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荧光染料发光及探针设计机理
1光诱导电子转移（Photoinduced electron transfer，PET）
光诱导电子转移是电子供体或电子受体在光激发后，激发态电子受体与电子供体发生电子转移而导致的荧光猝灭现象（如图1.1）。以光诱导电子转移（Photoinduced electron transfer，PET）为机理的传感器通常包括三个部分：荧光团，识别受体，链接基。荧光团通过电子转移发射或关闭荧光，来实现信号表达。受体可以结合或者释放识别客体。链接基将荧光团和受体链接到一起，同时又将二者隔离而形成荧光传感器。基于光诱导电子转移设计的传感器具有“开-关”荧光的功能，常用于识别客体诱导的“开-关”或“关-开”型的荧光传感器。具体识别过程如下：在光激发下，荧光团基态电子跃迁到激发态轨道，同时，识别受体的电子跃迁至荧光团基态轨道。由于基态轨道被占，荧光团的激发态电子无法回到基态轨道，导致荧光淬灭。当识别受体与识别客体结合后，识别受体的供电子能力降低，荧光团的激发态电子跃迁回到基态轨道，荧光传感器表现为荧光增强信号
年来，基于PET机制设计的荧光传感器被广泛的引用于重金属离子、阴离子以及有机小分子的识别。Ramamurthy课题组以吖啶为荧光团，通过苯环连接识别受体DPA构筑了一个PET机制的荧光传感器。DPA在为结合锌离子时，发生PET导致传感器荧光淬灭。当结合锌离子后，PET被阻断，传感器发射出荧光，信号表达
2分子内电荷转移（Intramolecular charge transfer，ICT）
在非苯芳烃中，由于d电子体系具有较大的分子偶极距，可以导致分子内电荷转移（Intramolecular charge transfer，ICT）。基于ICT设计的荧光传感的荧光团是一个具有强电子推拉的共轭体系，共轭体系的电子供体或者电子受体可以结合是被识别客体，在光激发后可以产生从电子供体到电子受体的分子内电子转移（ICT）。当传感器的受体结合被识别客体后，传感器中的电子受体(供体)的拉电子（推电子）能力发生变化，共轭体系中的电子分布发生变化，前后形成不同的基态，进而发生吸收光谱、激发光谱以及荧光发射光谱波长向长波或短波方向移动（如图1.6）。
Hua等人设计合成了以吩嗪为荧光团的荧光传感器化合物1.当氰离子加入化合物1中，与化合物自身的烯烃键发生加成，导致烯烃一侧的供电子能力发生改变，从而影响化合物1的分子内电荷转移。化合物的荧光发射从720nm处蓝移到630nm。荧光传感器在识别氰离子的过程中通过对ICT的调控荧光信号发生了比率型的变化。
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3荧光共振能量转移（Fluoresence resonance energytransfer,FRET）
荧光共振能量转移（Fluoresence resonance energytransfer,FRET）是在两个荧光团中，如果一个荧光团（Donor）的发射光谱与另一个荧光团(Acceptor)的吸收光谱重合，当它们的距离在一定范围内（70-100Ao）就可以观察到荧光能量转移的过程。FRET过程容易受到很多因素影响，如光谱重叠程度、供体（Donor）和受体（Acceptor）之间的距离等。因此，设计一个良好的FRET荧光传感器必须供体与受体的吸收光谱和发射光谱清晰可分辨且供体的发射光谱与受体吸收光谱重叠度较大，它们间的连接基团应具有刚性且距离合适，同时荧光供体与荧光受体的量子产量应接近并能使能量完美的传递。
近年来FRET荧光传感器被广泛应用在生物体内微量小分子的检测中。化合物2和化合物3分别是检测NO和HOCl的荧光传感器，能量供体和能量受体分别是香豆素和罗丹明类荧光染料。在不加入识别客体时，不发生荧光共振能量转移，发射出香豆素的荧光。在加入识别客体后，罗丹明的结构发生改变，其吸收光谱发生改变，荧光共振能量转移过程被激活，整个荧光团发射出罗丹明的荧光。
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4激基缔/复合物（excimer/exciplex ）
基于激基缔/复合物设计的荧光传感器通常有两个多环芳烃荧光团组成，同时二者处于分子中合适的位置。当其中一个荧光团被激发后会和另一个荧光团形成激基缔/复合物。激基缔/复合物的发射峰取代了原有的发射峰，形成一个新的、强而宽、长波长无震动精细结构的荧光发射峰。激基缔/复合物的形成关键是两个荧光团间的距离，只有激发态基团与基态基团的距离约为3.5A时才可以形成激基缔合物/激基复合物。通过加入识别客体来促进或者破坏激基缔/复合物的形成来控制荧光传感器的荧光信号的变化，从而获取客体的识别信息。萘、芘、蒽等荧光团由于具有较长的激发单线态寿命，易形成激基缔/复合物，常被用于此类荧光传感器的设计。
Han等人设计合成了以芘为荧光基团的化合物4.化合物4在结合锌离子时发出较弱的蓝色荧光。在传感体系中加入PPi后，PPi结合两个锌离子配合物拉近了荧光团间的距离，形成激基缔合物，从而体系内发出的荧光发射改变，由原来较弱的蓝色荧光变为较强的绿色荧光。
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5聚集诱导发光（Aggregation-induced emission，AIE）
通常情况下，荧光团在溶剂体系中发生聚集而导致荧光淬灭已经是众所周知的现象。与之相反，一些在溶剂中不发光的分子在聚集状态下可以发出较强的荧光，这一现象被称为聚集诱导发光（Aggregation-inducedemission，AIE）。鉴于这种不寻常的荧光行为，AIE现象已经被成功用于设计灵敏度和选择性荧光传感器。客体分子可以通过静电相互作用、配位相互作用、疏水性相互作用、空间位阻、特定的巯基反应或极性和粘度的影响来调节AIE分子的聚合，从而实现对客体分子识别信息的表达。
唐本忠等人以TPE为底物设计AIE荧光传感器（化合物5）.化合物5包含两个鸟嘌呤，可以很好的结合银离子。化合物在银离子和鸟嘌呤的协调作用诱导下发生聚集，发出较强的荧光，而其他离子不能引起TPE的聚集。
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6 C=N异构化（C=N isomerization）
C=N异构化可以导致分子荧光发生改变，这一现象最初被人们研究分子理化性质时发现。如图1.6所示，没有被固定C=N的化合物分子荧光较弱，而被固定C=N的化合物有很强的荧光，这是由于C=N的异构化而导致了它们之间荧光性能的差别。基于这一假设，人们成功设计合成了通过客体分子控制C=N异构化的荧光传感器。
图1.6
基于这一现象，Lee等人设计了以香豆素类荧光团的化合物6.化合物6在未结合金属离子时，由于C=N异构化没有荧光发出。当加入锌离子后，分子内的异构化被阻断，发出强的荧光。化合物6在加入镉，铜，铅和汞等金属离子后也能产生荧光的变化，这一现象从侧面证明了分子内异构化对荧光的影响，但是也说明其特异选择性不是很好。
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7激发态分子内质子转移（Excited-stateintramolecular proton transfer，ESIPT）
激发态分子内质子转移（Excited-state intramolecular protontransfer，ESIPT）是指当分子受光激发后，发生在激发态分子内部临近的质子受体与质子受体间的质子转移。ESIPT通常是羟基（氨基）的质子转移到相邻距离小于0.20Ao的羰基氧（亚胺氮）上，通过氢键作用形成一个五元环或六元环。一般具有ESIPT性质的分子的吸收光谱上与普通的分子没有很大的区别，但是在荧光光谱中，它具有较大的斯托克位移。这一性质在分子识别过程中可以完美的避开吸收光谱与荧光光谱的重叠，降低对信号表达的影响，因此， ESIPT型分子可以作为很好的荧光团用于设计荧光传感器。
许多ESIPT型分子，如2 -(2 ’- 羟基苯基) -苯并恶唑(HBO)，2 -(2’-羟基苯基)苯并噻唑(HBT)，1 - 氨基蒽醌(1-AAQ)和3 - 羟基黄酮(3HF)作为荧光团识别分子的过程已被广泛的报道。Yang等人设计合成了以2 –(2’ - 羟基苯基)苯并噻唑(HBT)为荧光团的氟离子荧光传感器(化合物7) .化合物7的水溶液中发蓝色荧光，加入氟离子后，氟离子促进硅醚键断裂，苯并噻唑骨架的氧负离子结合一个质子成为羟基，化合物7的苯并噻唑骨架自身的ESIPT被激活，体系内发出黄色荧光。
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