有機(jī)熒光分子材料指示劑研究文獻(xiàn)綜述

呂怡晨

摘 要：文章主要探討最近十幾年來(lái)有機(jī)熒光指示劑在生物、生態(tài)領(lǐng)域上的研究和突破，包括其方法和應(yīng)用，總結(jié)現(xiàn)有熒光指示劑的不足之處，展望熒光指示劑的未來(lái)發(fā)展。

關(guān)鍵詞：有機(jī)化學(xué)；熒光指示劑；分子材料

中圖分類號(hào)：Q582 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-8937（2016）09-0168-03

熒光分子大多對(duì)周圍的化學(xué)或物理環(huán)境極為敏感，可以探測(cè)到許多人類難以察覺(jué)的微小變化。過(guò)去幾十年，通過(guò)利用熒光分子的上述特性，科學(xué)檢測(cè)在效率和精準(zhǔn)度上有了極大的提升?，F(xiàn)今，熒光材料已經(jīng)有了非常廣泛的應(yīng)用，其中很大一部分是把熒光作為指示劑來(lái)測(cè)量生物生態(tài)指標(biāo)的變化。

1 發(fā)光原理及分類

1.1 發(fā)光原理

熒光物質(zhì)可以吸收短波長(zhǎng)光而使熒光內(nèi)部電子呈激發(fā)態(tài)，發(fā)射出波長(zhǎng)較長(zhǎng)的光。[1]熒光分子材料經(jīng)常會(huì)由于外界原因產(chǎn)生不同的熒光光譜，外力、光、pH、溫度等都是誘導(dǎo)熒光光譜變化的因素。在物理力作用下，熒光分子材料中分子的化合鍵可能產(chǎn)生斷裂，導(dǎo)致分子性質(zhì)發(fā)生變化，使分子的發(fā)射光譜位移。 [2]在光的作用下，激發(fā)態(tài)的熒光分子結(jié)構(gòu)十分不穩(wěn)定，分子也有可能由于受到特定波長(zhǎng)的光照過(guò)長(zhǎng)而產(chǎn)生發(fā)射光譜位移。[1][2]環(huán)境中的pH值與溫度也會(huì)對(duì)熒光分子產(chǎn)生影響。[2]這兩個(gè)因素可以影響分子之間氫鍵或雙硫鍵的組合或斷裂，因而導(dǎo)致分子的折疊結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，熒光發(fā)射光譜偏移。熒光分子材料的極性也會(huì)使得分子間產(chǎn)生力的吸引，產(chǎn)生化學(xué)鍵的斷裂或形成，由此導(dǎo)致分子空間結(jié)構(gòu)的變化，最終導(dǎo)致熒光發(fā)射光譜的位移（此種情況多見(jiàn)于離子間）。[3]

1.2 分 類

從種類上來(lái)說(shuō)，熒光物質(zhì)制作而成的分子材料分為有機(jī)與無(wú)機(jī)兩種。[2]有機(jī)熒光分子材料通常帶有不飽和基團(tuán)來(lái)產(chǎn)生光電性質(zhì)上的變化。[2]無(wú)機(jī)熒光分子材料有硫化物系熒光材料、鋁酸鹽系熒光材料、氧化物系熒光材料及稀土熒光材料等，通過(guò)氧化還原反應(yīng)改變材料中的離子數(shù)量，改變發(fā)光光譜。[2]

在現(xiàn)今社會(huì)中，由于穩(wěn)定性好、對(duì)外界光、力、溫度與pH的作用不敏感，無(wú)機(jī)熒光分子材料廣泛應(yīng)用于熒光粉或熒光燈等產(chǎn)品的生產(chǎn)，很少應(yīng)用于熒光指示劑。有機(jī)分子由于分子大，分子內(nèi)部的氫鍵、雙硫鍵等十分豐富，可以形成復(fù)雜的、獨(dú)一無(wú)二的空間結(jié)構(gòu)。[2]一旦其中的化學(xué)鍵發(fā)生變化，分子的空間結(jié)構(gòu)將改變，由此改變分子的性質(zhì)。[2]因此，有機(jī)分子大多對(duì)環(huán)境變化格外敏感，多用于環(huán)境、生物體內(nèi)和體外的探測(cè)。[2]由于本文的側(cè)重點(diǎn)是熒光指示劑在生物生態(tài)領(lǐng)域的應(yīng)用，因此主要討論在其中起到更大作用的有機(jī)分子熒光指示劑。[2]

2 熒光指示劑應(yīng)用

熒光指示劑在生物生態(tài)學(xué)的研究中得到了廣泛應(yīng)用，包括醫(yī)學(xué)，細(xì)胞學(xué)，環(huán)境學(xué)等。其中，熒光指示劑作為探針，能較為準(zhǔn)確地探測(cè)人體環(huán)境或生態(tài)環(huán)境中某一因素的變化，為研究者提供測(cè)量依據(jù)，協(xié)助研究的進(jìn)一步發(fā)展。熒光指示劑作為基礎(chǔ)的測(cè)量工具，在不少研究中作為橋梁，將兩個(gè)變量聯(lián)系起來(lái)。

2.1 醫(yī) 學(xué)

有機(jī)熒光指示劑的作用在醫(yī)學(xué)中尤為顯著。在Mordon等人的醫(yī)學(xué)研究中，對(duì)pH變化敏感的熒光分子5，6-carboxyfluorescei

n被用作探測(cè)腫瘤細(xì)胞的數(shù)量。此分子有兩條發(fā)射峰值（465 nm和490 nm），隨著pH的上升而紅移。由于惡性腫瘤會(huì)帶來(lái)比正常組織更低的pH，此分子可以探測(cè)到腫瘤細(xì)胞的存在。[4]

2.2 細(xì)胞學(xué)

除醫(yī)學(xué)外，熒光指示劑幫助研究者更進(jìn)一步了解細(xì)胞的結(jié)構(gòu)以及其工作原理。

FAD（黃素腺嘌呤二核苷酸）的熒光對(duì)溫度十分敏感，可以探測(cè)D氨基酸氧化酶的活性與溫度的關(guān)系。[5]當(dāng)溫度變化時(shí)FAD空間結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，不再能有效地與D氨基酸氧化酶結(jié)合。[5]因此，F(xiàn)AD與D氨基酸氧化酶結(jié)合的速度下降，兩者結(jié)合時(shí)后生的相對(duì)熒光發(fā)射量下降，顯示出溫度的變化。通過(guò)FAD的形成速度與其熒光發(fā)射光譜的對(duì)比，可以得出D氨基酸氧化酶的活性與溫度的關(guān)系。如圖1所示。[5]

2.3 植物學(xué)

除了動(dòng)物體內(nèi)的元素測(cè)量，有機(jī)熒光指示劑在對(duì)植物的病原探測(cè)中也起到了作用。熒光圖像可以用來(lái)監(jiān)控個(gè)體中的從環(huán)境中入侵的病原體。Dimitre A. Ivanov，和Mark A. Bernards通過(guò)感應(yīng)葉綠素?zé)晒鈪⒘喀?NO監(jiān)控宿主根體內(nèi)病原體的增長(zhǎng)。數(shù)據(jù)表明，Φ NO 對(duì)于被增加的疾病量非常敏感。[6] 在四個(gè)病原種類的實(shí)驗(yàn)中，其準(zhǔn)確度達(dá)到了95%，99%，82%與80%。[6] 因此，在葉綠素?zé)晒鉁y(cè)量大范圍內(nèi)的熒光強(qiáng)度中，變量ΦNO對(duì)于無(wú)害測(cè)量并監(jiān)控疾病發(fā)展十分有效。[6]

2.4 生態(tài)群系

有的熒光指示劑，例如葉綠素?zé)晒猓梢杂米鳒y(cè)量植被群的環(huán)境變化。由于依賴葉綠素進(jìn)行的光合作用是碳循環(huán)中的重要一環(huán)，植物的葉綠素含量會(huì)對(duì)碳循環(huán)產(chǎn)生重大影響。[7]探測(cè)葉綠素?zé)晒饪梢蕴綔y(cè)葉綠素的含量，由此掌握碳循環(huán)的信息。[7]在實(shí)驗(yàn)中，J.Joiner等從太空中攝取的熒光發(fā)射光譜圖得出葉綠素?zé)晒獾姆植?，獲得有關(guān)碳攝取周期的更多信息。[7]人造衛(wèi)星GOME-F740借助光合作用對(duì)環(huán)境變化的靈敏度，在春秋季節(jié)葉綠素光合作用率的變化進(jìn)行探測(cè)。[7]

同樣，葉綠素?zé)晒膺€可以探測(cè)大環(huán)境中污染物的變化。[8] 當(dāng)環(huán)境被重金屬污染，重金屬離子進(jìn)入植物，不同程度上干擾植物光合作用的進(jìn)行。而葉綠素發(fā)出的熒光與光合作用的速率有著密切聯(lián)系，使得葉綠素?zé)晒饪梢苑从持亟饘傥廴境潭取8]

2.5 個(gè)體與環(huán)境

熒光指示劑還可以用來(lái)探究個(gè)體對(duì)于環(huán)境變化的反應(yīng)。在Wolfgang Binder與Peter？Fielder的實(shí)驗(yàn)中，葉綠素?zé)晒釬var被用作測(cè)量白云杉幼苗在不同緯度霜凍耐寒性的指示劑。[9]回歸曲線顯示，四種緯度的針傷數(shù)量在10%～20%時(shí)熒光的發(fā)射峰值有明顯變化。[9]在10～12月的熒光屬性和可見(jiàn)幼苗針傷缺少關(guān)系，這是因?yàn)樽畹蜏囟龋?18 °C和-24 °C）不足以引起針傷。[9]

在Georgios N Stamatas等人的實(shí)驗(yàn)中，研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)熒光指示劑測(cè)定了慢性環(huán)境損害和年齡變化對(duì)于臉部細(xì)胞更替速度的影響。如果臉部細(xì)胞的更替速度慢，熒光會(huì)逐漸堆積，熒光強(qiáng)度會(huì)上升；反之，如果更替速度快，熒光會(huì)被迅速替代掉，熒光強(qiáng)度下降。因此，通過(guò)測(cè)量臉部的熒光指示劑的更替速度，可以探知臉部皮膚的修復(fù)能力。[11]研究表明，熒光作為指示達(dá)到了95%的準(zhǔn)確度，在很大程度上精確地測(cè)量了皮膚更替與年齡的關(guān)系。[11]如圖2所示。

2.6 生態(tài)指示劑

熒光指示劑也可以用作測(cè)量其它新型指示劑的有效性。為了觀測(cè)花粉可不可以作為大氣污染的生物指示劑，G.Pepponi等人先用反射回來(lái)的x光熒光對(duì)不同地區(qū)的環(huán)境進(jìn)行分析，再采集當(dāng)?shù)氐幕ǚ?，懸干后進(jìn)行元素分析。[12]通過(guò)對(duì)比花粉指示劑測(cè)出的成分與熒光指示劑測(cè)量的成分，發(fā)現(xiàn)花粉在部分元素測(cè)量中得出的結(jié)果與熒光作為指示劑測(cè)量得出結(jié)果相符。[12] 花粉指示劑可以測(cè)試出從鋁到鉑的元素，也可以測(cè)量出存在成分很小的微量元素，結(jié)果如圖3所示。[12]

3 現(xiàn) 狀

通過(guò)上述研究可以看出，隨著人們逐漸不滿足于天然分子所具有的熒光特性，人工合成的分子逐漸占領(lǐng)了市場(chǎng)。人工合成的分子往往具有更高的精準(zhǔn)度和效率，造價(jià)低，因此可以以較低成本批量生產(chǎn)。[3]隨著技術(shù)發(fā)展，尤其是在生物領(lǐng)域中，人工合成熒光指示劑起到了關(guān)鍵的測(cè)量數(shù)據(jù)的作用。[2]

因此，研究新興的熒光有機(jī)分子指示劑也成為了備受關(guān)注的領(lǐng)域。而在生態(tài)方面，由于人工合成分子有的會(huì)對(duì)環(huán)境造成危害，研究中傾向于使用自然熒光分子，如葉綠素?zé)晒?。然而葉綠素?zé)晒獾淖饔帽谎芯空咄诰蛞丫?，已?jīng)不是多數(shù)人所關(guān)注的領(lǐng)域，只能被用作個(gè)體與大環(huán)境關(guān)系之間的測(cè)量，很難有大的進(jìn)展。[3]

未來(lái)的發(fā)展中，熒光指示劑在醫(yī)學(xué)、環(huán)境學(xué)中有著十分巨大的前景。提早預(yù)知或發(fā)現(xiàn)潛在的疾病成為了非常重要的研究方向。作為十分敏感的指示劑，熒光可以有效地發(fā)現(xiàn)人體內(nèi)元素的微小變化，幫助潛在患者預(yù)知自己未來(lái)可能得的疾病。同時(shí)，熒光指示劑的精確定位功能也使得如腫瘤手術(shù)的精密手術(shù)程序得以順利實(shí)行。[4]熒光指示劑也會(huì)對(duì)污染測(cè)量起到極大的貢獻(xiàn)，對(duì)于水質(zhì)、地質(zhì)環(huán)境特征的檢測(cè)非常重要。[8] [10]

4 展 望

在未來(lái)發(fā)展中，熒光由于易于探測(cè)，可能會(huì)有更加廣泛的應(yīng)用。熒光指示劑在醫(yī)學(xué)的探測(cè)癌癥等疾病方面可以有著進(jìn)一步的發(fā)展。如今熒光探測(cè)腫瘤組織的技術(shù)還不夠完善，但是已有不少研究研制或發(fā)現(xiàn)了可以有效偵查腫瘤的熒光分子材料。這些檢測(cè)疾病的技術(shù)，如熒光PCR技術(shù)，都有很大的發(fā)展空間。[12]而隨著無(wú)毒無(wú)害的熒光指示劑的發(fā)明，環(huán)境科學(xué)中的熒光指示劑不會(huì)再過(guò)分依賴于葉綠素?zé)晒獾壬餆晒?。同時(shí)，現(xiàn)在還有很多潛在有效的熒光分子，但是由于性質(zhì)原因不能適應(yīng)探測(cè)環(huán)境。[3]這些分子在未來(lái)發(fā)展中有著很大的潛力，可以借助人工合成的手段進(jìn)行改良，使其擁有探測(cè)能力，從而具有實(shí)際的使用價(jià)值。