现代分析方法与技术PPT化学课件(共141页)

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现代分析方法与技术Modernanalyticalmethodsandtechnology主要内容第一章绪论第二章纳米分析化学第三章现代萃取方法及技术第四章现代色谱在生物样品分离分析中的应用第五章微纳分析方法与技术第六章其他现代分析方法及技术简介主要参考书1.《分离科学与技术概论》，胡之德，范必威编著，四川科学技术出版社，1996年5月第一版。2.《现代分离方法与技术》，丁明玉，化学工业出版社，2011年1月。3.《现代生物样品分离分析方法》，张玉奎等编著，科学出版社，2003年3月。绪论分析化学的最活跃研究领域分析化学的发展目标3S+2A3S:2A:SelectivityAccuracySensitivityAutomatizationSpeedinees我国分析化学研究现状第二章纳米分析化学纳米科技纳米材料及其特性制备（合成）方法、表征技术纳米比色分析纳米传感器（探针）纳米材料在生命分析化学中的应用碳纳米材料在环境中的转化纳米科技纳米科学技术是在20世纪80年代末、90年代初逐步发展起来的前沿、交叉性新兴科学领域，是指在纳米尺度上研究物质（包括原子、分子的操纵）的特性和相互作用，以及利用这些特性的多学科交叉的科学和技术。通俗的讲，纳米科技是一门用单个原子和分子构建物质的科学，这项技术希望实现的最终目标是微型化。即直接利用原子、分子及物质在纳米尺寸上表现出来的新颖的物理、化学和生物学特性制造出具有特定功能的产品。“纳米”是nanometer的译名，是一种度量单位，是十亿分之一米，可写为1nm=10-9m。相当于一根头发丝的万分之一到几万分之一。或10个氢原子连在一起的尺度。纳米科技的基本涵义是在纳米尺度(通常是在0.1-100nm)范围内认识和改造自然。或者直接操作和安排原子,分子创造新物质。研究它们的组成、运动规律、相互作用和可能的应用中的技术问题的科学和技术。和传统的材料的加工技术包括显微加工技术的由大到小的制造技术（如刨、切、锯等）比较，纳米科技的核心是以单个原子、分子为原料由小到大或由底到上制造新材料和新物质的科学技术。纳米技术以空前的分辨率为人类揭示了一个可见的原子、分子世界，并以其构造具有特定功能的产品。应该明确纳米材料或产品或器件并不都是纳米尺度，它们可以大到飞机大炮，也可以小到原子,分子。纳米科技的内涵正在不断扩展，它的应用正在不断扩大。纳米技术是现代科学和技术相结合的产物，它涉及到几乎现有的一切基础性科学技术领域。一些科学家认为，纳米技术将会迅速改变物质产品的生产方式，导致重大的社会变革…纳米材料一般分为两个层次纳米超微粒子(0.1~100nm)包括零维（空间三维均在纳米尺寸如纳米颗粒，原子团簇）.一维(空间三维有两维处在纳米尺度）如纳米丝，纳米棒，纳米管。二维（指空间三维仅一维是纳米尺度）如超薄膜，多层膜。纳米固体---纳米超微粒子制成的固体材料。纳米材料及其特性纳米材料发展的历史，大致可以分为以下三个阶段：第一阶段（1990年以前）：主要是在实验室探索用各种手段制备各种材料的纳米颗粒粉体、合成块体（包括薄膜）、研究评估表征的方法以及探索纳米材料不同于常规材料的特殊性能。第二阶段（1994年以前）：利用纳米材料已经挖掘出来的奇异的物理、化学和力学性能，设计纳米复合材料。第三阶段（1994年至今）：纳米组装体系、人工组装合成的纳米材料越来越受到人们的关注。探索和寻求新的纳米材料体系及其合成方式将成为今后很长一段时间研究的重点和热点。1990年以前纳米晶或纳米相材料1994年到现在纳米组装材料1994年以前纳米复合材料纳米材料发展历史纳米材料的制备方法很多，可分为物理方法和化学方法物理方法真空冷凝法：用真空蒸发、加热、高频感应等方法使原料气化或形成超微粒，然后骤冷。其特点纯度高、结晶组织好、粒度可控，但技术设备要求高。物理粉碎法：通过机械粉碎、电火花爆炸等方法得到纳米粒子。其特点操作简单、成本低，但产品纯度低，颗粒分布不均匀。机械球磨法：采用球磨方法，控制适当的条件得到纯元素、合金或复合材料的纳米粒子。其特点操作简单、成本低，但产品纯度低，颗粒分布不均匀。喷雾法  化学方法气相沉积法：利用金属化合物蒸气化学反应合成纳米材料。其特点产品纯度高，粒度分布窄。沉淀法（单一沉淀法，共沉淀法，均相沉淀法）：把沉淀剂加入到盐溶液中反应后，将沉淀热处理得到纳米材料。其特点简单易行，但纯度低，颗粒半径大，适合制备氧化物。水热合成法：高温高压下在水溶液或蒸汽等流体进行沉淀，氧化，分解等反应，再经分离和热处理得纳米粒子。其特点纯度高，分散性好、粒度易控制。溶胶-凝胶法（胶体化学法）：金属化合物经溶液、溶胶、凝胶而固化，再经低温热处理而生成纳米粒子。其特点反应物种多，产物颗粒均一，过程易控制，适于氧化物和Ⅱ～Ⅵ族化合物的制备。微乳液法：两种互不相溶的溶剂在表面活性剂的作用下形成乳液，在微泡中经成核、聚结、团聚、热处理后得纳米粒子。其特点粒子的单分散和界面性好，Ⅱ～Ⅵ族半导体纳米粒子多用此法制备。物理特性热学性质：熔点，烧结温度低磁学性质：超顺磁性,矫顽力增加光学性质：宽带吸收，蓝移和红移，如纳米SiC蓝移20cm-1表面活性及敏感特性光催化效应：如纳米TiO2表面可修饰2012.9.18纳米微粒的物理与化学特性化学特性表面吸附增强：电解质吸附和非电解质吸附分散：反絮凝剂的利用团聚：表面活性剂的利用表面成分可控可修饰•石墨烯电子迁移率（15000cm2/Vs）比表面积（2600m2/g，碳纳米管的10倍)机械强度（最硬的物质，比钻石还坚硬）导热性（3000W/mK）室温下半整数量子霍尔效应零带隙碳材料之母石墨烯的制备方法及应用制备方法化学合成法机械剥离法氧化石墨化学还原法碳纳米管轴向切割法电化学还原法化学气相相沉积法外延生长法应用传感器场效应晶体管药物载体超级电容器能量储存石墨烯石墨烯的功能化功能化方法共价键合功能化利用与石墨烯含有羧基、羟基等活性基团反应，来修饰石墨烯。如聚乙烯醇（PVP）功能化石墨烯（酯化反应）非共价键合功能化对石墨烯表面进行物理吸附和聚合物包裹，来修饰石墨烯。如芘丁酸通过π-π吸附功能化石墨烯，聚二烯丙基二甲基氯化铵（PDDA）通过静电吸附功能化石墨烯掺杂功能化将石墨烯与功能化试剂直接掺杂。如N掺杂功能化石墨烯纳米材料常用表征方法化学成分表征方法物理指标表征方法纳米材料物理指标包括：颗粒大小粒度分布颗粒形貌晶体结构纳米粒子表面分析作TEM、SEM、STM、AFM、SPMppt.2012.9.25纳米材料的应用纳米技术在军事领域应用纳米微型军隐形巡航导弹隐形军舰隐形飞机微形军事器件纳米卫星基因武器微型战场机器纳米电机仿生武器隐形潜艇纳米技术在材料、物理及电子学方面的应用纳米颗粒表面修饰和包覆的研究纳米组装体系材料高性能纳米结构材料的合成纳米添加使传统材料改性的复合材料纳米涂层材料纳米材料特性的物理学理论和表征纳米材料制备的物理学手段纳米电子学纳米技术在材料、物理及电子学方面的应用纳米颗粒表面修饰和包覆的研究纳米组装体系材料高性能纳米结构材料的合成纳米添加使传统材料改性的复合材料纳米涂层材料纳米材料特性的物理学理论和表征纳米材料制备的物理学手段纳米电子学纳米技术在材料、物理及电子学方面的应用纳米颗粒表面修饰和包覆的研究纳米组装体系材料高性能纳米结构材料的合成纳米添加使传统材料改性的复合材料纳米涂层材料纳米材料特性的物理学理论和表征纳米材料制备的物理学手段纳米电子学纳米技术在材料、物理及材料学中的应用纳米技术在分析化学中的应用应用十分广泛，其特征是形成了纳米分析化学纳米比色分析纳米荧光分析纳米探针量子点纳米电化学……纳米比色分析近几年，纳米材料在吸光光度法中的应用引起了广泛的关注。纳米材料的出现和发展不仅为吸光光度法提供了新的探针材料，而且为其在分析化学特别是生命分析化学中的应用提供了新的契机。目前已用于吸光光度法的纳米材料包括金、银、氧化铁、碳纳米管、纳米氧化铈以及石墨烯等，其中应用较多的是金、银以及氧化铁等纳米材料。纳米金具有特殊的光学性质，其胶体溶液颜色与粒径及颗粒间距有关。粒径为10~50nm的纳米金胶体溶液显红色，金纳米颗粒团聚后的聚集体呈紫色或蓝色，基于纳米金的这一性质，通过控制它们的粒径或颗粒间距并结合各种表面改性方法可以设计出多种金纳米探针。表面等离子体键合团聚体分散纳米金胶体溶液520nm红色纳米金团聚体600nm蓝色或紫色纳米金比色检测Hg2+的机理自组装交联团聚反团聚Label-free非交联团聚改性的AuNPs非交联团聚检测机理基于纳米金的吸光光度法已用于K+、Ag+、Ca2+、Pb2+、Cu2+、Hg2+、、亲水性阴离子、含氧负离子、重金属离子、过氧化氢、三聚氰胺、溴化乙锭、多环芳烃、苯二胺异构体、巯基化合物、多巴胺、可卡因、葡萄糖、氨基酸、半胱氨酸、多核苷酸、谷胱甘肽、DNA键合分子、色霉素A、黄曲霉毒素B1、腺苷、癌细胞、沙门氏菌、血小板衍生生长因子、抗体、链亲和素、溶菌酶、磷酸酶、酪氨酸激酶、蛋白酶、凝血酶、限制性内切酶、β-内酰胺酶等的测定。2NO纳米银具有光学性质稳定、制备简单、生物相容、能与生物分子结合以及抗菌和抗血小板的性质，在生物医学中有很大的应用前景。尽管纳米银的光学性质与纳米金类似，但是纳米银在光度分析中报道比纳米金要少得多。与纳米金相比，相同粒径的纳米银具有更高的摩尔吸光系数，将其用于吸光光度法可提高方法的灵敏度。与纳米金类似，纳米银在光度分析中的应用也是基于它们的分散和聚集能够使胶体溶液呈现不同的颜色特性，分散的纳米银胶体溶液呈黄色，聚集的纳米银呈淡红色或褐色。纳米银比色检测Hg2+的机理氧化还原反应非交联团聚FarhadiK,ForoughM,MolaeiR,HajizadehS,RafipourA.andSensorsandActuatorsB:Chemical,2012,161(1):880-885.WangY,YangF,YangXR.ACSAppliedMaterialsandInterfaces,2010,2(2):339-342.基于纳米银的吸光光度法已用于Hg(II)、Cr、Co、水胺硫磷、三聚氰胺、菊酯类农药、DNA序列、组氨酸以及组氨酸标记的蛋白、芳香族化合物、色氨酸、半胱氨酸、磷酸酶和蛋白激酶、细胞色素C构型变化和蛋白质等。氧化铁纳米颗粒具有类似过氧化物酶的催化活性，能够催化H2O2氧化3,3’,5,5’-四甲基联苯胺、重氮胺基苯和邻苯二胺的反应，产物分别为蓝色、棕色和橙色。利用这些过氧化物酶底物的显色反应对目标物质进行检测是氧化铁纳米颗粒在光度分析研究中应用的主要原理。基于纳米氧化铁的吸光光度法已用于H2O2、葡萄糖、三聚氰胺、凝血酶等的测定。2012.9.25典型应用实例实例一检测乳品中微量三聚氰胺光度新方法食品分析的意义保障人民生命安全及健康促进我国的国际贸易食品分析的主要内容食品中营养物质的分析食品中添加剂及残留物的检测食品分析中所遇到的困难样品基质背景复杂前处理过程繁琐费时被测成分浓度较低或极低仪器检测灵敏度不够非法添加物种类层出不穷建立高效分离新技术建立高灵敏度新方法对策基于新型分离技术、新型传感器研究建立测定食品中微量、痕量非法添加物的新方法，满足人们对食品安全及食品质量的要求不仅是分析化学工作者的社会责任，也为分析化学发展的提供了良好的机遇！被分析物三聚氰胺(melamine,MEL)NNH2NNH2NH2NFe3O4磁性纳米颗粒的合成5mL1MFeCl3溶液（2MHCl）1mL2MFeCl2溶液（2MHCl）混合两种溶液，并通入N210分钟,除去溶液中的O250mL0.7M氨水溶液在N2保护下，室温搅拌30分钟ⅠⅡⅢ5mL1MFeCl3溶液（2MHCl）1mL2MFeCl2溶液（2MHCl）混合两种溶液，并通入N210分钟,除去溶液中的O250mL0.7M氨水溶液在N2保护下，室温搅拌30分钟ⅠⅡⅢ产物表征共沉淀法制得的Fe3O4磁性纳米颗粒的XRD图共沉淀法制得的Fe3O4磁性纳米颗粒的投射电镜图产物类过氧化酶性质的考察有Fe3O4无Fe3O4有Fe3O4无Fe3O4所制备的Fe3O4磁性纳米颗粒对ABTS与H2O2氧化还原反应的催化作用样品前处理方法2.0mL牛奶1.0mL乙腈，1mL10%三氯乙酸溶液7.0mL蒸馏水1g奶粉1.0mL乙腈，1mL10%三氯乙酸溶液9.0mL蒸馏水超声振荡15分钟离心10分钟ⅠⅡ2.0mL牛奶1.0mL乙腈，1mL10%三氯乙酸溶液7.0mL蒸馏水1g奶粉1.0mL乙腈，1mL10%三氯乙酸溶液9.0mL蒸馏水超声振荡15分钟离心10分钟ⅠⅡ测定步骤185μL缓冲溶液24.0μL样品溶液24.0μL0.01MH2O2溶液24.0μL0.06MABTS溶液10.0μLFe3O4MNPs储备液混匀，备用45℃水浴中反应10分钟，冰水浴中10分钟（终止反应）将Fe3O4MNPs沉积于离心管底部，上清液测定三聚氰胺在10mL比色管中加入0.2mL上清液，稀至一定体积，在417nm处测定吸光度根据标准曲线计算三聚氰胺的含量185μL缓冲溶液24.0μL样品溶液24.0μL0.01MH2O2溶液24.0μL0.06MABTS溶液10.0μLFe3O4MNPs储备液混匀，备用45℃水浴中反应10分钟，冰水浴中10分钟（终止反应）将Fe3O4MNPs沉积于离心管底部，上清液测定三聚氰胺在10mL比色管中加入0.2mL上清液，稀至一定体积，在417nm处测定吸光度根据标准曲线计算三聚氰胺的含量测定三聚氰胺的原理(2)H2O2(剩余)＋ABTS2H2O＋oxidizedABTSFe3O4(1)三聚氰胺-过氧化氢产物的热重分析图条件优化ABTS浓度60mMABTS浓度对吸光度的影响（三聚氰胺浓度：1.0ppm）00.511.5223456789pH值Absorbance(417nm)pH值4.000.511.5223456789pH值Absorbance(417nm)pH值4.0酸度对吸光度的影响（三聚氰胺浓度：1.0ppm)0.050.10.150.20.250.30.3515253545556575温度(°C)Absorbance(417nm)反应温度45℃0.050.10.150.20.250.30.3515253545556575温度(°C)Absorbance(417nm)反应温度45℃温度对吸光度的影响(三聚氰胺浓度：1.0ppm)标准色阶最佳条件下含有不同浓度三聚氰胺的溶液最终颜色(从左至右，三聚氰胺溶液浓度分别为：B:0ppm;S1:0.1ppm;S2:0.25ppm;S3:0.5ppm;S4:1.0ppm;S5:2.5ppm;S6:5.0ppm)检测限：0.25ppm美国安全标准：2.5ppm我国安全标准：1.0ppm检测限：0.25ppm美国安全标准：2.5ppm我国安全标准：1.0ppm以牛奶和奶粉为基体得到的线性范围及回归方程牛奶样品中三聚氰胺含量检测结果奶粉样品中三聚氰胺含量检测结果牛奶样品中三聚氰胺含量的检测结果0ppm1ppm2.5ppm0ppm1ppm2.5ppm0ppm1ppm2.5ppm图14奶粉样品中三聚氰胺含量的检测结果利用Fe3O4磁性纳米颗粒催化过氧化氢和ABTS的氧化还原反应建立的测定乳制品中微量三聚氰胺的新具有准确、可靠、灵敏、便捷的优点，且最终结果可用眼睛识别（可视化）。这对于实时、灵敏的食品安全检测有着重要意义。实例二检测尿液中葡萄糖的可视化纳米比色新方法2012.10.9研究背景比色纳米生物传感器因具有制备简单、灵敏度高、选择性好等优点，近年来引起了科学工作者的高度关注并得到了深入研究。基于具有类过氧化物酶性质的纳米材料建立检测生物样品中微量、痕量分析物的新方法是比色纳米生物传感器的研究热点之一。具有酶活性的纳米材料：(l)具有和生物酶相似的催化活性；(2)可以在较宽的温度和pH范围进行催化反应；(3)大批量、低成本的合成。实验结果与讨论-ZnFe2O4MNPs表征XRDTEMVSMZnFe2O4MNPs催化底物的显色反应TMBABTSOPD催化前催化后ImagesofoxidationcolorreactionofTMB,OPD,andABTSbyH2O2(fromlefttoright)before(above)andafter(below)bythecatalysisofZnFe2O4MNPs.ZnFe2O4MNPs的催化活性Time-dependentabsorbanceevolutionofTMBoxidationsystemat652nminthepresenceofZnFe2O4MNPs(a)andleachingsolution(b).Time-dependentabsorbancechangesat652nmofTMBindierentreactionsystems:(a)ffZnFe2O4MNPs+TMB,(b)TMB+H2O2,and(c)TMB+ZnFe2O4MNPs+H2O2inapH4.0HAc-NaAcbuer(0.2M)at40.Insetff℃showsthecolorchangeofdierentsamples.ff影响ZnFe2O4MNPs催化性能因素ZnFe2O4MNPsperoxidase:likeactivityisdependentona)pH,b)temperatureandc)H2O2concentrationpH4,Temperature40,H℃2O20.5MZnFe2O4MNPs的稳定性RelativecatalyticactivityofZnFe2O4MNPsafterincubationatarangeofpHvalues(2-11)(a),andarangeoftemperatures(0-90)℃for2h(b).Theerrorbarsrepresentthestandarddeviationofthreemeasurements.ZnFe2O4MNPs催化反应动力学ZnFe2O4MNPs催化机理研究PossibleMechanismfortheZnFe2O4MNPs-H2O2-TMBSystemTheeectoftheZnFeff2O4MNPsontheformationofhydroxylradicalwithterephthalicacidasafluorescenceprobe.(a)1/3mgmL−1ZnFe2O4MNPs,withoutH2O2;(b−e)0,1/3,2/3,and1mgmL−1ZnFe2O4MNPs,50mMH2O2.Reactionconditions:0.625mMterephthalicacidanddierentsolutionswereincubatedin0.2ffmMHAc-NaAcbuer(pH4.0)at40ff℃for8h.葡萄糖的线性范围及检测限1.25×10−6to1.875×10−5molL−1,DL:3.0×10−7molL−1干扰及实际样品Determinationoftheselectivityofglucosedetection(fromlefttoright:0.4mMglucose,2.0mMmaltose,2.0mMfructose,and2.0mMlactose).Inset:Thecolorchangewiththedierentsolutions.ffTheerrorbarsrepresentthestandarddeviationofthreemeasurements.10.6mM(114.7mgdL−1)Positive:50−100mgdL−1创新性与其他的具有类过氧化氢酶性质的纳米材料相比，ZnFe2O4MNPs具有以下优点：较高的催化性能、稳定性好、单分散性、能快速分离。纳米荧光分析实例荧光增强银纳米颗粒杂化探针和超灵敏检测IgEScheme1.SchematicIllustrationofProcedureofImmunoassayandDetectionStrategybySandwich-TypewithHybridProbesFigure2.TEMofTag-A(A),TEMofTag-B(B),TEMofhybridprobesformedbyTag-AandTag-Breactingfor1hinsolutionandthenthesolutionwasaddedonthecarbonfilm(C,D).SEMofhybridprobesformedbyTag-AandTag-Breactingfor1honAldehydeSlideaccrodingtotheanalyticalprocedure(E,F).Figure3.(A)ThefluorescenceintensityofSignalandbackgroundofBSA,theconcentrationofIgEandBSAwere167and1mg/mL(a),theinsertcurvebistherelationshipoftimeandS/N,1:IgE,2:BSA,(B)TherelationshipofFluorescenceIntensityRatioandtheincubationtime,1:F[Tag‑A]/F[aptamermodifiedCy3],2:F[hybridprobes]/F[aptamermodifiedCy3]at167ng/mLIgE.(C)therelationshipofFluorescenceIntensityRatioandIgEconcentrationat1hincubationtime,1:F[Tag‑A]/F[aptamermodifiedCy3],2:F[hybridprobes]/F[aptamermodifiedCy3].Figure4.Thelinearrelationshipofaptamer-modifiedCy3(A),TagA(B),andhybridprobes(C,D)betweenfluorescenceintensityandlogC(CmeansIgEconcentration)andthefluorescenceimageofaptamer-modifiedCy3,Tag-A,andhybridprobesatdifferentIgEconcentrations(E).Figure6.Therepeatabilityofdifferentreactionpondforhybridprobes,a:theintensityofcurveb(1+10%),b:theintensityoftheaverageofallsamplesfrom18incubationpond,andc:theintensityofcurveb(110%).(Ratiometricfluorescent)比率荧光探针简介荧光探针：能够将微观的识别或微环境的变化转变成荧光信号为外界所感知。光漂白(长时间照射荧光信号降低）探针浓度和稳定性环境pH值温度极性灵敏度低比率荧光探针比率检测：根据两个荧光发射强度或吸收强度的比值与底物浓度之间的关系进行测定通过强度比值的变化提高动态响应的范围显著降低其它因素的干扰优点比率荧光探针内标式基态“或~或”开关式激发态“或~或”开关式具有基态异构的单发色团双通道比率荧光响应(“主动型”ICT)激发态分子内质子转移“被动型”ICT光诱导质子转移荧光共振能量转移激基复合物信号校准：为荧光信号确立一个标准，使之只取决于被分析物的浓度而不受其他因素的干扰。常规荧光光谱检测中，总是用标准样得到的信号作比较来分析实际样品的信息。将探针加入被分析物，通过改变被分析物浓度得到一条标准工作曲线，然后将实际样品的荧光响应信号带入到这一标准工作曲线中得到被分析物的浓度。微环境中很难准确地知道探针分子的浓度,探针分子的识别性能也会随着时间的流逝而衰减，荧光团会产生光漂白等反应。微环境中单分子级别上，探针分子和被分析物都是不均匀分散的，这样就需要给每一点都建立一个标准函数，显然这是不可能的。不适用于微环境分析)()(21IIR)()(21minminrefIIR)()(21maxmaxrefIIRIIIIKmaxminD]A[RRRRKmaxminD]A[内标式Imin未结合被分析物时的荧光强度Imax荧光探针与被分析物结合达到饱和时的荧光强度参比待测物Anal.Chem.2011参比：FITCRBITC探针分子会随着时间降解，荧光染料部分也会发生光致白等现象。这些作用对不同分子的效果不同，所以对识别荧光团和参比荧光团的影响是有差别的，因此这种方法所得到的比率信号具有时间依赖性。识别荧光团和参比荧光团是独立发射荧光，与识别不相干的外部因素对两者荧光光谱的影响也是不同的。响应和不响应的两个荧光染料可以同时被激发，也能够同时检测到它们的荧光发射，能够补偿实验过程中仪器所造成的不稳定。两个染料均分散在样品溶液中，双波长比率信号可用于计算被分析物浓度。在某一浓度范围内，该方法可以做到定量检测基态或~或开关基态“或~或”开关具有基态异构的单发色团双通道比率荧光响应(“主动型”ICT)荧光共振能量转移激基复合物（两通道在基态均可有响应）激基复合物两个相同的荧光团(主要是多环芳烃)彼此间距离和位置合适，其中一个荧光团被激发后会和另外一个处于基态的荧光团形成激基复合物(excimer)。荧光光谱特征：原来单体的发射峰减弱或消失，取而代之的是一个波长长、强而宽的新的发射峰。荧光团间的距离Ca2+和Cd2+两芘环距离拉远Cu2+两芘环举例拉近荧光共振能量转移两个不同的荧光团中，如果一个荧光团(供体Donor)的发射光谱和另一个荧光团(受体Acceptor)的吸收光谱有一定的重叠，当这两个荧光团的距离合适时(一般小于100Å)，就可以观察到荧光能量由供体向受体转移的现象，即用供体的激发波长激发时，可观察到受体的荧光发射。受体荧光量子产率为零，荧光猝灭受体也是一种荧光发射体，呈现受体荧光具有基态异构的单发色团双通道比率荧光响应(“主动型”ICT)荧光双通道表达除了可以通过双荧光团实现外，也可以由具有双通道功能的单个荧光团来完成。这样的荧光探针通常在结合客体前后具有两个不同的基态，因而有两个不同波长的激发光谱，能够分别激发基态异构体从而发射出双荧光。此类探针除了可以实现荧光的比率检测，还能够实现吸收光谱的比率检测。在这类探针中应用得最多的就是分子内电荷转移原理(intromolecularchargetransfer，ICT)。典型的ICT荧光探针所具荧光团是一个强的推拉电子共扼体系，共扼体系的供电子部分或者是拉电子部分是受体的一部分，受光激发会产生从电子供体到电子受体的电荷转移(ICT)。当受体结合被分析物后，作为受体的供电子部分或拉电子部分供拉电子能力被改变，整个发色体系的π电子结构重新分布，前后形成不同的基态，从而带来了吸收光谱、激发光谱以致荧光光谱向长波或短波的移动，这类ICT探针被KnutRurack定义为“主动型”。ICT多用于离子的简单识别，对于复杂的生物体系还有待开发“或~或”开关式探针都灵敏度高、可视检测等优点。但和引入荧光强度恒定的参比染料的方法相比，并不具有明显优势。除了能够排除仪器和与被分析物相关的干扰外，它们依然没有解决自动校准的问题。因为所有这些类型的“或-或”开关，两个发射能态都是由不同的两个基态产生的，而不同的基态所受到的影响因素以及影响的程度都是不同的，这必然导致两种荧光受到的干扰也是不同的，它们的比值必然会受这些因素的影响，具有波动性，不能够完全用来作定量测试。激发态“或~或”开关(1)两个信息通道由单个荧光分子产生;(2)两个信息通道相互之间必须紧密联系，两个波段的荧光强度等比例地与非被分析物相关的所有千扰因素相关联，这样强度的比值才能够彻底排除这些干扰。（两通道在激发态均可有响应）单荧光分子激发态反应示意图。单一基态A激发到A*。激发态A*与B*迅速达到动态平衡，速度远远快于辐射和非辐射跃迁1.光诱导质子转移通常芳香羟基(酚类)化合物在基态和激发态时具有不同的质子解离常数，受光激发后质子更容易脱去，即这一类化合物激发态的pKa*要小于基态的pKa。比如苯酚的pKa和pKa*分别是10.6和3.6,2–萘酚的分别是9.3和2.8。而对于芳香质子受体(芳胺或芳环氮杂原子)化合物而言，激发态时碱性增大，激发态的pKa*要大于基态的pKa。比如2–萘胺的pKa和pKa*分别是7.1和12.2，吖啶的分别是5.5和1.06。这样在合适的pH范围内就可以由一个基态得到两个激发态，分别对应于中性和脱质子(酚类)形式，或者是对应于中性和结合质子(芳胺或芳环氮杂原子)形式。在激发态形成的这种脱质子或结合质子的转换能够迅速的达到平衡，从而发射出两种波长的荧光。识别改变激发态的这种平衡时，两个波段的荧光强度就会重新分配，从而实现比率检测。外界因素等比例的影响着两个激发态，因而强度比能够补偿干扰，具有自动校准的功能。2.“被动型”ICT结合被分析物前后只有一个基态，但具有不同的激发态，吸收光谱不会发生改变，只有荧光光谱会有波长的移动。此类探针又可分为两种:(1)探针不连接被分析物的结合受体，而是与被分析物采用自由碰撞的原理，基态时互不干扰，激发态时发生光物理作用;(2)在基态时被分析物只被部分受体结合，参与荧光团共扼的剩余那部分受体并不与被分析物作用，因此并不影响荧光团的电子结构。一旦荧光团受光激发，被分析物发生位置的移动靠近参与共扼的受体并与之作用，从而改变荧光团的激发态。“被动型”ICT荧光探针：基态时参与荧光团共扼的那部分受体不与被分析物作用，而是在受光照射处于激发态后才发生作用。3.激发态分子内质子转移激发态分子内质子转移(ESIPT)是指当某些有机分子在光、热、电等作用下，使分子激励到激发态时，分子中某一基团上的氢核(即质子)通过分子内或分子间的氢键，转移到分子内邻近的N、S、O等杂原子上，形成互变异构体的过程。单纯基于强度的光学探针与比率荧光探针的区别基于强度的荧光探针比率荧光探针光谱行为单一波长，最大发射波长不发生移动单激发-双发射双激发-双发射多激发-单发射优点直观，可视化可排除受体及被检测物质的环境干扰扩大荧光的检测范围缺点检测受周围环境影响较大探针设计及波长选取困难Anal.Chem.2011J.Am.Chem.Soc.2011J.Am.Chem.Soc.2011一方面，除通过有机合成方法制备新型探针以外，纳米材料在新型探针的构建中扮演着越来越重要的角色，如量子点、染料掺杂的二氧化硅纳米颗粒等。开发新的比率检测原理构建新型的比率荧光探针比例荧光探针在生物医学检测中的应用越来越广泛，主要是因为比率荧光能够克服背景干扰，使检测结果更准确制备能够实现体内检测生命物质新型探针展望量子点的结构量子点半导体纳米晶，纳米尺度上的原子或分子的集合体。核壳结构的量子点如CdSe/ZnS、CdSe/CdS等一种半导体材料组成的量子点如CdS，CdSe、CdTe、ZnS、InP、InAs、GaAs等量子点的荧光特性(a)不同粒径CdTe/ZnTe量子点在同一紫外灯照射下的图像;(b)a图量子点的荧光发射光谱(实线)和紫外吸收光谱(虚线)宽激发，可以使用同一种激发光同时激发多种量子点，发射出不同波长的荧光；窄发射，发射峰对称且连续分布；具有“调频”功能，即量子尺寸效应；荧光强度，稳定性及抗漂白能力都比传统的有机染料强，荧光寿命长。有机相优点：荧光量子产率比较高。缺点：成本较高，操作较复杂，会引入毒性较高的有机试剂、反应环境友好性差，并且得到的量子点为脂溶性不能直接用于生物体系从而限制了其在生物体系中的应用水相优点：操作简单、成本低廉，可重复性高，表面电荷和性质可控、所合成的量子点具有水溶性，更容易与生物分子进行偶联。缺点：量子点光谱性能差、光稳定性差量子点的合成方法常用的修饰剂有巯基乙酸、L-半胱氨酸、谷胱甘肽等巯基化合物及柠檬酸量子点的合成方法用于检测微量物质的量子点的合成及应用金属离子探针分子探针非金属离子探针如对Hg2+,Zn2+,Cd2+,Pb2+,Cu2+等金属离子的测定如对CN-,IO3-，I-,HSe-等的测定对环境污染物,药物,生物小分子,DNA,蛋白质，多肽等的测定量子点在作为荧光探针方面的应用用于检测微量物质的量子点的合成及应用量子点作为荧光探针检测物质的机理待测物质直接与量子点作用使量子点荧光发生改变其他物质的存在使量子点荧光减弱，加入待测物质后量子点的荧光有一定程度的恢复配体交换酸度改变能量转移等氧化还原配体交换“turn-on”等CdTe@谷胱甘肽量子点与人血清白蛋白相互作用的研究4NaBH4+2Te+7H2O=2NaHTe+NaB4O7+14H2↑Cd2++Te2-→CdTe合成谷胱甘肽包覆CdTe量子点的反应装置图a.Te粉、NaBH4和H2O反应生成NaHTe.b.通过加热CdTe纳米晶成核和生长.还原型谷胱甘肽的结构式【CdTe@谷胱甘肽量子点的合成】【CdTe@谷胱甘肽量子点的表征】2.12,10043AbcDCdTe@GSHQDs的紫外-可见吸收光谱(a)及荧光光谱(b)73329.8127101.7147101.0064194.84DD=3.0nm530nm【CdTe@谷胱甘肽对人血清白蛋白荧光猝灭的研究】CdTe@谷胱甘肽量子点-HSA体系的荧光光谱图CdTe@谷胱甘肽量子点-HSA体系的修正的Stern-Volmer曲线【CdTe@谷胱甘肽对人血清白蛋白的猝灭机理和结合模式】pHT(K)K(×106M−1)RaΔG0(kJmol−1)ΔS0(Jmol−1K−1)ΔH0(kJmol−1)7.402912983032.803.003.220.99990.99990.9999-35.91-36.98-37.74152.48.434QDs-HSA体系的结合参数和热力学参数QDs-HSA体系的Van’tHoff图a相关系数Kq=KSV’/τ0τ0=10-8KSV’～106，Kq～1014该数值远远大于生物分子的最大碰撞扩散猝灭速率常数K极值(2.0×1010L·mol-1·S-1)，静态猝灭疏水作用力【CdTe@谷胱甘肽对人血清白蛋白二级结构的影响】CdTe@谷胱甘肽量子点-HSA体系的同步荧光光谱图(Δ＝60nm)现象：最大吸收峰位置发生轻微红移以CdTe量子点作为酸度敏感荧光探针检测没食子酸的新方法以CdTe量子点作为酸度敏感荧光探针检测没食子酸的新方法OHHOHOCOOH没食子酸的结构式没食子酸的药理用途:抗菌,抗病毒,抗肿瘤CdTe@TGAQDs的表征CdTe@TGA量子点的紫外-可见吸收光谱(a)及荧光光谱(b)D=2.8nm以CdTe量子点作为酸度敏感荧光探针检测没食子酸的新方法4.07.06.54.0量子点的荧光强度与pH的关系【标准曲线】加入不同浓度没食子酸后体系的荧光发射光谱图。插图：没食子酸引起量子点荧光猝灭的标准曲线。ln(F0/F)=0.063C-0.2105R=0.9967LOD=0.44g/mL随着没食子酸加入浓度的增大体系的pH值的变化。6.54.54【猝灭机理】在pH为6.5的NaH2PO4-Na2HPO4缓冲体系中，没食子酸的加入对量子点荧光强度的影响。在pH为6.5的NaH2PO4-Na2HPO4缓冲体系中，随着没食子酸浓度的增加体系pH的变化。【猝灭机理】弱酸性药物没食子酸浓度的增大，使体系pH不断降低，溶液中H+浓度增大H+与量子点表面官能团结合，造成TGA-Cd2+络合物的解离，一部分修饰剂从量子点表面脱落量子点发生团聚，同时，表面暴露在溶液中的量子点，其激发电子以无辐射弛豫方式释放能量量子点的荧光强度发生明显的猝灭猝灭机理干扰物质的影响200g/mL的葡萄糖、NaCl、KCl150g/mL的SDS50g/mL的β-环糊精、(NH4)2SO4无影响50g/mL柠檬酸钠Mg2+、Cu2+、Hg2+等金属离子有影响以CdTe量子点作为酸度敏感荧光探针检测没食子酸的新方法以CdTe量子点作为酸度敏感荧光探针检测没食子酸的新方法人工合成样品的测定TheconcentrationofNaCl,Glucose,KCl,β-CDwas100g/mL,respectively.NumberAmount(g/mL)MaininterferentsAmountfound(g/mL)R.S.D.(%)110.00Na+,Cl-,Glucose9.621.189.559.40210.00K+,Cl-,β-CD9.612.209.949.54碳纳米材料在环境中的转化