几种新型荧光分子探针的合成及性能研究
发射香豆素的荧光为主。化合物57由萘酰亚胺与蒽通过烷基链相连，二者间距离较远，FRET效率低，当用长波激发时，只能观察到萘酰亚胺在550 nm发射的荧光
[88]
。当用短波激发时，可以同时观察到两个荧光发射峰。随pH的增加，蒽的发射
峰强度急剧降低，而萘酰亚胺的荧光强度变化很小，可以用于氢质子的识别。 1.2.3.5基于其它原理的荧光分子探针
大多数金属离子荧光分子探针是基于上述几种原理设计合成，但有些分子探针是按照其它原理设计，甚至是意外所得，但常常有出奇制胜的效果。
NNNiNHNNONNO258NNB-FF59N60NHO61NHNHHNNHONNO2SOSNNNHH.N.
化合物58在弱酸的缓冲溶液中，加入了Cu2+后，绿色荧光猝灭，溶液颜色从橙色变为黄色，该识别过程被称为光学双通道识别图[89]。近年来也发现化合物59在水溶液中，当探针系统加入Hg2+后，荧光猝灭达98%以上，同时溶液颜色从亮的橘红色变为没有荧光的普通红颜色，完全可以通过肉眼观察到，而其它金属离子则影响很小，保证了很好的专一性识别功能[90]。这些双通道识别具有很好的选择性，也为这些离子的检测提供了方便、直观的方法。通常与探针结合的过渡金属离子的不同价态对荧光团的荧光影响不同，可以通过结合的金属离子的氧化还原实现荧光分子的开关。在配合物60中，三价镍离子通过激发态丹磺酞胺荧光团向金属离子的电子转移将荧光猝灭，相应的一价配合物则不与荧光团间发生电子转移，荧光处于“开”的状态[91]。以罗丹明为母体的化合物61在PBS缓冲溶液中加入汞离子后荧光显著增强并红移[92]，进一步检测发现生成了脱硫产物。这类不可逆的化学计量性的识别分子也被称为化学计量剂(Chemodosimeter)。
另外，还有许多基于其它设计原理的探针也具有良好的识别效果，如光致异构荧光识别、分子自组装界面膜及两亲分子溶液中自聚集荧光识别、重原子效应、激发态质子转移(ESPT)和与外来物种络合使接受体的构象发生变化等[93]。
1.3课题选择的背景和研究内容
1.3.1课题选择的背景
通过最近十多年的研究发展，人们已经在荧光分子探针上积累了大量的理论
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与实验基础，为以后进一步的改进和创新铺平了道路。目前，如何将相关领域如电子转移、超分子化学以及纳米科学的最新成果应用到荧光化学传感器的设计和合成，有着重要的价值和前景。而通过对不同荧光分子探针的结构分析，可以看到荧光分子探针包含着荧光团和识别基团，识别过程中还要涉及与被识别物种的结合。不能孤立的看待荧光团和识别基团，而是要把它们当作一个超分子体系，也因此受到了化学家、生物学家、环境学家等的高度重视。
对于开发一个具有高灵敏、高选择性等优点的荧光分子探针来说，不仅荧光团和识别基团的选择非常重要，而且两者的连接方式和空间构象也是必须考虑的重要因素。体系的复杂性大于组成体系的个体复杂性之和，简单地拼合荧光团和识别基团常常不能达到预期的目的。在荧光探针的实际应用中靠单一的某种识别基团结构，往往不能做到高选择性、高灵敏度的识别，这是由于客体分子的多样性，复杂性决定的。有的识别过程并不是单靠识别基团完成的，而是由识别基团和荧光团上的取代基共同完成。尽管荧光分子探针的设计已有一些指导原理，但分子结构的差异对探针的影响还是难以预测的，因此需要合理的思考和设计，并通过大量的试验和测试来验证。
荧光分子探针的应用领域主要是生物、环境、医学等领域，因此水溶液中具有识别功能的荧光分子探针才具有更广泛的使用价值，而已有的许多荧光分子探针对过渡金属及重金属离子的识别研究是在有机溶剂中完成的，所以实现水溶液中的荧光识别是相对更具实用性的研究工作。水分子与有机溶剂相比，对金属离子具有更强的溶剂化作用，并且与识别基团的相互作用一般也比有机溶剂强。实现水溶液中的荧光识别具有非常大的挑战性，所以目前能设计、合成出在有机溶剂中对过渡金属或重金属离子具有可靠选择性识别的新探针已属不易，依然具有非常重要的实践意义。
1.3.2研究内容
本论文根据荧光分子探针的基本原理，主要进行了过渡金属及重金属离子荧光分子探针的设计、合成及识别研究，以期获得新的、性能更加优越的荧光分子探针。希望通过系列的工作进一步丰富荧光分子探针的研究，为新型荧光分子探针的结构设计和合成积累经验，努力将荧光探针分子能够运用在各种不同环境检测中进行测定，从而提高测试的灵敏度与准确性。具体研究内容如下：
（一）芘荧光团是一个易于合成多种衍生物的荧光团，通过胺化还原反应连接DPA基团，有助于整个荧光分子探针的亲水性质。对于一个荧光分子探针而言，DPA基团的链状敞开式结构使它能够快速与金属离子络合，保证检测的实时性。不仅便于分子在水溶液中的应用，而且为分子探针的进一步衍生和固载提供了反应活性基团，将有可能固载于聚酯、聚醚、烯烃共聚物上做成传感器器件。拟研
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究一种基于PET过程作用的芘型DPA荧光分子探针D1。（第2章）
+NCHOCHO.NNH2NNN.D1
（二）二苯乙烯由于具有较好的平面性、共轭性而成为常见的共轭桥，根据其特点设计的荧光分子探针将具备分子相对较小，既有亲脂性又有亲水性，有在各种不同环境检测中进行测定的可能。通过设计期望这种探针分子能够克服传统有机荧光分子探针水溶性不好、工作光谱不在可见光区、选择性不高的缺点。拟研究一种基于ICT过程的二苯乙烯型DPA荧光分子探针D2。（第3章）
NCNNBrNCBr+OHCNO2NN
（三）带有杂环结构的苯并噻唑分子化学结构易于调整，可以通过引入双键、苯环等不饱和基团、以及各种生色团来改变共轭程度，改变材料的发光波长，其发光波长可以覆盖整个可见光范围，从而能衍生出更多的荧光分子探针结构来。期望合成的荧光分子探针在进一步研究的基础上，能够在环境科学和生命科学的研究领域得到应用。拟研究一种以杂环结构的苯并噻唑分子为荧光团，以DPA基团为离子受体的荧光分子探针D4。（第4章）
D2SH.NH2+OClNO2NBrSNNNN.D4
（四）异维A酸是一种含芳香环的单双键交替的π共轭体系药物分子，存在着单双键交替结构的异变性，但是该分子的缺点是共轭的萜烯链结构末端缺少荧光团的存在，同时分子的共平面性和共轭程度也不甚理想。在二苯乙烯型DPA荧光分子探针研究的基础上，对含有炔键的荧光分子探针中电子转移情况的研究显得十分必要。传统的炔键形成往往要涉及到羧基保护与脱保护步骤，而研究出一种新型钯催化无铜Sonogashira偶联方法用于直接偶联卤代芳香羧酸与端炔分子，将能大大简化反应流程，提高合成效率，具有很强的创新性。以异维A酸结构为底物，连接DPA分子形成一个类似PET过程的结构分子D6，考察结构特点对荧光探针分子的影响。同时，拟将该方法应用于乙炔型药物分子D7的设计或者乙炔
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型DPA荧光分子探针D8的构建，有可能开发出一系列有特色的有机化合物。（第5章）
HOH3COCOOHCOONCHONNH3COD6BrOHCOOH.+H3COH3COD7SO3HSO.NN+SNNNONIND8- 25 -
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第2章 基于PET过程的DPA荧光分子探针
2.1前言
光诱导电子转移(PET)是一种重要的光物理过程，基于分子荧光发射强度对PET过程的依赖性以及对PET过程的物理结合调控、氧化还原调控和复杂结合调控，人们设计制备了一系列对分析物具有不同响应行为的开关型荧光传感器。与一般的荧光传感器相比较，这类荧光传感器具有响应快速、使用方便等特点。在已有的文献中，基于PET原理设计的荧光分子探针所使用的识别基团主要是冠醚、杯芳烃冠醚等大环化合物，这些大环化合物一般情况下合成过程复杂、产品收率低。这类探针通常使用蒽、芘等易形成基激复合物的荧光分子构造识别伴随荧光波长红移的探针。这类基于基激复合物原理设计的荧光探针，荧光发射波长较短，易受生物背景荧光干扰。经过多年努力，人们已经设计合成了多种能够识别H+、碱金属离子、葡萄糖和HPO42-等物质的PET型荧光传感器。随着新型受体结构的出现以及荧光发色团与受体搭配模式的改变，功能更加复杂多样的基于PET过程的开关型荧光分子探针将不断问世。
芘和芘的衍生物大多有强荧光并且化学性质稳定。芘可以作为表征介质极性的荧光探针，其I1/I3值(荧光发射第一谱带与第三谱带强度之比)与介质极性有很好的相关性[94,95]。由于极性小，制成敏感膜之后不易向水中泄漏，可以测定水中的有机或无机猝灭剂。另外，由于芘单线态寿命长，单体态发射光谱精细结构对微环境极性敏感，在特定的环境下能形成激基缔合物，而且可作为非辐射能量转移过程的受体，因而被广泛应用于水溶性聚合物的研究[96]。芘微溶于水，也可以作为自由“探针”加入体系探测环境极性的变化与疏水微区的形成。而离子型的芘衍生物由于良好的水溶性，可以同相反电荷的聚电解质发生静电键合，最近已经被用来研究聚电解质多层膜的结构[97]。
近年来，吡啶类衍生物作为荧光分子探针的识别基团得到了广泛应用，特别是二(2-吡啶甲基)氨（DPA基团）被经常用于的荧光分子探针的设计合成中。由于其自身提供三个氮原子，是明确的中性金属配体，DPA基团上的氮原子在PET探针和ICT探针过程中都是电子给体。另外，结构中的链状敞开式使它能够快速与金属离子络合，从而保证检测的实时性。芘荧光团是一个易于合成多种衍生物的荧光团，通过胺化还原反应连接DPA基团，有助于整个荧光分子探针的亲水性，不仅便于分子在水溶液中的应用，而且为分子探针的进一步衍生和固载提供了反应活性基团，将有可能固载于聚酯、聚醚、烯烃共聚物上做成传感器器件。所以，
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