核磁共振光譜分析在熒光傳感器機理研究中的應(yīng)用

核磁共振光譜在熒光傳感器機理研究中的應(yīng)用1.前言核磁共振光譜可以獲得分子官能團、分子幾何構(gòu)型，分子中原子間的成鍵情況以及相互作用等重要結(jié)構(gòu)信息。它被廣泛地運用在化學(xué)、物理學(xué)及生命科學(xué)研究等領(lǐng)域中。目前核磁共振光譜已成為研究化合物構(gòu)造和物性的重要方法之一。從核磁共振現(xiàn)象的產(chǎn)生機理上看，自旋量子數(shù)不為0的原子核即有核磁共振現(xiàn)象，因而許多元素及其同位素具有核磁共振現(xiàn)象，目前應(yīng)用的較多的核磁共振光譜主要包括1HNMR、13CNMR、19FNMR、11BNMR、31PNMR、35/37ClNMR。在熒光傳感器研究領(lǐng)域，許多結(jié)構(gòu)獨特，功能強大的熒光探針不斷被合成出來。同時越來越多的文獻(xiàn)也把更多目光集中在熒光探針與識別客體的機理研究中，并嘗試運用證實的機理進(jìn)一步指導(dǎo)合成新的熒光探針。而核磁共振光譜作為描述分子中原子化學(xué)環(huán)境的表征手段，常用來研究探針與識別物作用前后的某些原子化學(xué)環(huán)境的改變，從而推導(dǎo)傳感器識別時作用位點，進(jìn)一步提出可能的研究機理。本讀書報告特遴選了3篇不同核磁共振光譜〔包括1HNMR、13CNMR、19FNMR〕在熒光傳感器領(lǐng)域的最新研究應(yīng)用的有關(guān)文獻(xiàn)作個簡要的介紹，同時指出了自己的一些啟示與看法。2.文獻(xiàn)閱讀與啟示2.1.文獻(xiàn)1——1HNMR核磁共振氫譜在熒光傳感器機理〔氫鍵作用〕研究的應(yīng)用文獻(xiàn)標(biāo)題：“Fluorescentdetectionofanionsbydibenzophenazine-basedsensors”文獻(xiàn)來源：TetrahedronLetters,2012,53,661–665作者單位：美國貝魯特大學(xué)化學(xué)學(xué)院主要內(nèi)容：通訊作者課題組主要從事離子響應(yīng)型〔陽離子、陰離子〕熒光傳感器的構(gòu)筑和合成。該論文[1]合成了兩種陰離子響應(yīng)型熒光傳感器，基于熒光的變化，實現(xiàn)對多種陰離子〔F-、AcO-、CN-、OBn-〕的識別檢測。作者分別從紫外、熒光光譜對不同陰離子的選擇性和響應(yīng)濃度進(jìn)行了測定。采用核磁共振氫譜對其作用機理進(jìn)行了詳細(xì)研究，初步確定是基于幾種陰離子與傳感器中磺酰胺基團產(chǎn)生氫鍵作用導(dǎo)致的。同時還進(jìn)行了核磁共振氫譜滴定實驗，得出陰離子與探針的結(jié)合常數(shù)。2.1.1.研究思路與實驗原理一般地，熒光傳感器熒光包括三個局部：第一局部是熒光基團，即能夠發(fā)出熒光的共軛分子；第二是功能基團，即能夠提供與客體進(jìn)行作用的位點的分子；第三局部那么是連接基團，即將熒光基團和功能基團連接起來的局部。通過識別對象與功能的某種作用，從而導(dǎo)致熒光基團的熒光發(fā)生變化。根據(jù)這樣的根本設(shè)計思路，作者選擇了二苯并吡嗪作為熒光基團，選擇了新穎的磺酰胺結(jié)構(gòu)作為功能基團，嘗試對各種陰離子進(jìn)行識別。同時利用酮與氨基的反響作為連接，通過改變不同取代基，合成了兩種熒光傳感器。2.1.2.熒光傳感器識別作用及其作用機理研究Fig.1Emissionspectraof1(5.0μM,CHCl3)upontheadditionofacetateanionsolution.Theinsetdepictsthechangeintheemissionintensityat438nmand550nmasafunctionofmolarequivalenceoftheanionrelative.Fig.2Partial1HNMRspectraof1(1.0mM)upontitratingwithTBAFsolution(10mM)in2%DMSO-d6inCDCl3.作者對合成的熒光探針進(jìn)行陰離子識別性能測試，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在F-、Cl-、Br-、I-、NO3-、ClO4-、OAc-、OBn-、CN-、OH-等陰離子中，探針僅對F-、AcO-、OBn-、CN-四種離子具有選擇性識別作用。以醋酸根離子為例，從熒光光譜圖上看，隨著醋酸根濃度的增加，探針1在438nm處的熒光峰不斷減弱，取而代之的是在550nm處有一個新的熒光峰產(chǎn)生并不斷增強，顯然由于醋酸根的引進(jìn)，探針的熒光發(fā)生了顯著的改變，從而實現(xiàn)傳感功能。其它三種離子與探針作用也有類似的變化。為了詳細(xì)探究這種變化產(chǎn)生的機理，作者采用了核磁功氫譜進(jìn)行了研究。同時為了防止太多氫譜峰造成干擾，作者選用了最簡單的氟離子進(jìn)行滴加識別〔核磁共振滴定〕測試。從Fig.2局部核磁共振氫譜上可以看出，化學(xué)位移為8.03ppm、7.82ppm、7.27ppm處的吸收峰分別對應(yīng)結(jié)構(gòu)圖中的Ha、Hb、Hc。而隨著F-的滴加，Ha、Hb、Hc三處吸收峰的化學(xué)位移都發(fā)生了改變。當(dāng)添加到兩倍F-濃度時，Ha的化學(xué)位移由原來的7.27ppm移動至7.17ppm，Hb的由7.82ppm移動到7.85ppm，而Hc的由8.03ppm移動到7.83ppm，并且其它氫原子的吸收峰沒有移動。以上的改變說明F-的添加造成了Ha、Hb、Hc三種位置氫原子化學(xué)環(huán)境的改變，從探針的分子結(jié)構(gòu)圖上看，這種改變應(yīng)該是由于氟離子與磺酰胺基團的氨基形成氫鍵作用導(dǎo)致。進(jìn)一步核磁滴定結(jié)果更有力地證實了這一點。從Fig.2上看，當(dāng)F-濃度到達(dá)探針濃度的兩倍時，此時如果繼續(xù)滴加F-，那么Ha、Hb、Hc的吸收峰不再改變，說明此時氟離子和探針的作用已飽和。結(jié)合氫鍵的作用分析，顯然這是由于氟離子與氨基作用的結(jié)果。由此，作者通過核磁共振氫譜及核磁共振滴定成功證明了探針的識別作用來源于陰離子與探針磺酰胺基團的氨基形成了氫鍵作用，正是這種氫鍵作用導(dǎo)致探針熒光基團的熒光大大增強。小結(jié)與啟示：核磁共振氫譜是對物質(zhì)中不同化學(xué)環(huán)境中的氫原子的描述，而氫鍵是一種強度適中的作用力，其產(chǎn)生將導(dǎo)致作用位點的氫原子化學(xué)環(huán)境發(fā)生改變，顯示在核磁共振譜圖上時那么表現(xiàn)為峰的移動或消失。此外，可以采取核磁滴定的方式，通過監(jiān)測核磁共振氫譜圖中化學(xué)位移的移動程度，可以計算氫鍵產(chǎn)生的數(shù)目，從而推測可能的作用機理以及主體與客體的結(jié)合常數(shù)。2.2.文獻(xiàn)2——1CNMR核磁共振碳譜在熒光傳感器機理研究的應(yīng)用文獻(xiàn)標(biāo)題：“NucleophilicAddition-TriggeredLanthanideLuminescenceAllowsDetectionofAminesbyEu(thenoyltrifluoroacetone)3”文獻(xiàn)來源：PhotochemistryandPhotobiology,2012,88,840–843通訊QianmingWang，華南師范大學(xué)化學(xué)與環(huán)境學(xué)院主要內(nèi)容：我的另外一個研究方向是有關(guān)稀土熒光探針的設(shè)計及主客體識別作用研究。該論文[2]采用經(jīng)典配體“噻吩甲酰三氟丙酮”與稀土銪離子配位，合成了能量傳遞十分匹配的紅色發(fā)光配合物，用于有機胺分子的檢測。作者從紫外、熒光光譜對胺類物質(zhì)的選擇性和響應(yīng)濃度分別進(jìn)行了測定。采用紅外光譜及核磁共振碳譜對其作用機理進(jìn)行了詳細(xì)研究，初步確定是基于胺基團的孤電子對進(jìn)攻電正性較強的C原子，使碳氧雙鍵斷開使得配體無法與銪例子配位，導(dǎo)致熒光的猝滅。最終實現(xiàn)了一種靈敏度很高，能進(jìn)行實時監(jiān)測的有機胺分子稀土熒光探針。2.2.1.研究思路與實驗原理有關(guān)有機胺分子的識別已經(jīng)有許多的方法報道，但是絕大多數(shù)方法其靈敏度都不高，并且操作過程較為繁瑣。在該論文中，作者也遵循熒光傳感器設(shè)計的根本思路，構(gòu)筑了以稀土銪離子作為紅色發(fā)光中心，以三氟甲基相連的電正性較強的C原子作為功能基團，而噻吩甲酰三氟丙酮中的β二酮與稀土離子的配位鍵作為連接方式。稀土熒光傳感器對有機胺分子的識別性能及其機理研究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，作者采用熒光光譜將其對有機胺分子的識別效果進(jìn)行了測試與分析。從Fig.3中可以看出，單一的稀土配合物在345nm的激發(fā)光照射下發(fā)射出銪離子的特征紅色光譜。而隨著有機胺分子的滴加〔一級胺、二級胺〕，配合物的發(fā)光呈現(xiàn)逐漸猝滅。從宏觀的照片上看出，原來配合物發(fā)出強烈的紅色熒光，當(dāng)?shù)渭影贩肿雍?，紅色熒光消失。比照左右兩種不同的胺的猝滅效果，作者發(fā)現(xiàn)，該稀土配合物對一級胺的猝滅效果要明顯優(yōu)于二級胺。簡單地說，該探針對一級胺的檢測限要低于二級胺。關(guān)于胺分子滴加后熒光變化的作用機理，作者認(rèn)為這是由于有機胺分子中的氨基具有孤對電子能夠進(jìn)攻與三氟甲基相連的電正性很強的碳原子，從而導(dǎo)致碳氧雙鍵斷開，配體無法與銪例子配位，因而熒光粗滅。顯然，一級胺的孤對電子的活性更強，更容易進(jìn)攻碳原子，因為其作用力更明顯，反響在熒光光譜圖上那么表現(xiàn)為檢測限更低。為了驗證提出的機理與解釋，作者采用了13CNMR核磁共振碳譜進(jìn)行了分析。在Fig.4〔頂圖〕中給出的未滴加胺分子的碳譜，其中位于低場化學(xué)位移位移為171.61,171.24,170.88and170.52ppm的四重峰歸屬于與三氟甲基相連的羰基的C原子。而在滴加有機胺分子后，位于該處的四重峰消失，取而代之的是在高場77.85ppm處有一個新的吸收峰產(chǎn)生，這有力的證明了在胺分子滴加后，與三氟甲基相連的羰基消失，并有以單鍵相連的碳原子產(chǎn)生。這和作者提出的機理是十分吻合的。〔胺基團的孤電子對進(jìn)攻電正性較強的C原子，使碳氧雙鍵斷開使得配體無法與銪例子配位，導(dǎo)致熒光的猝滅。〕小結(jié)與啟示：在有機物中，有些官能團不含氫原子，例如C=O，C=C=C，N=C=O等，無法從核磁共振氫譜中獲得相關(guān)結(jié)構(gòu)信息，而碳譜可以描述有機物的碳原子，尤其對分子碳鏈骨架確實定具有重要作用。其缺乏在于C原子中13C含量太低，譜圖信號弱，測定時需要樣品量較大。在傳感器中，假設(shè)主體與客體作用后，改變了主體的碳鏈骨架或碳原子的連接方式〔雙鍵-單鍵〕，便可以通過測定碳譜的變化從而確定反響的機理。2.3.文獻(xiàn)3——19FNMR核磁共振氟譜在熒光傳感器中新方式傳感的應(yīng)用文獻(xiàn)標(biāo)題：“Reducedglutathione-resisting19FNMRsensorsfordetectingHNO”文獻(xiàn)來源：Bioorganic&MedicinalChemistry,2012,20,4668–4674.作者單位：日本東京大學(xué)主要內(nèi)容：該論文[2]設(shè)計并合成了一個新穎的基于核磁共振氟譜識別硝?；你~離子配合物。利用硝酰基的復(fù)原性將配合物中的二價銅離子復(fù)原為一價銅離子，由于復(fù)原前后磁性的改變，利用配體中氟原子氟譜峰強度的變化從而實現(xiàn)對亞硝酰的識別。同時作者還對生物體內(nèi)容易造成干擾的復(fù)原型谷胱甘肽進(jìn)行了測試，發(fā)現(xiàn)其干擾不大，說明該傳感器具有較好的選擇性。2.3.1.研究思路與實驗原理硝?；侨彪娮又行?，也可以把它看作是質(zhì)子化的一氧化氮。近年來的研究發(fā)現(xiàn)，硝?；谏矬w以某種形式參與氧化復(fù)原過程，具有極其重要的生理作用。目前有許多探針關(guān)注于硝酰基的識別與標(biāo)記，但在實際測試過程中發(fā)現(xiàn)生物體內(nèi)存在的復(fù)原性谷胱甘肽常常造成干擾。作者基于前人有關(guān)硝?；R別的根底，設(shè)計了一個含氟原子的二價銅配合物，用于識別硝?；孟貂；膹?fù)原性能夠?qū)⒍r銅離子復(fù)原為一價銅離子。由于復(fù)原前后配合物的磁性發(fā)生了改變，因而對氟原子的核磁共振光譜產(chǎn)生了較大影響，可用于氟譜識別。同時由于銅離子的配合物穩(wěn)定性很強，谷胱甘肽無法與其發(fā)生作用，從而防止了谷胱甘肽的影響。2.3.2熒光傳感器對硝?；淖R別性能及其機理研究Fig.5(a)19FNMRspectraofCu-POSSwithorwithoutAngeli’ssaltin100mMacetatebuffer(pH7.0)at25C.(b)Thepeakwidthatthehalf-heightof19FNMRsignalsfromthesamplescontainingthePOSSderivatives.除了采用紫外、熒光等光譜來描述探針的傳感行為，作者還采用了核磁共振氟譜來傳感。從Fig.5中可以看出，二價銅離子配合物的氟譜為單一的信號，吸收峰較寬。在滴加安吉利鹽〔產(chǎn)生硝?；澈螅浜衔锏姆V有明顯的改變，吸收峰位置沒有改變，但峰變窄變高。而當(dāng)?shù)渭訌?fù)原性谷胱甘肽時，吸收峰變化不明顯，通過氟譜的變化，實現(xiàn)了硝酰基的傳感。作者認(rèn)為，滴加前后配合物氟譜的變化是由于磁性的改變，那么這種改變顯然來源于銅離子的氧化復(fù)原?；谙貂；膹?fù)原性，能夠?qū)⒍r銅離子復(fù)原為一價銅離子，這個過程中配合物的磁性由順磁性變?yōu)榭勾判?，因為氟譜變化明顯。而由于配合物穩(wěn)定性較強，復(fù)原性較弱的谷胱甘肽對二價銅離子響應(yīng)要弱得多，因而根本不會造成干擾。與未鍵合的探針進(jìn)行比照，即單純將銅離子配合物與帶氟的化合物作用，結(jié)果發(fā)現(xiàn)其效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)比不上將氟與銅離子配合物鍵合在一起的效果好。因而更加突出了作者設(shè)計該探針的價值。小結(jié)與啟示：核磁共振氟譜相對于氫譜和碳譜來說比擬簡單，因為一般的有機化合物中含氟原子較少，通常氟譜顯示為極少數(shù)峰，因為其變化容易觀察。該論文基于化合物磁性的改變，從而通過核磁共振光譜的變化來描述與傳感這種變化，這種思路開拓了核磁共振光譜研究的視野。從一種物質(zhì)結(jié)構(gòu)的表征手段擴展為識別傳感手段。三、總結(jié)從以上三篇文獻(xiàn)可以看出，核磁共振光譜靈敏度很高，影響分子中原子化學(xué)環(huán)境的許多作用力都能在光譜圖上描述出來，對于熒光傳感器機理的研究無疑是最有力也是最有效的方法。比照不同元素的核磁共振光譜，各有優(yōu)點也有缺乏。氫譜是研究最廣泛也是最常用的光譜，其信號較強