羅丹明化學(xué)研究的新進展*

張來新，朱海云

( 寶雞文理學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院，陜西寶雞721013)

羅丹明常作為指示劑是應(yīng)用于分析化學(xué)領(lǐng)域的重要化合物，其母體結(jié)構(gòu)式的合成如下:

羅丹明熒光染料由于其具有特殊的結(jié)構(gòu)及相應(yīng)的特性，使其廣泛應(yīng)用于化學(xué)分析和生命科學(xué)領(lǐng)域。目前研究的焦點多集中于通過結(jié)構(gòu)修飾，優(yōu)化羅丹明分子探針的結(jié)構(gòu)片段，以實現(xiàn)對小分子及離子的特異性識別，并進一步應(yīng)用于生物活體及自然環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域［1］。羅丹明類化合物可用于各類物質(zhì)中金屬離子的測定。近年來，人們研究發(fā)現(xiàn)該類化合物作為染料，不僅具有較大的摩爾吸光系數(shù)，而且還有很好的氧化還原和熒光效應(yīng)。目前它作為吸附指示劑、絡(luò)合(或締合)沉淀劑、絡(luò)合顯色劑、催化氧化還原劑和熒光指示劑，已滲透到化學(xué)分析的各個領(lǐng)域，如光度法、離子締合熒光法、催化熒光法、動力學(xué)分析、伏安法及化學(xué)發(fā)光法等［2］。由于其獨特的特性和廣闊的應(yīng)用前景，目前已發(fā)展成為一門新興的熱門邊緣學(xué)科——羅丹明化學(xué)。

1 新型羅丹明類熒光探針的合成與性能研究

1.1 新型含硅羅丹明類熒光探針的合成與性能研究

羅丹明分子與其常用的熒光探針相比，具有光穩(wěn)定性好、對pH 值不敏感、有較寬的波長范圍和較高的熒光量子產(chǎn)率等優(yōu)點，因此在化學(xué)和生物分析領(lǐng)域是應(yīng)用十分廣泛的生物探針分子?；诹_丹明分子的絡(luò)合與再開環(huán)機理，羅丹明分子已被廣泛用于金屬離子的識別與檢測。尤其是羅丹明類熒光探針應(yīng)用于細胞內(nèi)重金屬離子成像具有重要的意義而被廣泛應(yīng)用于環(huán)境科學(xué)、醫(yī)學(xué)和生命科學(xué)。然而，羅丹明在植物熒光探針應(yīng)用于細胞成像時，其最大的缺點是激發(fā)波長位于紫外區(qū)，用紫外光照射時對細胞損傷大，此外，當(dāng)其發(fā)射波長多在600nm以下時，易受生物體自身熒光的干擾。為此，青島科技大學(xué)的孫磊麗等人設(shè)計合成了一類將硅引入羅丹明分子的新型羅丹明分子，使其發(fā)射波長位于近紅外區(qū)或紅外區(qū)，這對于羅丹明熒光探針在細胞中的成像具有特殊的意義和極大的挑戰(zhàn)性。他們以間二乙胺基苯酚為原料，先與鄰苯二甲酸酐反應(yīng)生成中間體氨基對位?；?A)，A 再與間位含硅取代基的苯酚衍生物作用，制備了含有硅原子的羅丹明類熒光探針分子。研究表明其含硅羅丹明相比傳統(tǒng)羅丹明分子，其發(fā)射峰向長波長方向移動，其最大波長位于620nm，量子產(chǎn)率為0.749［3］。該研究將在生命科學(xué)、環(huán)境科學(xué)及醫(yī)學(xué)研究上得到應(yīng)用。

1.2 新型羅丹明類熒光探針的合成及其對HClO的識別研究

可用于檢測活性氮或氧的熒光分子探針近年來引起了人們的極大關(guān)注。這類探針操作簡便，成本低廉且可以實現(xiàn)實時檢測，更重要的是基于該類探針的熒光成像有利于人們檢測活體中的活性氧或氮。次氯酸是一種非常重要的生物活性氧，在免疫系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用。然而噬菌細胞中產(chǎn)生的非正常產(chǎn)物次氯酸卻會引起癌癥等一系列疾病。因此設(shè)計合成新的熒光分子探針來檢測次氯酸具有重要的應(yīng)用價值。目前已報道的用于檢測次氯酸的熒光探針大多伴隨著熒光淬滅的過程，這不利于對次氯酸的檢測。為此，青島科技大學(xué)的顧瑩瑩等人設(shè)計合成了新的熒光探針分子，并發(fā)現(xiàn)其對次氯酸的檢測是基于熒光增強機理。即他們通過多步反應(yīng)分別合成了香豆素衍生物(A)和羰基連接的鄰位苯甲酸和對氨基鄰位苯酚(B)，再將化合物A和B 在濃硫酸催化作用下生成目標分子新的熒光探針分子(C)［4］，進一步研究表明，該新型羅丹明類熒光探針分子(C)可以高選擇性和高靈敏度地識別次氯酸，其背景干擾很少，絡(luò)合比例為1 ∶1。此外，他們還成功地將該探針用于細胞內(nèi)的熒光成像。故該研究在醫(yī)學(xué)、生命科學(xué)的研究中有著廣闊的應(yīng)用前景。

2 新型羅丹明及香豆素類熒光探針的合成及其對金屬離子的識別

2.1 新型羅丹明熒光探針的合成及其對鐵離子的識別

鐵離子作為一種廣泛存在于細胞中的金屬離子在很多生物過程中具有重要的作用。然而，鐵過量或者貧乏會引起葡萄糖或者化合物的代謝紊亂，從而產(chǎn)生疾病。雖然人體可以自我調(diào)節(jié)鐵含量，但檢測人體中的活性鐵仍是一個巨大的挑戰(zhàn)。目前已報道的用于檢測鐵離子的熒光探針大多伴隨著熒光淬滅的過程，這不利于對鐵離子的檢測。為此，青島科技大學(xué)的朱江華等人設(shè)計合成了一種新型熒光探針分子，使其對鐵離子的檢測基于熒光增強機理。即他們通過多步反應(yīng)分別合成了二酰肼多元酚(A)和羰基連接的鄰位苯甲酸和對氨基鄰位苯酚(B)，化合物A 和B 在濃H2SO4催化作用下環(huán)合生成目標化合物(C)，化合物C 和水合肼縮合可以生成最終目標分子新型羅丹明類熒光探針分子(D)［5］，其產(chǎn)率為27%。他們的進一步研究還發(fā)現(xiàn)，該D 化合物可以高選擇性和高靈敏度地識別鐵離子，背景干擾小，其絡(luò)合比例為1 ∶1。此外，他們還成功將該探針用于細胞內(nèi)的熒光成像。該研究將在生命科學(xué)、生物化學(xué)、生物物理、環(huán)境科學(xué)、醫(yī)學(xué)及分析分離科學(xué)的研究中得到應(yīng)用。

2.2 新型羅丹明類熒光探針的合成及其對Cu2+的識別

羅丹明是一類已商品化的熒光團，在化學(xué)和生物分析領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛。與其它常用的熒光團相比，其優(yōu)點在于它具有光穩(wěn)定性好、對pH 不敏感、較寬的波長范圍和較高的熒光量子產(chǎn)率等，因而被廣泛用于金屬離子的識別與檢測，特別是細胞內(nèi)的重金屬離子成像。但羅丹明在作為熒光探針應(yīng)用于細胞成像時，由于激發(fā)波長位于紫外區(qū)，對細胞的損害大，因此，改造羅丹明分子的結(jié)構(gòu)，設(shè)計與合成用于細胞內(nèi)熒光成像的羅丹明類熒光探針，是一項十分重要和艱巨的挑戰(zhàn)性工作［6－7］。為此，青島科技大學(xué)的胡文洲等人以羅丹明衍生物為原料，先與水合肼縮合生成中間體(A)，A 再與香豆素衍生物反應(yīng)，合成了一種新型羅丹明探針分子，其產(chǎn)率為23%［8］。熒光測試研究還發(fā)現(xiàn)，該探針可以高選擇性和高靈敏度地識別銅離子，其絡(luò)合比例也為1 ∶1。該探針的發(fā)射峰位于590nm，有利于在分子成像時減少對細胞的損害［8］。該研究將在生物化學(xué)、生物物理、生命科學(xué)、環(huán)境科學(xué)及分析分離科學(xué)中得到應(yīng)用。

2.3 新型香豆素類熒光探針的合成及其對Hg2+的識別

熒光分子探針在應(yīng)用中操作簡單、成本低、可實現(xiàn)實時檢測并可用于細胞成像。因此，近年來可用于檢測陰陽離子的熒光探針引起了人們極大的研究興趣。在諸多金屬離子中，汞離子是毒性最大的重金屬離子之一，它可以對環(huán)境造成極大的污染。實驗證明汞離子可以對大腦造成損傷，從而引起嚴重的精神和行為紊亂。因此，人們對于利用分子熒光探針檢測汞離子給予了極大的關(guān)注，并取得了一系列研究成果。然而，已有的熒光探針在檢測汞離子的過程中大多伴隨著熒光淬滅。而基于熒光增強響應(yīng)的熒光探針分子的設(shè)計合成就顯得十分迫切和需要。為此，青島科技大學(xué)的胡文洲等人以4 －(二乙胺基)水楊醛和丙二酸二乙酯在醋酸催化下加熱回流生成香豆素衍生物(A)，A 與氨水發(fā)生氨解生成對應(yīng)的酰胺類物質(zhì)(B)，最后含酰胺取代基的B 和Lawesson 試劑反應(yīng)生成新型香豆素?zé)晒馓结樂肿?C)，其產(chǎn)率為31%［9］。熒光測試實驗表明該探針分子C 能高選擇性和高靈敏性地識別汞離子，該過程為熒光增強過程。此外，該探針分子也能用于細胞成像。該研究將在環(huán)境科學(xué)、生命科學(xué)、醫(yī)藥學(xué)及分析分離科學(xué)等研究中得到應(yīng)用。

3 結(jié)語

綜上所述，羅丹明類化合物在無機組分(特別是金屬離子)的光度法、熒光法和電化學(xué)分析中得到了廣泛的應(yīng)用，使之成為分析試劑中不可缺少的物質(zhì)。與此同時，羅丹明類化合物已廣泛應(yīng)用于環(huán)境科學(xué)、食品科學(xué)、化妝品科學(xué)、生命科學(xué)、醫(yī)學(xué)分析及染料科學(xué)中，隨著新的分析手段和新的分析方法的不斷涌現(xiàn)，合成和發(fā)現(xiàn)一些水溶性好，具有良好分子標識選擇功能的羅丹明類試劑及其衍生物，用于無機、有機以及生物活性分子的檢測，是今后羅丹明類試劑發(fā)展的重要方向之一。同時還應(yīng)加強對其作用機理的探討和研究，使該類物質(zhì)的應(yīng)用更加完整、系統(tǒng)、廣泛，并形成一套有理論指導(dǎo)實踐和應(yīng)用的分析方法。

［1］Kim H N，Lee M H，Kim H J，et al. A new trend in rhodamine-based chemosensors:application of spirolactam ring-opening to sensing ions［J］.Chem. Soc. Rev. ，2008，37:1465 －1472.

［2］Chen X，Pradhan T，Wang F，et al. Fluorescent chemosensors based on spiroring-opening of xanthenes and related derivatives［J］. Chem. Rev. ，2012，112:1910 －1956.

［3］孫磊麗，朱江華，胡志強. 新型含硅羅丹明類熒光探針的合成與性能研究［C］∥全國第十七屆大環(huán)化學(xué)暨第九屆超分子化學(xué)學(xué)術(shù)討論會論文集. 吉林延吉:延邊大學(xué)，2014:72 －73.

［4］顧瑩瑩，朱江華，江一. 新型羅丹明類熒光探針的合成與其對HClO 的識別性能研究［C］∥全國第十七屆大環(huán)化學(xué)暨第九屆超分子化學(xué)學(xué)術(shù)討論會論文集. 吉林延吉:延邊大學(xué)，2014:74 －75.

［5］朱江華，胡文州，江一. 新型羅丹明類熒光探針的合成與其對鐵離子的識別性能研究［C］∥全國第十七屆大環(huán)化學(xué)暨第九屆超分子化學(xué)學(xué)術(shù)討論會論文集. 吉林延吉:延邊大學(xué)，2014:75 －76.

［6］Ko S K，Yang Y K，Tae J，et al. In Vivo Monitoring of Mercury Ions Using a Rhodamine-Based Molecular Probe［J］. J. Am. Chem. Soc. ，2006，128(43):14150 －14155.

［7］Escobedo J O，Rusin O，Lim S，Strongin R M. NIR dyes for bioimaging applications［J］. Current Opinion in Chemical Biology，2010，14(1):64－70.

［8］胡文州，孫磊麗，胡志強. 新型羅丹明類熒光探針的合成與其對Cu2+的識別性能研究［C］∥全國第十七屆大環(huán)化學(xué)暨第九屆超分子化學(xué)學(xué)術(shù)討論會論文集. 吉林延吉:延邊大學(xué)，2014:78 －79.

［9］胡文州，顧瑩瑩，胡志強. 新型香豆素類熒光探針的合成與其對Hg2+的識別性能研究［C］∥全國第十七屆大環(huán)化學(xué)暨第九屆超分子化學(xué)學(xué)術(shù)討論會論文集. 吉林延吉:延邊大學(xué)，2014:76 －77.