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光化学传感器是通过光学信号表达用以检测化学信号转化的装置,是多学科交叉渗透的结合产物。光化学传感器的蓬勃发展始于20世纪80年代,作为分析化学年轻的分支领域之一,光化学传感技术已经成为化学传感最重要的前沿领域之一,获得了广泛的关注,在生命分析、医疗诊断、生产过程和化学反应的自动控制、新型环境污染自动监测网络系统、临床化学中的免疫分析、无机分析等领域得到了广泛的应用。
荧光化学传感器是光化学传感器的一个重要分支,基于荧光信号变化的光导纤维传感器在生物与化学信息获取中显示了广阔的应用前景。荧光传感本身具有很多优点:灵敏度高;操作简单;能够提供多方位信息,比如荧光光谱变化、荧光强度变化及荧光寿命变化等等。而且,荧光传感具有远程、活体、原位、实时检测的潜能。
由于荧光化学传感器自身的特点,同时伴随着新材料的合成(探针分子)、信号转换新方法(转换模式)的出现、微制造技术的进步,荧光化学传感器的发展十分迅速,其检测对象与种类也越来越丰富,针对不同的分析对象都产生了相应的光化学传感器,越来越多的文献报道了荧光传感装置对生命体系或环境体系中具有重要影响力的阳离子、阴离子以及中性分子的识别、检测。
然而,目前真正意义上的高灵敏度、高选择性荧光传感器件并不多见。其主要制约因素在于高选择性分子识别体系的缺乏。因此,寻求、设计以及构建具有良好性能的分子识别体系成为人们研究的一个热点领域。另外,在传感器性能方面有两个关键问题亟待解决。一是如何提高传感器的准确性,降低假阳性结果发生的频率;二是如何增加检测的灵敏度,以满足痕量或超痕量分析的要求。
本论文的研究工作针对上述问题展开,通过设计合成性能优异的荧光探针分子,构建针对不同分析对象的分子识别体系,实现了对生理条件及环境体系中具有重要作用的阴离子(Cl<->、SCN<->)、阳离子(Cu<2+>、Pb<2+>、Zn<2+>)及中性分子(组氨酸)的荧光识别传感;并采用荧光比测量技术,实现了各种化学变量及物理变量的高灵敏检测。主要工作分为如下三个方面:
1.基于卟啉化学的分子识别体系的设计与构建以四苯基卟啉为基础,设计并构建了三种卟啉类荧光传感体系;利用环糊精和卟啉类的包络作用,构建了具有光学活性的包络物超分子识别体系: (1)利用质子化卟啉对阴离子的特异性结合作用,系统研究了两相体系中,质子化卟啉对阴离子的相互作用和选择性传感,实现了两相体系中氯离子的选择性响应,为卟啉类化合物开发成为新型阴离子传感器提供了基础;
(2)基于卟啉衍生物/ β-环糊精体系,设计了新型卟啉探针分子,利用铅离子的浓度和体系荧光强度的淬灭关系,实现了水相中铅离子的高灵敏度、高选择性检测;
(3)基于卟啉/钴卟啉体系,利用荧光增强效应,实现了硫氰酸根的检测,为卟啉和阴离子的相互作用研究提供了实验依据;
2.基于功能型芘化合物的分子识别体系的构建利用功能型芘传感探针,通过选择合适的环糊精,构建具有光学活性的功能型芘传感体系,结合荧光比测量技术,实现了各种化学量和物理量,包括温度的检测。具体研究工作的开展如下:
(1) 基于单体.二聚体平衡原理,设计、合成了一种新型“锌卟啉-芘”探针,利用组氨酸对芘聚合体荧光强度具有增强作用,实现了水相中组氨酸的高灵敏度、高选择性检测;
(2)基于功能型芘化合物,利用荧光比测量技术,设计了新型功能型芘探针分子,在“芘-γ-环糊精”体系中,利用不同波段的双荧光变化,实现了水相中铜离子的高灵敏度荧光比检测;
(3)设计了新型功能型芘双荧光温度探针分子,利用温度变化造成的不同波段的双荧光强度变化,实现了对一定范围内的温度变化检测,提高了检测结果的准确性;
3.基于螺吡喃的锌离子荧光传感器的构建利用一种新的螺吡喃探针构建成固相PVC敏感膜,实现了螺吡喃在固相中对水相中锌离子的高选择性荧光检测。