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1、第18卷第3期感光科学与光化学Vo1.18,No.32000年8月PHOTOGRAPHICSCIENCEANDPHOTOCHEMISTRYAug.,2000综述荧光分子开关的研究进展甘家安,陈孔常,田禾(华东理工大学精细化工研究所,上海200237)摘要:荧光分子开关是超分子化学领域的研究热点之一,本文根据开关动作完成的方式对近年来研究的各类荧光分子开关进行了简要的归类总结,并介绍了一些具有特殊功能的荧光分子开关器件.关键词:荧光;分子开关;光致电子转移文章编号:1000-32
2、31(2000)03-0254-09中图分类号:O644文献标识:A信息工程和生物工程是21世纪知识经济社会的两大系统工程.计算机技术是信息工程的核心,其最终目的是为了达到对人脑的模拟,它在经历了以无机半导体材料为基础的40多年发展后造就了当今的繁荣,但由于加工极限和半导体内部某些特有的物理效应的限制,要达到真正模拟人脑思维的目的,可以说还远远不够.为了突破这一极限,实现在有机分子尺寸范围内对电子运动的控制,科学家们提出了在分子水平上研制计算机的设想.随着微电子技术和生物工程这两项高科技的互相
3、渗透,它们实际已为研制分子计算机提供了可能.为了抢占这一尖端高科技领域,世界发达国家纷纷把开发研究组成分子计算机的分子器件列入高新技术领域的重点发展对象,分子开关作为分子计算机[1,2]的重要部件,当然受到各国科学家的广泛关注.人工模拟生命的过程,又是生物工程的研究核心,它包括生物反应中心,光合作用及基因复制等的模拟研究.在这些研究的过程中,科学家采用生物传感器检测生物体内所发生的变化,即将生物传感器与被测单元通过各种方式组装起来,通过调控单元完成开关动作.经过精心设计的荧光分子开关,由于荧光具有
4、灵敏度高,易于检测等优点,可以研制成智能化的生物传感器.此外,荧光分子开关由于可根据外界环境的不同刺激进行开关动作,因而近年来它还在环境分析、临床医学和显微技术等领域得到了广泛的应[3,4]用.收稿日期:2000-03-11;修定日期:2000-05-31;通讯联系人:田禾,E-mail:hetian@ecust.edu.cn基金项目:国家自然科学基金资助项目(29836150)作者简介:甘家安(1971-),男,工程师,博士生,主要从事分子开关材料合成的研究.2543期甘家安等:荧光分子开关的研究
5、进展2551单模荧光分子开关荧光分子开关的特点为:可实现开-关动作;实现人与分子的对话.达到控制荧光效率的分子结构特征大致为:异构体互变、离子配位、质子化、氧化还原、弱键的形成与断裂、光电控制的电子能量转移等,下面分别进行简要介绍.11异构体互变111构造异构体互变很多有机化合物通过光化学反应产生与其结构相近的同分异构件,它们中有的在另一波长光的激发或温变条件下,通过逆反应回到原来的状态完成开-关过程,这类化合[5][6]物如取代环己三烯类和螺吡喃类等.112构型异构
6、体互变含有C=C,N=N等双键的化合物有顺反异构互变现象,经过精心设计的此类分子可在光照或温变等条件下进行异构体互变,实现开关动作.在光照下荧光主体分子构型[7]的互变启动人们设计出采用荧光光子进行读写的分子器件,Shimidzu将可进行光异构化的硫靛蓝单元与两个芘基通过酰胺键相连,仅当两个芘基荧光团靠近,即由反式异构体转变成顺式异构体时,才产生荧光激发.采用不同波长的具有适当能量的光照射时,可实现这一转变.在读写过程中全产生大量的激态分子,而电子能量转移的速率通常是很快,只有那些具有最低激发态能量的
7、超分子才可进行长时间的荧光发射和经受长时间的光照射,否则,它们要么效率很低,要么需要在非常特殊的条件下使用.有机化合物的同分异构现象还包括构象异构,但也许因为构象异构体之间能垒相差太小的缘故,异构体互变进行得非常迅速,以致于无法控制.12离子配位由于离子与受体与位前后,改变了荧光受体本身的电离势使受体产生开和关(或关和开)的两个状态.而且,由于荧光检测方法有简便、快速、灵敏等突出的优点,因而广泛应用于以离子捕获为基础的离子识别和检测.121阳离子配位由于冠醚分子具有神奇般的双
8、亲(亲水和亲脂)性能,将它与荧光团连接成的化合物[8][9]是非常理想的阳离子配位荧光分子开关,这类化合物有单N杂型及双N杂型.冠醚[10]与体积较大的铵离子螯合是这类分子开关中较为有趣的化合物.在冠醚的基础上发展[11][12]产生的阳离子配位化合物有钳形化合物及环胺类化合物等.特别指出,有些阳离子配位的荧光分子开关化合物,其开-关动作不是通过配位来完成的,而是通过氧化还[13][14]原、质子化等其它方式来完成的.122阴离子配位[15
