用于環境中Cu2+檢測羅丹明類熒光探針設計及識別機理研究進展

張淑惠,牛臣翰,張 鑫,何樹麗,隋芳含,劉 磊

(臨沂大學 資源環境學院，山東 臨沂 276000)

1 Cu2+識別的意義與方法

Cu2+作為自然產生或工業與制造業中的副產品而存在于環境中，銅礦的過度開采冶煉，會導致環境大氣、土壤和水的污染。對于生命而言，Cu2+是植物和動物生命活動中必需的微量元素，人體細胞必須保持最佳銅離子濃度才能維持細胞正常離子代謝平衡。通常，人體血液中Cu2+的平均濃度在15.7～23.6 μm特定范圍內，世衛組織將飲用水中Cu2+的最大允許標準設置為30 μM，成人每天平均攝入量不應超過10～12 mg。人體缺銅會導致貧血、孟克斯綜合征、阿爾茨海默病等病癥，但體內濃度蓄積過高，又可引起肝臟或腎臟損傷，嚴重時出現腎衰竭及尿毒癥等病癥[1-3]。因此，對于環境和人類生命健康而言，由于Cu2+有毒有害的基本特性使其檢測與監測事項至關重要。

經過多年的發展，傳統Cu2+檢測方法主要包括離子色譜法、高效液相色譜法、原子吸收光譜法、紫外-可見分光光度法、原子熒光光譜法、電化學方法、比色法、質譜法、中子活化分析法、熒光分析等[4]。傳統的重金屬離子檢測方法雖然精度高、測量范圍寬、抗干擾能力強，但仍存在樣品處理前復雜、儀器設備昂貴，無法在線檢測等劣勢。熒光分析法因其測試靈敏度高、操作簡單易行、成本低、特異性強已被廣泛運用到Cu2+高效的金屬離子選擇性識別中。

2 熒光探針金屬離子識別概述

熒光探針是一種能夠識別不同化學粒子(陰陽離子)并將這些粒子的濃度轉換成可識別信號或電信號的傳感器。熒光探針受到溶劑或者環境中的外源生物化學的影響將改變熒光強度或熒光光譜的位置，熒光探針技術的發展用于識別和感測生物和環境上重要的金屬離子，并以其靈敏度高、速度快、準確度高、特異性、成本低、操作簡單、成本高敏感特異性、實時監測和短響應時間，特別適用于對樣品進行實時檢測與生物質熒光成像，已成為科學家們研究的熱點。目前，熒光探針常用的熒光團主要有萘、蒽、芘、1,8-萘酰亞胺、羅丹明、卟啉、熒光素、香豆素等[5]。

以羅丹明及其衍生物作為母體設計合成的熒光探針具有激發波長較長，光穩定性好，熒光量子產率高，消耗光系數高等優點[6]，當羅丹明及其衍生物處于螺內酰胺(環閉合)結構時，它們是無熒光和無顏色的。當羅丹明及其衍生物的螺內酰胺結構打開(off-on)，熒光明顯增強，顏色變紅。若將其它金屬離子識別基團引入到羅丹明螺內酰胺的結構中，則金屬離子與識別基團之間的相互作用可形成羅丹明螺內酰胺鍵，會發生閉環或開環變化[7-8]，同樣會發生顏色變化，肉眼可識別，因此，以羅丹明及其衍生物為母體構建熒光探針引起了人們廣泛關注。

3 羅丹明類銅(Ⅱ)離子熒光探針

3.1 熒光淬滅型

You和Huang等[9]報道了一種以羅丹明B為母體的熒光探針(1)，探針(1)與Cu2+絡合后引起內酰胺環打開，氧雜蒽部分和Cu2+離子-偶極和軌道-軌道相對強的相互作用，導致Cu2+熒光猝滅，可能的絡合機理如圖1所示。Tang等[10]設計合成了新型的羅丹明衍生物(2)，分子結構如圖2所示，Cu2+的加入雖然使得羅丹明內酰胺環打開，但同時形成了新的吸收峰(556 nm)，會導致Cu2+熒光淬滅，溶液熒光強度低。

圖1 熒光探針(1)與銅離子反應機理

圖2 探針(2)的分子結構

3.2 熒光增強型

相對于熒光淬滅，熒光增強的信號變化更易于有效檢測，從而提高探針的靈敏度。因此，在實際應用中，熒光增強型探針往往比淬滅型更具優勢。化學反應型探針是 Cu2+熒光增強型探針設計的重要手段，而且通常具有較好的選擇性，大多數過渡金屬離子具有較強的吸電子能力，可用作路易斯酸來促進或催化某些化學反應，特定Cu2+化學反應型探針是基于Cu2+誘導的氧雜蒽類熒光團(羅丹明、熒光素)的開環反應而設計的。1997年美國Czarnick[11]研究小組報道的螺環結構的羅丹明B酰肼(RBH)探針(3)。加入Cu2+后，銅離子催化使羅丹明酰肼發生水解反應,生成了羅丹明B,反應機理如圖3。Kumar[12]等合成了一種新型羅丹明B衍生物(4)，在乙腈水溶液中加入Cu2+后,羅丹明B衍生物(4)的熒光強度增強，可以作為檢測Cu2+的高選擇性熒光探針，反應機理如圖4。

圖3 羅丹明探針(3)與銅離子反應機理

圖4 羅丹明B衍生物(4)與 Cu2+反應機理

圖5 羅丹明探針(5)與銅離子反應機理

周麗波等[4]以羅丹明 6G為原料合成了一種新的銅離子熒光探針(5)，在體積比V(CH3OH)/V(H2O)= 1∶1介質中探針(5)能高選擇性的識別Cu2+，探針(5)的熒光強度受pH值的影響很小，可以高靈敏度、高選擇性的檢測環境中Cu2+，反應機理與圖5。Yi[13]等用羅丹明B酰肼為原料合成了一種新的銅離子熒光探針(6)。吡啶基團的引入可增加與Cu2+的配位點，探針(6)可以通過配位作用選擇性識別Cu2+，顏色從無色變為黃色，反應機理如圖6所示。

圖6 羅丹明探針(6)與銅離子反應機理

Wang等[14]設計合成了一種銅離子熒光探針的羅丹明B衍生物(7)。Cu2+誘導羅丹明B衍生物(7)環發生開環反應，在20min內，顏色由無色變為粉紅色，熒光強度顯著增強，反應機理如圖7 。賈治芳等[15]設計并合成了一種未曾報道的胡椒醛-羅丹明B衍生物熒光探針(8)，并將其用于識別金屬銅離子。研究表明，在pH值為7.4的Tris-HCl緩沖溶液中，在乙腈/水的溶液體系中，探針為無色且無明顯熒光強度，Cu2+的加入使得探針螺環打開體系共軛增加，溶液由無色變為粉色，反應機理如圖8所示。

圖7 羅丹明探針(7)與銅離子反應機理

圖8 羅丹明探針(8)與銅離子反應機理

3.3 PET 型

通過PET機理可以實現熒光開關，是設計增強型熒光探針是一種常用的方法。如果識別基團是多齒配體，并且通過與金屬離子螯合增強熒光(Zn2+、Mg2+的識別)，則這個過程稱為螯合增強熒光效應。檢測Cu2+的PET熒光探針有一定的局限性，Cu2+的順磁性會導致熒光猝滅，因此檢測Cu2+的PET型探針報道較少[16-17]。

3.4 比率型

He等[18]設計合成了一種由香豆素和羅丹明6G相連構成的新型Cu2+比率型探針RCl(9)(圖9)。在識別Cu2+過程中，因配位效應導致羅丹明6G的“off-on”，其吸收光譜與香豆素的發射光譜有較好的匹配度，改變了FRET的傳能效率，實現了對Cu2+的比率檢測。Fan等[19]報道了萘二甲酰亞胺羅丹明基TEBT比率熒光探針(10)SR-23用于Cu2+的檢測(圖10),隨著體系中Cu2+的濃度增加，檢測體系在535 nm處熒光發射強度明顯降低，同時在577 nm處出現新的熒光發射峰，體系發生TBET過程。

圖9 熒光探針(9)的分子結構及與Cu2+反應熒光光譜

圖10 熒光探針(10)的合成路線

4 結語

銅離子熒光探針的研究已經近二十多年，某種程度上說，研究者們在開發新的熒光銅離子探針方面是隨機的，經常得到負面的結果，至今還沒有遵循一定的原則的熒光探針的設計產生。目前，基于羅丹明及其衍生物為母體的化學反應型銅離子熒光探針已展現出了獨特優勢，從而基于羅丹明及其衍生物為母體的Cu2+的熒光探針具有足夠的空間去研究發現，未來會獲得重要的成果，具有廣闊的研發應用前景。