Fe3+離子熒光探針的研究進展

王作輝，王淑敏

（鶴壁職業(yè)技術學院，河南 鶴壁 458030）

金屬離子熒光探針因其在環(huán)境及生物化學領域的廣泛應用而受到關注[1]。鐵離子是生命體必需的離子之一，很多細胞水平的生物及化學過程需要鐵離子的參與[2-3]。因此，研究對鐵離子的檢測在環(huán)境及生命科學中都具有重要意義。目前，原子吸收光譜(AAS)、電感耦合等離子體-原子發(fā)射法(ICP-AES)、電感耦合等離子體-質(zhì)譜法(ICP-MS)、電化學方法等已用來檢測鐵離子，盡管這些方法具有較高的靈敏度，但常需要昂貴的儀器、復雜的樣品前處理和專業(yè)的操作人員等。熒光法由于具有選擇性高、靈敏度好、儀器簡單、操作簡便等優(yōu)點而備受分析工作者的關注?；谝陨显颍鞣N結構新穎的鐵離子熒光探針不斷涌現(xiàn)。本文綜述了近年來鐵離子熒光探針的研究進展。

1 羅丹明類鐵離子熒光探針

羅丹明類染料具有熒光量子產(chǎn)率高、剛性平面結構較大、水溶性好、毒性小、最大發(fā)射波長位于紅色光-可見光區(qū)等優(yōu)點。另外，羅丹明類染料又存在螺環(huán)與開環(huán)之間的平衡，當羅丹明染料處在螺環(huán)形式時沒有熒光，而其開環(huán)狀態(tài)卻有強的熒光。這就使得利用金屬離子調(diào)節(jié)這兩種狀態(tài)的平衡進而應用于其檢測成為研究的熱點[4-6]。

張玲菲等[7]結合硫雜杯芳烴和羅丹明衍生物各自的優(yōu)勢，合成了離子誘導型單取代羅丹明B熒光基團修飾的硫雜杯[4]芳烴衍生物1。在乙醇-水(1/1，V/V)Tris-HCl(pH=6.0)緩沖溶液中，1對Fe3+呈現(xiàn)熒光“關-開”響應，使熒光顯著增強。更為重要的是還伴有顏色變紅現(xiàn)象。據(jù)推測，這是因為1與鐵離子結合時，F(xiàn)e3+的絡合作用誘導了1中酰胺羰基雙鍵斷裂，導致羅丹明內(nèi)酰胺信號基團的開環(huán)。富電子的咕噸環(huán)重排為醌式結構，產(chǎn)生熒光及顏色的巨大轉變，從而實現(xiàn)了對Fe3+的選擇性識別。

化合物1

黎俊波等[8]設計合成的羅丹明衍生物2，6-二羅丹明B酰肼西夫堿2在乙腈溶液中遇Fe3+離子后，溶液變?yōu)榉奂t色，且熒光增強715倍，而其它金屬離子加入后無強的熒光，對Fe3+表現(xiàn)出高選擇性。向2與Fe3+的乙腈溶液中加入EDTA（2×10-4mol·L-1）后熒光消失，2又回到“關環(huán)”狀態(tài)。筆者推測，這是由于2與Fe3+絡合后，螺環(huán)碳打開，形成了氧雜蒽環(huán)結構，這個共軛大π鍵的形成使其紫外-可見吸收及熒光大幅增加。Zhang L Z等[9]合成的Fe3+熒光探針3可以在pH值為5～9的范圍內(nèi)使用。據(jù)此，Zhang L Z課題組在研究中成功獲得了細胞內(nèi)Fe3+分布的熒光圖像。

化合物3

2 吡啶類鐵離子熒光探針

吡啶是含有一個氮雜原子的六元雜環(huán)化合物，吡啶環(huán)中氮原子易于同金屬離子配位使其常被用于熒光探針的設計。

易衛(wèi)國等[10]設計合成了以2-苯基苯并噻唑為熒光團、N-(2-吡啶甲基)胺為識別基團的熒光探針4。4在乙醇／水(1∶1，V/V)溶液中，能從常見的金屬離子中以95%的熒光淬滅率選擇性地識別Fe3+。探針分子熒光猝滅的機理是4取代氨基氮原子上的孤對電子容易轉移，且2-芳基苯并噻唑為非對稱的剛性平面結構，內(nèi)含大的共軛體系，具有強吸電子能力，可使結構中電子給體與電子受體之間的相互作用大大增強。當鐵離子和探針分子的識別基團配位時，引發(fā)2-芳基苯并噻唑基與雙2-吡啶甲胺基的C-N鍵發(fā)生扭轉，導致原有的共軛體系被破壞，從而引起熒光淬滅。Zhou Q Y等[11]合成了2-吡啶甲醛-對-苯基二腙5。Fe3+可以選擇性淬滅5的熒光，而其它金屬離子無此效果。而且，F(xiàn)e3+淬滅5的熒光的行為是可逆的，當向溶液中加入還原劑如NH2OH，使 Fe3+還原為 Fe2+，5的熒光得以恢復，或者是向溶液中加入EDTA也可恢復5的熒光，這對于熒光“開-關”的設計具有一定的啟發(fā)意義。

化合物4

化合物5

Wei T B等[12]設計合成了一個聯(lián)接萘酚O-H和亞胺基團的簡單的熒光探針6。Fe3+可以使該探針溶液的顏色由黃色變?yōu)闊o色，而其它離子的加入則沒有這種顏色變化，因此6具有比色識別Fe3+的功能。而發(fā)生這種顏色顯著變化的原因是：Fe3+與探針以1∶1的比例絡合時，6的結構發(fā)生了異構化，萘酚O-H基團轉化為萘酚醌，同時亞胺鍵也被打破，從而使鍵長縮短，導致6遇Fe3+時顏色發(fā)生變化。另外，6還具有熒光檢測Zn2+的功能。該探針能用于同時識別兩種離子，為我們今后設計熒光探針提供了一種新穎的方法。Li Z X等[13]設計的熒蒽基熒光探針7可用于環(huán)境和生物樣品中Fe3+的檢測。當向7的乙醇溶液中加入Fe3+后，會極大地降低探針7的熒光強度。其熒光變化的機制為：Fe3+離子的順磁性和未填充的d軌道促使熒光基團打開一個非輻射性失活通道使電子和能量發(fā)生了轉移，從而使7的發(fā)光強度降低。

化合物6

化合物7

3 萘酰亞胺類鐵離子熒光探針

1,8-萘酰亞胺熒光材料的分子中包含一個平面性很強的萘環(huán)結構單元，分子的一端有強的給電子基團，另一端有強的吸電子基團，因此，其分子結構中存在著一個很大的“吸-供電子共軛體系”。處于該體系中的電子很容易受到光的照射發(fā)生躍遷，從而產(chǎn)生熒光。因此，1，8-萘酰亞胺是常用的合成熒光探針的優(yōu)秀前體。Xu J H等[14]設計制造的熒光探針8與2-甲基丙烯酸羥乙酯在紫外光照射下發(fā)生共聚并被固定在改性石英玻璃板的表面上制成光極膜。8和Fe3+形成基態(tài)復合物導致熒光淬滅，從而實現(xiàn)對Fe3+的識別。在水溶液中，8對Fe3+離子的檢測顯示出響應快速、恢復時間短、重現(xiàn)性好、可逆性強和選擇性高的優(yōu)點。此外，由于共價固定化使得8不會從光極膜浸出。該光極膜有足夠長的壽命和光譜響應特性，能保證正常使用至少2個月而不發(fā)生變化。

Yang L等[15]由1,8-萘二甲酸酐和三（2-氨基乙基）胺一步合成了Fe3+熒光探針9。9對金屬離子的響應在很大程度上受溶劑的影響。在DMF中，9是一個具有高度選擇性的“關斷”型Fe3+熒光探針，使熒光淬滅；而在 DMF/H2O（4∶1 或 2∶3，V / V）中，9是一種具有高選擇性和靈敏度的“接通”型Fe3+離子熒光探針，使熒光增強。這也給我們一個重要啟示：1,8-萘二甲酰亞胺基熒光探針結構上微小的變化，就可能導致行為上的巨大差異。

化合物8

化合物9

4 其它鐵離子熒光探針

Doo Y L等[16]合成的苯并咪唑類蒽偶聯(lián)熒光探針10能夠通過熒光比率識別Fe3+。10的分子中包含苯并咪唑和蒽兩個熒光團，通過對10的溶致變色行為進行精準微調(diào)，使其對Fe3+具有很高的選擇性。這兩個熒光團被選擇的原因是：兩個熒光團可以在相同的波長被激發(fā)，但熒光輸出必須是不同的；蒽基部分通常具有“開－關”行為，而苯并咪唑部分可發(fā)生“開－關”行為和電荷轉移（CT）引起的波長移動。這種設計對于通過測量兩種波長熒光強度的比值實現(xiàn)比率熒光識別是很有幫助的。比率法的優(yōu)點是可以消除來自受體濃度、空白和環(huán)境的影響，這對熒光探針的設計尤為重要。

化合物10

Feng L H等[17]設計合成的Fe3+熒光探針由水溶性的β-環(huán)糊精和2,6-二（苯并惡唑基）吡啶11組成。在該熒光探針中，11作為金屬離子受體，采用一個半剛性的V形構型，這樣不但能夠選擇性地與金屬離子結合，其氮原子同時還可以作為離子受體和光誘導電子轉移淬滅劑。此外，11能夠進入β-環(huán)糊精空腔，并形成親水性包合物，使其能在水溶液環(huán)境下檢測Fe3+。Fe3+在中性水溶液中對熒光探針有著顯著的熒光淬滅，顯示出對Fe3+高度的選擇性和靈敏度。此外，熒光探針對Fe3+的響應信號穩(wěn)定，具體表現(xiàn)為pH值大于3.6時，pH值幾乎沒有影響。

化合物11

Sr ung S等[18]設計合成的Fe3+熒光探針2-羥基芐基丹磺酰尸胺12隨著Fe3+濃度的增加，表現(xiàn)出顯著的熒光淬滅行為，對Fe3+具有很高的選擇性。筆者推測，12熒光淬滅的機制是Fe3+與它的結合引起配體金屬的電荷轉移，12的電子電荷轉移到Fe3+的d軌道，使電荷在激發(fā)態(tài)分布，最終導致12的熒光淬滅。

化合物12

5 展望

綜上所述，近年來基于羅丹明B、吡啶、1，8-萘酰亞胺合成的Fe3+熒光探針因表現(xiàn)出了良好的離子選擇性和靈敏性而發(fā)展比較迅速。它們在細胞內(nèi)Fe3+的定量分析檢測以及環(huán)境中Fe3+的快速監(jiān)測方面表現(xiàn)出了良好的應用潛力和前景。如何將這些熒光探針應用到具體的實際中，如何設計更高靈敏度和更好選擇性的Fe3+熒光探針，實現(xiàn)熒光探針分子的器件化、商業(yè)化進而使之更好地服務于生產(chǎn)、生活將是大家更為關注的課題。

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