Fe3+熒光探針的研究進(jìn)展

楊志偉，馮 楊，韓宇珠，刁全平

(鞍山師范學(xué)院 化學(xué)與生命科學(xué)學(xué)院，遼寧 鞍山 114007)

隨著我國(guó)工業(yè)生產(chǎn)的迅速發(fā)展，“三廢”的排放量急劇增加，環(huán)境污染已經(jīng)嚴(yán)重影響國(guó)家發(fā)展和人民身心健康，因而備受關(guān)注[1]。尤其在金屬離子污染方面，國(guó)家更是投入了大量的物力和財(cái)力，用來(lái)研究對(duì)金屬離子的檢測(cè)和其污染的應(yīng)對(duì)方案。金屬離子的檢測(cè)方法眾多，主要有伏安法、原子吸收光譜法、原子發(fā)射光譜法、電感耦合等離子體質(zhì)譜法[2-7]等，但是這些方法大多對(duì)實(shí)驗(yàn)條件要求較高，并且儀器昂貴、成本高、時(shí)間長(zhǎng)、樣品前處理復(fù)雜等，熒光探針?lè)治龇ň哂刑禺愋詮?qiáng)、靈敏度高、反應(yīng)迅速、操作簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)備受廣大有機(jī)合成和化學(xué)分析研究者的矚目。

鐵屬于過(guò)渡金屬，在現(xiàn)代工業(yè)以及建筑材料中具有不可或缺的地位，同樣也是人體當(dāng)中含量最高的過(guò)渡金屬元素。Fe3+廣泛存在于自然環(huán)境和生物體內(nèi)[8]。Fe3+在許多化學(xué)和生物學(xué)過(guò)程中，扮演著重要的角色，F(xiàn)e3+可以提高血紅素運(yùn)輸氧氣的能力，參與合成血紅蛋白和其它各種生物酶促進(jìn)細(xì)胞的生長(zhǎng)和代謝[9]。缺鐵會(huì)引起缺鐵性貧血，表現(xiàn)為皮膚泛黃缺乏紅潤(rùn)之色，并且會(huì)導(dǎo)致新陳代謝紊亂以及免疫系統(tǒng)的功能下降，進(jìn)而引發(fā)多種疾病[10]。如果人體中的Fe3+濃度過(guò)高則會(huì)引發(fā)細(xì)胞的癌變和某些器官的功能紊亂，如心臟、肝臟和胰腺等，進(jìn)而引發(fā)血?dú)馍爻林Y以及心臟病等其他的疾病[11]。本文概述了幾種Fe3+熒光探針的研究進(jìn)展，并對(duì)不同的熒光探針進(jìn)行了綜述和比較。

1 香豆素類

陳兆輝等[12]在香豆素衍生物的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)合成了一種水溶性良好的熒光猝滅型熒光探針：7-二乙氨基-3-甲醛香豆素(圖1)。該熒光探針的熒光發(fā)射性能良好，研究表明探針與Fe3+的結(jié)合比為1∶1，由于Fe3+參與了探針中電子/能量轉(zhuǎn)移過(guò)程，從而促使香豆素有機(jī)熒光基團(tuán)產(chǎn)生了非輻射的能量轉(zhuǎn)移過(guò)程，最終導(dǎo)致熒光猝滅；探針的最大熒光發(fā)射峰位于471 nm，隨著Fe3+濃度不斷升高，熒光強(qiáng)度會(huì)逐漸減弱。當(dāng)Fe3+濃度處于0.02～60.00 μmol/L范圍時(shí)，探針的熒光發(fā)射強(qiáng)度與Fe3+的濃度具有良好的線性關(guān)系，可以對(duì)Fe3+進(jìn)行定性和定量檢測(cè)，檢出限為22 nmol/L。當(dāng)探針與不同的金屬離子溶液混合后，除了Cu2+和Cr3+造成一定程度的紅移外，其它金屬離子溶液對(duì)探針溶液的吸光度均無(wú)明顯影響，表明此探針具有良好的特異性，不易受其他常見(jiàn)金屬離子的干擾。探針對(duì)Fe3+的檢測(cè)具有可逆性，在水中具有良好的水溶性，探針檢測(cè)Fe3+的最適宜pH值范圍為5～7，且成功在人體pH環(huán)境中用于淋巴腫瘤細(xì)胞Ramos中Fe3+的熒光成像。

圖1 可能成像機(jī)理

2009年劉偉生教授[13]在Inorganic Chemistry Communications 上報(bào)道了一種以香豆素為母體的Fe3+熒光探針(圖2)，探針在HEPES體系下，都能夠?qū)e3+有很好的檢測(cè)效果，并且當(dāng)存在有干擾例子的情況下探針對(duì)鐵離子的檢測(cè)沒(méi)有影響，通過(guò)多種檢測(cè)，推測(cè)出鐵離子和探針是以1∶1的形式螯合。

圖2 探針合成路線

2 羅丹明類

韓翔等[14]在羅丹明B的基礎(chǔ)上合成出了熒光增強(qiáng)型可逆熒光探針RH-Fe(圖3)，該探針與Fe3+1∶1絡(luò)合，并可用于裸眼檢測(cè)。乙腈溶液中，探針在561 nm處的吸收良好，隨著乙腈溶液含水量的增加，探針在561 nm處的吸收呈下降趨勢(shì)，當(dāng)含水量大于70%時(shí)，吸收下降十分顯著，在含水量80%乙腈溶液中，探針的吸收強(qiáng)度僅為在含水量70%乙腈溶液中的四分之一。在光學(xué)性質(zhì)的研究中，經(jīng)過(guò)將探針RH-Fe和RH-Fe-Fe3+的紫外吸收?qǐng)D譜及熒光發(fā)射圖譜歸一化比較，證明探針RH-Fe在加入Fe3+之后，羅丹明的螺旋內(nèi)酰胺由閉環(huán)狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)殚_(kāi)環(huán)狀態(tài)，其熒光量子產(chǎn)率為0.36。在探針對(duì)金屬離子選擇性的研究中，除Cr3+和Al3+對(duì)探針識(shí)別性有微弱影響外，其他金屬離子對(duì)探針的選擇性影響均不明顯，探針對(duì)Fe3+的檢測(cè)限為0.27 μmol/L，當(dāng)Fe3+濃度在1～16 μmol/L之間時(shí)與探針的吸光度有良好的線性關(guān)系。探針可適用的pH值范圍在5.54～10.12之間。

圖3 探針RH-Fe對(duì)Fe3+可能的絡(luò)合機(jī)理

胡偉等[14]在羅丹明B的基礎(chǔ)上，將其與水合肼、6-氮雜吲哚-3-羧醛反應(yīng)，合成了新型Fe3+熒光探針RN(圖4)。RN與Fe3+形成1∶1的穩(wěn)定螯合物，使羅丹明分子內(nèi)的螺內(nèi)酰胺環(huán)發(fā)生開(kāi)環(huán)，溶液顏色變?yōu)榉奂t色，具有特征熒光。當(dāng)環(huán)境pH值處于4～10時(shí)，在金屬離子響應(yīng)測(cè)試中，探針對(duì)Fe3+響應(yīng)良好，其它金屬離子對(duì)探針的選擇性影響均極其輕微，可以忽略。其中在探針的紫外-可見(jiàn)光譜實(shí)驗(yàn)中，于565 nm處向熒光探針溶液體系中加入50 μmol/L的Fe3+制備液，探針溶液體系瞬間由無(wú)色變?yōu)榉奂t色。此現(xiàn)象表明很容易實(shí)現(xiàn)RN對(duì)Fe3+的裸眼識(shí)別。經(jīng)Fe3+熒光滴定實(shí)驗(yàn)表明，體系在585 nm處熒光強(qiáng)度隨Fe3+濃度梯度的不斷增加而逐漸增強(qiáng)。當(dāng)Fe3+濃度在1～20 μmol/L之間時(shí)與熒光強(qiáng)度差呈良好的線性關(guān)系。根據(jù)檢出限公式得出RN的檢出限為1.02×10-7mol/L。

圖4 探針RN合成路線

白童鹿等[15]設(shè)計(jì)合成了三種(圖5～7)基于羅丹明類衍生物的熒光/比色探針。其中基于3-脫氧莽草酸甲酯在對(duì)甲苯磺酸催化作用下縮合制備得到了探針?lè)肿覴hM606(圖5)。光譜測(cè)試表明當(dāng)pH值為6時(shí)，在Tris-HCl緩沖體系中Fe3+和探針?lè)肿影l(fā)生離子絡(luò)合反應(yīng)，導(dǎo)致羅丹明內(nèi)酰胺開(kāi)環(huán)，在530 nm處產(chǎn)生吸收峰。當(dāng)制備的探針溶液中加入不同的金屬離子后，時(shí)除Al3+和Cr3+對(duì)Fe3+的檢測(cè)有一定的干擾之外，其他金屬離子對(duì)Fe3+的檢測(cè)干擾均不明顯。當(dāng)置于365 nm紫外燈照射的環(huán)境中，可以輕易地分辨出Fe3+與Al3+、Cr3+的不同。由此可見(jiàn)探針對(duì)Fe3+具有良好的選擇性。該探針在40℃環(huán)境中，在與Fe3+反應(yīng)40 min后吸光度達(dá)到最大。在靈敏度檢測(cè)中，線性擬合結(jié)果表明，F(xiàn)e3+濃度與探針?lè)肿覴hM606的熒光強(qiáng)度呈線性關(guān)系，檢測(cè)限為3.93 μmol/L。

圖5 RhM606與Fe3+配位機(jī)理

第二種是由羅丹明6G與乙二胺和4-羥基-3,5-二溴苯甲醛經(jīng)過(guò)一系列反應(yīng)，得到橘色探針?lè)肿赢a(chǎn)物RhM716(圖6)。在探針?lè)肿尤芤褐屑尤隖e3+，由紫外吸收光譜分析得出，探針在pH值=3時(shí)達(dá)到最大吸光度。隨著溶液的pH增大，吸收強(qiáng)度逐漸減弱，當(dāng)pH值≥6時(shí)530 nm處的吸收消失。在靈敏度檢測(cè)研究中，線性擬合結(jié)果顯示該探針的吸光度與Fe3+的濃度在15～50 μmol/L和50～120 μmol/L范圍內(nèi)，相應(yīng)的有兩段良好的線性關(guān)系。計(jì)算得到檢測(cè)限為1.26 μmol/L，探針具有良好的可逆性，能夠多次反復(fù)使用。

圖6 RhM716與Fe3+配位機(jī)理

第三種是由羅丹明B酰肼中間體和3-羥基-4-甲氧基-2-溴苯甲醛，經(jīng)過(guò)一系列反應(yīng)得到的淡紫色探針?lè)肿覴hM668(圖7)。在pH值=7時(shí)該探針與Fe3+絡(luò)合產(chǎn)生最大吸收，探針對(duì)Fe3+具有優(yōu)異的選擇性，基本不受其他金屬離子的影響。在金屬離子干擾實(shí)驗(yàn)中，僅有Fe3+與探針溶液發(fā)生絡(luò)合反應(yīng)，溶液由無(wú)色變?yōu)樽霞t色。紫外-可見(jiàn)吸收光譜測(cè)試表明，在Fe3+濃度處于40～150 μmol/L和200～400 μmol/L之間時(shí)，探針的吸收強(qiáng)度與Fe3+濃度有良好的線性關(guān)系。經(jīng)過(guò)計(jì)算探針作為比色探針檢測(cè)Fe3+的檢出限為2.46 μmol/L。

圖7 RhM668與Fe3+配位機(jī)理

陳曉超等[16]經(jīng)過(guò)一系列反應(yīng)合成了化合物 2-吡啶-4-苯基喹啉，并研究了該化合物作為Fe3+和Fe2+熒光探針的特性。探針與Fe3+在466 nm的發(fā)射波長(zhǎng)處出現(xiàn)很強(qiáng)的發(fā)射峰，由此判斷Fe3+與探針之間具有熒光增強(qiáng)效應(yīng)。探針對(duì)Fe3+的最高濃度檢測(cè)限為1.2×10-4mmol/mL,對(duì)Fe3+的最低離子檢測(cè)下限為0.1913×10-8mmol/mL，熒光光譜儀的檢測(cè)下限為0.1557×10-8mmol/mL。經(jīng)過(guò)進(jìn)一步的研究表明探針與Fe3+的絡(luò)合比為1∶2。

3 吡嗪類

圖8 探針?lè)肿咏Y(jié)構(gòu)

2005年H.Ouchetto[17]人在Bioorg.Med.Chem.上報(bào)道了一種Turn-Off型Fe3+熒光探針(圖8)，該探針處于甲醇體系下時(shí)，隨著Fe3+的不斷加入，熒光逐漸減弱。

4 吡喃類

Guo Fengchen等[18]于2012年在Research on Chemical IntermnediatesAhead of Print上報(bào)道了四種Turn-Off的Fe3+熒光探針(圖9)，在乙腈體系下， Fe3+對(duì)GH-1、GH-2、GH-3、GH-4四種探針都具有猝滅作用，猝滅程度分別為67.1%，68.8%，98.8%，99.9%，由此可知GH-4對(duì)Fe3+具有更好的選擇性，二者的結(jié)合常數(shù)為2.2×104M-1。

圖9 探針?lè)肿咏Y(jié)構(gòu)

5 甲基麥芽粉類

曹悅等[19]以甲基麥芽粉為原料經(jīng)過(guò)一系列的反應(yīng)，得到了一種熒光猝滅型熒光探針，探針的最大發(fā)射波長(zhǎng)分別為550、547和542 nm。探針的計(jì)算脂水分配系數(shù)小于5，能夠順利的透過(guò)細(xì)胞膜在細(xì)胞內(nèi)分布。在Fe3+對(duì)探針熒光的猝滅實(shí)驗(yàn)中，研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)Fe3+與探針的濃度配比小于1∶3的時(shí)候，F(xiàn)e3+與探針強(qiáng)度呈線性相關(guān)。經(jīng)過(guò)計(jì)算得知F0/F與Fe3+的濃度無(wú)線性相關(guān)，證明猝滅的機(jī)理是靜態(tài)的而不是動(dòng)態(tài)的，在離子干擾實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)Cu2+和Fe2+對(duì)探針的熒光猝滅能力與Fe3+相當(dāng)，但是Cu2+在細(xì)胞內(nèi)的含量較少，幾乎可以忽略其影響。

6 菲并咪唑類

何玉倩等[20]以菲并咪唑?yàn)槟阁w，設(shè)計(jì)合成出一種具有ESIPT和AIE特征的酚羥基菲并咪唑熒光猝滅型Fe3+熒光探針PIP-o-OH。在MeOH/H2O(v∶v=1∶9，Hepes 10 μmol/L，pH值=7.4)溶液中，考察了探針在形成聚集的條件下對(duì)Fe3+具有良好的選擇性識(shí)別性能。同時(shí)研究發(fā)現(xiàn)該探針在pH值為2～12的范圍內(nèi)均對(duì)Fe3+具有優(yōu)異的識(shí)別能力。在MeOH/H2O(v∶v=1∶9，Hepes 10 μmol/L，pH值=7.4)體系中，處于478nm發(fā)射波長(zhǎng)下，當(dāng)Fe3+濃度達(dá)到1 mmol/L時(shí)，在加入Fe3+的后20s探針?lè)肿拥臒晒忖鐝?qiáng)度達(dá)到最低值。通過(guò)Job法探究發(fā)現(xiàn)該探針與Fe3+形成化學(xué)計(jì)量數(shù)比為1∶1的絡(luò)合物。此外探針PIP-o-OH的細(xì)胞毒性研究結(jié)果表明，探針濃度為20 μmol/L時(shí)，在HeLa細(xì)胞內(nèi)的成活率大于85%，說(shuō)明探針?lè)肿拥亩拘缘?，可用于?xì)胞檢測(cè)。

7 鞣花酸類

馮煥然等[21]建立了鞣花酸(EA)測(cè)定Fe3+的熒光分析方法。在80%的甲醇-水體系中，pH值為6.5時(shí)EA對(duì)Fe3+具有良好的絡(luò)合作用，除Cr3+和Fe2+之外其他金屬離子均不干擾測(cè)定，研究發(fā)現(xiàn)EA可與Fe3+形成配合物，其配位比為1∶2。對(duì)Fe3+和Fe2+檢測(cè)的線性范圍均為0.08～1.1 μmol/L。

8 BODIPY類

渠星宇等[22]用吡啶-2-甲酸(4-甲?；椒?酯，在BODIPY染料的3-位引入對(duì)羥基苯基，得到了一種探針，該探針易溶于各種有機(jī)溶劑。探針在甲醇溶液中的最大吸收波長(zhǎng)為570 nm，最大發(fā)射波長(zhǎng)為585 nm。當(dāng)溶液的pH值從酸性過(guò)渡到堿性的時(shí)候，其最大吸收波長(zhǎng)發(fā)生紅移，而且溶液顏色會(huì)有明顯的變化，可作為一種“裸眼”可視化的pH探針。同時(shí)該探針對(duì)Fe3+也有良好的選擇性，以及明顯的響應(yīng)，最低檢出限為0.36 mmol/L，該探針既是比率計(jì)量型的“裸眼”探針，又是比率計(jì)量型的熒光探針。

9 富勒烯類

葉超等[23]以富勒烯C60為碳源，運(yùn)用水熱法合成了一種水溶性良好，在365 nm紫外燈照射下具有明亮藍(lán)色熒光的富勒烯量子點(diǎn)，在日光下表現(xiàn)為淺棕黃色。Fe3+對(duì)量子點(diǎn)的淬滅非常明顯，Cu2+、Fe2+對(duì)量子點(diǎn)的熒光強(qiáng)度雖然也有一定的猝滅作用，但效果遠(yuǎn)不如Fe3+。由此判斷其可以選擇性識(shí)別Fe3+，結(jié)果表明Fe3+濃度在0～50 μmol/L的范圍內(nèi)，室溫條件下量子點(diǎn)熒光猝滅的程度與其呈現(xiàn)出良好的線性關(guān)系。

10 展望

綜上所述，用羅丹明、香豆素、BODIPY等作為熒光團(tuán)合成的探針對(duì)Fe3+高選擇性和高靈敏度得到了廣泛的關(guān)注，對(duì)溶液中、細(xì)胞內(nèi)以及環(huán)境中的Fe3+的定性和定量分析展現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景。新型熒光材料如熒光有機(jī)納米顆粒、熒光樹(shù)枝狀聚合物、金屬有機(jī)框架(MOF)等由于其與Fe3+特有的結(jié)合方式及不同的熒光強(qiáng)度變化機(jī)理，使其對(duì)Fe3+的選擇性更勝一籌。如何解決熒光探針?biāo)苄缘?、水穩(wěn)定性差、pH探測(cè)范圍窄、響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)等缺點(diǎn)，成為科研工作者關(guān)注的焦點(diǎn)。熒光探針?lè)肿幽軌驅(qū)θ芤褐?、?xì)胞內(nèi)以及環(huán)境中Fe3+的定性定量分析，若能夠?qū)崿F(xiàn)其商品化，它將很好地運(yùn)用于實(shí)驗(yàn)室研究、工業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)藥衛(wèi)生等方面，為提高人類生活質(zhì)量做出巨大貢獻(xiàn)。