核磁共振光谱分析在荧光传感器机理研究中的应用.docx

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核磁共振光谱分析在荧光传感器机理研究中的应用

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1HNMR、13CNMR、19FNMR、11BNMR、31PNMR、35/37ClNMR。

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、19FNMR）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：

“Fluorescentdetectionofanionsbydibenzophenazine-basedsensors”

文献来源：

TetrahedronLetters,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.1Emissionspectraof1（5.0μM,CHCl3）upontheadditionofacetateanionsolution.Theinsetdepictsthechangeintheemissionintensityat438nmand550nmasafunctionofmolarequivalenceoftheanionrelative.

Fig.2Partial1HNMRspectraof1（1.0mM）upontitratingwithTBAFsolution（10mM）in2%DMSO-d6inCDCl3.

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：

“NucleophilicAddition-TriggeredLanthanideLuminescenceAllowsDetectionofAminesbyEu（thenoyltrifluoroacetone）3”

文献来源：

PhotochemistryandPhotobiology,2012,88,840–843

通讯作者：

QianmingWang，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

Fig.3EmissionspectraofEu（TTA）3at10-6Mexcitedat345nmuponadditionof5*10-5to10*10-5MBuNH2（left）or2*10-4to12*10-4MEt2NH（right）inTHFaqueoussolution.

Fig.413C-NMRspectrameasuredbytitrationofaCDCl3solutionof1MEu（TTA）3with1equivalentofBuNH2recordedat293K.

在合成得到稀土配合物后，作者采用荧光光谱将其对有机胺分子的识别效果进行了测试与分析。

从Fig.3中可以看出，单一的稀土配合物在345nm的激发光照射下发射出铕离子的特征红色光谱。

而随着有机胺分子的滴加（一级胺、二级胺），配合物的发光呈现逐渐猝灭。

从宏观的照片上看出，原来配合物发出强烈的红色荧光，当滴加胺分子后，红色荧光消失。

对比左右两种不同的胺的猝灭效果，作者发现，该稀土配合物对一级胺的猝灭效果要明显优于二级胺。

简单地说，该探针对一级胺的检测限要低于二级胺。

关于胺分子滴加后荧光变化的作用机理，作者认为这是由于有机胺分子中的氨基具有孤对电子能够进攻与三氟甲基相连的电正性很强的碳原子，从而导致碳氧双键断开，配体无法与铕例子配位，因而荧光粗灭。

显然，一级胺的孤对电子的活性更强，更容易进攻碳原子，因为其作用力更明显，反应在荧光光谱图上则表现为检测限更低。

为了验证提出的机理与解释，作者采用了13CNMR核磁共振碳谱进行了分析。

在Fig.4（顶图）中给出的未滴加胺分子的碳谱，其中位于低场化学位移位移为171.61,171.24,170.88and170.52ppm的四重峰归属于与三氟甲基相连的羰基的C原子。

而在滴加有机胺分子后，位于该处的四重峰消失，取而代之的是在高场77.85ppm处有一个新的吸收峰产生，这有力的证明了在胺分子滴加后，与三氟甲基相连的羰基消失，并有以单键相连的碳原子产生。

这和作者提出的机理是十分吻合的。

（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。

）

小结与启示：

在有机物中，有些官能团不含氢原子，例如C=O，C=C=C，N=C=O等，无法从核磁共振氢谱中获得相关结构信息，而碳谱可以描述有机物的碳原子，尤其对分子碳链骨架的确定具有重要作用。

其不足在于C原子中13C含量太低，谱图信号弱，测定时需要样品量较大。

在传感器中，若主体与客体作用后，改变了主体的碳链骨架或碳原子的连接方式（双键-单键），便可以通过测定碳谱的变化从而确定反应的机理。

2.3.文献3——19FNMR核磁共振氟谱在荧光传感器中新方式传感的应用

文献标题：

“Reducedglutathione-resisting19FNMRsensorsfordetectingHNO”

文献来源：

Bioorganic&MedicinalChemistry,2012,20,4668–4674.

作者单位：

日本东京大学

主要内容：

该论文[2]设计并合成了一个新颖的基于核磁共振氟谱识别硝酰基的铜离子配合物。

利用硝酰基的还原性将配合物中的二价铜离子还原为一价铜离子，由于还原前后磁性的改变，利用配体中氟原子氟谱峰强度的变化从而实现对亚硝酰的识别。

同时作者还对生物体内容易造成干扰的还原型谷胱甘肽进行了测试，发现其干扰不大，表明该传感器具有较好的选择性。

2.3.1.研究思路与实验原理

硝酰基是缺电子中心，也可以把它看作是质子化的一氧化氮。

近年来的研究发现，硝酰基在生物体以某种形式参与氧化还原过程，具有极其重要的生理作用。

目前有许多探针关注于硝酰基的识别与标记，但在实际测试过程中发现生物体内存在的还原性谷胱甘肽常常造成干扰。

作者基于前人有关硝酰基识别的基础，设计了一个含氟原子的二价铜配合物，用于识别硝酰基，利用硝酰基的还原性能够将二价铜离子还原为一价铜离子。

由于还原前后配合物的磁性发生了改变，因而对氟原子的核磁共振光谱产生了较大影响，可用于氟谱识别。

同时由于铜离子的配合物稳定性很强，谷胱甘肽无法与其发生作用，从而避免了谷胱甘肽的影响。

2.3.2荧光传感器对硝酰基的识别性能及其机理研究

Fig.5（a）19FNMRspectraofCu-POSSwithorwithoutAngeli’ssaltin100mMacetatebuffer（pH7.0）at25C.（b）Thepeakwidthatthehalf-heightof19FNMRsignalsfromthesamplescontainingthePOSSderivatives.

除了采用紫外、荧光等光谱来描述探针的传感行为，作者还采用了核磁共振氟谱来传感。

从Fig.5中可以看出，二价铜离子配合物的氟谱为单一的信号，吸收峰较宽。

在滴加安吉利盐（产生硝酰基）后，配合物的氟谱有明显的改变，吸收峰位置没有改变，但峰变窄变高。

而当滴加还原性谷胱甘肽时，吸收峰变化不明显，通过氟谱的变化，实现了硝酰基的传感。

作者认为，滴加前后配合物氟谱的变化是由于磁性的改变，那么这种改变显然来源于铜离子的氧化还原。

基于硝酰基的还原性，能够将二价铜离子还原为一价铜离子，这个过程中配合物的磁性由顺磁性变为抗磁性，因为氟谱变化明显。

而由于配合物稳定性较强，还原性较弱的谷胱甘肽对二价铜离子响应要弱得多，因而基本不会造成干扰。

与未键合的探针进行对比，即单纯将铜离子配合物与带氟的化合物作用，结果发现其效果远远比不上将氟与铜离子配合物键合在一起的效果好。

因而更加突出了作者设计该探针的价值。

小结与启示：

核磁共振氟谱相对于氢谱和碳谱来说比较简单，因为一般的有机化合物中含氟原子较少，通常氟谱显示为极少数峰，因为其变化容易观察。

该论文基于化合物磁性的改变，从而通过核磁共振光谱的变化来描述与传感这种变化，这种思路开拓了核磁共振光谱研究的视野。

从一种物质结构的表征手段扩展为识别传感手段。

三、总结

从以上三篇文献可以看出，核磁共振光谱灵敏度很高，影响分子中原子化学环境的许多作用力都能在光谱图上描述出来，对于荧光传感器机理的研究无疑是最有力也是最有效的方法。

对比不同元素的核磁共振光谱，各有优点也有不足。

氢谱是研究最广泛也是最常用的光谱，其信号较强，但有机分子常常含有许多氢原子，因而谱图复杂，不易研究其细微变化。

在荧光传感器中，常用核磁共振氢谱1HNMR来表征氢键的作用位点及数目。

而碳谱对于确定有机分子的碳链骨架具有独特的优势，其不足在于同位素13C丰度较低，谱图信号弱，对样品的测试量要求较大。

有机分子中常常很少含氟原子，因而相对氢谱、碳谱，氟谱的应用偏少，但也正是因为这一点，核磁共振氟谱吸收峰较少，易于分析。

从文献三中，我们发现核磁共振光谱作为描述分子中原子化学环境的表征手段，现在也可以用作传感的新方式。

这一点也为我的研究拓宽了新的思路与方向。

四、参考文献

[1]Ala’aO.El-Ballouli,YadongZhang,StephenBarlow,SethR.Marder,MohammadH.Al-SayahBilalR.Kaafarani,TetrahedronLetters,2012,53:

661–665.

[2]ZhanZhou,QianmingWang,JintaiLin,YannaChen,ChuqinYang,PhotochemistryandPhotobiology,2012,88:

840–843.

[3]NarufumiKitamura,TatsuhiroHiraoka,KazuoTanaka,YoshikiChujo,Bioorganic&MedicinalChemistry,2012,20:

4668–4674.