螢光化學感應器

當待辨識物與螢光化學感應器錯合後，將可以藉由光誘導電子轉移、

光誘導電荷轉移、分子內電荷轉移、螢光共振能量轉移、或者是單體-激態 複體形成等機制，導致波長變化、螢光增強或淬熄、激發態生命期等的改 變。⁷⁸

光誘導電子轉移 (photoinduced electron transfer, PET)

光誘導電子轉移所造成之螢光的淬熄，為最常見的螢光感測機制。當 辨 識 區 之 螢 光 基 團 的 電 子 被 激 發 至 最 低 未 填 滿 分 子 軌 域 (lowest unoccupied molecular orbital, LUMO) 能階，且未錯合之待辨識物之最高未 填滿分子軌域 (highest unoccupied molecular orbital, HOMO)，恰好介於螢光 基團的 LUMO 與 HOMO 能階之間，此時此待辨識物之 HOMO 能階上 的電子將傾向躍遷至螢光基團的 HOMO 能階，因而造成螢光基團 LUMO 能階上的電子無法以放光的形式回到 HOMO 能階而使螢光放射淬熄，如 圖四十五所示。^78b 反之，當辨識區與待辨識物結合，造成辨識區的 HOMO 能階較穩定，使其能階低於螢光基團之 HOMO 能階，此時受激發的螢光 基團其 LUMO 能階上的電子，就能夠以放光形式回至螢光基團 HOMO 能階。此機制僅造成螢光強度強弱的改變，並不會造成螢光放射波長位置 的變化。

圖四十五、光誘導電子轉移機制之示意圖。^78b

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Huang 教 授 在 去 年 所 發 表 於 芳 杯 上 緣 修 飾 上 四 個 含 有 喹 啉 基 團 (quinoline) 的偶氮芳杯 210，除了對銅離子有高度選擇性外，在較低的銅 離子濃度時，因亞胺上的未共用電子對受到激發，將藉由 PET 機制從喹 啉的 n-π* 放光至基態，此時螢光強度並未有顯著的增加；但在高銅離子 濃度時，銅離子會和亞胺及喹啉上之氮原子的未共用電子進行配位，使得 n-π* 能階上升，此時喹啉的 π-π* 能階將為最低激發態，而導致螢光增 強，如圖四十六所示。^79a

圖四十六、芳杯 210 (10 µM) 與不同當量之銅離子在乙晴溶劑中的螢光放 射光譜變化圖；插圖為螢光強度變化對銅離子之變化量作圖。^79a

Huang 教授也曾在 2004 年發表利用芳杯結合冠醚並在芳杯上修飾上 蒽基團 (anthracene)，在酸性條件下，胺基上之氮原子將被質子化形成銨離 子，而無法進行光誘導性電子轉移，使得蒽能釋放出螢光，如圖四十七所 示。但在加入鉀或是銣離子後，因冠醚與鹼金屬離子有較好的錯合能力，

且因靜電排斥而促使銨離子脫去質子，由鹼金屬離子誘導進行去質子化而

210

回復為胺基並產生 PET 機制，使得蒽之螢光被淬熄。而 Huang 教授稱此 可用來控制螢光的 On/Off 的去質子化的過程為鹼金屬離子誘導去質子 化。^79b

圖四十七、化合物 211⋅H⁺ (2.5 µM) 與不同當量之鉀離子在乙晴與水體積比 為99:1 的混溶劑中之螢光放射光譜變化圖。^79b

本實驗室亦曾在 2007 年發表上緣修飾冠醚而下緣為具有蒽基取代的 三唑芳杯 212，將可在不同位置錯合兩種不同的陽離子，發展出新型螢光 化學感應器。^80a 當芳杯 212 對 15 種不同金屬離子做螢光篩選時，在 Hg²⁺、Cu²⁺、Cr³⁺ 或 Pb²⁺ 存在時將會造成螢光淬熄；若加入的為 Li⁺、K⁺、 Ba²⁺ 或是 Zn²⁺ 則有螢光增強的情形。本實驗室亦使用螢光及氫核磁共振 光譜滴定的技術，證明芳杯 212 是利用三唑的部份對 Pb²⁺ 錯合，而蒽基 團和三唑產生 reverse PET 機制造成螢光淬熄。若此時在待測系統中加入 過量的 K⁺，因為 K⁺ 和冠醚具有良好錯合能力，會使原本的 212⋅Pb²⁺ 因

211+ H⁺ 211+ K⁺

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靜電排斥產生「分子跆拳道」現象 (或是 Allosteric 效應)，^80b-c 因而將 Pb²⁺

踢除而回復螢光。若進行反向實驗，將 212⋅K⁺ 系統中加入過量的 Pb²⁺， 亦可將原有的 K⁺ 移除形成 212⋅Pb²⁺，使得螢光淬熄；成功的藉由加入不 同的離子來做為一個螢光 On-Off 化學感應器，如圖四十八所示。

圖四十八、以 Pb²⁺ 與 K⁺ 調控芳杯 212 螢光開關的錯和模式示意圖。^80a

光誘導電荷轉移 (photoinduced charge transfer, PCT)

當一共軛 (conjugate) 系統同時含有電子之予體 (electron-donor) 與電 子受體 (electron-acceptor)，將造成此感測器分子內電荷分離而具有較高的 極性，且此種情形在激發態時更加明顯，也使得分子內的偶極矩 (dipole moment) 變大，因此對於不同極性的溶劑環境就會很敏感，此現象稱為 PCT。若是此光誘導的電荷轉移機制發生在分子內，則亦可稱之為分子內 電荷轉移機制 (internal charge transfer, ICP)。當螢光基團中的辨識區為推電 子基團在與金屬離子錯合後，將降低電子予體提供電子的能力，使此感測

212

器分子內共振的減少，造成激發態相較之下較不穩定，使激發態與基態間 能階差加大，造成紫外-可見光吸收光譜或螢光放射光譜波長發生藍位移 (blue shift) 的現象。反之，若螢光基團中的拉電子基團為辨識區時，當辨 識區與金屬離子錯合後，將增加電子受體接受電子的能力，使此感測器分 子內共振的增加，造成激發態相較之下較穩定，而使激發態與基態間能階 差縮減，導致波長紅位移 (red shift)，如圖四十九所示。^78b

圖四十九、光誘導電荷轉移機制示意圖。^78b

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在 2005 年，Kim 以芳杯下緣修飾上具有螢光的芘基 (pyrene) 做為離 子辨識平台，並對氟離子具有良好的選擇性。^81a 當加入氟離子錯合會進行 PCT 機制，除了造成分子的螢光強度改變且放射波長由原有的 482 nm 藍 位移至 470 nm，其吸收波長也由原本的 346 nm 紅位移至 400 nm，如圖 五十所示。 Kim 也在今年發表在芳杯下緣對位修飾上含有蒽醌基團 (anthraquinone) 之冠醚化合物 213，藉由進行分子內電荷轉移的機致使吸 收波長由 380 nm 位移至 450 nm，達到辨識金屬離子的目的，如圖五十 一。^81b

圖五十、含芘基之芳杯 (0.20 mM) 與不同陰離子之銨鹽 (60 mM) 在乙晴 溶劑中的(a) 吸收光譜與 (b) 放射光譜圖。^81a

(a) (b)

圖五十一、芳杯 213 與銅離子可能的錯和模型。^81b

螢光共振能量轉移 (fluorescence resonance energy transfer, FRET)

分子中同時具有提供電子與接受電子的螢光基團，當此分子受到光激發 後，將使此分子的提供電子基團與接受電子基團產生了偶極-偶極的作用 力，透過電子雲的重疊而進行分子內螢光之能量轉移，於是能量便從激發 態的提供電子基團轉移至接受電子基團的基態。此機制將受到 donor 和 acceptor 之間的距離、 donor 的放射光譜與 acceptor 吸收光譜的重疊區域 大小、donor 和 acceptor 之間的偶極距方向影響，如圖五十二所示。^78c Kim 於 2007 年發表的芳杯 214 在尚未加入離子時，因結構並未固 定，且芘基與 rhodamine 距離過遠因此會進行 PET 機制；但在加入汞離 子後，可限制住分子的結構使芘基可有效的進行 FRET 機制將能量傳給 rhodamine，並使兩個芘基空間距離靠近，在 475 nm 產生激態雙體的放射。

但因為錯合模式的不同，在加入鋁離子時，雖然仍可在 475 nm 發現芘基 激態雙體的放射，但此時芘基與 rhodamine 距離較遠而無法進行 FRET 機

213

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制 ， 如 圖 五 十 三 所 示 。^82a 同 年 Kim 也 利 用 芳 杯 下 緣 修 飾 上 的 萘 (naphthalene) 取代的冠醚及兩個香豆素基團 (coumarin)，形成 partical-cone 構形的芳杯分子 215 如圖五十四所示。^82b 215 尚未和離子錯合時可進行 FRET 機制，但加入氟離子後，因氟離子會和香豆素上的 N-H 產生氫鍵繼 而去質子化，轉而進行 PCT 機制，造成分子吸收波長由 344 nm 位移至 435 nm；若加入的為銫離子時，因銫離子會和冠醚錯合，抑制 PET 機制，

使萘基藉由 FRET 機制將能量轉移至香豆素基團，造成螢光放射增強。^82b

(a) (b)

圖五十二、(a) 螢光共振能量轉移機制與 (b) 造成此機制之 donor 和 acceptor 能量重疊關係之示意圖。^78c

圖五十三、芳杯 214 與汞離子和鋁離子錯合模式之示意圖。^82a

圖五十四、芳杯 215 與氟離子和銫離子錯合模式之示意圖。^82b

214

215 215

215

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單體-激態複體之形成 (formation of monomer-excimer)

單體 (monomer) 指單獨的螢光基團，為單純的訊號傳遞單元部分；而 激態複體 (excimer) 為 excited dimer 的縮寫，代表激發態螢光基團的二聚 體；激態複體的形成，可由凡得瓦爾距離靠近之兩螢光基團堆疊而得。以 芘為例，形成激態複體的機制可分為動態與靜態兩種：當單一個芘被激發 至激發態，由於分子間的作用力，受激發的芘會吸引另一個位於基態的芘，

此時這兩個芘基團的 π 軌域重疊將可產生動態的激態複體 (dynamic excimer)。若是兩個芘基團在基態時靠近，在受到激發後同時躍遷至激發 態，因為此激態複體能階較高，將會進行結構重組而轉變成能階較低的激 態複體，此種方式稱為靜態的激態複體 (static excimer)。而激態複體的激 發態與其基態間的能階差比單體小，因此其放射波長會比單體的長，如圖

五十五。^{78c, 83} 在動態的激態複體機制中，激發態的螢光基團必須在其生命

期 (excited-state lifetime) 內，才能和另一位於基態的螢光基團作用形成激 態複體，因此，生命期越長的螢光基團將有利於動態的激態複體的形成。

圖五十五、單體和激態複體之 (a) 放射波長的比較與 (b) 激發態之能階 圖。⁸³

本實驗室在今年也發表合成一系列利用不同碳鏈長度連接具有芘基團 取代的三唑 (triazole) 衍生物。當具有六個碳的鏈之化合物 216 對金屬離 子進行篩選時，若所加入的為鎳或鉛離子時，將會在靠近芘的位置利用三 唑上的氮和醚基上的氧原子進行錯合，造成原有的單體與激態複體的螢光 淬熄；若是加入的為鎘或是鋅離子，則會利用兩個三唑基團與金屬離子進 行錯合，使得單體螢光變強而激態複體螢光變弱，如圖五十六所示。^84a

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圖五十六、化合物 216 與不同金屬離子錯合模式示意圖。^84a

2006 年 Diamond 在芳杯上緣及下緣修飾上具有芘基取代的尿素衍生 物 217，此化合物可藉由尿素上的氫與陰離子作用產生氫鍵，可選擇性的 辨識氯離子，如圖五十七所示。當未和氯離子錯合時，217 具有強烈的芘 基激態複體放光；若是加入氯離子則會導致氫鍵致使兩個芘基無法靠近，

使得激態複體放光減弱而單體的螢光增強。^84b

圖五十七、芳杯 217 與氯離子錯合模式之示意圖。^84b

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217 217