荧光化学传感器的识别机理是怎么样的？

荧光化学传感器通过识别基团与待检测分析物质相互作用，从而改变荧光基团的光物理性质，实现对底物的识别和检测。该传感器的识别机理包括多种方式，如光致电子转移（ＰＥＴ）、荧光共振能量转移（ＦＲＥＴ）、分子内电荷转移（ＩＣＴ）、激发态分子内质子转移（ＥＳＩＰＴ）、激基缔合物（Ｅｘｃｉｍｅｒ）以及螯合增强荧光（ＣＨＥＦ）。下面将逐一介绍这几种识别机理。

光致电子转移（ＰＥＴ）

荧光化学传感器中，ＰＥＴ机理是其中一种最为普遍的检测机理。这种传感器通常会连接富电子基团，以便在荧光猝灭的过程中发挥作用。ＰＥＴ过程是指当电子受到光激发后，在电子受体和电子给体之间发生转移进而导致荧光猝灭。为了将识别基团与荧光基团连接在一起，传感器通过连接臂来完成。其中荧光基团通常是电子受体，而识别基团则是电子供体。

传感器的识别位点不仅是被检测物质的识别区域，也是ＰＥＴ作用的调控区域。ＰＥＴ机理在Ｔｕｍ－ｏｎ型荧光化学传感器中应用广泛，它可以分为两种类型：ａ－ＰＥＴ（即受体激发的ＰＥＴ）和ｄ－ＰＥＴ（即供体激发的ＰＥＴ）。当荧光化学传感器受到光激发时，荧光基团的电子从ＨＯＭＯ（最高已占分子轨道）被激发到ＬＵＭＯ（最低未占分子轨道），随后这个电子会发生驰豫，从ＬＵＭＯ回到ＨＯＭＯ，从而导致荧光的发出。

ａ－ＰＥＴ型机理：当荧光基团受到光的激发时，它的HOMO电子会被激发到LUMO能级上。此时，由于电子激发，荧光基团的激发态变得具有电子供应能力。如果存在具有电子供应能力的识别基团，它们就会将它们自己的电子从其HOMO能级转移到荧光基团空出的HOMO上，从而阻止荧光基团的激发态中的电子直接跃迁回HOMO能级，因此荧光无法发射，导致荧光基团的猝灭。

当识别基团与被检测物质相互作用后，识别基团的氧化还原电势会增加，荧光基团的HOMO能级比识别基团的HOMO能级更高。这使得识别基团的电子无法跃迁到荧光基团的HOMO上，从而使荧光基团恢复并发射出强烈的荧光。这个过程是非常重要的，因为它可以帮助我们检测和识别被检测物质。

ｄ－ＰＥＴ型机理：这种类型的传感器中，有一种被称为“识别基团”的缺电子基团。该基团的ＬＵＭＯ能级位于荧光基团的ＵＪＭＯ和ＨＯＭＯ能级之间。当激发荧光化学传感器中的荧光基团时，其中一个电子从ＨＯＭＯ跃迁到ＬＵＭＯ，然后立即转移到识别基团的ＬＵＭＯ上，导致荧光猝灭，从而完成了ＰＥＴ过程。但是，当识别基团与被检测物质相互作用时，识别基团的ＬＵＭＯ能级比荧光基团的ＬＵＭＯ能级更高，因此阻止了ＰＥＴ过程，从而使荧光恢复并发出强烈的荧光信号。

基于其良好的ＰＥＴ特性，该传感器对ＣＮ-的检测选择性好且灵敏度高。Ｓ１在４－羟乙基哌嗪乙磺酸（ＨＥＰＥＳ）的乙醇和水（ＥｔＯＨ／Ｈ２０，７／３，ｖ／ｖ）溶液中对ＣＮ-响应，对其它常见阴离子如Ｆ-、ＡｃＯ-、Ｈ２Ｐ〇４-和ＳＣＮ-有很强的抗干扰能力。该类传感器己成功应用在食品样品ＣＮ-的检测中，为农业样品中ＣＮ-的现场监测提供了一个简单且选择性好的传感平台。

传感过程的示意图如图2所示。当S2与Ca2+形成1：1络合物时，荧光强度显著增强。然而，当其与Fe3+形成1：1络合物时，荧光强度会被猝灭。此传感器的荧光增强和荧光猝灭过程受PET过程控制，从而实现激发态过程的有效调控。

荧光共振能量转移（ＦＲＥＴ）

这种类型的荧光化学传感器包含两个荧光基团，一个被称为能量供体D，另一个被称为能量受体A。这两个荧光基团的光谱有重叠部分。非辐射能量转移（FRET）是一种通过分子间电偶极相互作用实现的能量传输方式。在FRET传递中，能量从供体激发态转移到受体激发态，使得供体的荧光强度降低，同时导致受体分子发出更强的荧光或者荧光猝灭。此类荧光化学传感器通常包括识别基团、连接基团、能量受体和能量供体。其中，能量受体可以是荧光猝灭基团或荧光发射基团。此外，这种荧光化学传感器还需要满足其他条件：

1、能量受体荧光基团的吸收光谱和能量供体荧光基团的荧光发射光谱之间，必须存在一定程度的重叠，才能实现能量转移。

2、为了实现合适的跃迁方式，能量受体荧光基团和能量供体荧光基团必须被适当地排列。

3、要促成能量转移，能量受体荧光基团和能量供体荧光基团之间必须保持适当的空间距离。

根据图3所示，当S3与H2O2反应时，S3会发生“推-拉”电子结构的变化，转化为S3-N。由于S3-N的吸收带和S3的发射带之间存在强重叠，有效地实现了荧光共振能量转移（FRET），从而进一步提高了对H2O2蒸汽的检测效率。这一发现为痕量气体检测领域带来了新的希望。

其中BODIPY荧光基团作为FRET供体，卟啉荧光基团作为受体。如图4所示，该传感器通过FRET机理和金属螯合荧光猝灭机制相结合的方式进行操作。这两种机制的协同耦合可能会导致发射率发生异常大的变化，从而可以在通过比率测量检测金属离子时具有更高的灵敏度。

分子内电荷转移（ＩＣＴ）

这类荧光化学传感器由电子受体和电子给体两部分组成，它们通过π键连接在一起，形成了一个推-拉电子体系。当激发传感器分子的光线照射时，电子给体将电子传递到电子受体上。一旦识别基团与被检测物质相互作用，就会改变原有的电荷转移强度，从而影响体系内电子之间的推拉作用，导致分子偶极矩发生变化。因此荧光吸收波长和荧光发射波长也会随之改变。但这种变化是非常微小且特定的，只能通过高度敏感的荧光信号检测方法来捕捉和分析。

当Cu2+与该传感器在乙醇水溶液中形成1:1的金属-配体复合物时，溶液的颜色由绿色转变为蓝色。随着Cu2+浓度的增加，525nm处的发射强度显著下降，同时发射带向蓝色移动至475nm处，并在501nm处出现一个清晰的等发射点。

图５ （ａ）荧光化学传感器Ｓ５的结构；（ｂ）Ｓ５乙醇水溶液加入Ｃｕ２＋前后的颜色变化；（ｃ）Ｓ５乙醇水溶液加入不同浓度Ｃｕ２＋的荧光发射光谱

该传感器采用平面结构的NBD衍生物作为荧光报告基团，具有明显的ICT吸收特性，斯托克斯位移大，且具有良好的生物相容性等优点。此传感过程不受pH值的影响。

激发态分子内质子转移（ＥＳＩＰＴ）

当荧光化学传感器处于激发态时，分子内部会出现质子转移现象，这就是ＥＳＩＰＴ现象。一般来说，这类荧光传感器都包含有质子受体和质子给体，其中质子受体通常含有氮、氧、硫等元素，而质子给体则通常含有氨基或羟基。

基于ＥＳＩＰＴ传感机理。该传感器的传感过程如图８所示。当将１．０ｐｐｂＡｌ３＋加入一定浓度的Ｓ７乙腈／水（１／９，ｖ／ｖ）溶液中时，溶液的颜色从亮青色变为深蓝色。

该荧光化学传感器可用于检测实际石脑油样品（naphtha sample）中As3+。研究表明，在S8乙醇溶液中加入适量的As3+后，溶液颜色在15秒内迅速从黄色变为绿色。这种颜色变化可以轻易地被肉眼识别，表现出对As3+的选择性优于其他阳离子。

激基缔合物（Ｅｘｃｉｍｅｒ）

这类荧光化学传感器通常包含两个荧光基团，并由一个连接基团将它们连接在一起。两个相同的荧光基团可以形成激基缔合物，而当激发其中一个荧光基团时，通过π-π堆积作用，它将与另一个处于基态的荧光基团结合形成激基缔合物。此时，双荧光会被观察到，其中包括单体荧光基团发射的荧光和新产生的处于长波长处的荧光发射。当荧光传感器分子与目标分析检测物质相互作用时，两个荧光基团之间的距离发生变化，这促进了激基缔合物分子的形成或分解，并引起光信号的变化。因此对待测分析物质的识别通常通过观察激基缔合物的荧光强度和单体的荧光强度的比值或者通过观察激基缔合物发射峰的变化来实现。

该传感器可用于选择性检测肝素在HEPES缓冲液和血清样品中的含量。传感器中的芘和长链烷烃通过双四元官能团连接，并通过超分子组装与肝素相互作用。由于芘的特定单体-激基缔合物转化受到传感器与肝素超分子自组装的调控，因此可以观察到传感器荧光信号的比例变化。当加入肝素后，图（b）显示在489nm处可以观察到传感器的激基缔合物发射，而在395nm处的单体发射强度随之降低。该传感器能够有效区分肝素及其衍生物，在HEPES缓冲液和血清中线性响应较宽，而且背景干扰相对较低。

团队进行了对水中Hg2+的荧光行为研究，当与Hg2+结合时，含有磺酰胺基的S10在480nm处显示相当大的激基缔合物发射，同时在383nm处单体发射减少。传感器S10对Hg2+的检测选择性优良，具有高灵敏度，几乎不受其他金属离子的干扰。

螯合增强荧光（ＣＨＥＦ）

这种荧光化学传感器的多齿配位键可以与同一金属离子形成螯合环。荧光基团中的孤对电子可以与金属离子配位，当金属离子与这些孤对电子发生螯合作用时，荧光分子的荧光强度得到增强，这种现象被称为螯合增强荧光。

传感过程如图１２所示。相比其他金属离子，在乙腈溶液中，该荧光化学传感器对Ｐｂ２＋具有更高的选择性。此外我们可以利用该传感器来检测环境中的铅含量，从而保护环境和人类健康。

根据图13所示的传感过程，S12可被用作Zn2+的比率传感器以及CHEF型荧光化学传感器来检测Cd2+。当Cd2+取代S12-Zn2+复合物中与之结合的Zn2+时，可以观察到Cd2+产生的另一个比率信号输出。研究结果表明，S12不仅可以作为Zn2+的比率传感器，还可通过CHEF机理和比率位移作为双模Cd2+选择性传感器。

结语

荧光化学传感器是一种高灵敏度、高选择性的化学检测技术，被广泛用于生物医学、环境监测等领域。它们通过特殊的分子设计来与目标分子发生特异的相互作用，并产生荧光信号进行检测和分析。