香豆素類熒光傳感器檢測金屬離子的研究進展

舒杰明，高云玲，姚克儉，胡穎

（浙江工業大學化學工程與材料學院，浙江 杭州 310014）

香豆素類熒光傳感器檢測金屬離子的研究進展

舒杰明，高云玲，姚克儉，胡穎

（浙江工業大學化學工程與材料學院，浙江 杭州 310014）

金屬離子對自然環境和生物體的生長發育具有重要的影響，因此對環境中及生物體內的金屬離子的識別和檢測正日益受到人們廣泛的關注。在不同的分析方法中，熒光分析法具有靈敏度高、選擇性好和實時原位檢測等優點，是實現環境中和生物體內金屬離子識別和檢測的良好工具。本文綜述了近5年來香豆素類熒光傳感器對一些重金屬離子（Hg2+、Pb2+、Cd2+、Ni2+、Ag+）和一些具有重要生物學意義的過渡金屬離子（Cu2+、Zn2+、Fe3+）的識別與檢測及其應用進展情況，著重介紹了傳感器分子的設計合成、識別機理、傳感特性及其在環境分析和生物檢測中的應用。隨著金屬離子檢測要求的提高，未來香豆素類熒光傳感器的設計將向著靈敏度更高、選擇性更好、抗干擾性能更強的方向發展。此外，香豆素類傳感器在生物檢測中的應用研究有望得到進一步發展。

香豆素；傳感器；選擇性；配合物

汞、鉛、鎘等重金屬毒性強、難降解，會對生態環境中的水體和土壤造成嚴重污染；在植物體內積累，并通過食物鏈進入動物和人體內，導致各種疾病，對人類的健康產生不可忽視的影響。在適量的條件下，銅、鋅、鐵等過渡金屬對生物體的生長發育過程具有重要作用，但缺少或過量也會對生物體產生危害。因此，識別和檢測環境中以及生物體內的這些金屬離子受到人們日益廣泛的關注。熒光傳感器能將分子識別信號轉化為可供測量的熒光信號，具有靈敏度高、選擇性強以及實時原位檢測的優勢。

香豆素類熒光團具有熒光量子產率高、stocks位移大，光化學穩定性好等優點，在熒光傳感器的設計中備受人們的青睞。

1 熒光傳感器的設計及傳感機理

熒光傳感器可分為兩類[1]：一類是化學反應型傳感器，這類傳感器通過與分析物發生特異的化學反應，引起熒光信號變化，從而實現對分析物的檢測；另一類是絡合型傳感器，這類傳感器通過離子絡合作用引起熒光信號變化，從而實現對分析物的檢測。熒光傳感器主要由熒光團、連接基和接受基團三部分構成（圖1）。當分析物與接受基團結合后，導致傳感分子的光物理性質發生變化，具體表現為熒光團熒光的增強或淬滅，或者光譜位移。熒光傳感器的設計一方面要求設計的分子中包含能與特定分析物選擇性相互作用的接受基團，另一方面要求分子中包含能將識別信息轉化為可測量的熒光信號的報告基團。接受基團的設計是傳感器研究中的重要環節，直接關系到傳感器的識別性能。根據被分析物的特性，如金屬離子的直徑、電荷密度、配位數等，選擇合理的接受基團是關鍵。常見的陽離子識別基團有冠醚、吡啶、環芳烴、多胺類、含有中心原子氮或硫的配體等。對于熒光團的選擇，要求其具有良好的光物理和光化學性能。文獻中報道的熒光團常見的有羅丹明、熒光素、芘、蒽、萘酰亞胺、香豆素和BODIPY等。熒光傳感器識別的熒光響應機理[2]主要涉及光誘導電子轉移（PET）、分子內電荷轉移（ICT）、熒光共振能量轉移（FRET）以及形成激基締合物等。

圖1 熒光傳感器工作原理示意圖

2 香豆素類金屬離子熒光傳感器

2.1 香豆素類Hg2+熒光傳感器

金屬汞在自然界中以單質汞、各種有機汞和無機汞的形式存在。其中，由水體微生物代謝產生的甲基汞和非生命形式產生的無機汞具有高毒性和易于在生物體內積累的特點。汞中毒會引起諸如癌癥、心血管、神經系統和生殖系統等疾病，其對人類健康的影響受到人們的極大關注。因此，對Hg2+的檢測具有重要意義。近年，香豆素類熒光傳感器對水體中及生物體內Hg2+的檢測是人們研究的熱點。

香豆素類化學反應型Hg2+傳感器是近年研究的熱門課題[3-10]。這類傳感器通過與Hg2+發生化學反應實現熒光信號的變化，是今后開發研究高靈敏度Hg2+傳感器的重要方法。

2009年，Kim和Lee等[3-4]設計了傳感器1（下文簡稱1，下同）和2。在乙醇水溶液（30∶70，體積比，下同）中，化合物1分子中的硫縮醛與Hg2+發生脫硫作用，硫縮醛基團水解為醛基，引起熒光淬滅，從而實現對Hg2+的選擇性檢測。此外，1能成功實現對人體血漿中Hg2+的檢測；而2在對Hg2+的檢測過程中，Hg2+充當催化劑，促進傳感器分子上的炔烴基和水發生反應生成酮基，使香豆素HOMO（最高占據軌道）上的電子向酮基上的LUMO（最低未占軌道）進行電子轉移，從而引起熒光淬滅。2對Hg2+的響應下限為1.2μmol/L，在紫外光下可用肉眼分辨出傳感器對Hg2+的熒光淬滅效果。

與1、2相比，Cho等[5]合成的傳感器3是熒光增強型傳感器，它是基于：傳感分子在Hg2+作用下發生水解，生成具有強烈熒光的香豆素衍生物3-1（圖2），從而實現對Hg2+的熒光增強檢測，與Hg2+的結合比例為1∶1。

Ma等[7]報道了熒光增強型Hg2+探針4。在乙腈水溶（30∶70，pH=7.0）中，Hg2+能夠誘導探針4脫硫，形成1,3,4-二唑，使原先的氨基硫脲基團由供電子基團變為吸電子基團。熒光分子的共軛體系得到了增強，熒光光譜發生紅移，吸收強度增大。該探針對Hg2+的識別具有靈敏度高和選擇性好的特點。

Chen等[9]設計了反應型熒光傳感器5，該傳感器基于Hg2+脫硫作用原理實現Hg2+的檢測，檢測限為2.6μmol/L，其反應機理如圖3所示。

圖2 Hg2+熒光傳感器1～4

圖3 傳感器5與Hg2+的反應機理[9]

Ma等[6]基于香豆素和羅丹明熒光團設計了傳感器6。傳感器6～9見圖4。Hg2+與傳感器結合后能夠引起羅丹明上的內酰胺發生開環反應。傳感器分子因香豆素和羅丹明間的PET過程受到抑制而使熒光增強，同時傳感器的顏色發生變化，實現對Hg2+的快速定性定量檢測。線性檢測范圍為8.0× 10-8～1.0×10-5mol/L，檢測下限達到4nmol/L。該傳感器實現了自來水和河水中Hg2+的分析，結果令人滿意。

熒光比率傳感器利用兩個特定波長處的熒光強度比值變化作為信號，對外部環境的干擾具有內置的校正作用，提高了探針定量檢測的準確性[11]。

傳感器7和8[8，10]都是反應型的比率Hg2+傳感器。傳感器7對Hg2+的檢測是通過共軛鍵能量轉移（through-bond energy transfer，TBET）機理實現的，與熒光共振能量轉移（FRET）傳感器相比，TBET傳感器對電子給體基團和受體基團的發射光譜沒有重疊的要求，并且有更高效的能量轉移效率。因此，TBET的傳感機理為比率傳感器的設計提供了更廣闊的空間。通過Hg2+促進脫硫作用，化合物7結構中的香豆素基團和羅丹明基團間開啟高效的能量轉移（TBET）進程，使香豆素基團在470nm處的熒光強度減小，而羅丹明基團在580nm處的熒光強度增大。傳感器7對Hg2+表現出高靈敏性，線性檢測范圍為2.0×10-8～3.0×10-5mol/L，檢測限達到了7nmol/L。此傳感器也被應用于生物細胞內Hg2+的成像和實際水樣中Hg2+的檢測，取得了滿意的效果。傳感器8與7結構相似，與Hg2+反應機制相同，但檢測機理為熒光共振能量轉移。在Hg2+促進脫硫作用下，傳感器8的香豆素基團在467nm的發射峰熒光強度減小，而羅丹明基團在590nm的發射峰熒光強度增大，熒光顏色由綠變紅。且傳感器對Hg2+的檢測幾乎不受其他金屬離子的影響，表現了良好的選擇性。另外，該傳感器還被成功地應用于A375細胞內Hg2+的檢測。

圖4 Hg2+熒光傳感器6～9

另一類近年報道較多的香豆素類Hg2+熒光傳感器是“turn-on”（開啟）型或“turn-off”（關閉）型傳感器[12-15]。

9～11都是基于PET機理的Hg2+熒光傳感器。Voutsadaki等[12]以香豆素為熒光團，以雜冠醚為識別基團設計了“turn-on”型傳感器9。該傳感器水溶性好，能夠在純水溶液中選擇性識別Hg2+，解離常數為13.1μmol/L。Guha等[13]將香草醛連接到含氮香豆素上，設計了傳感器10。傳感器10檢測Hg2+的機理如圖5所示，兩個傳感分子與一個Hg2+絡合后，香草醛基團的旋轉受到限制，其氮和氧原子上的電子向香豆素基團進行的PET進程被阻止，從而導致熒光增強。結合常數為2.2×105(mol/L)-1/2，檢測限為1.25μmol/L。Garcia-Beltran等[14]開發的傳感器11是一種新型的“turn-off”型傳感探針。在pH=7.4的緩沖液中，該探針與Hg2+絡合后在460nm處發生熒光淬滅。而且Hg2+的濃度與熒光淬滅程度呈線性關系，相關性高達0.9916。競爭實驗表明該探針對Hg2+具有良好的選擇性，并成功地實現了細胞內Hg2+的成像檢測（圖6）。

Ho等[15]設計合成了三唑基香豆素衍生物熒光傳感器12和13（圖7）。在甲醇-氯仿溶劑（體積比9∶1）中，兩分子化合物12選擇性地結合一分子Hg2+，結合常數為6.94×107(mol/L)-2，檢測限為2.00×10-7mol/L。研究表明，在化合物12中參與絡合的原子是三唑基上2，3位上的氮原子。而乙酰基和4-異丁基苯乙醚上的兩個氧原子對絡合產生了協助作用。與12相比，化合物13在三唑基的4位上用芐基取代了含氧原子的4-異丁基甲醚基團。12以1∶1的比例選擇性結合Hg2+。在相同條件下，與Hg2+絡合后，傳感器13比12熒光增強程度更大。這主要是Hg2+一般情況下能通過自旋軌道耦合淬滅熒光，12結合兩個Hg2+可能會使熒光增強程度減小；另外，12中的鍵合基團更具柔韌性，更易通過非輻射形式減弱熒光。傳感器13與Hg2+的結合常數為7.44×104(mol/L)-1，檢測限為3.15×10-7mol/L。

2.2 香豆素類Pb2+熒光傳感器

鉛是最豐富的重金屬，對環境和人類健康有重要影響。鉛中毒的來源主要有含鉛油漆、含鉛汽油以及受到鉛污染的土壤等，能引發消化系統、腎臟系統以及神經系統疾病。因此，對鉛離子的識別和檢測得到人們的關注。

圖5 熒光傳感器10與Hg2+的作用機理示意圖[12]

圖6 人體腫瘤細胞內加入傳感器11（左）及再加入Hg2+（右）后的熒光照片[14]

圖7 Hg2+熒光傳感器11～13

Roussakis等[16]分別將苯并咪唑、苯并噻唑和苯并唑與香豆素基團相連，設計合成了Pb2+熒光探針14～16。這些探針熒光特性相似，對Pb2+有著良好的親和性。探針14～16與Pb2+結合后，激發光譜在401nm處熒光增強，而在470nm處熒光下降。但其他常見金屬卻沒有明顯引起探針在401nm和470nm處熒光強度的比率變化，這說明探針能以比率特性區分Pb2+和其他常見金屬離子。另外，探針14～16滿足細胞內Pb2+的檢測條件，具有檢測細胞內Pb2+的潛力。探針14～16與Pb2+結合前后的熒光性質及解離常數見表1。傳感器14～19結構式見圖8。

表1 探針14～16與Pb2+結合前后的熒光性質

2.3 香豆素類Cd2+熒光傳感器

鎘是一種高毒性的重金屬，是環境污染物之一。鎘通過被染污的食物、飲用水和煙草等進入人體，會對人的腎臟、肝臟、腸胃、大腦及骨骼等器官和組織造成損傷。因此，研究能檢測出環境和生物組織中的鎘離子的熒光傳感器意義重大。

Swamy等[17]通過在7-羥基香豆素的不同位置引入不同的配位基團設計合成了Cd2+傳感器17～19。在DMSO-HEPES（0.02mol/L，1∶99， pH=7.4）水溶液中，Cd2+能與傳感器17～19絡合形成配位復合物，使傳感器的熒光大幅增強。Cd2+與傳感器17～19的絡合常數分別是1.7×104L/mol、2×105L/mol和1.4×105(mol/L)-1。同時，傳感器17～19也是Zn2+傳感器，其中傳感器17對Zn2+的選擇性比對Cd2+選擇性要好，而傳感器18、19對Zn2+的選擇性雖然優于對Cd2+的選擇性，但并不明顯。

Cd2+傳感器的優劣要看其能否實現對Cd2+和Zn2+的區分。Sumiya等[18]設計的傳感器20同樣是Zn2+和Cd2+傳感器，但其能從Zn2+中區分出Cd2+。在HEPES（100mmol/L，pH=7.3）水溶液中，傳感器對Zn2+和Cd2+在波長437nm和386nm處分別表現出選擇性熒光增強。如圖9所示，Zn2+和Cd2+都與兩個吡啶上的N、胺上的N和酰胺上的O絡合形成1∶1的結構，但Zn2+還與OH-配位，這導致了其π軌道上的電子向香豆素基團轉移，增加了香豆素基團上的電子密度，使其發射波長增大。

傳感器17～20能同時實現兩種金屬離子的識別，這在很大程度上增加了傳感器的使用價值，但進一步發展此類傳感器需要克服選擇性和抗干擾性差的問題。

圖8 Pb2+熒光傳感器14～16 和Cd2+熒光傳感器17～19

Taki等[19]開發了Cd2+比率傳感器21。比率傳感器能克服抗干擾差的問題。在HEPES水溶液中，傳感器對Cd2+具有高親和性，與Cd2+結合后在333nm和356nm處的熒光強度比率增大，能夠實現從其他過渡金屬離子中區分出Cd2+，對Cd2+表現出了良好的選擇性。該傳感器的細胞兼容性好，能夠對生物細胞中的Cd2+進行定性和定量檢測（圖10）。

2.4 香豆素類Ni2+熒光傳感器

鎳是生物系統中不可或缺的微量元素之一，在呼吸作用、生物合成和新陳代謝中發揮著重要作用。然而鎳也是一種有毒的工業污染物，會對人體造成呼吸系統損傷，誘發過敏癥和癌癥。利用傳感器實現對鎳離子的選擇性識別和檢測對環境評價和臨床分析具有重要意義。

2009年，Wang等[20]設計合成了包含香豆素熒光團的聚合物型熒光傳感器22。傳感器22～24結構式見圖11。在中性水溶液中，傳感器與Ni2+作用后熒光增強，對Ni2+的濃度響應范圍為6.67×10-6～5.33×10-5mol/L。傳感器的檢測機理主要是哌嗪環上的兩個N原子與Ni2+發生絡合作用，減弱了其向香豆素基團的供電子能力，從而使熒光增強。該聚合物傳感器在靈敏性和選擇性方面還需進一步改善。

2011年，Rakesh等[21]首次報道了香豆素型Ni2+比色傳感器23。在乙醇水溶液中，23與Ni2+絡合后在270nm和372nm處的紫外吸收峰減弱，而在508nm處產生新的吸收峰。23與Ni2+絡合后，發生了配體向金屬的電荷轉移（MLCT），在508nm處產生新的吸收峰，從而導致顏色改變。23與Ni2+以2∶1進行絡合，結合常數為8.6×109(mol/L)-2。

2012年，Wang等[22]開發了一個簡單、輕便、基于香豆素席夫堿化合物的Ni2+比色傳感器24。將Ni2+添加到24的乙腈溶液中，可以明顯地觀察到溶液的顏色迅速由黃變紅。傳感器與Ni2+結合后，在465nm處的紫外吸收峰減弱，而在486nm和516nm處產生新的吸收峰，因此顏色發生改變。在1∶1的基礎上，通過計算得出傳感器與Ni2+的結合常數為2.9×104(mol/L)-1。

2.5 香豆素類Ag+熒光傳感器

圖9 熒光傳感器20與Zn2+和Cd2+的絡合模型[18]

圖10 比率傳感器21及其應用于Hela細胞內Cd2+檢測的熒光照片[19]

圖11 Ni2+熒光傳感器22～24

圖12 Ag+熒光傳感器25和26

銀是人體內的微量元素之一。銀廣泛應用于醫藥、攝影、電子等工業中。高濃度的銀離子會對環境中的生物產生危害[23]，用傳感器檢測環境中的銀離子引起了人們的興趣。

2008年，Wang等[24]合成了香豆素類“turn-off”型Ag+傳感器25。傳感器25和26結構式見圖12。傳感器與Ag+以1∶1結合后，熒光淬滅達到18倍，而其他金屬離子對傳感器熒光幾乎無影響，這表明傳感器對Ag+有良好的選擇性。傳感器與Ag+結合導致熒光團和配位基之間的PET進程開啟，使熒光發生淬滅。傳感器與Ag+間的解離常數為5.9×10-6mol/L。

2011年，Huang等[25]將含Se2N的螯合基團連接到香豆素基團上，設計合成了熒光增強型銀離子傳感器26。在乙醇水溶液（1∶1）中，26對Ag+表現出高靈敏性和選擇性。傳感器與銀離子以1∶1結合后，配位基團上的電子向香豆素基團轉移的PET進程受到阻止，從而熒光增強。結合常數達到了1.61×108(mol/L)-1，檢測限為5.2×10-8mol/L。

2.6 香豆素類Cu2+熒光傳感器

銅是人體中不可或缺的微量元素，在許多生命進程中扮演著重要角色，如銅離子可作為許多不同金屬酶的催化輔因子[26]。人體內銅一旦缺乏或過量就會造成生長和代謝紊亂，導致諸如老年癡呆癥和帕金森綜合癥等神經性疾病[27]。高濃度的銅離子也會對環境造成污染。因此，采用熒光傳感器檢測環境以及生物體內的銅離子在環境和生命科學領域有著重要意義。

近年，反應型Cu2+傳感器的研究受到很大的關注[28-30]。這類傳感器制備簡單、響應性和靈敏性好，是今后銅離子傳感器一個重要的發展方向。

Kim等[28]設計的傳感器27是一種新型Cu2+傳感器。傳感器27～32的結構式見圖13。在水溶液中，Cu2+催化腙鍵水解使傳感分子的熒光增強。傳感器對Cu2+的檢測不受其他干擾金屬離子的影響，對Cu2+的選擇性良好，檢測限為100nmol/L。Zhou等[29]報道了同樣基于Cu2+催化水解機理的傳感器28，其檢測限達到了35nmol/L。該傳感器被成功地應用到了幼馬血清及兩種水樣中Cu2+的檢測。

另一類反應型Cu2+傳感器是基于Cu2+氧化作用而設計的。如Li等[30]報道的傳感器29。在50%乙腈水溶液中，濃度為1μmol/L的弱熒光化合物29能被Cu2+氧化為發強烈綠色熒光的3-苯并噻唑-7-N,N-二乙基氨基香豆素。傳感器29對Cu2+表現出高度靈敏性和選擇性。這種由金屬離子促進氧化作用實現熒光信號的改變為金屬離子的檢測提供了一種新的方法。

圖13 Cu2+熒光傳感器27～32

基于Cu2+與熒光探針絡合的熒光增強型Cu2+傳感器也是近年的發展趨勢[31-33]。

Chandrasekhar等[31]設計開發了傳感器30和31。通過與Cu2+結合，傳感器30和31的熒光發生顯著增強，絡合常數分別達到了1.9×105(mol/L)-1和6.1×104(mol/L)-1。傳感器30和31對Cu2+具有良好的選擇性。其熒光增強機理主要是基于Cu2+與傳感器的結合阻止了傳感器N=C的旋轉異構化，從而終止了氮孤對電子的PET進程，使熒光增強。這種由含磷化合物作為支撐結構來設計Cu2+傳感器的方法也為設計其他金屬離子傳感器提供了一種思路。

Ko小組[32]根據其提出的“軌道控制增強熒光(FEOC)”機理設計了傳感器32。在80%乙腈水溶液中，傳感器32與Cu2+作用后熒光顯著增強，對Cu2+具有很高的選擇性。這是由于32與Cu2+結合后，結合位點上氮原子的孤對電子與Cu2+發生配位作用，孤對電子向香豆素基團轉移的PET進程被阻止，從而熒光淬滅進程被終止。另外，傳感器與Cu2+結合后，C=N鍵的異構化也能使傳感器的熒光增強，結合常數為3.34×104(mol/L)-1。

Jiang等[33]以8-羥基喹啉為離子載體合成了傳感器33。傳感器33～38的結構式見圖14。在1%乙腈水溶液中，化合物33與Cu2+形成1∶1絡合物，熒光增強13倍。絡合常數為2.88×104(mol/L)-1，檢測限為1.16μmol/L。

“turn-off”型Cu2+傳感器相對于“turn-on”型Cu2+傳感器來說往往在靈敏度和選擇性方面相對較差，因為像Cu2+等順磁性過渡金屬離子對熒光具有天然的淬滅作用[34]。但是這類傳感器在生物應用研究方面有了一定的進展[35-38]。

Jung等[35]設計了對生物體內Cu2+具有高效的選擇性和親和性的“turn-off”型傳感器34。傳感器對Cu2+的絡合常數和檢測限分別是(1.17± 0.29)×105(mol/L)-1和0.5μmol/L。2010年，Ciesienski等[34]合成了新型傳感器35。在10%DMSO水溶液中，傳感器與Cu2+以1∶1的比例絡合后熒光強度降低了75%。而用紫外線照射后，由于光誘導作用使傳感器分解，破壞了Cu2+的淬滅效應，從而熒光得到了2倍的增強。該傳感器雖被用于人體乳腺癌細胞內Cu2+檢測，但靈敏性有待進一步提高。

Helal等[27]和Huang等[36]分別報道了傳感器36和37。基于噻唑-香豆素設計的傳感器36對Cu2+有高選擇性、高靈敏性，這主要是傳感器與Cu2+的結合影響了ICT進程而引起熒光淬滅。傳感器對Cu2+的檢測限達到了0.04μmol/L，絡合常數為2.2 × 106(mol/L)-1。傳感器37在DMSO水溶液（體積比1∶9）中對Cu2+同樣具有高靈敏度和選擇性。晶體結構分析證明了傳感器與Cu2+的結合比例為1∶1。密度泛函理論（DFT）計算闡明了傳感器的熒光淬滅機制，即傳感器與Cu2+結合后，熒光分子形成二維共平面結構。此外，傳感器37還被應用于HepG2細胞內的Cu2+生物成像研究，如圖15所示。傳感器37對Cu2+的檢測限為0.1μmol/L，絡合常數為6.4×105(mol/L)-1。

Chen等[37]開發了基于香豆素和喹啉的傳感器38。該傳感器能在pH值為5～11的范圍內實現水溶液中Cu2+的選擇性檢測。傳感器檢測Cu2+的機理主要利用了傳感器分子和Cu2+結合后形成的絡合軌道促進了N原子上的孤對電子向香豆素基團轉移的PET進程，從而促進了熒光淬滅。此外，在活體細胞中，傳感器對Cu2+亦有較好的響應性，說明傳感器在活體細胞中具有潛在的應用價值。

圖14 Cu2+熒光傳感器33～38

圖15 傳感器37對HepG2細胞內Cu2+成像的熒光照片[36]

Xu等[38]設計了高選擇性熒光淬滅型Cu2+傳感器39。傳感器39和40的結構式見圖16。39對Cu2+響應迅速，熒光淬滅與Cu2+成線性關系。在60%甲醇水溶液中，39與Cu2+的解離常數達到了0.1 μmol/L。此傳感器對人體乳腺癌細胞內Cu2+的成像表明它是良好的細胞內Cu2+顯像劑。

2012年，Yuan等[39]以香豆素和羅丹明為熒光團，設計了基于FRET原理的熒光比率傳感器40。傳感器40在Cu2+的作用下發生熒光共振能量轉移，在473nm處的發射峰減弱，而在481nm處產生新的發射峰。在0.08～30μmol/L Cu2+的作用下，481nm處與473nm處的熒光強度比率呈線性增長，從而能實現Cu2+的定量檢測。該傳感器不但對Cu2+具有較高的選擇性和靈敏性，而且對細胞具有較好的兼容性。所以，傳感器還被用于海拉細胞中Cu2+的成像檢測。

2.7 香豆素類Zn2+熒光傳感器

圖16 Cu2+熒光傳感器39和40

鋅是生物體中含量僅次于鐵的微量元素，在基因表達、細胞凋亡、酶的調節、免疫、神經傳遞等生命進程中扮演著重要的角色[40]。在病理學上，老年癡呆癥、癲癇病、局部缺血性中風等疾病的形成都與鋅的代謝紊亂有關[41]。采用熒光傳感器實現對鋅離子的識別和檢測是一種重要的方法。在報道的鋅離子傳感器中，基于香豆素熒光團的傳感器近年來發展迅速，在靈敏度上有了進一步的提升，并在檢測生物細胞內的鋅離子的應用研究方面有了初步進展。

Li等[42]報道了一種合成簡單的傳感器41。傳感器41～47的結構式見圖17。該傳感器在有機溶劑乙腈中幾乎無熒光，但加入Zn2+后熒光增強，溶液顏色由無色變為黃色，而加入其他金屬離子后卻無明顯變化，表明傳感器能選擇性檢測Zn2+。通過熒光滴定確定了傳感器與Zn2+以1∶1的比例結合，解離常數為(7.7±0.3)×10-5mol/L。

Su等[43]設計了香豆素類“turn-on”型Zn2+傳感器42。在30%乙醇水溶液中，42與Zn2+絡合后熒光顯著增強，發射光譜從483nm藍移到457nm。這是由于42與Zn2+絡合后，氨基脲基團上的電子向香豆素基團進行的ICT進程被阻止，從而恢復了熒光。在0.5～10μmol/L的范圍內，傳感器的熒光強度與鋅離子濃度呈線性關系，檢測限為0.29μmol/L，結合常數為(9.15 ± 3.50)×105(mol/L)-1。應用傳感器42對水樣中Zn2+的檢測結果表明，該傳感器具有簡單實用性。

Yan等[44]開發了一種高靈敏性的Zn2+熒光傳感器43。在含10μmol/L探針43的四氫呋喃溶液中，加入0.5當量的Zn2+，熒光強度達到了19.5倍增幅。但在Cd2+存在條件下，熒光僅增加了2.2倍，說明Cd2+對傳感器的選擇性有一定的影響。該探針對Zn2+的檢測下限達到了10nmol/L。

圖17 Zn2+熒光傳感器41～47

Xu等[45]合成了傳感器44，其分子中包含可異構互變的氨基-氨甲基吡啶結構，與Zn2+結合后最大發射波長從485nm紅移到了505nm，熒光增強9倍，而其他金屬離子并不會引起探針44吸收波長的變化，這表明了探針對Zn2+的良好選擇性。另外，探針44還能以酰胺形式與Cr3+結合，并在485nm處發生熒光增強，發出藍色熒光。而加入不同濃度的Zn2+后，探針分子的酰胺結構發生異構互變成亞氨酸結構，在485nm處的發射強度逐漸減弱，而在505nm處的發射強度逐漸增強。這說明探針44能以比率特性區分Cr3+和Zn2+。同樣，探針44也能區分Hg2+、Pb2+和Zn2+。

Li等[46]以二-2-甲氨基吡啶為識別基團，開發了“turn-on”型Zn2+熒光傳感器45。探針45對Zn2+具有很強的親和能力，與Zn2+以1∶1配位后熒光增強達到13倍。熒光增強機理是45與Zn2+絡合阻止了配位基團上的電子向熒光團轉移的PET進程，導致熒光增強。該探針受到Hg2+、Cd2+、Co2+、Ni2+、Cu2+等金屬離子的干擾，但對活體細胞具有較好的兼容性和低毒性，是實現細胞內定量檢測Zn2+的極具潛力的傳感器。

An等[47]基于香豆素和熒光素基團設計合成的傳感器46在10%乙醇水溶液中與Zn2+結合后熒光顯著地增強了33倍，而且可以觀察到溶液的顏色由無色變為淺黃綠色。這是因為傳感器46與Zn2+絡合引起了羅丹明基團的開環反應，阻止了兩個熒光團之間的PET進程，從而導致熒光增強。此外，傳感器與Zn2+絡合也影響了探針分子內的電荷轉移（ICT）進程，從而能實現溶液顏色的改變。傳感器與Zn2+的結合常數為1.213×104(mol/L)-1，檢測限為6.54nmol/L。

Wu等[48]根據C=N異構互變機制設計了熒光增強型比色傳感器47，它能選擇性地從Cd2+及其他重金屬中鑒別出Zn2+。在乙腈水溶液（體積比3∶7，Tris-HCl，10mmol/L，pH=7.4）中，47與Zn2+結合后熒光增強，發射光譜發生14nm的藍移，溶液呈現出肉眼可見的綠色。檢測機理是47與Zn2+結合后，C=N鍵的旋轉異構受到阻礙，導致分子內的PET進程受阻，熒光增強。47與Zn2+結合常數是3.3×106(mol/L)-1。另外，該探針成功地被應用于肝癌細胞內Zn2+的成像研究（圖18）。同樣根據C=N異構互變機制設計的傳感器48[49]也實現了對Zn2+的選擇性識別，且對乳腺癌細胞內的Zn2+成像效果良好。

2009年，Mizukami等[50]在7-羥基香豆素的8位上引入配位基團以及其他位置上引入修飾基團，設計合成了一系列基于香豆素基團對鋅離子有高親和性能的傳感器49～53，并對其性質進行了研究。其中，探針49和50的配位基相同，修飾基團不同；探針51、52和53的配位基相同，修飾基團不同。探針51、52和53與探針49和50相比對Zn2+有更高的絡合能力。探針49～53對Zn2+的解離常數分別為28pmol/L、14pmol/L、5.2pmol/L、5.0pmol/L和3.6pmol/L。探針49～53都具有比率熒光傳感器的特性，但對Zn2+的選擇性都受到Cd2+的較大影響。而探針53的熒光比率值雖然還受到Fe3+、Cu2+、Co2+的較小影響，但有較好的細胞兼容性，能在可見光的激發下檢測細胞內的Zn2+。傳感器48～53的結構式見圖19。

2.8 香豆素類Fe3+熒光傳感器

圖18 傳感器47應用于HepG2細胞內Zn2+成像的熒光照片[48]

圖19 Zn2+熒光傳感器48～53

鐵在生物系統和許多生化過程中起著至關重要的作用，如在細胞代謝中提供血紅素攜氧能力，作為許多酶促反應的輔助因子等。鐵的缺乏和過量可誘發貧血，肝、腎功能損害，心臟衰竭，糖尿病等疾病[51]。因此，一種簡便、快速的方法用于分析實際樣品中的Fe3+在生物醫學研究中具有重要的意義。

圖20 Fe3+熒光傳感器54～59

2009年，Yao等[52]設計合成了新型基于香豆素衍生物的Fe3+傳感器54。傳感器54～59的結構式見圖20。在HEPES緩沖水溶液（20mmol/L，pH=7.2）中，探針54能選擇性地與Fe3+形成1∶1的絡合物，導致熒光下降，從而從其他金屬離子當中識別Fe3+。探針對Fe3+的解離常數為(0.57 ± 0.07)mmol/L。此探針雖然表現出良好的選擇性，但在靈敏度方面尚未不足。

2011年，Tang等[53]用酰胺鍵將羅丹明B與香豆素基團連接，報道了能檢測Fe3+的熒光傳感器55。在乙腈水溶液（體積比1∶1，HEPES 50mmol/L，pH = 7.0）中，探針55選擇性結合Fe3+，并且熒光大幅度加強。其機理主要是Fe3+誘導羅丹明發生開環反應，致使探針分子中的PET進程被阻止，引起熒光增強。探針與Fe3+以1∶1的比例絡合，絡合常數為1.7 × 104(mol/L)-1。

2012年，Chen等[54]合成了包含酰胺結構的香豆素衍生物傳感器56～59。這些傳感器對Fe3+都具有選擇性淬滅效應。在4個傳感器中，59對Fe3+的選擇性最佳，在其他常見金屬離子存在下能夠識別出乙腈溶液中的Fe3+，其與Fe3+的結合常數為2.2×104(mol/L)-1。

3 結 語

利用香豆素類金屬離子傳感器對環境和生物體內的金屬離子進行分析檢測是近年來人們持續關注和研究的熱點。今后，此類傳感器將向靈敏度更高、選擇性更好、抗干擾性能更強的方向發展，如利用特定反應設計的化學反應型傳感器在提升靈敏度和選擇性上將得到進一步的研究和發展，而比率型傳感器具有抗外界干擾能力強的特性。香豆素類熒光傳感器檢測生物細胞內金屬離子的應用研究雖然有了初步成果，如生物成像、定性檢測，但開發出對細胞無毒、兼容性好并且對細胞內的金屬離子能進行定性和定量檢測的香豆素類傳感器仍需進一步研究。香豆素類熒光傳感器對生物體內金屬離子以及其他生命物質檢測的應用研究將會更加活躍。此外，雖然人們已經掌握了諸多香豆素類金屬離子傳感器的設計方法，但是隨著納米、生物以及超分子化學技術的發展與交融[55]，如何借助新技術的發展來進一步開發靈敏度更高，熒光信號更加穩定，應用領域更加廣闊的傳感器仍然是一個充滿意義的課題。

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New progress in coumarin-based fluorescence sensor for metal ions

SHU Jieming，GAO Yunling，YAO Kejian，HU Ying
（College of Chemical Engineering and Materials Science，Zhejiang University of Technology，Hangzhou 310014，Zhejiang，China）

Metal ions have a significant impact on the environment and the growth and development of organism，therefore，the recognition and detection of metal ions in the environment and organism is gaining widespread attention. Among different analytical methods，fluorescence analysis has the advantages of high sensitivity，good selectivity，real-time andin situdetection，etc.，which is a good tool to achieve the recognition and detection of metal ions in the environment and organism. This paper is aimed to review the coumarin-based fluorescent sensors for the recognition and detection of heavy metal ions (Hg2+、Pb2+、Cd2+、Ni2+、Ag+)，biologically important transition metal ions (Cu2+、Zn2+、Fe3+) and their applications in recent five years，focusing on the design and synthesis of sensors，recognition mechanism，sensing characteristics and applications. With the higher requirement for metal ions detection，the design of coumarin-based fluorescent sensors will be developed for better performance with higher sensitivity，selectivity and stronger anti-interference in the future. In addition，applications of coumarin-based fluorescent sensors in biological detection are expected to be further developed.

coumarin; sensor; selectivity; complex

TP 212.2

A

1000-6613（2014）12-3144-13

10.3969/j.issn.1000-6613.2014.12.004

2014-03-18；修改稿日期：2014-05-08。

國家自然科學基金（20807037）及浙江省自然科學基金（LY12B07010）項目。

舒杰明（1987—），男，碩士研究生。聯系人：高云玲，博士，副教授，主要研究方向為超分子化學及光化學分子傳感器的合成及檢測、生物識別。E-mail gaoyl@zjut.edu.cn；姚克儉，教授，主要研究方向為傳質與分離。E-mail yaokj@zjut.edu.cn。