学文网摘 要：荧光化学传感器具有方便快捷、较高的灵敏度，以及可以利用光纤技术实现远距离实时检测等优点，因此荧光化学传感器近年来引起研究人员的关注。在设计荧光化学传感器时 ，主要是基于机理不同分为光诱导电子转移型（PET）、光诱导电荷转移型（PCT）、分子内单体-激基缔合物（Monomer-excimer）、电子能量转移（EET）、荧光共振能量转移（FRET）等传感机理。
关键词：荧光化学传感器；设计原理
一、光诱导电子转移型原理（PET）
PET热力学基础由Weller等于20世纪60年代末提出，用于描述分子间电子转移体系。这一开创性工作为光诱导电子转移体系的深入研究奠定了基础。
在荧光传感器的研究中，光诱导电子转移最先得到研究并取得巨大的成功。***1描述了PET荧光传感器的光物理机理。客体不存在时，荧光团被光激发后其最高占据轨道（HOMO）的一个电子跃迁到最低空轨道（LUMO），若外来基团（如识别基团）的HOMO轨道或LUMO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的电子转移而导致荧光的淬灭，即发生光诱导电子转移过程。也就是说，PET过程提供了一个电子从激发态到基态的非辐射跃迁的途径，降低了荧光团的量子产率，表现为荧光强度的减弱，既荧光淬灭。
二、光诱导电荷转移型原理（PCT）
有的文献也将其称为分子内电荷转移原理（Internal charge transfer，ICT）。典型的PCT荧光传感器是由荧光团与识别基团直接相连构成的，这类探针的荧光团上分别连有推电子基和吸电子基，并且推电子基或吸电子基团本身又充当识别基团或识别基团的一部分。同时连接给电子基与吸电子基的荧光基团在光激发下，发生电荷从给电子向吸电子基转移，基于荧光团所处的微环境变化使荧光光谱发生Stokes位移。离子与连有给电子基（如氨基）的荧光团络合时，减弱了受体的给电子效应，导致结合能力下降，吸收光谱伴随着吸光率的降低发生蓝移；相反，离子与吸电子基结合增强了基团的吸电子能力，吸收峰红移，同时摩尔吸光率增大（如***2）。一般来说，荧光光谱随着吸收光谱变化的方向而变化。除了位移的改变，也会引起荧光产率、荧光寿命的改变。
扭转分子内电荷转移属于分子内电荷转移（ICT）的一部分，除了具有ICT的光物理性质外还具有其本身独特的荧光发射行为。所谓的分子内电荷转移，是指分子在激发态时发生分子内电子转移（ET），造成正负电荷的分离，形成分子内电荷转移态（既ICT态）。分子内的电子转移和电荷转移态是常见的光物理现象也是植物进行光合作用的必须过程。一般来说，发生电荷转移的分子应包含电子给体和电子受体，而且两者通过共轭π键连接，π键提供电子转移的通道。
三、分子内单体-激基缔合物原理（Monomer-excimer）
激基缔合物的形成过程受扩散控制，因此单体浓度与溶剂粘度是缔合物形成过程中的决定因素。当单体溶于烷烃溶剂且浓度低于10-5 mol/L时，通常观测到的为单体荧光。若受体分子中有两相同的荧光团，其相对距离与受体和客体的结合有关，如受体分子结合上客体后，分子构型发生变化，促进激基缔合物的形成或破坏了单体本身的激基缔合物结构，因此可通过单体与excimer间的荧光强度比值来进行客体的识别（如***3）。
四、电子能量转移原理（EET）
如果有外部基团的空轨道或半充满轨道能级处于荧光团的HOMO和LUMO之间，发生两个电子的同步交换。双电子交换过程使得荧光团重新回到基态，随之发生非辐射过程，导致荧光淬灭（***4）。能量转移和电子转移一样都和转移的给体与受体间的距离有着密切关系。在经典的Forster能量转移理论中能量是通过偶极-偶极相互作用发生交换的。
五、荧光共振能量转移原理（FRET）
荧光共振能量转移是激发态时能量供体与受体通过远程偶极-偶极耦合作用，发生的非辐射能量转移过程，又称长距离能量转移。一般说来，能量供体的荧光发射位于短波长处，且其发射光谱与能量受体的吸收光谱要能重叠。根据著名的Forster方程，共振能量转移的效率与以下几个因素有关，供体的发射光谱与受体的吸收光谱重叠程度、供体与受体之间的距离和供体与受体之间的跃迁偶极的相对取向。具体FRET工作过程是在光激发下，荧光基团中的供体产生荧光发射；传感器分子通过键合基团键合底物来调节供体和能量受体之间的距离以及排列方向。如果底物的加入使这些因素均在适当范围，能量供体可将能量通过非辐射转移给能量受体，表现为能量受体的荧光发射；如果底物的加入使这些因素与FRET因素不能匹配，则会抑制FRET过程，表现为能量供体的荧光发射。
六、刚性效应原理
提高分子的刚性可增加荧光，这是因为分子的刚性增加后，一方面会减分子的振动，从而使分子的激发能不易因振动而以热能形势释放；另一方面，可增加分子的共平面性，从而发生Frank-Condom跃迁，也有利于荧光的产生。因此，这类荧光传感器可以利用分子刚性的变化进而引起的荧光光谱的变化来判断外来物种是否已被识别。如当主体化合物与底物络合后，所形成的络合物较原来的主体化合物刚性增强，荧光发射强度就会增强。
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