光学探针与传感分析

本书分基础篇和应用篇，共12章。其中，基础篇包括：绪论（马会民撰写），光学探针的激发模式（李贞、刘志洪撰写），光学探针的响应模式（周进、马会民撰写），光学探针的设计方法（史文、周进、马会民撰写），小分子光学探针（李照、马会民撰写），大分子光学探针（张楠、上官棣华撰写）和纳米光学探针（汪乐余，许苏英撰写）共7章；应用篇包括：离子的检测（李晓花撰写），小分子的检测（李洪玉、李照撰写），大分子的检测（龚秋雨、贺新元撰写），环境敏感的光学探针及其分析应用（王可、乔娟撰写）和细胞器的光学探针及其分析应用（袁林、程丹、龚向阳、吴倩、尹姝璐、卢鹏、张晓兵撰写）共5章。

光是人们借助观察与认识微观世界的最便利的工具之一。公元一世纪人们就开始了基于光学探针与分析物的相互作用而引起光信号变化的光传感分析（用橡子的提取物显色检验铁）。这是一个古老而又始终充满活力的研究领域，且在人类社会与现代科学的发展历程中扮演着重要角色。究其原因有二：一是许多老的光学探针其分析性能已满足不了实际应用的要求，需要更新换代、发展性能更优良的探针；二是随着社会与科学的快速发展，不断出现新的或特殊的需求，需要研制新品种探针以满足新的目的。尽管该领域研究的重要性毋庸置疑，且其应用获得了巨大的发展，但是，到目前为止，还没有一本全面、系统地介绍光学探针与传感分析的专业书籍出现。对此，本书做了这样的尝试。
本书的准备与完成，得益于同行们的鼎力支持和出版社编辑的热情邀请。虽然本人从事光学探针与传感分析研究三十年有余，也有心将来对其总结一番，但由于精力有限与事务繁忙，所以一直未下决心。在多次学术会议上或电话中，本人受到李编辑的邀请，盛情难却，终于在2018 年拟定了写作框架，并邀请了众多年富力强、成就卓著的中、青年学者一同撰写书稿的相关章节。
本书分基础篇和应用篇，共12 章。其中，基础篇包括：绪论，光学探针的激发模式，光学探针的响应模式，光学探针的设计方法，小分子光学探针，大分子光学探针和纳米光学探针共7 章；应用篇包括：离子的检测，小分子的检测，大分子的检测，环境敏感的光学探针及其分析应用和细胞器的光学探针及其分析应用共5 章。
参与本书编写的有来自不同单位的几十位专家学者。他们的认真负责、积极奉献、谦逊合作精神是本书得以完成的重要保证；他们的前沿成果和深刻视角是本书的特色和基石。来自各位作者的部分研究内容与成果得到国家自然科学基金的支持。本书的出版得到中国科学院大学一流学科建设项目资助。在此一并表示感谢。
本书可供化学、生物、医学、环境、材料等领域的研究工作者参考，也可作为高等院校教师、研究生、高年级本科生的教学辅导或参考用书。
最后，由于作者水平所限、内容涉及面广，书中不妥之处以及一些内容出现交叉在所难免；同样，一些遗漏也难以避免，恳请读者批评指正。

马会民
2020年5月于北京

马会民：中国科学院化学研究所研究员，博士生导师；中科院活体分析化学重点实验室副主任、学术委员会副主任；2005年度国家杰出青年基金获得者；中国科学院大学教授。主要从事生物分子的光学探针与传感分析、生物光谱学与选择性探测研究。
  1961年7月生于河北省沙河市。1979-1983年，山东大学化学系；1983-1987年，中国科学院半导体所硕士研究生（导师崔仙航研究员）并工作；1987-1990年，中国科学院化学所博士研究生（导师梁树权院士）；1990-1992年，武汉大学化学系博士后（与曾云鹗教授）；1992年-至今，中国科学院化学所工作，期间于1996-1997年作为德国洪堡学者在Bremen大学从事研究工作（与Wolfram Thiemann教授）。2006年获中国分析测试协会科学技术一等奖，2010年获北京市科学技术二等奖，并获2012年度政府特殊津贴。在Chem. Rev.、Angew. Chem. Int. Ed.、J. Am. Chem. Soc.、Acc. Chem. Res.、Anal. Chem. 等刊物上发表学术论文200余篇，并应邀(曾)担任第九届国际荧光光谱学、成像与探针应用学术会议的组委会委员（2005, 葡萄牙）; 第二届亚洲化学传感器与成像探针学术会议主席（2017，北京）；美国化学会会员、中国化学会永久会员、中国化学会有机分析专业委员会委员；北京化工大学兼职教授；《科学通报》、《分析化学》、《分析科学学报》、《Analytical Biochemistry》、《Current Chemical Biology》等刊物的编委，《Spectrochimica Acta Part A：Molecular and Biomelucular Spectroscopy》刊物的编辑（Editor）。

本书由基础篇和应用篇共12章组成，系统介绍了光学探针与传感分析的基础知识及其应用。主要内容包括：光学探针的基本概念与发展状况；光学探针的激发模式、响应模式和设计方法；小分子、大分子和纳米光学探针；检测离子、小分子、大分子的光学探针；环境敏感和细胞器光学探针及其分析应用。
本书内容丰富、资料新颖、可读性强，充分反映了光学探针基础理论及其应用研究的新进展和新成果，可作为高等院校相关专业教师、研究生、高年级本科生的教学辅导书或参考书，也可供化学、生物、医学、环境、材料等领域的有关科研人员参考。

基础篇
第1 章 绪论                   002
1.1 光学探针与传感分析的发展历程                 003
1.2 光学传感分析原理         006
1.3 光学探针的结构特征与设计策略                 011
1.4 光学探针的分类           014
参考文献                     019

第2 章 光学探针的激发模式     022
2.1 单光子激发              022
2.1.1 单光子激发荧光产生原理           022
2.1.2 单光子激发光源     024
2.1.3 单光子激发荧光成像应用简介       025
2.1.4 展望               027
2.2 双光子激发              028
2.2.1 双光子激发荧光产生原理           028
2.2.2 双光子激发光源     030
2.2.3 双光子荧光成像应用简介           030
2.2.4 展望               033
2.3 上转换发光              033
2.3.1 上转换发光简介     033
2.3.2 上转换发光机理     034
2.3.3 上转换发光激发光源               036
2.3.4 上转换发光的生物分析应用简介       037
2.3.5 展望               038
2.4 化学发光（化学能激发）   039
2.4.1 化学发光的发展历程               039
2.4.2 化学发光的基本原理及特点         039
2.4.3 化学发光分析的仪器               040
2.4.4 化学发光的应用及展望             041
2.5 电致化学发光             043
2.5.1 电致化学发光的特点               043
2.5.2 电致化学发光的发光机理           044
2.5.3 电致化学发光的应用               045
2.6 生物发光                047
2.6.1 生物发光的发展历程               047
2.6.2 生物发光的基本原理及特点         047
2.6.3 生物发光分析的仪器               048
2.6.4 生物发光的应用及展望             048
2.7 荧光各向异性（偏振光激发）                   050
2.7.1 荧光偏振的发展历程  050
2.7.2 荧光偏振基本原理及优缺点           051
2.7.3 荧光偏振分析仪器   052
2.7.4 荧光偏振分析应用及展望             052
2.8 超分辨荧光显微成像       053
2.8.1 超分辨荧光显微成像技术发展历程       053
2.8.2 超分辨荧光显微成像技术基本原理       054
2.8.3 超分辨荧光显微成像仪             054
2.8.4 超分辨荧光显微成像技术应用及展望     055
参考文献                     056

第3 章 光学探针的响应模式    063
3.1 光信号强度改变           063
3.1.1 猝灭型光学探针     063
3.1.2 打开型光学探针     066
3.2 波长与强度改变           068
3.2.1 比率型荧光探针     068
3.2.2 荧光共振能量转移型探针           072
3.3 荧光寿命的改变           077
3.3.1 时间相关单光子计数法             080
3.3.2 相移法             080
3.4 荧光各向异性的改变       083
3.4.1 荧光各向异性的物理基础               083
3.4.2 荧光各向异性分析的特点与应用         083
参考文献                     084

第4 章 光学探针的设计方法    087
4.1 质子-脱质子反应          087
4.2 配位反应                091
4.3 氧化还原反应             094
4.4 共价键的形成与切断       099
4.5 聚集与沉淀反应           102
4.6 超分子的主客体识别作用   103
4.6.1 环糊精             104
4.6.2 杯芳烃             106
4.6.3 葫芦脲             107
4.7 共轭结构可变             108
参考文献                     114

第5 章 小分子光学探针        121
5.1 偶氮类                  121
5.2 多环芳烃类              124
5.3 三苯甲烷类              129
5.4 氧杂蒽类                133
5.5 香豆素类                137
5.6 卟啉类                  140
5.7 BODIPY 类               144
5.8 萘酰亚胺类              146
5.9 联吡啶及邻菲啰啉类       149
5.10 花菁类                 152
5.11 螺吡喃类                156
5.12 方酸菁类               158
参考文献                     161

第6 章 大分子光学探针        173
6.1 荧光高分子探针           174
6.1.1 荧光高分子聚合物   174
6.1.2 荧光共轭聚合物     178
6.2 核酸类探针              184
6.2.1 核酸杂交探针       185
6.2.2 核酸适配体探针     189
6.3 蛋白质光学探针           196
6.3.1 基于基因编码荧光蛋白的光学探针     197
6.3.2 基于酶的光学探针   205
6.3.3 基于特异性识别的蛋白光学探针       209
6.4 结语                    214
参考文献                     214

第7 章 纳米光学探针          219
7.1 量子点类光学探针         219
7.1.1 量子点的基本特征   219
7.1.2 量子点的分类       220
7.1.3 量子点的基本性质   221
7.1.4 量子点的光学性质   223
7.1.5 量子点的合成       227
7.1.6 量子点的表面修饰   229
7.1.7 量子点光学探针的应用               233
7.2 基于碳纳米材料的光学探针                    237
7.2.1 基于碳纳米发光材料的分类         237
7.2.2 基于碳纳米发光材料的合成策略     240
7.2.3 基于碳纳米发光材料的性质         242
7.2.4 基于碳纳米发光材料的发光机理     243
7.2.5 基于碳纳米发光材料的应用         244
7.3 基于金属纳米材料的光学探针                    246
7.3.1 基于金属纳米发光材料的分类         246
7.3.2 基于金属纳米发光材料的合成策略     248
7.3.3 基于金属纳米发光材料的性质         249
7.3.4 基于金属纳米发光材料的发光机理     252
7.3.5 基于金属纳米发光材料的应用         253
7.4 基于二氧化硅纳米材料光学探针                 255
7.4.1 二氧化硅纳米材料的制备方法           255
7.4.2 基于二氧化硅纳米材料光学探针中荧光团的种类             258
7.4.3 基于二氧化硅纳米材料光学探针的应用   258
7.5 稀土上转换发光纳米材料   260
7.5.1 稀土上转换发光纳米材料的发光机理     261
7.5.2 稀土上转换发光纳米材料的发光性能     262
7.5.3 稀土上转换发光纳米材料的合成策略     264
7.5.4 稀土上转换发光纳米材料的应用         265
参考文献                     268

应用篇
第8 章 离子的检测           284
8.1 金属离子                285
8.1.1 基于络合反应的金属离子光学探针       285
8.1.2 基于化学键切断反应的金属离子光学探针  303
8.1.3 基于化学键形成反应的金属离子光学探针  310
8.2 阴离子探针              312
8.2.1 基于络合反应的阴离子光学探针       312
8.2.2 基于化学键切断反应的阴离子光学探针   318
8.2.3 基于化学键形成反应的阴离子光学探针   319
参考文献                     321

第9 章 小分子的检测          333
9.1 氨/胺类物质检测          333
9.1.1 氨/胺              334
9.1.2 肼                 337
9.2 酚类物质检测             340
9.2.1 2,4,6-三硝基苯酚    340
9.2.2 苯硫酚             344
9.3 硫醇类物质检测           348
9.4 氨基酸检测              362
9.5 活性氧物种检测           367
9.5.1 过氧化氢探针       367
9.5.2 次氯酸根探针       369
9.5.3 过氧亚硝基探针     372
9.5.4 超氧阴离子探针     375
9.5.5 羟基自由基探针     378
9.5.6 一氧化氮探针       380
9.5.7 其它活性氧物种探针  382
9.6 其它物质检测             383
参考文献                     384

第10 章 大分子的检测         393
10.1 蛋白酶                 393
10.1.1 氨（基）肽酶荧光探针              395
10.1.2 半胱天冬酶        412
10.1.3 基质金属蛋白酶    414
10.1.4 其它蛋白酶        415
10.2 核酸                   421
10.2.1 阳离子染料        423
10.2.2 有机碱染料        425
10.2.3 金属配合物        427
10.2.4 核酸荧光探针      428
10.2.5 其它类型核酸探针  430
10.3 其它生物大分子          431
参考文献                     433

第11 章 环境敏感的光学探针及其分析应用         448
11.1 极性敏感的光学探针      448
11.2 黏度敏感的光学探针      452
11.3 温度敏感的光学探针      457
11.4 压力敏感的光学探针      465
11.5 酸度敏感的光学探针      467
参考文献                     472

第12 章 细胞器光学探针及其分析应用            480
12.1 细胞器靶向光学探针设计策略                 481
12.2 溶酶体光学探针          483
12.2.1 溶酶体概述        483
12.2.2 溶酶体靶向探针设计方法              483
12.2.3 溶酶体靶向探针应用举例              484
12.2.4 溶酶体靶向探针存在的问题与挑战      486
12.3 线粒体光学探针          486
12.3.1 线粒体概述        486
12.3.2 线粒体靶向探针设计方法          487
12.3.3 线粒体靶向探针应用举例          489
12.3.4 线粒体靶向探针存在的问题与挑战    491
12.4 细胞核光学探针          491
12.4.1 细胞核概述        491
12.4.2 细胞核靶向探针设计方法          492
12.4.3 细胞核靶向探针应用举例          493
12.4.4 细胞核靶向探针存在的问题与挑战    494
12.5 细胞膜光学探针          495
12.5.1 细胞膜概述        495
12.5.2 细胞膜靶向探针设计              495
12.5.3 细胞膜靶向探针应用举例          495
12.5.4 细胞膜靶向探针存在的问题与挑战    498
12.6 内质网与高尔基体光学探针                   498
12.6.1 内质网与高尔基体概述              498
12.6.2 内质网与高尔基体靶向探针设计      499
12.6.3 内质网和高尔基体靶向探针应用举例  502
12.6.4 内质网与高尔基体靶向探针存在的问题与挑战          505
12.7 总结与展望             506

参考文献                     507

索引                        513