《荧光分析技术》第二章-荧光信号机制课件.pptx

1、. .定义定义：建立在光谱化学和化学波导与量测技术基础上的将分析对象的化学信息以荧光信号表达的传感装置。信号表达包括荧光的增强或减弱、光谱的移动、荧光寿命的变化等。图1，荧光探针的结构构构成成：1识别结合基团(R)，能选择性地与被分析物结合，并使传感器所处的化学环境发生改变。2信号报告基团(F)，把识别基团与被分析物结合引起的化学环境变化转变为容易观察到的输出信号。3连接基团(S)，将信号报告基团和识别结合基团连接起来。. .分类分类： 1，按发光材料类型：小分子有机荧光探针（Chemosensor）、生物荧光探针（Biosensor）和纳米荧光探针（Nanosensor）；Chemosens

2、orBiosensorNanosensor. .2，按发射信号类型：增强/淬灭型（Turn-on/off）和比率型（Ratiometric）荧光探针；Turn-on fluorescent probeRatiometric fluorescent probe. .3，按发射波长类型：可见光（Visible light）和近红外（Near-infrared）荧光探针；Visible light probe (350-650 nm)Near-infrared probe (650-900 nm). .4，按激发光类型：单光子（One-photon）、双光子（Two-photon）和上转换荧光探针。

3、One-photon probeTwo-photon probe. .荧光探针的优点荧光探针的优点： 灵敏度高 检测限低至纳摩尔级别 选择性好 对特定分析物有响应 响应时间短 使用方便、成本低 荧光光谱仪、便携式三用紫外仪 实时监测 检测不同时段的信号变化 原位检测 精准检测 可视化检测 肉眼观察或荧光信号具体化 非破坏性检测 保持生物样本的完整性由于具有上述优点，使得荧光探针在多个领域应用广泛，特别是在分子生物学、生物化学、医学等。. . 荧光分子探针的设计原理主要有以下几种：键合法键合法、置换法置换法和化学计量计化学计量计法法。1、键、键合法合法：是指将探针中的识别基团和荧光基团通过共价键

4、连接起来是指将探针中的识别基团和荧光基团通过共价键连接起来设计荧光探针设计荧光探针的的方法。方法。 Reversible. . 当识别基团与被分析物结合时会引起荧光基团的化学环境发生变化，通过颜色的改变、光谱的移动、荧光强度的增减等现象来表现，这些变化可被裸眼或者仪器识别。这是目前在设计金属离子荧光探针中应用最广泛的方法。Zn2+ fluorescent probe受体分子的识别基团受体分子的识别基团：受体分子的识别基团设计以软硬酸碱理论、配位作用以及超分子作用力（如氢键、范德华力等）作为理论指导，多选择含氮、硫、磷杂环化合物作为识别分子。. .2、置换法：、置换法：是是利用识别基团分别与荧光

5、基团和被分析物结合能力的不同来实现利用识别基团分别与荧光基团和被分析物结合能力的不同来实现对被分析物的检测对被分析物的检测。Reversible 识别基团和荧光基团形成络合物，当被分析物加入到该体系中时，由于识别基团与被分析物的结合能力要强于识别基团与荧光基团的结合能力，因此被测物将荧光基团置换出来，从而引起了整个体系荧光等化学参数的变化，进而为仪器或者裸眼识别，该原理常用于设计阴离子荧光探针。 . .Cu2+-S2- fluorescent probe. .3、化学计量计、化学计量计法法: 是是利用探针分子与识别客体之间特异利用探针分子与识别客体之间特异不可逆不可逆的化学反应前后产生荧光信的

6、化学反应前后产生荧光信号的不同而对分析对象进行检测的一类号的不同而对分析对象进行检测的一类探针。探针。主要包括两种类型：一类是主要包括两种类型：一类是目标分子和目标分子和探针探针分子发生化学反应分子发生化学反应后通过后通过共价键相共价键相连接；另连接；另一类是目标离子催化了一个一类是目标离子催化了一个化学反应。化学反应。 第第一类：一类：Cys fluorescent probe. .第第二二类：类：+：基于化学计量计原理设计的荧光分子探针通常具有不可逆性、和较好的选择性和灵敏度。. .1、光诱导电子转移 PET2、分子内电荷转移 ICT3、荧光共振能量转移 FRET 4、共价键能量转移 TB

7、ET5、聚集诱导发光 AIE6、激发态分子内质子转移 ESIPT7、扭曲分子内电荷转移 TICT8、单体/激基缔合物 M/E用于解释荧光探针与分析物作用前后荧光信号变化现象，主要包括：用于解释荧光探针与分析物作用前后荧光信号变化现象，主要包括：. .1, 光诱导光诱导电子转移电子转移 (PET, Photoinduced Electron Transfer) 光诱导电子转移是指电子给体或电子受体受光激发后，激发态的电子给体与电子受体之间发生电子转移的过程。识别基团与被分析物结合之前，荧光基团受激发，最终被光激发到激发态的电子不能跃迁到基态，使得荧光基团的荧光淬灭。而识别基团与被分析物结合后，P

8、ET过程受阻，荧光基团的荧光得以恢复。PET荧光信号机制示意图. . PET过程可以用前线轨道理论具体解释：若识别基团的HOMO或LOMO轨道介于荧光团两轨道能量之间，此时就可以发生识别基团与荧光团之间的电子转移而导致荧光的猝灭；当识别基团与分析物结合后，HOMO轨道能量降低或LUMO轨道能量升高，使PET受阻，激发态电子可以返回基态，荧光恢复。根据荧光团得失电子情况，分为a-PET（还原型）（还原型）和d-PET（氧化型）（氧化型）两种类型。前线轨道解释a-PET荧光信号机制示意图eheNo h. .Cu+Cu+a-PET基于a-PET机理的Cu+荧光探针. .基于a-PET机理的Ag+荧光

9、探针. .a-PETa-PET基于a-PET机理的PO43-荧光探针. .前线轨道解释d-PET荧光信号机制示意图eNo heh. .BD-ssLPS + BD-ss基于d-PET机理的H2S2荧光探针. .基于d-PET机理的H2S荧光探针. .d-PET基于d-PET机理的Cys荧光探针. .2, 分子内电荷转移分子内电荷转移 (ICT, Intramolecular Charge Transfer) 分子内电荷转移是指分子在激发态时发生分子内电子转移，造成正负电荷分离，形成分子电荷转移态。分子内电荷转移荧光探针分子通常是荧光团上同时连有供电子基团(电子给体，Donor)和吸电子基团(电子

10、受体，Acceptor), 通过键提供电子转移的通道，形成强的推-拉作用的共轭体系，其吸电子基团或推电子基团本身充当识别基团的一部分。 当识别基团和被分析物结合后，作为识别基团的供电子部分或拉电子部分的推拉电能力发生的改变，整个体系的的电子结构重新分布，荧光团的推-拉作用被抑制或强化，从而导致吸收光谱、发射光谱发生变化，主要是光谱红移或蓝移 。. .情况一：供电子基团和分析物结合，会减弱其推供电子的能力，使得整个体系电荷分离程度减弱了，导致荧光光谱和吸收光谱蓝移 (Blue shift)。分析物与供电子作用的ICT荧光机制示意图. .情况二：拉电子基团和分析物结合，会增强其拉供电子的能力，使得

11、整个体系电荷分离程度增强了，导致荧光光谱和吸收光谱红移 (Red shift)。分析物与拉电子作用的ICT荧光机制示意图. .基于ICT机理的Zn2+荧光探针实例：实例：ICT配位型配位型金属离子荧光探针金属离子荧光探针. .基于ICT机理的Zn2+荧光探针基于PET机理的Zn2+荧光探针. .基于ICT机理的Zn2+荧光探针. .化学反应型化学反应型ICT荧光探针荧光探针基于ICT机理的ClO-荧光探针基于ICT机理的甲醛荧光探针. .基于ICT机理的ClO-荧光探针. .基于ICT机理的Pd0荧光探针. .基于ICT机理的GSH荧光探针基于ICT机理的GSH荧光探针. . .3, 荧光共振

12、能量荧光共振能量转移转移 (FRET, Fluorescence Resonance Energy Transfer)荧光共振能量转移指一个荧光体系含有两个荧光团，一个充当能量供体(Donor, D)，另一个为能量受体(Acceptor, A)，当用供体D的激发去激发荧光体系时，可以发生从D到A的非辐射能量转移，从而发射出受体A荧光团的荧光。FRET发生所具备的条件条件：（1）能量供体荧光团D的荧光发射位于短波长处，且发射光谱和能量受体荧光团A的吸收光谱有一定重叠，能量受体能够在能量供体的发射波长处吸收能量；（2）能量供体与能量受体相隔的距离为10-100 。500550600Absorpti

13、on(Acceptor)Absorption (Donor)Emission (Donor)Normalied intensity Normalied absorptionWavelength, nmEmission(Acceptor)J：E = (Fdonor Fdonor in cassette)/Fdonor 100%FRET荧光机制示意图（3）供体和受体能量转移偶极子的方向必须近似地平行。. .设计设计FRET荧光探针的策略：荧光探针的策略：（1）通过调节能量受体调节能量受体A的的摩尔吸光系数摩尔吸光系数来改变其吸收光谱与能量供体发射光谱的重叠效率，以达到调控FRET；（2）通过调节能

14、量受体调节能量受体A与与能量供体能量供体D之间的距离之间的距离来调控FRET；（3）通过调节能量受体调节能量受体A的吸收波长的吸收波长来改变其吸收光谱与能量供体发射光谱的重叠效率，以达到调控FRET；. .策略策略一：基于一：基于Coumarin-Rhodamine的的FRET荧光探针荧光探针第一代：第一代：基于FRET机理的Hg2+荧光探针. .第第二二代：代：基于FRET机理的Cu2+荧光探针. .第三代：第三代：基于FRET机理的Cu2+荧光探针. . .基于其他以基于其他以Rhodamine为能量受体的为能量受体的FRET荧光探针荧光探针基于FITC-Rho平台的FRET pH探针基于

15、Nap-Rho平台的FRET pH探针. .基于BOD-Rho平台的FRET Au3+探针基于DNS-Rho平台的FRET Au3+探针基于NT-Rho平台的FRET Au3+探针基于QNL-Rho平台的FRET Au3+探针. .以以Fluorescein为能量受体的为能量受体的FRET荧光探针荧光探针H2O2基于Cou-FITC平台的FRET H2O2探针基于BOD-FITC平台的FRET Cys探针. .策略二：通过策略二：通过调节调节A-D距离的距离的FRET荧光探针荧光探针. .策略三：通过调节吸收波长的策略三：通过调节吸收波长的FRET荧光探针荧光探针基于Cou-Nap平台的FRE

16、T H2S探针. .基于Cou-SBD平台的FRET Cys探针. . .Turn-on FRET-based Cys 探针. .4, 共价键共价键能量转移能量转移 (TBET, Through-Bond Energy Transfer) TBET能量体系与FRET能量体系不同，不要求能量供体的发射光谱与能量受体的吸收光谱有一定程度的重叠，它是能量供体与能量受体经过共轭键连接，将供体能量通过键直接传递到受体，但是能量供体与受体不共平面。在荧光光谱中体现为，激发能量供体，显示能量受体荧光发射峰。 FRET和和TBET荧光机制示意图荧光机制示意图. .TBET-based pH 探针TBET-ba

17、sed Hg2+ 探针. .FRET-based Cu2+ 探针. .5, 聚集诱导发光聚集诱导发光 (AIE, Aggregation-induced Emission)传统的荧光生色团在高浓度下荧光会减弱甚至不发光，这种现象被称作“浓度猝灭”效应，通常也被叫做聚集导致猝灭(ACQ, aggregation-caused quenching)。聚集诱导发光是指一类非平面的分子在其良溶液中不发光或发光微弱，而聚集后或固态下荧光显著增强的现象。理论依据：分子内旋转受限理论依据：分子内旋转受限(restriction of intramolecular rotations, RIR)。分子内旋转导

18、致激发态能量以非辐射形式衰减，荧光淬灭；而旋转受阻时，激发态能量以辐射形式衰减，发射强荧光。AIE机理示意图（六苯基噻咯）. . . Sorting of fluorescence Intensity?WeakStrong2，AIE材料在生物成像应用中可用较高的浓度，增加了其检测灵敏度（肿瘤成像）；1，AIE材料在固态下依然能发强光，可用于设计光学器件（半导体发光材料、可折叠显示器和风洞试验）；四苯乙烯（TPE）六苯基噻咯（HPS）二苯乙烯基蒽（DSA）. . . . .6, 激发态激发态分子内质子转移分子内质子转移 (ESIPT, Excited-State Intramolecular P

19、roton Transfer) 含有分子内氢键的分子，光激发时其质子酸性提高，易于发生质子转移，可发生分子内激发态质子转移的物质一般含质子供体(羟基或氨基)和质子受体(亚胺键或羰基)。受光激发时，质子从羟基或氨基转移至邻近的与之形成氢键的原子上（一般能形成五元环或六元环，距离不超过2, t = 10-12 S），由之前的醇式结构转变成酮式结构。 由于光激发所形成的酮式异构体在激发态时 （而不是基态）较原醇式结构稳定， 故光异构体的荧光较原分子的荧光位于长波长处。. . . . .7, 扭曲扭曲分子内电荷转移分子内电荷转移 (TICT, Twisted Intramolccular Charge

20、 Transfer) 在荧光寿命期间，与发色团单键相连的助色团(通常是与发色团相连的氨基)会发生分子内的扭转，使得构像发生了变化；另有一种是以双键相连的，旋转后构型发生了变化。旋转的动力来源于电子激发后受体(acceptor)的吸电性，扭转后的电子云分布将更加有利于系统的稳定，这种扭转将有利于电荷的完全分离。所形成的激发态称为TICT态，是完全的电荷分离。TICT荧光机制示意图. . . .8, 单体单体/激基缔合物激基缔合物 (M/E, Monomer/Excimer)如果两个相同的荧光团(主要是多环芳烃)之间的距离和位置合适，当其中一个荧光团被激发以后就会和另外一个处于基态的荧光团通过-堆

21、积作用形成激基缔合物(excimer)，其荧光发射光谱的特征表现是原来单体的发射峰减弱或者消失，取而代之的是一个新的、强而宽的、长波长的无振动精细结构发射峰。由于形成这种激基缔合物需要激发态分子与基态分子达到“碰撞”距离约3.5, 因此荧光团间的距离是激基缔合物形成和破坏的关键。由于萘、芘、葸等荧光团具有较长的激发单线态寿命，易形成激基缔合物等特点，因此常常被用于此类探针中。 M/E荧光机制示意图. . . . Structure requireMechanismInteraction channelSpectral phenomenaPETNon-conjugate/flexibleElec

22、tron transferThrough spaceTurn-on/offICT conjugate/rigidityPush-pullThrough bondRatiometric orTurn-on/off FRETNon-conjugate/flexibleLong range dipole-acceptor interactions induced energy transferThrough spaceRatiometric orTurn-on/off TBET conjugate/rigidityLong range dipole-acceptor interactions ind

23、uced energy transferThrough bondRatiometricAIENon-conjugate/flexibleRestriction of intramolecular rotationsThrough spaceRatiometricM/ENon-conjugate/flexible-electron stacking interactionThrough spaceRatiometricTICT conjugate/rigidity Charge transfer twisted structure Through bond Ratiometric or Turn on/offESIPT conjugate/rigidityProton transferThrough bondRatiometric. .1，荧光探针的构成、分类、优点和设计原理。，荧光探针的构成、分类、优点和设计原理。2，荧光信号机制：，荧光信号机制：PET、ICT、FRET、TBET、AIE、ESIPT、TICT和和E/M。. .