵會位點及電荷分布能很好的甄配。 分予讓! 別的另囀愛決定岡索慰預(yù)組織原則。它卡耍決定識別過程中的鍵合能力。 預(yù)組織原則是指受體與底物分子在識別之前將受體中容納底物的環(huán)境組織褥愈好，其 滾熱鼗筑力憊詆，列宅鈣懿談裁散巢愈健，形成豹絡(luò)合鐾愈穩(wěn)定。 1 1 2 受體的設(shè)計原理 受體結(jié)構(gòu)模式的選擇及設(shè)計對分子識別是至必重要的。受體的設(shè)計及食成稱受體化 學(xué)。設(shè)詩多耪類型載受髂鑊之逶合予過渡龕囂褒予及其縫爨璃予，鞠離予，孛毪我元 機(jī)，有機(jī)及生物分子鋒各種類型的底物，需遵循些基本原貝唾，這方面的研究已掌握一 此有桁譬意義的規(guī)律， 基于羅丹明衍生物的h 礦離子識別變色熒光探針的研究 為了達(dá)到高的識別效果，受體與底物應(yīng)有大的接觸面積。受體應(yīng)具有包容底物的 空腔以產(chǎn)生較多的非共價相互作用，并與底物能很好互補。根據(jù)這個原則設(shè)計的受體包 括各種大環(huán)及大多環(huán)化合物。1 ，如冠醚類化合物，穴狀配體( c r y p t a n d s ) ，開鏈配體 ( p o d a n d s ) 及球狀配體( s p h e r a n d s ) 等。這些受體都有能同底物匹配的空腔，并有不同 數(shù)目的連接段、枝權(quán)等使其具有某些動力學(xué)特性，具有合適的鍵位置及功能基團(tuán)。 受體設(shè)計必須遵循剛性與柔性的平衡，它關(guān)系到受體及受體同底物識別過程的動 力學(xué)特性。受體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性需要剛性的分子結(jié)構(gòu)，但是識別過程中的變換、調(diào)控、協(xié) 同及變構(gòu)過程需要一定的柔性。特別是對于生物體系，受體的柔性是非常重要的，因此 受體設(shè)計應(yīng)兼顧受體的動態(tài)及靜態(tài)性質(zhì)。 氫鍵的形成在分子識別過程中起非常重要的作用，許多鍵分子結(jié)構(gòu)是通過氫鍵形 成的。一般氫鍵是通過電負(fù)性強(qiáng)的原子( 如n 及0 ) 形成的，如在受體及底物的互補 位置上的酰胺之間形成氫鍵。最近的研究結(jié)果表明“1 ，在不存在空間阻力、電荷轉(zhuǎn)移、 堆積相互作用等其他效應(yīng)時，絡(luò)合能同氫鍵數(shù)目線性相關(guān)。在設(shè)計氫鍵鍵合位置時，應(yīng) 引入適當(dāng)?shù)目臻g效應(yīng)阻止同溶劑形成氫鍵。實驗結(jié)果表明0 1 ，當(dāng)受體同溶劑形成氫鍵的 能力稍有增加時，它同底物的絡(luò)合能力將顯著減少。 p 堆積相互作用提供了識別平面雜環(huán)底物( 如核苷酸) 的有利途徑。根據(jù)p 堆積相 互作用而設(shè)計的受體對生命科學(xué)研究有一定的意義與價值。對這類分子識別研究表明， 受體與底物有關(guān)平面的相對取向是由電荷分布的互補性所決定的。當(dāng)受體及底物有關(guān)平 面有強(qiáng)的靜電相互作用時，則這兩個相應(yīng)平面傾向于平行取向，即面對面取向。當(dāng)不存 在強(qiáng)的靜電作用時，則傾向于邊對面的取向。 1 1 3 重要分子的識別 ( 1 )球形分子識別 球形底物的分子識別是最簡單的分子識別過程。堿金屬、堿土金屬、稀土等金屬陽 離子及鹵素等陰離子都是常用的球形底物。對于這類底物，具有球形空腔的受體比平面 大環(huán)有更高的識別能力。冠醚，穴狀配體，球狀配體等都能同相應(yīng)的球形底物形成穩(wěn)定 的絡(luò)合物，顯示很高的識別能力。 在一般情況下，無機(jī)離子與大環(huán)配體選擇性絡(luò)合時，鍵的選擇性是配合離子直徑 相對于大環(huán)孔徑的函數(shù)。但除考慮空問因素外，還應(yīng)考慮誘導(dǎo)及極化效應(yīng)當(dāng)金屬離子 同柔性較大的大環(huán)配體絡(luò)合時。由于形成強(qiáng)的給予接受鍵，同時由于金屬場形成方向性 力的作用，使金屬離子能誘導(dǎo)受體構(gòu)象的變化。k o j i 衄a k i 等“”設(shè)計合成了杯 擰 芳基脂 大連理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 ( r = 4 及6 ) 球形識別受體，它們識別堿金屬離子時會引起構(gòu)象變化。這涉及鐵磁材料及 鐵磁器件研究中交換作用，磁功能基團(tuán)在外界激勵下的開關(guān)效應(yīng)。 這類識別雖然簡單，但在化學(xué)、材料、信息及生命科學(xué)中有重要意義，與分子及超 分子器件的研制、分離純化過程、分析化學(xué)過程、神經(jīng)細(xì)胞的電感應(yīng)過程、金屬離子跨 細(xì)胞膜傳輸?shù)扔忻芮械年P(guān)系。 ( 2 ) 四面體識別過程 四面體底物的選擇鍵合要求受體分子具有四面體的識別位點。大多環(huán)穴狀配體的四 個氮原子處于四面體的頂點位置，能同n h + 4 形成四條氫鍵而高選擇性地識別n h ”， 形成穩(wěn)定的絡(luò)合物。這種受體同水分子也有類似的四面體識別過程。在生命過程中，某 些酶同底物的識別，也是四面體識別過程。 。 ( 3 ) 多重識別及線性識別過程 一個受體能同時識別兩個或多個底物或同時識別一個底物上的兩個或多個功能基 團(tuán)的程稱多重識別過程。它同協(xié)同效應(yīng)、變構(gòu)、調(diào)控以及信號傳輸?shù)冗^程有重要關(guān)聯(lián)。 線性識別的受體分子的兩端應(yīng)分別具有成鍵的亞單元，它們分別同底物的相應(yīng)的 功能基團(tuán)鍵合。底物功能基團(tuán)間的距離應(yīng)同受體兩個亞單元間的距離相匹配。這就是受 體識別底物分子長度過程的距離互補。0 2 c - ( c h 2 ) 。c 0 2 底物的長度是可以調(diào)節(jié)的，以滿 足最佳互補，達(dá)到最好的識別效果。許多生物分子如雙羧酸化合物，雙胺肽，氨基酸， 多胺等都可以作為線性識別的底物。對這類識別過程動力學(xué)特征的研究有重要意義。 ( 4 ) 某些生物體系中的分子識別過程 生命過程中各種分子識別過程，如酶與底物、激素與受體、抗原與抗體的識別等正 是各種生物功能的分子機(jī)制及調(diào)控原理的重要基礎(chǔ)。原核和真核細(xì)胞的基因表達(dá)非常精 確地被蛋白質(zhì)所調(diào)控。調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)對一定的d n a 區(qū)域的專一性識別過程是這種調(diào)控作用 的重要基礎(chǔ)。 在乳糖操縱子中，乳糖操縱子阻遏蛋白能夠選擇性地識別并結(jié)合到操縱基團(tuán)的2 0 個堿基對區(qū)域，并防止r n a 聚合酶結(jié)合到啟動基因上，從而調(diào)控基因的表達(dá)但這種 識別過程的機(jī)制還不清楚。一種最近發(fā)表的觀點認(rèn)為阻遏蛋白是通過a 螺旋區(qū)來識別操 縱基因的堿基對序列。a 螺旋通過氨基酸側(cè)鏈或肽鍵和d n a 堿基之間形成氫鍵或疏水鍵 結(jié)合n b 形d n a 的主溝。另一種觀點認(rèn)為，這種識別是依賴于氨基酸鏈成環(huán)，例如調(diào) 節(jié)蛋i 芻x e n o p u st f 形成9 個環(huán)和d n a 雙螺旋結(jié)合。這些分子識別機(jī)制的研究對于我 們認(rèn)識轉(zhuǎn)錄水平的基因調(diào)控是很有意義的。s l s c h r e i b e r 等設(shè)計并合成了t 細(xì)胞受體， 并把它們植入t 細(xì)胞。這種t 細(xì)胞的基因可以被由他們合成的小分子f k l 0 1 2 和 f k 2 5 0 6 m 自由開關(guān)，首次實現(xiàn)用人工體系調(diào)控基因表達(dá)信號1 。 基于羅丹明衍生物的h 礦離子識別變色熒光探針的研究 p g s c h u l z “4 及r a l e r n e r 等利用這種生物體能產(chǎn)生與外來抗原識別抗體的機(jī)制 丌拓了一個催化抗體研究領(lǐng)域，為化學(xué)工業(yè)開辟了一條綠色革命的新途徑。催化抗體是 用識別辦法選擇反應(yīng)物及過渡態(tài)，并在專一性結(jié)合中進(jìn)行反應(yīng)，使過程的活化能低， 選擇性高，能催化某些常規(guī)的催化劑難以實現(xiàn)的反應(yīng)，已成為當(dāng)前熱門的研究領(lǐng)域。 分子印跡技術(shù)( m o l e c u l a ri m p r i n t i n g ) 是在催化抗體概念啟發(fā)下發(fā)展的新技術(shù)“”， 已成功用于d l 對映體分離。它相當(dāng)于半抗原的模板分子與特定的小分子或生物大分子 以非共價鍵結(jié)合。多重非共價相互作用的協(xié)同效應(yīng)使之固定化。然后用溶劑洗去模板分 子得到專一性空穴，這些空穴可識別某些分子達(dá)到分離的目的。t a n a b e 等利用分子印 跡技術(shù)研究了巴比妥酸哉的分子識別過程m ，。 ( 5 ) 有機(jī)合成中的分子識別 在分子識別指導(dǎo)下的有機(jī)分子設(shè)計、合成和組裝，是世紀(jì)交替時代及下個世紀(jì)有機(jī) 化學(xué)發(fā)展的重要方向“”。在反應(yīng)試劑與底物的識別研究的基礎(chǔ)上發(fā)展的對映選擇性不對 稱合成已取得重大進(jìn)展“。建立在高度控制分子問相互作用基礎(chǔ)上的自組織 ( s e l f - o r g a n i z i n g ) 及自組裝( s e l f - a s s e m b l y ) 有機(jī)合成化學(xué)已有長足進(jìn)展。以d j c r a m ，j m ，l e h n 為代表的一批杰出的有機(jī)化學(xué)家對此作出了重大的貢獻(xiàn)。 自組織及自組裝合成是指分子通過氫鍵、范德華相互作用、靜電相互作用、給體及 受體效應(yīng)等自發(fā)構(gòu)筑成結(jié)構(gòu)及功能確定的超分子體系。分子晶體、液晶、膠束、l b 膜，二 維薄膜、三維骨架等都可通過自組織或自組裝合成制備。自組織及自組裝過程所必需的 信息及過程所遵循的構(gòu)筑原理必須貯存在組元之中，而且通過分子選擇性相互作用而 運作，故稱為程序化的超分子體系。分子的自組織要遵循一些基本原則，如分子形狀要 互補，滿足范德華接觸，接觸面積要盡可能大。形成多重或多種非共價鍵，通過正協(xié) 同效應(yīng)達(dá)到較強(qiáng)的結(jié)合，使結(jié)構(gòu)穩(wěn)定并克服不利的熵效應(yīng)。 1 2 熒光化學(xué)傳感器的原理及種類 化學(xué)傳感器指的是有著分子尺寸或比分子尺寸較大一些的、在與被分析物相互作用 時能夠給出實時信號的一種分子器件1 。 化學(xué)傳感器主要組成部件有兩個：( 1 ) 識別部件，能選擇性地與被分析物相結(jié)合( 一 般形成絡(luò)合物的形式) ，使傳感器所處的化學(xué)環(huán)境發(fā)生改變：( 2 ) 報告部件，把識別基 團(tuán)與被分析物絡(luò)合所引起的化學(xué)環(huán)境變化轉(zhuǎn)變?yōu)槿菀子^察到的輸出信號( 主要包括熒 光、電流、電極電勢等) 。 大連理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 供玎1m o * e , t y r 雷c o 鰣t | o 髓m o i l , 圖1 1化學(xué)傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖 f i g 1 1 s t r u c t u r eo f c h e m o s e n s o r 熒光化學(xué)傳感器( f l u o m s c c n c ec h e m i c a ls e n s o r ) 是建立在光譜化學(xué)和光學(xué)波導(dǎo)與測 量技術(shù)基礎(chǔ)上，選擇性地將分析對象的化學(xué)信息連續(xù)轉(zhuǎn)變?yōu)榉治鰞x器易測量的熒光信號 的分析測量裝置。經(jīng)過多年的發(fā)展，光導(dǎo)纖維端部修飾化學(xué)識別敏感層( 即傳感層) 形成 的熒光化學(xué)傳感器的研制取得了實質(zhì)性的進(jìn)展，已成為各種分子、離子的重要檢測手段。 作為一種靈敏度高、選擇性好、檢出限低的微量分析技術(shù)，熒光化學(xué)傳感器可以對單( 多) 種對象進(jìn)行實時、在線檢測，克服了傳統(tǒng)環(huán)境分析與監(jiān)測手段步驟繁瑣冗長、耗費大量 試劑、不能實時在線分析的缺點。針對上述問題，筆者就熒光化學(xué)傳感器的原理、制備 及其該領(lǐng)域的發(fā)展?fàn)顩r進(jìn)行綜述。 1 2 1 熒光化學(xué)傳感器的原理 熒光化學(xué)傳感器主要由光源、檢測器、信號處理系統(tǒng)等部分組成“”。常用的熒光化 學(xué)傳感器檢測部分構(gòu)造如圖2 1 所示。 由圖2 1 可知，熒光化學(xué)傳感器是通過敏感膜與分析對象進(jìn)行選擇性的相互作用， 并伴隨著易于識別的熒光光學(xué)信號變化來完成化學(xué)與熒光信號的識別。故敏感膜是熒光 化學(xué)傳感器設(shè)計和制備的核心部分，而敏感膜的性能則取決于敏感載體的選擇及其固定 效果。 基丁羅丹明衍生物的h f + 離子識別變色熒光探針的研究 圖1 2 熒光化學(xué)傳感器檢測體系示意圖 f i g 1 2 t e s ts y s t e mo f f l u o r e s c e n c ec h e m i c a ls e n s o r 1 2 2 熒光化學(xué)傳感器的種類 根據(jù)可應(yīng)用于環(huán)境分析與監(jiān)測的熒光化學(xué)傳感器的檢測對象，將其分為以下五類敘 述。 ( 1 ) p h 熒光化學(xué)傳感器 ph 熒光化學(xué)傳感器是較早產(chǎn)生的熒光化學(xué)傳感器之一。其識別原理主要在于敏感 載體與溶液中的氫離子的質(zhì)子化反應(yīng)前后具有不同的熒光特性。該特性( 多是熒光強(qiáng)度) 與氫離子濃度即溶液的ph 相關(guān)。 在其使用的敏感載體中，熒光素及其衍生物占了很大部分。如：氨基熒光素、異硫氰 基熒光素等。除此之外，過渡金屬配合物、萘酰亞胺類衍生物等也被用作敏感載體。 由于大多數(shù)ph 熒光化學(xué)傳感器多具有某一相對較窄的檢測范圍，而水環(huán)境質(zhì)量標(biāo) 準(zhǔn)中的p h 范圍為6 5 8 5 ，因此只有具有適當(dāng)檢測范圍的p h 傳感器才能應(yīng)用于環(huán)境 分析與監(jiān)測。 ( 2 ) 溶解氧熒光化學(xué)傳感器 溶解氧熒光化學(xué)傳感器多是基于敏感載體( 過渡金屬有機(jī)絡(luò)合物，四碘熒光素，芘衍 生物與氧的相互作用時其熒光發(fā)生動態(tài)猝滅，由熒光的猝滅程度來確定氧的濃度。 過渡金屬有機(jī)物具有激發(fā)波長較長、發(fā)射光強(qiáng)度較大和光學(xué)穩(wěn)定性好等特點，常被作 為敏感載體使用。m e d o n a g h 等采用溶膠- 凝膠的方法包埋釕配合物r u ( p h p h e n ) 3 c 1 2 制 得了溶解氧傳感器，并通過提高敏感膜中的甲基三乙氧基硅烷與乙基三乙氧基硅烷的比 例，提高敏感膜的憎水性，使得水中的溶解氧便于脫離溶解狀態(tài)形成氣態(tài)與敏感膜作用， 增強(qiáng)了氧對傳感器的猝滅響應(yīng)。b a i l e y 等將四碘熒光素b 包埋在溶膠凝膠中制備的溶 解氧傳感器，在溶解氧質(zhì)量濃度2 0 m g l 以下時的響應(yīng)曲線呈線性，比較適合檢測通常狀 人連理t 大學(xué)碩七學(xué)位論文 況下的水樣中溶解氧濃度。b a s u 等利用芘衍生物為敏感載體制成敏感膜，在溶解氧的測 定中具有良好的可逆性和穩(wěn)定性，可用于水中溶解氧在線監(jiān)測。 ( 3 ) 含氮化合物熒光化學(xué)傳感器 含氮化合物是導(dǎo)致水體富營養(yǎng)化的重要因素，氨態(tài)氮、硝態(tài)氮、亞硝態(tài)氮等都是環(huán) 境監(jiān)測的對象。 p r e i n i n g e r 等制備了一種以若月明b 作為敏感載體的氨熒光化學(xué)傳感器，包埋在溶膠一 凝膠和p v c 中的羅j 、j 明b 可以在氨作用下轉(zhuǎn)變成無色無熒光的內(nèi)酯，將其熒光強(qiáng)度的降 低與氨的濃度成比例關(guān)系，其檢測限可至0 1 i - t g m l 。m o l a r 等將十八烷基嘧啶橙包埋固定 在p v c * ，制得的敏感膜在與n 0 3 接觸時，有明顯的熒光增強(qiáng)效應(yīng)，對溶液中的n o 3 具有很 高的靈敏度。c l i e n 等使用四甲氧基硅烷和二甲基二甲氧基硅烷作為基質(zhì)，氨基熒光素為 敏感載體，采用溶膠凝膠的有機(jī)摻雜技術(shù)，得到的敏感膜具有較高的機(jī)械強(qiáng)度與柔韌 性，對氨的響應(yīng)受溫度、鹽度及常見金屬離子( p b 2 + 除外) 的影響較小。最近，j i a o 等利用 i - 與n 0 2 反應(yīng)生成的i 2 對9 甲基烯丙基氨基咔嘩熒光猝滅效應(yīng)，制備了一種可以測定n o 的熒光化學(xué)傳感器。 ( 4 ) 重金屬離子熒光化學(xué)傳感器 重金屬離子熒光化學(xué)傳感器中的敏感載體多為大環(huán)化合物，如卟啉化合物、杯芳烴、 冠醚等。 e r t a s 等利用c d 2 + 和z n 2 + 對9 一( 1 ，4 ，7 ，1 0 ，1 3 - 五氮環(huán)十五烷基) 甲基葸的絡(luò)合熒光增 強(qiáng)作用，并且c d 2 + 的絡(luò)合物的熒光相對于z n 2 + 的絡(luò)合物有明顯的紅移，可以同時對水溶 液中的c d 2 + 和z n 2 + 進(jìn)行檢測。m 6 t i v i e r 等在杯芳烴上一次引入4 個萘磺酰胺基團(tuán)，并將 得到的化合物作為敏感載體制成p b ”傳感器，在n a + 、k + 、c a 2 + 、z n 2 + 、h 9 2 + 等共存條件 f 測定水溶液中的p b “具有非常高的選擇性和靈敏度。 蒽衍生物也可以用來檢測p b 2 + 。c h a n 等合成了四甲基n ( 9 葸甲基) 對二氨基聯(lián)苯， 并以其作為質(zhì)子選擇性熒光載體，包埋在p v c 膜中，制得了基于離子交換機(jī)理的p b 2 + 傳感 器。 ( 5 ) 有機(jī)污染物熒光化學(xué)傳感器 常見有機(jī)污染物熒光化學(xué)傳感器的檢測對象有硝基芳香類化合物、多環(huán)芳烴等。n i u 等使用甲基丙烯酸一b 一羥丙酯共價固定氨基萘酰亞胺制得的苦味酸傳感器，檢測線性范 幽為9 8 0 1 0 4 1 ，9 6 x 1 0 - 4 m o l l ，檢測限7 1 1 0 7 m o l l 。h u a n g 等基于具有分子導(dǎo)線 效應(yīng)的熒光共軛聚合物能對響應(yīng)信號起放大作用，將聚2 ，5 一二甲氧基苯基丁二炔包埋 于p v c 膜中，設(shè)計了可用來對鄰硝基酚進(jìn)行痕量分析的熒光化學(xué)傳感器。該傳感器檢測 范圍1 8 l o 七1 8 1 0 m o l l 。f e m 矗n d e z - s 矗i l c h e z 等利用x a d 系列大孔吸附樹脂對多 基于羅丹明衍生物的h 礦離子識別變色熒光探針的研究 環(huán)芳烴的吸附作用制成了苯并( a ) 芘熒光化學(xué)傳感器，其檢測范圍為3 0 2 5 0 0 r i g l ，檢 測限3 0n g l 。s l u s z n y 等則以氯乙烯和乙酸乙烯共聚膜片作為載體實現(xiàn)了腐殖質(zhì)和泥漿 中多環(huán)芳烴化合物含量的測定，結(jié)果令人滿意。 除了芳香族化合物之外，表面活性劑、一些有機(jī)毒物如殺鼠靈、神經(jīng)毒劑索曼水解 產(chǎn)物等都可用熒光化學(xué)傳感器進(jìn)行檢測。 1 3 汞離子識別的重要性 重金屬離子( 如z n 2 + 、a b 2 + 、c d 2 + 、c u 2 + 、c r 6 + 、m n 5 + 、a s 3 + ，f e 3 + 、h 孑 + ) 能對人體產(chǎn)生有害甚至是致命的影響，特別是對于中樞神經(jīng)系統(tǒng)，能夠引起神經(jīng)紊 亂。因此重金屬的定量檢測在藥物、食品、臨床和環(huán)境檢測方面是非常重要的。而對于 汞離子的檢測是其中最重要的環(huán)節(jié)之一，眾所周知，汞是一種危害人體健康的重金屬，汞 離子會沉積在腦、肝和其他器官中，產(chǎn)生慢性中毒，損害。腎、腦胃和腸道，甚至引起死亡。 另外，汞元素及其化合物能夠通過皮膚被吸收，引起口腔炎、齒齦炎和神經(jīng)紊亂等疾病。 汞離子對人體含有s 原子的配合基顯現(xiàn)出了很強(qiáng)的親和力，能引起蛋白質(zhì)、酶和膜的巰 基( s h ) 塊結(jié)。汞能夠在海洋生物體內(nèi)累積，通過食物鏈轉(zhuǎn)移到人體內(nèi)，最典型的例子 就是在日本發(fā)生的水俁病，據(jù)報道很多人死亡“”。汞中毒會對整個社會產(chǎn)生極其惡劣的 影響，現(xiàn)在汞被優(yōu)先列在全球環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)( g e m s ) 清單上，全世界都花費大量的人力、 物力和財力在開發(fā)和研究新型的檢測汞離子方法。 1 4 汞離子識別遇到的挑戰(zhàn) 大量的論文介紹了檢測汞元素的方法，其中最廣泛使用的定量檢測汞技術(shù)是原子吸 收光譜和原子發(fā)射光譜，還有其他一些方法，如中子活化分析法、陽極溶出伏安法1 、x 射線熒光光譜法、等離子體感應(yīng)光譜、雙硫腙比色法和用懸液計測量懸液法等?！?。這 些方法一般都是成本比較高，需要復(fù)雜的儀器和熟練的操作人員，不能或不方便在戶外 使用。一般是在實驗室進(jìn)行，即現(xiàn)場采樣后進(jìn)行離線分析，存在耗時，分析步驟復(fù)雜，分析 儀器昂貴，采樣頻率低以及樣品不易保存等缺點。在有些情況下，需要及時知道環(huán)境污染 情形，以便及時迅速制定相應(yīng)的處理對策，因此現(xiàn)場環(huán)境檢測方法、移動實驗室和便攜式 檢測儀器等概念被許多研究人員提出。在過去的二十多年問，科研人員發(fā)現(xiàn)大量的中性 的離子載體對金屬離子具有很高的選擇性，因此制作的相應(yīng)傳感器廣泛應(yīng)用于環(huán)境和生 物樣品的金屬離子的在線監(jiān)測。 8 一 大造理工大學(xué)碩士學(xué)讎論文 1 5 澩離子識別熒光傳感器的研究進(jìn)展 i 5 1 瓣醚類h g z + 傳感器 冠醚穩(wěn)先被入霄】逡佟 差f + 傳黲囂中的識震部佟。r u r a e k 等人讎塌戳硫琢子代替冠 醚中氧原予，使得其對h 9 2 + 等親硫的重金屬離予有著較好的選彈性。以此為基礎(chǔ)，他們 設(shè)計了一系歹l j h 9 2 + 的化學(xué)傳感器。 最硬黥霆醚類 差f + 攙感器( 1 1 ) 激噠湊終舞熒光基函掰一。溯試熬結(jié)暴褒鶴，宓羈a h g “焉l l 的熒光光譜位雹沒有發(fā)生改變，值強(qiáng)度有所增加。該傳感器有較好的選擇性， 靈敏度撤離，最低檢出限為5x 1 0 一m 。后來，r u r a c k 等人又將類似的冠醚結(jié)構(gòu)與另一 神發(fā)光潦溷( 硼化二毗瞎甲基) 租逡繕到化會物1 2 作為h f + 躺化學(xué)傳感器。這種硼化 二懿咯警基基函毒駑鶼免穩(wěn)定往、麓鮑熒蠢量予率( 0 1 5 ) 璦及襞在鞍長液長下( 絞 5 0 0 n m ) 激發(fā)等優(yōu)點。 l l l l 最遙，r u f a c k 等人3 又擐道了以暌毽嗪酮為努槊辮純會物1 3 。蹬噻嗪聚墓爨載侵麓 傈證了佟感器的求溶髖，因而在實舔應(yīng)用有著重要性。同時該蒸豳的熒光融現(xiàn)在可見光 區(qū)，從而增強(qiáng)了傳感器的使用價值。為了保證對 礦+ 的選擇性識別，設(shè)計者同樣應(yīng)用了 含有n 、s 的大環(huán)結(jié)構(gòu)。 9 p b 潞o 基丁羅丹明衍生物的h 礦+ 離子識別變色熒光探針的研究 1 3 該傳感器對h f + 的選擇性在水溶液中依然存在，并對h 礦+ 的檢出下限達(dá)到了1 0 7 m 級別。對比實驗表明，n a + 、k + 、m 9 2 + 、c a 2 + 等離子不干擾檢測。 除了含s 的冠醚外，含n 的冠醚也被用于h 9 2 + 化學(xué)傳感器的設(shè)計。早在1 9 9 5 年，p o r t e r 等人1 設(shè)計并合成了化合物1 4 和1 5 作為h f + 的選擇性提取劑，并指出在h 礦+ 絡(luò)合 后。1 4 和1 5 的吸收光譜有紅移。最近s a v a g e 等人”3 在此基礎(chǔ)上，設(shè)計了化合物1 6 作 為h 9 2 + 的化學(xué)傳感器。在甲醇p 水( 體積比7 0 p 3 0 ) 溶液中，化合物1 6 司h 9 2 + ，c u 2 + f ：l c d 2 + 形成絡(luò)合物，而與其它離子的絡(luò)合常數(shù)很小( 1 0 9 k a 靜滾滾中，其中r b o 的濃霞梵1 0 1 - t m ，囪箕巾加入3 0 傣灝量的h g + 離子。測試的激發(fā)波長為5 1 0 n m ，隨著h g + 離予的加入，在5 8 5 n m 處出現(xiàn)個新的發(fā) 射帶，并逐漸增強(qiáng)( 擻子產(chǎn)率，0 a 2 ) ，這可能是由于羅丹明基團(tuán)中的氧雜蒽基團(tuán)發(fā) 生蘊移弓l 起豹交純。遨涯明了搽鐘r b o 對h 9 2 + 褰子騫菲零磐熬熒走確應(yīng)。 塑2 。2 在禽有黯0 l o 塒的1 ：1 胤f 如o 馳混合溶劑中加入3 0 倍當(dāng)量的h g ( i i ) 時的熒光發(fā)射幽譜。 激發(fā)滾瑟為5 1 0 n m f i g 2 2t h e f l u o r e s c e n c er e s p o n s e o f l 0 i _ t m r b o f i n l ：1d m f h 2 0 m i x s o l v e n ta q u e o u ss o l u t i o n ) 1 03 0 e q u i v o f h g ( 1 1 ) a tp h7 e x c i t a t i o nw a sp r o v i d e da t5 1 0 n mf o rt h e s ec o m p o u n d s r b o 魏熒瓷強(qiáng)發(fā)增強(qiáng)熬囅發(fā)與h g 磐麓入爨量近羧躐魄弱，箕滾裁最壤為 d m f h 2 0 ( 1 ：l ，v v ) ，r b o 同樣在p p b 繳對于h 礦+ 離子有非常好的響應(yīng)。遮顯示出探 針r b o 麒有很高的靈敏度。 一2 5 基于羅丹明衍生物的h 礦離子識別燮色熒光探針的研究 隧2 3 化物r b o 在l ：id m f i 1 2 0 混合溶液中的熒光滴您，每次加入楣巍于l p p b 量的b g ( i i ) 。在 發(fā)黲強(qiáng)度5 5 6 n m 簸測試，激發(fā)浚長鴦5 1 0 n t o 。 f i g 2 3 f l u o r e s c e n c ee m i s s i o nc h a n g e so f c o m p o u n dr b o ( n 曲l p i c t u r eo + l p m ) u p o na d d i t i o na d d i t i o n s o f h g ( 1 1 ) ( b yip p b ) i n1 ：1d m f h 2 0a q u e o u ss o l u t i o n t h ef l u o r e s c e n c ei n t e n s i t i e sw e m m e a s u r e da t 5 5 6 n m e x c i t a t i o na t5 1 0 n m 2 5 探針r b o 對h 9 2 + 離子的p h 依賴實驗 塒j 二燃肖熒光團(tuán)的配體，一個最簡單的途徑去研究其配位過程對于p h 慎的依賴便 是透過苓戮鱔篷下箕擒殘鰓配臺貔的熒光發(fā)耪強(qiáng)發(fā)懿變化來磅究。囂在實豁痤瘸中， 化學(xué)傳感器應(yīng)該具有在一個相對寬泛的p h 值下w 以使用的性籟。p h 依賴滴潷測試顯示 化合物r b o 在p h 值范圍為4 0 1 0 0 中有較弱的熒光發(fā)射( 激發(fā)波長為5 1 0 n m ) ，證 明化合物r b o 受p h 傻變化影響不大。因此，化會物r b o 在沒有溶劑效應(yīng)情況下可以 在一個較寬熬必l 篷范黼( 4 o l o o ) 中對玨f + 鬻予透露撿溺。麴入王 礦+ 舞子囂，在 相同的p h 值范圍( 6 o 1 0 ，o ) 中，熒光強(qiáng)度明顯增強(qiáng)，最大值出現(xiàn)在p h = 6 ，5 處，這充 分汪明了化含物r b o 可以實際應(yīng)用予對h f + 離子的檢測。 奎堡里三查堂堡主蘭堡絲苧 圖2 4 化合物r b o 在l ：1d m f ，h 2 0 混合溶劑中的p h 依賴測試。發(fā)射波長5 5 6 n m 處激發(fā)波長 5 1 0 n m f i g 2 4p hd e p e n d e n tf l u o r e s c e n c er e s p o n s eo f c o m p o u n dr b o i ni ：id m f h 2 0a q u u ss o l u t i o n t h e f l u o r e s c e n c ei n t e n s i t i e sw e r em e a s u r e da t5 5 6 n m e x c i t a t i o na t5 l o n m 幽2 5 化合物r b o 在1 ：1d m f ，h 2 0 混合溶劑中加入h g ( 1 1 ) 后的p h 依賴測試，發(fā)射波長5 5 6 n m 激發(fā)波長5 i o n m f i g 2 5p hd e p e n d e n tf l u o r e s c e n c er e s p o n s eo f c o m p o u n dr b o ( 1 e f ti o g m ) a n du p o n a d d i t i o no f h g ( 1 1 ) i ni ：id m f h 2 0a q u e o u ss o l u t i o n t h ef l u o r e s c e n c ei n t e n s i t i e sw e r em e a s u r e da t5 5 6 n m e x c i t a t i o n a t 5 1 0 n m 2 6 探針r b o 對不同陽離子的選擇性實驗 眾所周知，一種高選擇性的h f + 離子識別探針對于陽離子是熒光增強(qiáng)響應(yīng)要遠(yuǎn)遠(yuǎn)好 于熒光淬滅，熒光增強(qiáng)將更好的提高探針的靈敏度。對于化合物r b o 針對不同陽離子 一2 7 基于羅丹明衍生物的h 礦離子識別燮色熒光探針的研究 靜熒競晌蔽測試在p h = 7 0 的溶液串避行，其中激發(fā)波長為5 1 0 n m 。化合秘辯予不同陽 離子的選擇性由圖2 6 給出；化合物在不同的陽離予環(huán)境中其熒光強(qiáng)度沒有明鼎的變化， 會屬包括堿金屬和堿土眾屬，如n r ，k + ，m 礦，和c a 2 ，第一攤的過度金屬，如m n 2 + ， f e 2 + ，c 9 2 ，n i 2 + , 窩c u 2 + 。露對手麴入建量2 5 薅茲1 2 族離子魏z n 2 秘c d 2 + 戳及p b 2 豹 加入同樣沒有產(chǎn)生明顯的熒光響應(yīng)，遮都證明了化食物對h g “離子有非常好的選擇性， 這可能是由于n n 的= 齒配位點更符合h 9 2 + 獨特的配位空間縮構(gòu)，對h 9 2 + 的選擇 性大大提離。 w a , , 嘲e n g t ht n m l 圈2 6 搽鐘r b o 崔1 ：1d m f h 2 0 豹溉臺溶裁中，崔5 0 p mh e + 與0 2 5 r a ml i + n a + 。移，m i g ” c a 2 + m n ”，f e 2 + ，c d + ，n i 2 ，c u “，z n 2 + ，c d “，p b 2 + 麩存情況下相對于h 9 2 + 的選擇性測試 f i g 2 6 f l u o r e s c e n c es p e c t r a ( e x c i t a t i o na t5 1 0 n m ) o f r b oo o v m ) i ni ：id m f h 2 0a q u e o u ss o l u t i o ni n t h ep r e s e n c eo fs 0 ) i mh 礦+ ，0 2 5 m mo f l i + ，n a ic ，m 礦+ ，a n dc a 2 + ，t h ef i r s tr o wm m s i t i o nm e t a l s m n 2 + ，f e l + ，c d + ，n i 靜，a n de 一赫w e l l i t sg r o u p1 2c o n g e n e r sz n 2 + a n dc d 2 + ，p b 2 + 2 7 探針r b o 在多種陽離子共存情況下的競爭實驗 對手璇配譴方式捻溺分輯茲靜蕊薅器來滋，鯔露菱爵戇蘧努意爭組分瓣獫測弱于耄| | i 是對傳感器發(fā)展提出的一項挑戰(zhàn)。圖2 7 顯示出當(dāng)h g ( i i ) 與其它愈屬離子在必然水中共 存的條件下，化合物r b s 對h g ( i i ) 的熒光相應(yīng)，其宦金屬離子包括：堿金屬，堿士金屬， 以及元素髑期表孛籌弦豹過渡金聯(lián)，勞置還有z n ( i d 和c d ( i i ) 。瓣予1 0 0 倍巍囊( i m m ) 的第一生羧和第二主族豹金屬離子來說，如n a + ，燈，m 9 2 + ，和c a z + ，并不能影響億舍攜 r b s 與h g ( i i ) 的配位，不能導(dǎo)致熒光發(fā)射。同時c a ( i d 和p b ( i i ) 也不能阻止由h g ( i i ) 弓l 起的熒光增強(qiáng)。對于= 價的第一排的過渡金屬的存農(nóng)。如m n ( i i ) ，f e ( i i ) , 和c o o d ，r b o 大連理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 對于h g ( i i ) 同樣具有很好的選擇性。甚至在n i ( 1 1 ) 和c u 0 1 ) 存在的情況下，這兩種離子通 常在中性p h 值條件下其配位性質(zhì)強(qiáng)于h g ( 1 1 ) ，r b o 同樣對h g ( 1 1 ) 有很好的選擇性。化 合物r b o 的測試環(huán)境是在l ：】d m f h 2 0 的混合溶劑中。這種傳感器對c u ( h ) 都有一定 的熒光相應(yīng)，這是由于n 2 0 配位基團(tuán)的存在。與m s im s 4 。m s 2 和m s 3 一樣，r b o 在同為第1 2 族金屬z n ( i i ) 和c d ( i i ) 存在的情況下，對h g ( i i ) 都有很好的選擇性。因此 r b o 在多種陽離子共存的情況下對h g ( i i ) 有很好的選擇性。 圖2 7 探針r b o 在含有d m f 的有機(jī)溶劑中，在2 5 倍當(dāng)量其它金屬離子存在的情況下，2 5 倍當(dāng) 量的h 9 2 + 離子相對于其它金屬離子的競爭性測試，取5 5 6 n m 處數(shù)據(jù)作圖，激發(fā)波長5 1 0 n m f i g u r e2 7f l u o m g e e n c er e s p o n s c so f r b 0 ( i nad m fa q u p o t i ss o l u t i o n