新結(jié)構(gòu)香豆素類熒光分子探針研究論文
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1、新結(jié)構(gòu)香豆素類熒光分子探針的研究
目 錄
摘要1
關(guān)鍵詞1
一、緒論2
1.1 熒光的產(chǎn)生原理3
1.2 熒光分子探針的結(jié)構(gòu)特征3
1.3 熒光分子探針識別原理4
1.3.1 光誘導電子轉(zhuǎn)移
2、7 1.4.5 香豆素類熒光分子探針8 1.5 本論文研究的主要容11 二、實驗部分12 2.1 原料與儀器12 2.1.1 主要原料及試劑12 2.1.2 主要儀器13 2.2 合成原理14 2.2.1化合物a的合成原理14 2.2.2化合物b的合成原理15 2.3 目標化合物的合成及表征15 2.3.1 化合物a的合成與表征15 2.3.2 化合物b的合成與表征16 2.4紫外及熒光光譜的測定16 2.4.1 不同溶劑中的光譜研究16 2.4.2 摩爾消光系數(shù)的測定16 2.4.3 Stokes位移計算17 2.4.4 對金屬離子的識別測定17 三、結(jié)
3、果與討論18 3.1 化合物a的光譜解析及對金屬離子的識別18 3.1.1 化合物a在不同溶劑中的紫外及熒光光譜18 3.1.2 DMSO中化合物a對金屬離子的識別19 3.2 化合物b的光譜解析及對金屬離子的識別21 3.2.1 化合物b在不同溶劑中的紫外及熒光光譜21 3.2.2 乙腈中化合物b對金屬離子的識別23 四、結(jié)論26 致謝27 參考文獻28 附錄28 35 / 37 摘 要: 分子識別是廣泛存在的自然現(xiàn)象,特別是在生命過程中,分子識別起著極其重要的作用。熒光分子探針能夠?qū)⒎肿幼R別的信息轉(zhuǎn)換成熒光信號,具有高靈敏性、選擇性、分辨時間
4、短、實時原位檢測等突出優(yōu)點,因而廣地用于對微量物質(zhì)進行檢測,在生命科學、材料科學和環(huán)境科學等領(lǐng)域有許多重要應(yīng)用。近年來,以香豆素為基礎(chǔ)的熒光分子探針已成為一個新興的研究熱點。 設(shè)計合成了兩種新型的香豆素類熒光分子探針:7-N,N,-二乙氨基香豆素-3-甲酰水醛腙〔a〕, 7-N,N,-二乙氨基香豆素-3-甲酰氨基苯硫脲〔b〕,通過1HNMR、MS進行了結(jié)構(gòu)表征,并研究了不同溶劑對其光譜性能的影響。離子識別結(jié)果表明:化合物a對Cu2+表現(xiàn)為熒光淬滅識別,效率為98.9 %;而化合物b對Cu2+表現(xiàn)為熒光增強識別。 關(guān)鍵詞:熒光分子探針;香豆素;陽離子識
5、別 新結(jié)構(gòu)香豆素類熒光分子探針的研究 化學工程與工藝 吳志杰 指導教師 小冬 一、 緒論 自從20世紀60年代末Pedersen’s合成并發(fā)現(xiàn)冠醚以來,人們對分子識別的興趣與日俱增。所謂分子識別是指分子之間<主體與客體或稱之為受體與底物>靠非共價鍵力的選擇性結(jié)合并產(chǎn)生某種特定功能的過程。識別是有目標的結(jié)合,它是通過一系列結(jié)構(gòu)確定的分子間相互作用而組成的模式識別過程。結(jié)合形成的超分子體系是由它的穩(wěn)定性和選擇性,即形成過程中的能量和信息量來表征的[1]。識別事件的信號可通過分子器件以光的形式表達出來,
6、熒光分子探針
7、譜形狀和熒光偏振等變化作為熒光信號輸出,實現(xiàn)對客體分子的選擇性識別和測定[3]。熒光分子探針在信息科學、藥物化學、生理學、環(huán)境科學等領(lǐng)域,尤其在對生物分子的檢測中有著十分廣泛的應(yīng)用。熒光團上引入活性基團,如琥珀酰亞胺、異硫氰酸醋、馬來酰亞胺等,可以與生物分子上的胺基等基團通過共價鍵特異性結(jié)合,從而對生物分子進行熒光標記。 通常一個用于檢測底物的熒光分子探針必須具備一些優(yōu)良的物理、化學性質(zhì),如:化學和光穩(wěn)定性、高選擇性及高靈敏度、瞬間響應(yīng)底物的能力、合適的溶解度、檢測系統(tǒng)的易操作性、熒光激發(fā)波長應(yīng)盡量位于可見光區(qū)[4, 5]。 1.1 熒光的產(chǎn)生原理 分子熒光是指分子在輻射能如紫外、可見
8、光的照射下,電子躍遷至激發(fā)單重態(tài),并以無輻射馳豫方式回到第一激發(fā)單重態(tài)的最低振動能級,由此再躍回到基態(tài)或基態(tài)中的其它能級時所發(fā)出的光[6]。由Alexander Jablonski 在1935 年提出的熒光產(chǎn)生的過程圖,常被稱為Jablonski 圖[7]〔見圖1-1〕。通常情況下,熒光試劑分子處于基態(tài),吸收光后,試劑分子的電子被激發(fā)而處于激發(fā)態(tài),基態(tài)和激發(fā)態(tài)都有單重態(tài)和三重態(tài)兩種類型?;衔锬軌虍a(chǎn)生熒光的最基本的條件是它發(fā)生多重性不變的躍遷時所吸收的能量小于斷裂最弱的化學鍵所需要的能量。其次,在化合物的結(jié)構(gòu)中必須有熒光基團如-C=O、-N=O、-N=N、-C=N、-C=S等。當這些基團是分子
9、的共扼體系的一部分時,則該化合物可能產(chǎn)生熒光。
圖1-1 發(fā)光系統(tǒng)的Jablonski 圖
Fig.1-1 Jablonski diagram for a photoluminescent system
1.2 熒光分子探針的結(jié)構(gòu)特征
典型的熒光分子探針通常由三個部分組成,即 <1> 接受體
10、[8],用以發(fā)出信號指示底物已被捕獲;<3> 連接體或隔離基
11、.3.1 光誘導電子轉(zhuǎn)移
12、子無法直接躍遷回原基態(tài)軌道發(fā)射熒光,導致熒光團的熒光淬滅;然而,當識別基團與客體結(jié)合后,降低了識別基團的給電子能力,PET過程被減弱或不再發(fā)生,使熒光團的熒光發(fā)射增強。因此在未結(jié)合客體之前,分子不發(fā)射熒光或熒光很弱。一旦受體與客體相結(jié)合,熒光團就會發(fā)射出強熒光<見圖1-2>。PET熒光分子探針的作用機制可由前線軌道能量來進一步說明[12]<圖1-3>。PET熒光分子探針中,多數(shù)都是以脂肪胺及其衍生物或芳胺及其衍生物作為識別基團,同時作為PET的電子給體<熒光淬滅基團>;熒光團和識別基之間的連接基一般是亞甲基、乙撐基或丙撐基等短鏈烷基,過長的連接基將使PET效果變差。 圖1-2 PET熒光
13、分子探針一般原理圖
圖1-3 PET機制的前線軌道理論示意圖
1.3.2 分子電荷轉(zhuǎn)移
14、。一般情況下,ICT熒光分子探針對熒光強度的影響不如PET熒光傳感器那么顯著[13]。 圖1-4 ICT 熒光分子探針在金屬離子與其電子給體 或電子受體結(jié)合作用后熒光光譜移動方向 Fig.1-4 Spectral displacements of ICT probes resulting from interaction of a bound cation with an electron-donating or electron-withdrawing group 1.4 熒光分子探針的研究進展 1.4.1 萘酰亞胺類熒光分子探針 萘酰亞胺是一類重要的熒光化合物,特別是4
15、位有強烈供電基團如氨基的衍生物都能夠發(fā)射強熒光、光穩(wěn)定性好、熒光發(fā)射波長適中、Stocks位移大,經(jīng)常被用作高靈敏度熒光標記物和對某些特定金屬離子具有響應(yīng)的光化學分子探針。 1 2 郭祥峰等[14]設(shè)計合成了N-丁基-4-<氮雜-15-冠-5>-1,8-萘酰亞胺,即化合物1在二氯甲烷溶液中可選擇性識別Li+和Na+,在Li+和Na+加入后,無論是熒光光譜還是吸收光譜都出現(xiàn)了顯著藍移,而K+和Mg2+對其的光譜沒有明顯影響?;衔?[15]是對Cu2+具有選擇性識別的熒光分子探針。 1.4.2 熒光素類熒光分子探針 Elizabeth M. Nolan等[16]合成
16、了含8-氨基喹啉的熒光素染料熒光傳感器3和4,它們與Zn2+的配合物分別地實現(xiàn)從42到150倍圍的熒光增強,與Zn2+結(jié)合的配體熒光強度優(yōu)于與Mn2+ , Fe2+ , Co2+ , Cd2+ 和Hg2+的結(jié)合,且在4.3℃時,kon可達〔3~4〕×106 M-1 s-1,脫離Zn2+瞬間使koff至150-160s-1,在毫秒實現(xiàn)了可逆性。1在過量的EDTA中,提取任意一種潛在的干擾離子,量子效率為0.〔λ=524 nm〕,而加入Zn2+后則使量子效率增大33倍至0.78〔λ=524 nm〕,光譜藍移。激光共焦與光子顯微鏡顯示4是細胞能透過的,而由于它與Zn2+弱的結(jié)合力,使Zn2+在體可以
17、作出響應(yīng),從而可以用于細胞專門性的識別Zn2+。 3 4 20XX,Elizabeth M. Nolan工作小組又[17]合成了兩種不對稱的熒光素類染料傳感器5和6,對Hg2+具有選擇性識別作用,與Hg2+〔1:1〕結(jié)合都形成包含一個單吡啶基-胺-硫醇金屬配合物,顯示出優(yōu)越的亮度。在中性pH值溶液中,熒光隨著吸收率的增加而增強。當pH值增大時,光誘導電子轉(zhuǎn)移使染料體淬滅增強,而Hg2+ 的結(jié)合則減緩這種趨勢。6可以檢測水溶液中Hg2+ 達到ppb水平,從而可以用來檢測環(huán)境中相關(guān)的Hg2+濃度。 5 6
18、 1.4.3 氟硼類〔BODIPY〕熒光分子探針 BODIPY染料母體結(jié)構(gòu)周圍一般不直接連接對酸堿較敏感的氨基,羥基等,所以一般對酸堿不敏感,且熒光量子產(chǎn)率一般都比較高,具有相對較好的光穩(wěn)定性。熒光光譜半峰寬較窄,作為熒光標識的時候有很好的靈敏度摩爾吸光系數(shù)ε很大,吸光效率比較高因此被廣泛的應(yīng)用于各種金屬離子的檢測測定pH值,識別中性分子及陰離子,進行DNA標記及測序,作為發(fā)光材料[18]。 Wu等[19]設(shè)計并合成了生物用Zn2 +熒光分子探針7。盡管分子中存在脂肪族叔氮原子,但是,7對pH并不敏感,其pKa被降為2.1。其原因可能由于BODIPY熒光團的缺電子性減少了DPA叔氮原子的堿
19、性;另外,識別體的結(jié)構(gòu)導致明顯的原子之間的空間排斥,結(jié)構(gòu)進一步扭曲,氫質(zhì)子難以靠近叔氮原子?;衔?對Zn2 +的檢出限達10- 9 mol/L, 7的細胞滲透性很好,在細胞Zn2 +的熒光成像研究獲得了滿意的結(jié)果。化合物8[20]是單氮雜冠醚為受體的K+離子ICT熒光分子探針。 7 8 1.4.4羅丹明類熒光分子探針 羅丹明類化合物是以氧雜蒽為母體染料,基于它們優(yōu)秀的光學性質(zhì)如光穩(wěn)定性好、對pH不敏感、較寬的波長圍和較高的熒光量子產(chǎn)率等優(yōu)點廣泛被用作分子探針和傳感器應(yīng)用于復雜的生物體系的研究[21]。羅丹明類傳感器不僅具有高的吸光率和對某些金屬離子有熒光增強效應(yīng),還具有顏色效
20、應(yīng)。 Hong Zheng等[22]合成的化合物9,在水溶液中由可見光〔>400nm〕照射時無吸收峰。當加入Hg2+,9在波長561nm處顯示一個新的最大吸收峰<λ=1.25×105M-1cm-1〕。這歸因于9上的N,S與Hg2+調(diào)節(jié)打開了螺環(huán)。它還顯示出強烈的紅紫色,高靈敏性的指示出水中的Hg2+。在561nm處,B的吸光率隨著Hg2+濃度升高而直線性上升。當9濃度為1.0×10-5M時,Hg2+最低可以被檢測到1.0×10-7M,達到ppb水平。 9 10 Yu Xiang[23]設(shè)計合成了一個新型的羅丹明類熒光分子探針10,研究顯示在乙醇和水溶液中對Fe3+的選擇性高于
21、其它同類金屬離子?;衔?0在緩沖液Tris-Hcl
22、科學家們常常用它們設(shè)計熒光分子探針的材料。 Valeur B小組[24]以杯[4]-冠醚為受體設(shè)計合成了可選擇識別Cs+ 的化合物11,在水中產(chǎn)生強熒光<Φf =0.4>。11與Cs+ 絡(luò)合后熒光增強并導致吸收光譜紅移10nm。這可解釋為在11·Cs+ 絡(luò)合物中Cs+與兩個磺酸根的近距離作用導致香豆素6,7位氧原子附近形成負電荷籠罩,提高了氧原子的供電能力使ICT效應(yīng)增強。 11 Suzuki K等[25]開發(fā)的Mg2+熒光傳感器是在香豆素的3位連接乙酰氧甲基而成化合物12、13,它們與Mg2+形成1:1絡(luò)合物并使吸收光譜紅移20nm,熒光光譜紅移10nm。相對Ca2+而言,它們對M
23、g2+有較高的選擇性,將它們在PC12活細胞中進行Mg2+熒光成像,結(jié)果表明Mg2+主要分布在細胞質(zhì)部分<強熒光>而不是細胞核部分<弱熒光>,這些均是Mg2+與香豆素β-二酮部分強烈結(jié)合的結(jié)果[26]。
12 13
由Suzuki K等[27]合成的化合物14是第一個針對Ca2+-Mg2+多分析物的單分子熒光傳感器。在14中位于香豆素供電位置6,7位的O,O′-雙<2-氨苯基>乙二醇-N,N,N′,N′-四乙酸
24、吸收光譜紅移21nm,熒光光譜紅移5nm。
14 15
Katerinopoulos H E研究組[28]將7-氨基-4-甲基香豆素與三<2-氨乙基>胺
25、-羥基吡喃-4-酮為受體合成了兩個系列23個香豆素類Fe2+熒光傳感器16,它們是以6種類型的香豆素衍生物為熒光團,分別通過氨基、碳碳單鍵、碳碳雙鍵與兩個受體的不同部位連接而成。Fe3+對吡啶酮類為受體的傳感器產(chǎn)生明顯的熒光淬滅效果,而對吡喃酮類傳感器淬滅適當,主要原因是前者對Fe3+有更高的結(jié)合常數(shù)<約比后者大104倍>,此外兩種受體對Fe3+有較高的結(jié)合力,從而利于Fe2+在需氧條件下的氧化,所以這些傳感器適于監(jiān)測Fe2+和Fe3+的混合水平。 16 17 圖1-5 17·Hg2+絡(luò)合結(jié)構(gòu)預測 20XX,Qian X H小組[30]報道了基于ICT機理的新型比率Hg
26、2+熒光傳感器17,它是在香豆素的6,7位連接四酰胺受體而成。在17中形成了以苯胺兩個富電子N原子為電子供體而羰基和苯并噻唑為電子受體的ICT體系。在Hg2+<40 equiv>存在時可使熒光光譜從567nm藍移至475nm<約100nm>,熒光由橙色變?yōu)樗{綠色。在考察的過渡金屬離子中,只有Hg2+在中性緩沖水溶液中可調(diào)節(jié)17的熒光性質(zhì)。在17·Hg2+ 絡(luò)合結(jié)構(gòu)中,兩個去質(zhì)子酰胺的N原子和鄰苯二胺的兩個N原子對Hg2+形成四面體配位,而另兩個未絡(luò)合的酰胺臂產(chǎn)生空間位阻限制了其自由旋轉(zhuǎn)<圖1-5>,從而利于17·Hg2+的形成。 1.5 本論文研究的主要容 近年來,以香豆素類為基礎(chǔ)的
27、熒光分子探針逐漸成為一個新興的研究熱點。從分子結(jié)構(gòu)上看,香豆素類化合物是結(jié)構(gòu)較為特殊的肉桂酸酯,其功能很大程度上取決于香豆素環(huán)上取代基的性質(zhì),尤其是3-、4-位有吸電子基,6-、7-位有供電子基的衍生物都能發(fā)射強的熒光,光穩(wěn)定性好,熒光量子產(chǎn)率高,熒光發(fā)射波長圍較大,Stokes位移大,更有益于研究應(yīng)用。盡管熒光分子探針的設(shè)計已有一些指導原理,但分子結(jié)構(gòu)的差異對探針的影響還是難以預測的,因此需要合理的思考和設(shè)計,并通過大量的試驗和測試來驗證。 本論文依據(jù)熒光分子探針的基本原理,以7-二乙胺基香豆素-3-甲酸乙酯為原料,合成了兩個香豆素類熒光分子探針;用1HNMR、MS手段對目標分子進行了結(jié)構(gòu)
28、表征;利用紫外-可見分光度計、熒光分光光度計對目標分子進行不同類型金屬離子的識別評價。
二、 實驗部分
2.1 原料與儀器
2.1.1 主要原料及試劑
實驗所用主要原料及試劑見表2-1
藥品名稱
規(guī)格
生產(chǎn)單位
4-
29、.R XX市科密歐化學試劑 乙酸乙酯 A.R XX市凱學試劑 無水乙醇 A.R XX市凱學試劑 水合肼80% A.R XX市東麗區(qū)天大化學試劑廠 水醛 CP XX市科密歐化學試劑 二甲基亞砜 A.R XX市凱學試劑 三氯甲烷 A.R XX市凱學試劑 四氫呋喃 A.R XX縱橫興工貿(mào) 鹽酸 CP 市永強合成化工廠 氫氧化鈉 A.R XX市東麗區(qū)天大化學試劑廠 石英砂 40-70目 XX市石英鐘廠霸州市化工分廠 表2-1 主要原料及試劑 2.1.2 主要儀器 實驗所用主要儀器見表2-2 表2-2 主要設(shè)備及儀
30、器 儀器名稱 型號 生產(chǎn)單位 電子天平 BS124S 賽多利斯儀器系統(tǒng) 循環(huán)水式真空泵 SHZ-D<Ⅲ> 鞏義市英峪予華儀器廠 旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器 RE-52AA 嘉鵬科技 手提紫外檢測燈 ZF-7A 顧村電光儀器廠 暗箱式紫外檢測燈 ZF-20D 顧村電光儀器廠 磁力加熱攪拌電熱套 DHT 鄄城華魯電熱儀器 控溫磁力攪拌器 SZCL型 鞏義市英峪予華儀器廠 電熱鼓風干燥箱 WG-43 XX市泰斯特儀器 真空干燥箱 DZ-1BC型 XX市泰斯特儀器 精密pH計 PHS-25C 康儀儀器 雙光束紫外可見分光光度計 TU-1901 普
31、析通用儀器XX公司 熒光分光光度計 LS55 美國perkin elmer公司 超導核磁共振儀 Brucker 400 瑞士Brucker公司 Ion Trap LC/MS 6310 Agilent Technologies 2.2 合成原理 2.2.1化合物a的合成原理 2.2.2化合物b的合成原理 2.3 目標化合物的合成及表征 2.3.1 化合物a的合成與表征 在500mL三頸燒瓶中,依次加入2.27g <11.78mmol>4-氮氮二乙胺基水醛、2.84g <17.76mmol>丙二酸二乙酯、3.01g<35.4mmol>六氫吡啶、45mL甲
32、苯、90mL乙腈,氬氣保護下回流反應(yīng)12h。粗產(chǎn)物經(jīng)硅膠柱分離,洗脫劑為二氯甲烷/乙酸乙酯<12:1,V/V>,得黃色固體1,產(chǎn)率:1.92g<56.3%>。δH<400MHz;CDCl3>: 8.43, 7.36,6.47
, 3.45
, , 1.24
33、率:0.197g<40.5%>。1H-NMR <400 MHz, CDCl3 >: δH 9.73 ,8.68 ,7.42, 6.499
,3.48,1.26
34、室溫、氬氣保護下攪拌回流反應(yīng)5h,減壓抽濾,用無水乙醇洗滌3-4次,得桔黃色固體3,真空干燥,產(chǎn)率:0.077g<55.4%>。1H-NMR<400 MHz, CDCl3 >:
δH 11.82 35、2 Hz,6H>。API-ES MS positive:m/z [M+H+]=380.3, [M+ Na+]=402.2.
2.3.2 化合物b的合成與表征
在500mL三頸燒瓶中,依次加入2.27g <11.78mmol>4-氮氮二乙胺基水醛、2.84g <17.76mmol>丙二酸二乙酯、3.01g<35.4mmol>六氫吡啶、45mL甲苯、90mL乙腈,氬氣保護下回流反應(yīng)12h。粗產(chǎn)物經(jīng)硅膠柱分離,洗脫劑為二氯甲烷/乙酸乙酯<12:1,V/V>,得黃色固體1,產(chǎn)率:1.92g<56.3%>。δH<400MHz;CDCl3;Me4Si>: 6.61 36、2.4Hz,1H>, 4.38 37、.4Hz,1H>,4.176 38、 39、定的溶劑定容,待樣品完全溶解得濃度1.0×10-5mol/L溶液。測定其紫外光譜。利用不同溶劑中紫外光譜的最大吸收波長作為熒光光譜的激發(fā)波長,測定熒光光譜。
2.4.2 摩爾消光系數(shù)的測定
利用紫外可見吸收光譜測定化合物的摩爾消光系數(shù)。計算式如下:
A=εcl,
其中,A代表吸收強度,ε為摩爾消光系數(shù),c 是化合物的濃度,l 為檢測用的石英池的厚度。
2.4.3 Stokes位移計算
Stokes位移是熒光化合物重要的物理常數(shù)之一。它可以表明熒光化合物在基態(tài)和激發(fā)態(tài)之間性能和結(jié)構(gòu)的差異。Stokes位移按照式計算:
νA –νF = <1/λA -1/λF >×107 cm-1
40、
其中:νA,νF 分別表示最大吸收頻率和最大發(fā)射頻率〔用波數(shù)表示〕,λA,λF分別表示最大吸收波長和最大發(fā)射波長〔用nm表示〕。
2.4.4 對金屬離子的識別測定
在乙腈中進行金屬離子的識別測定?;衔锓肿拥臐舛葹?.0×10-5 mol/L和5×10-6mol/L,分別加入設(shè)計量的NaNO3、KNO3、Mg 41、結(jié)果與討論
3.1 化合物a的光譜解析及對金屬離子的識別
3.1.1 化合物a在不同溶劑中的紫外及熒光光譜
圖3-1、圖3-2分別為化合物a在不同溶劑中的紫外-可見吸收光譜和熒光光譜,表3-1為相應(yīng)的光譜數(shù)據(jù)表。
圖3-1 化合物a在不同溶劑中的紫外光譜
圖3-2 化合物a在不同溶劑中的熒光光譜
<激發(fā)波長430nm,sensor濃度1×10-5mol/L>
表3-1 化合物a在不同溶劑中的光譜數(shù)據(jù)
溶劑
labs
42、
436
484
0.408
2274.62
179.381
methanol
436
480
0.435
2102.44
114.
acetonitrile
432
476
0.588
2139.74
219.982
acetone
430
474
0.548
2158.77
380.359
THF
426
470
0.493
2197.58
337.661
由表3-1數(shù)據(jù)可知,化合物a在不同有機溶劑中的紫外及熒光光譜明顯不同。隨溶劑極性的減弱,熒光呈增強趨勢。在THF溶劑中與在DMSO溶劑中相比較,化合物a的紫外吸收波長藍移約10 43、 nm,而熒光明顯增強,增強88.2%?;衔颽在丙酮中較在其它溶劑中的熒光光譜增強最為明顯,增強112.0%。
3.1.2 DMSO中化合物a對金屬離子的識別
圖3-3為在DMSO中化合物a對常見的金屬離子 44、m>
表3-2DMSO中化合物a對不同金屬離子識別的光譜數(shù)據(jù)
lem
45、Mg2+
491
212.017
a+Na+
490
209.711
a+Ni2+
498.5
6.651
a+Pb2+
490
200.456
a+Zn2+
492
197.96
由DMSO中化合物a對不同金屬離子響應(yīng)的熒光光譜及表中數(shù)據(jù)可知,化合物a加入Ni2+后,熒光最大發(fā)射波長紅移7.5 nm,熒光淬滅97.3%;加入K+、Na+、Pb2+后,熒光最大發(fā)射波長藍移1 nm,熒光淬滅9.2%、15.0%和18.7%;而其他離子加入化合物a溶液中,熒光最大發(fā)射波長沒有明顯變化,但加入Cu2+后,熒光淬滅98.9%;加入Co2+后,熒光淬滅94.3%。
對于 46、Ni2+、Co2+使化合物a發(fā)生最大熒光發(fā)射波長的紅移,并伴隨著熒光的部分淬滅,而這兩種離子在熒光分子探針領(lǐng)域中的識別現(xiàn)在還是個難點,說明它們的結(jié)構(gòu)及對探針影響的方式是相似的。對于化合物a來說,一方面,它是推拉π電子體系,其中N,N-二乙基作為電子給體,香豆素是電子受體。這導致了整個探針分子具有一定的偶極性質(zhì)。當化合物a未與Ni2+、Co2+絡(luò)合時,整個體系具有一定的偶極距,當熒光團被一定波長的光激發(fā)后,會進一步增加分子從電子給體到電子受體的電荷轉(zhuǎn)移,這時在熒光光譜上表現(xiàn)出一定的最大發(fā)射波長和熒光強度。當受體上雜原子上的孤對電子與Ni2+、Co2+絡(luò)合上之后,對熒光團的推拉電子體系產(chǎn)生了影響, 47、也就是對分子從電子給體到電子受體的電荷轉(zhuǎn)移產(chǎn)生了影響,進而使熒光光譜發(fā)生了紅移。另一方面,可能由于Ni2+、Co2+的存在,與香豆素熒光團之間還存在著電子和能量的轉(zhuǎn)移,因此使熒光發(fā)生了淬滅。
對于Cu2+、使化合物a發(fā)生的熒光強烈淬滅,因為沒有伴隨著最大熒光發(fā)射波長的明顯移動,有可能是因為金屬離子與熒光團之間存在著電子或能量轉(zhuǎn)移引起熒光團的熒光淬滅。
綜上所述,化合物a對金屬離子分別表示出一定的敏感性,但是要成為具有應(yīng)用價值的熒光分子傳感器,還需要進一步進行修飾。
3.2 化合物b的光譜解析及對金屬離子的識別
3.2.1 化合物b在不同溶劑中的紫外及熒光光譜
圖3-4、圖3-5分別為 48、化合物b在不同溶劑中的紫外-可見吸收光譜和熒光光譜,表3-3為相應(yīng)的光譜數(shù)據(jù)表。
圖3-4 化合物b在不同溶劑中的紫外光譜
〔sensor濃度1×10-5mol·L-〕
圖3-5 化合物b在不同溶劑中的熒光光譜
〔sensor濃度1×10-5mol·L-1,激發(fā)波長425nm〕
表3-3 化合物b在不同溶劑中的光譜數(shù)據(jù)
溶劑
labs
49、l
426
478.5
0.591
2575.53
109.716
acetonitrile
425
479
0.604
2652.59
165.533
acetone
423
475
0.582
2588.03
192.12
THF
421
474
0.583
2655.92
248.312
由表中數(shù)據(jù)可知,化合物b在不同有機溶劑中的紫外及熒光光譜明顯不同。隨著溶劑極性的減弱,熒光呈增強趨勢。在THF溶劑中與在DMSO溶劑中相比較,化合物b的紫外吸收波長藍移約8 nm,熒光光譜變化也比較明顯,熒光強度隨溶劑極性減弱呈增強現(xiàn)象,增強63.4%?;?/p>
50、合物b在甲醇溶劑中較在其它溶劑中的熒光光譜有淬滅現(xiàn)象。
3.2.2 乙腈中化合物b對金屬離子的識別
圖3-6、圖3-7分別為化合物b在乙腈中對常見的金屬離子 51、別的光譜數(shù)據(jù)
lem
52、
487.5
92.135
a+ Cr3+
482.5
80.
a+ Mg2+
482
83.756
a+ Co2+
505.5
47.143
由乙腈中化合物b對不同金屬離子響應(yīng)的熒光光譜及表中數(shù)據(jù)可知,當加入Co2+后,最大熒光發(fā)射波長紅移23.5 nm,并且熒光淬滅50.9%;加入Na+、K+、Ca2+、Cd2+、Fe3+、Zn2+、Fe2+、Ni2+、Ag+、Cr3+、Mg2+后,最大熒光發(fā)射波長沒有明顯變化,但熒光有不同程度的淬滅;加入Cd2+、Fe3+、Zn2+、Fe2+、Ni2+、Co2+后,熒光淬滅分別為29.3%,29.7%,40.4%,55.5%,85 53、.3%,50.9%;特別是加入Ni2+后,熒光淬滅85.3%;而加入Hg2+、Cu2+后,最大熒光發(fā)射波長分別紅移19.5 nm和20 nm,熒光分別增強為63.4%倍和90.2%倍。
對于Hg2+、Cu2+使化合物b產(chǎn)生的熒光增強。是由于化合物b沒有與金屬離子絡(luò)合時,當受到一定波長的光激發(fā)時,香豆素將其處于高能級的電子轉(zhuǎn)入激發(fā)態(tài),熒光團因電子激發(fā)而空出電子軌道,而此時受體上雜原子上的孤對電子經(jīng)由連接臂轉(zhuǎn)入熒光團因電子激發(fā)而空出的電子軌道,這樣使被激發(fā)的電子無法直接躍遷回原基態(tài)軌道,導致熒光團淬滅,因此,化合物b在與金屬離子絡(luò)合之前是處于熒光淬滅狀態(tài)。當化合物b與Hg2+、Cu2+絡(luò)合后, 54、也就是受體上的雜原子的孤對電子被Hg2+、Cu2+俘獲,這時受體就不能夠提供電子轉(zhuǎn)入熒光團因電子激發(fā)而空出的電子軌道,因此被激發(fā)的電子又可以直接躍遷回原基態(tài)軌道,從而熒光發(fā)生增強。
對于Na+、K+、Cd2+、Fe3+、Zn2+、Fe2+、Ni2+、Ag+、Cr3+、Mg2+對化合物b最大發(fā)射波長影響及熒光淬滅。一方面,化合物b是推拉π電子體系,其中N,N-二乙基作為電子給體,香豆素是電子受體。這導致了整個探針分子具有一定的偶極性質(zhì)。當化合物b未與金屬離子絡(luò)合時,整個體系具有一定的偶極距,當熒光團被一定波長的光激發(fā)后,會進一步增加分子從電子給體到電子受體的電荷轉(zhuǎn)移,這時在熒光光譜上表現(xiàn)出一定 55、的最大發(fā)射波長和熒光強度。當受體上雜原子上的孤對電子與這些離子絡(luò)合上之后,對熒光團的推拉電子體系產(chǎn)生了影響,也就是對分子從電子給體到電子受體的電荷轉(zhuǎn)移產(chǎn)生了影響,進而使熒光光譜發(fā)生了變化。另一方面,可能由于這些離子的存在,與香豆素熒光團之間還存在著電子和能量的轉(zhuǎn)移,因此使熒光發(fā)生了淬滅。
對于Cu2+對化合物b最大發(fā)射波長影響及熒光增強。一方面,化合物b是推拉π電子體系,當受體上雜原子上的孤對電子與Cu2+絡(luò)合之后,對香豆素熒光團的推拉電子體系產(chǎn)生了影響,也就是對分子從電子給體到電子受體的電荷轉(zhuǎn)移產(chǎn)生了影響,進而使熒光光譜發(fā)生了變化。另一方面,是由于化合物b沒有與金屬離子絡(luò)合時,當受到一定波 56、長的光激發(fā)時,香豆素將其處于高能級的電子轉(zhuǎn)入激發(fā)態(tài),熒光團因電子激發(fā)而空出電子軌道,而此時受體上雜原子上的孤對電子經(jīng)由連接臂轉(zhuǎn)入熒光團因電子激發(fā)而空出的電子軌道,這樣使被激發(fā)的電子無法直接躍遷回原基態(tài)軌道,導致熒光團淬滅,因此,探針b在與金屬離子絡(luò)合之前是處于熒光淬滅狀態(tài)。當化合物b與Cu2+絡(luò)合后,也就是受體上的雜原子的孤對電子被Cu2+俘獲,這時受體就不能夠提供電子轉(zhuǎn)入熒光團因電子激發(fā)而空出的電子軌道,因此被激發(fā)的電子又可以直接躍遷回原基態(tài)軌道,從而熒光發(fā)生增強。
四、結(jié) 論
1、以7-二乙胺基香豆素-3-甲酸乙酯、水合肼、水醛和異硫氰酸苯酯為原料合 57、成了兩種香豆素骨架熒光分子探針:7-N,N,-二乙氨基香豆素-3-甲酰水醛腙〔a〕, 7-N,N,-二乙氨基香豆素-3-甲酰氨基苯硫脲〔b〕,用1HNMR,MS等手段對其結(jié)構(gòu)進行了表征。
2、它們在不同極性溶劑中的紫外光譜和熒光光譜,反映了它們均對溶劑環(huán)境產(chǎn)生一定的依賴性。
3、考察了它們對金屬離子的識別,在DMSO/Tris-HCl緩沖溶液體系中和乙腈/Tris-HCl緩沖溶液體系中,化合物a和b對金屬離子的識別效果是明顯不同的。離子識別結(jié)果表明:化合物a對Cu2+ 、Co2+表現(xiàn)為熒光淬滅識別,淬滅效率分別為98.9%和94.3%;化合物a對于Co2+、Ni2+最大熒光發(fā)射波長紅移分別 58、為6.5nm、7.5nm,淬滅效率分為94.3%、97.3%,表現(xiàn)出對Co2+和Ni2+較好的敏感性?;衔颾對Cu2+、Hg2+表現(xiàn)為熒光增強識別,增強效率分別為90.2%和63.4%,而對Ni2+表現(xiàn)為熒光淬滅識別,淬滅效率為85.3%。
致 謝
在為期三個半月的畢業(yè)論文走向尾聲之際,飽含著興奮與激動的心情,我要感謝身邊所有幫助過我的人。
首先感謝我的導師小冬老師,將我?guī)霟晒夥肿犹结樳@樣一個新興的研究領(lǐng)域,讓我身處科學研究的氛圍之中,領(lǐng)略到學習的樂趣。老師豐富扎實的理論知識、嚴謹XX的科學態(tài)度、謙和樸實的處世原則和堅持不懈的奮斗精神都是我今后學習工作中的榜樣。老師對整個論文工作 59、投入了大量心血,他的悉心指導和熱忱關(guān)懷促使我順利完成論文,在此,向老師表示衷心的感謝和崇高的敬意。
其次感謝實驗室里的高愛美師姐、柴占永師兄,在實驗之初教會我儀器的使用,在整個實驗過程中幫助我把握了實驗的各個環(huán)節(jié),使我能夠有序,規(guī)的完成實驗。他們勤奮好學,刻苦鉆研的XX精神,樂于助人,自信樂觀的生活態(tài)度都深深的感染了我,使我能夠快樂,充實,自信的度過了整個畢業(yè)實驗過程。
感謝實驗室其他同學在實驗研究方面給予的支持,關(guān)心與幫助。感謝老師在實驗儀器方面給予的支持與幫助。
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, 1.24
, 6.47
, 3.45
, 1.39
,8.68 ,7.42, 6.499
,3.48,1.26
,8.71,7.74
,7.34, 6.66
, 1.16
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