博士学位论文
酞菁中引入八个长的脂肪链后，可以制得有液晶性质的冠醚酞菁化合物[20]。可以将这种易形成聚集体的分子看作是分子导线，四周有四个离子通道，脂肪链是绝缘层。
1.1.2.5荧光素和罗丹明类荧光团
荧光素及其衍生物是重要的荧光探针材料，属于呫吨染料。荧光素和罗丹明都是非常重要的荧光染料，其特点是具有高的消光系数，激发和发射波长都在可见光区，在水中荧光量子效率高，因此在生物医学用荧光探针领域应用非常广泛。但是，它们的缺点也很明显：（1）较小的Stokes位移，使得样品背景对荧光的干扰相对较大[21]；（2）荧光量子产率对pH值敏感[22]，不适合在中性和酸性条件下使用，在生物体内的生理环境下荧光量子产率降低；（3）具有对光敏感的基团，在强光检测下容易分解[23]；（4）亲脂性差，难以透过细胞膜，因而用于细胞的研究效果差；（5）特异选择性差。尽管如此，由于目前还没有合适的替代品，它们在生物医学上的应用仍然最广泛。
HO.COOHOOAcOOOOAcAcOOOOAcOHOO.NCS12N313O14
化合物12是一种常用来标记氨基酸的衍生试剂[24]。以荧光素为荧光基团，以异硫氰酸为反应基团，通过反应基与蛋白质的自由氨基相结合形成硫脲衍生物，从而实现对蛋白质和多肽的衍生标记。化合物13具有细胞渗透性[25]，通过胞内非特异性脂酶水解成羧基荧光素。它带有特殊的负电荷，能延长其在细胞内的存留时间，所以它在检测细胞内部脂酶活性方面有着广泛的应用。在氨基荧光素基础上研制出的化合物14容易渗入细胞[26]，在波长大于3000 nm光照下能转化成活泼的氮烯物与蛋白质发生键合反应，从而完成对细胞内蛋白质的检测。 1.1.2.6氟硼类荧光团
氟硼类荧光染料（BODIPY类）与其它荧光染料相比具有稳定，量子产率高等优点，这使它代替了许多早期的荧光染料而应用在生物和化学分析方面，包括利用BODIPY荧光染料合成形形色色的金属离子荧光分子探针。
化合物15以2,2-联吡啶做为Zn2+的识别基团[27]，每一个吡啶上连有一个BODIPY基团，这个探针体系对Zn2+的作用是使探针的荧光极大的猝灭，原因是当联吡啶络合了Zn2+后，在光激发下联吡啶Zn2+络合物会向BODIPY基团转移电子，从而把整个探针分子的荧光强度降低，达到荧光猝灭的效果。化合物16则是
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几种新型荧光分子探针的合成及性能研究
以BODIPY基团为母体合成了一个Zn2+探针[28]。该探针络合锌离子后荧光增强，其pKa降到5。而真正将探针做到不受pH影响的是化合物17[29]。它也是一个基于PET机理的探针，络合锌离子后荧光增强8倍，pKa首次降低到2.1，使得其在人体内几乎不受pH影响，非常适合应用于细胞中，在锌离子探针中又迈进了一大步。
NNHN.NNNNNNN-FBNF15NNB-FFNNB-FF16NNB-FF17.
1.1.2.7金属配合物类荧光团
金属配合物为发色团的荧光化学传感器，识别结合基团与识别对象结合后，引起金属与配体之间跃迁能量的变化，这种变化可以表现为荧光光谱的变化，从而实现有效的识别。金属配合物类长寿命荧光探针大多是无机配合物，并在阴离子识别的研究比较多。许多过渡金属离子、稀土离子(Eu3+，Tb3+等)，具有较长的荧光寿命，但荧光量子产率较低。利用共振能量转移原理，人们将这些金属离子与适当的有机荧光体结合，发展了各种各样的金属配合物类长寿命荧光探针。
ON.O2SNNNNSO2NNN181920OOO2+OOO.NZnNNNRuOHOHONCONReCOCO
化合物18是由两个探针分子与一个锌离子形成配位络合物[30]。配位后荧光的最大激发波长和发射波长都有变化，并且在469 nm处的荧光强度时配体的24倍。同时还发现其它离子对该探针的干扰很小。有些荧光分子开关是通过结合某些过多吡渡金属离子的氧化或还原态(Ni3+/Ni2+, Cu2+/Cu+)猝灭或恢复荧光分子的荧光。啶Ru2+络合物19加入Pb2+后[31]荧光光谱红移了38 nm，而且荧光强度随之增强。这是由于Pb2+与识别基团（双羧基）配位后，改变了中心离子的d轨道能级所至，而其它阳离子的加入对于荧光光谱则没有变化。化合物20则是以另一种无机发光
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基团修饰的冠醚作为Pb2+的荧光探针[32]。在水溶液中，荧光强度随着Pb2+浓度的增加而增强。由于PET过程会受连接基团的影响，连接大环和吡啶配体之间的链的长度对于选择性和灵敏度也有较大的影响。
1.1.3识别基团的选择
荧光分子探针中的识别基团（也称受体部分）是体现探针分子识别功能的主要部分，它决定了荧光分子探针和客体结合的灵敏度和选择性。其中识别基团空穴的大小与客体之间的关系是选择性分子识别的首要标准。此外，识别基团中所包含的配位点的数目和客体的配位数，以及配体的种类，包括配体的酸碱性也会影响选择性。识别基团对客体的识别不仅限于对金属阳离子，而且也涉及阴离子和中性分子等，对于不同类别化学物质的识别有其特定的要求。为了能实现高度的专一性识别，在对识别基团的选择和设计时，关键是要实现识别基团与客体间的高度互补，其中包括形状，尺寸以及作用点分布等的相互匹配。因此，设计合成具有作用点合理排布的三维结构体系，可认为是荧光分子探针的设计中最高标准所在。
1.1.3.1多胺及冠醚类识别基团
自从1987年Nobel化学奖授予Pedersen、Cram和Lehn以来，冠醚化学得到了长足的发展，并已经取得很多令人注目的成就[33]。冠醚由于其具有对介质的两亲性、选择性与阳离子中性分子、阴离子配位等优点，因而是分子识别中一类最主要的识别基团。冠醚类识别基团（包括单环冠醚，穴醚，开链冠醚）对阳离子客体有较好的亲和性，主要用于碱金属，碱土金属及氢氧根离子的识别。将其和荧光团连接组成的超分子体系是研究最多的一类荧光分子探针。作为一类人工合成的识别基团，如何设计对单一金属离子具有高选择性的冠醚，一直是人们所面临的具有挑战性的课题。
全氧杂冠醚一般的含氧数为4-10个。冠醚荧光分子探针的合成，大多是利用苯并冠醚的苯环的反应活性、芳环上取代基的反应活性，或通过冠醚环外侧链上的脂肪族反应性基团将荧光团引入。另外，冠醚中的氧原子为硬碱，对碱金属和碱土金属离子有较强的络合能力，而硫原子为软碱，当冠醚中部分氧原子被硫原子所替代后对重金属或过渡金属离子有特异的络合能力，能形成稳定的络合物。
氮杂冠醚按环中氮原子的数量可分为单氮、双氮、多氮或全氮杂冠醚。氮杂冠醚由于空腔及杂原子的不同，表现出对不同的金属离子显著的选择性。不仅因为它的配位选择性，同时氮杂冠醚与荧光团连接方便，并且识别信息容易通过PET、ICT等方式影响荧光信号。所以这类冠醚在荧光分子探针中应用最为广泛。
化合物21在乙腈溶液中对铅离子具有荧光增强识别效果，荧光增强40倍并伴有15nm的荧光光谱红移，而其它能产生干扰的离子则没有影响[34]。这种识别
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几种新型荧光分子探针的合成及性能研究
现象是铅离子配位时影响了分子探针的光诱导分子内电荷转移及分子的构象刚性的结果。化合物22对Cd2+和Zn2+有着“络合－荧光增强”的作用，并且Cd2+络合物相对于Zn2+的荧光，有大约60 nm的红移。此后，Ertas[35]以及Charles等[36]分别将此分子探针接上光纤设备，并用于检测海水等样品中的Cd2+，检出下限达到了10-9 M。化合物23是带有冠醚识别基团的氟硼荧类染料的首个分子探针[37]，该分探针系统加入Mg2+后可以使整个检测溶液子探针对于Mg2+的识别能力相对较强，
的荧光增大倍数超过1000倍，荧光寿命也相应的变长。
SN.OOOPb2+SSN.OONOOPb2+SOOONNHHNHNHNNHNNNB-FF23OONOO2122
1.1.3.2多吡啶及开链类识别基团
近年来，吡啶衍生物作为荧光分子探针的识别基团得到了广泛的应用。由于吡啶基团具有很好的水溶解性，同时又具有很好的与金属离子络合配位的能力，所以人们利用吡啶类基团构建了很多巧妙的分子结构，特别是双(2-吡啶甲基)氨（DPA基团）被经常用于各种荧光分子探针中。
这类探针研究得非常活跃。例如，DPA基团24被经常用于Zn2+的荧光分子探针中，是明确的中性Zn2+配体。化合物25是一种中性鳌合剂，和Zn2+有很好的亲和性，但和Ca2+的亲和性较弱[38]。DPA氨基上的氮原子在PET和ICT探针中都是电子给体。化合物26是早期的选择DPA为Zn2+识别基团的PET型质子和Zn2+荧光分子开关[39]。加入Zn2+后，荧光量子产率增大77倍。
NN.NZn2+NNNΝNNN.242526NN
Lippard报道的化合物27在荧光素上连有两个DPA，并引入吸电子基团以减小pH对分子探针荧光强度的影响[40]。在水溶液中几乎没有荧光的化合物在加入Zn2+后降低了接受基团上N原子上的孤对电子的还原能力，使得猝灭体系荧光的
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PET反应受阻，体系重新发射荧光。在此基础上，Lippard还成功实现对活细胞中Zn2+浓度的检测，但对pH的敏感性问题仍然需要解决。由分子探针公司开发的化合物28虽然对Zn2+的荧光增强很大[41]，但对Zn2+的亲和性比较差。所以，在配体分子中额外引入能和Zn2+配位的给体，会加强对Zn2+的亲和性。2007年，Peng等利用二吡啶氨基为识别基团[42]，设计合成了化合物29，实现了对细胞中Cd2+的实时检测。另外，Xu等报道了多胺类基团为识别基团的Cu2+荧光分子探针[43]。加入Cu2+以后，溶液的颜色由黄色变化到粉红色，这种肉眼可见的颜色变化增强了分子探针的实用性。
NNNHO.XYYY27ONNNOXCO2HYNFOO28FNO-29B-FFNNNNN.N
1.1.3.3小分子含氮杂环类识别基团
小分子含氮杂环作为识别基团是近年来研究的一个重点，最早的应用是在催化领域。常见的用以作为识别基团的杂环主要有噁唑、噻唑、噁唑啉、吡啶、吡咯以及在识别过程中产生的具有部分环状性质的类杂环等。小分子杂环作为识别基团的优势在于设计方便、合成简单，合成的识别基团选择性往往很高，但是最大问题是设计的目的性和可预见性不强，往往不是有的放矢。小分子含氮杂环主要有五元环、六元环以及一些识别过程中具有部分环状性质的类杂环等。
H3COOCH3COO2NN.ONN.H2N30NH3COO31OCOOCH332HNNNNCOOCH3
化合物30不仅可以用单光子激发[44]，还可以用双光子激发，当用单光子激发(339 nm)时，检测范围在pH为3.5～6.5；用双光子激发(712 nm)时，监测范围在pH为4.5～7.5，并且较早地将双光子染料用到了水介质中，为双光子染料在pH探针中的应用奠定了基础。Y-型咪唑衍生物31可用作荧光化学传感器检测氟离子
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