核磁共振光谱在荧光传感器机理研究中的应用
1.前言
核磁共振光谱可以获得分子官能团、分子几何构型，分子中原子间的成键情况以及相互作用等重要结构信息。它被广泛地运用在化学、物理学及生命科学研究等领域中。目前核磁共振光谱已成为研究化合物构造和物性的重要方法之一。从核磁共振现象的产生机理上看，自旋量子数不为0的原子核即有核磁共振现象，因而许多元素及其同位素具有核磁共振现象，目前应用的较多的核磁共振光谱主要包括HNMR、CNMR、FNMR、BNMR、PNMR、
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ClNMR。
在荧光传感器研究领域，许多结构独特，功能强大的荧光探针不断被合成出来。同时越来越多的文献也把更多目光集中在荧光探针与识别客体的机理研究中，并尝试运用证实的机理进一步指导合成新的荧光探针。而核磁共振光谱作为描述分子中原子化学环境的表征手段，常用来研究探针与识别物作用前后的某些原子化学环境的改变，从而推导传感器识别时作用位点，进一步提出可能的研究机理。
本读书报告特遴选了3篇不同核磁共振光谱（包括1HNMR、13CNMR、
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FNMR）在荧光传感器领域的最新研究应用的有关文献作个简要的介绍，同时
指出了自己的一些启示与看法。
2.文献阅读与启示
2.1.文献1——1HNMR核磁共振氢谱在荧光传感器机理（氢键作用）研究的应用
文献标题：“Fluorescent detection of anions by dibenzophenazine-based sensors” 文献来源：Tetrahedron Letters, 2012, 53, 661–665 作者单位：美国贝鲁特大学化学学院
主要内容：通讯作者课题组主要从事离子响应型（阳离子、阴离子）荧光传感器的构筑和合成。该论文[1]合成了两种阴离子响应型荧光传感器，基于荧光的变化，实现对多种阴离子（F-、AcO-、CN-、OBn-）的识别检测。作者分别从紫外、荧光光谱对不同阴离子的选择性和响应浓度进行了测定。采用核磁共振氢谱
对其作用机理进行了详细研究，初步确定是基于几种阴离子与传感器中磺酰胺基团产生氢键作用导致的。同时还进行了核磁共振氢谱滴定实验，得出阴离子与探针的结合常数。
2.1.1. 研究思路与实验原理
一般地，荧光传感器荧光包括三个部分：第一部分是荧光基团，即能够发出荧光的共轭分子；第二是功能基团，即能够提供与客体进行作用的位点的分子；第三部分则是连接基团，即将荧光基团和功能基团连接起来的部分。通过识别对象与功能的某种作用，从而导致荧光基团的荧光发生变化。根据这样的基本设计思路，作者选择了二苯并吡嗪作为荧光基团，选择了新颖的磺酰胺结构作为功能基团，尝试对各种阴离子进行识别。同时利用酮与氨基的反应作为连接，通过改变不同取代基，合成了两种荧光传感器。
2.1.2. 荧光传感器识别作用及其作用机理研究
Fig. 1 Emission spectra of 1 (5.0 μM, CHCl3 ) upon the addition of acetate anion solution. The inset depicts the change in the emission intensity at 438 nm and 550 nm as a function of molar equivalence of the anion relative.
Fig. 2 Partial 1HNMR spectra of 1 (1.0 mM) upon titrating with TBAF solution (10 mM) in
2% DMSO-d6 in CDCl3.
作者对合成的荧光探针进行阴离子识别性能测试，结果发现，在F-、Cl-、Br-、I-、NO3-、ClO4-、OAc-、OBn-、CN-、OH-等阴离子中，探针仅对F-、AcO-、OBn-、CN-四种离子具有选择性识别作用。以醋酸根离子为例，从荧光光谱图上看，随
着醋酸根浓度的增加，探针1在438nm处的荧光峰不断减弱，取而代之的是在550nm处有一个新的荧光峰产生并不断增强，显然由于醋酸根的引进，探针的荧光发生了显著的改变，从而实现传感功能。其它三种离子与探针作用也有类似的变化。
为了详细探究这种变化产生的机理，作者采用了核磁功氢谱进行了研究。同时为了避免太多氢谱峰造成干扰，作者选用了最简单的氟离子进行滴加识别（核磁共振滴定）测试。从Fig. 2部分核磁共振氢谱上可以看出，化学位移为8.03ppm、7.82ppm、7.27ppm处的吸收峰分别对应结构图中的Ha、Hb、Hc。而随着F- 的滴加，Ha、Hb、Hc三处吸收峰的化学位移都发生了改变。当添加到两倍F- 浓度时，Ha的化学位移由原来的7.27ppm移动至7.17ppm，Hb的由7.82ppm移动到7.85ppm，而Hc的由8.03ppm移动到7.83ppm，并且其它氢原子的吸收峰没有移动。以上的改变说明F- 的添加造成了Ha、Hb、Hc三种位置氢原子化学环境的改变，从探针的分子结构图上看，这种改变应该是由于氟离子与磺酰胺基团的氨基形成氢键作用导致。进一步核磁滴定结果更有力地证实了这一点。从Fig. 2上看，当F- 浓度达到探针浓度的两倍时，此时如果继续滴加F- ，则Ha、Hb、Hc的吸收峰不再改变，说明此时氟离子和探针的作用已饱和。结合氢键的作用分析，显然这是由于氟离子与氨基作用的结果。由此，作者通过核磁共振氢谱及核磁共振滴定成功证明了探针的识别作用来源于阴离子与探针磺酰胺基团的氨基形成了氢键作用，正是这种氢键作用导致探针荧光基团的荧光大大增强。
小结与启示：
核磁共振氢谱是对物质中不同化学环境中的氢原子的描述，而氢键是一种强度适中的作用力，其产生将导致作用位点的氢原子化学环境发生改变，显示在核磁共振谱图上时则表现为峰的移动或消失。
此外，可以采取核磁滴定的方式，通过监测核磁共振氢谱图中化学位移的移动程度，可以计算氢键产生的数目，从而推测可能的作用机理以及主体与客体的结合常数。
2.2. 文献2——1CNMR核磁共振碳谱在荧光传感器机理研究的应用
文献标题：“Nucleophilic Addition-Triggered Lanthanide Luminescence Allows Detection
of Amines by Eu(thenoyltrifluoroacetone)3”
文献来源：Photochemistry and Photobiology, 2012, 88, 840–843 通讯作者：Qianming Wang，华南师范大学化学与环境学院
主要内容：我的另外一个研究方向是有关稀土荧光探针的设计及主客体识别作用研究。该论文[2]采用经典配体“噻吩甲酰三氟丙酮”与稀土铕离子配位，合成了能量传递十分匹配的红色发光配合物，用于有机胺分子的检测。作者从紫外、荧光光谱对胺类物质的选择性和响应浓度分别进行了测定。采用红外光谱及核磁共振碳谱对其作用机理进行了详细研究，初步确定是基于胺基团的孤电子对进攻电正性较强的C原子，使碳氧双键断开使得配体无法与铕例子配位，导致荧光的猝灭。最终实现了一种灵敏度很高，能进行实时监测的有机胺分子稀土荧光探针。
2.2.1. 研究思路与实验原理
有关有机胺分子的识别已经有许多的方法报道，但是绝大多数方法其灵敏度都不高，并且操作过程较为繁琐。在该论文中，作者也遵循荧光传感器设计的基本思路，构筑了以稀土铕离子作为红色发光中心，以三氟甲基相连的电正性较强的C原子作为功能基团，而噻吩甲酰三氟丙酮中的β二酮与稀土离子的配位键作为连接方式。
2.2.2 稀土荧光传感器对有机胺分子的识别性能及其机理研究