基于羅丹明的三價鐵離子熒光探針研究進(jìn)展

安國策

(中國刑事警察學(xué)院法化學(xué)系，遼寧 沈陽 110854)

鐵是地球上含量相對豐富一種元素，約占地球元素總含量的4.1%。自然界中鐵元素過多會引發(fā)水污染、土壤污染等環(huán)境問題。并且，鐵是人體內(nèi)必不可少的一種微量元素，廣泛分布在血液、肌肉組織、脾臟、肝臟、骨髓等組織和器官中，是血紅蛋白、肌紅蛋白以及多種酶的重要組成成分，對細(xì)胞代謝、氧代謝、電子傳遞、酶催化合成、質(zhì)子轉(zhuǎn)移、體液酸堿平衡、滲透壓調(diào)節(jié)等生理活動有著重要作用。人體內(nèi)鐵元素含量或分布的異常會損害正常的生理功能，導(dǎo)致疾病產(chǎn)生，如肝功能異常、心肌損傷、骨質(zhì)疏松癥、糖尿病、癌癥等[1]。因此，發(fā)展一種有效檢測三價鐵離子的方法對于環(huán)境及人類健康有著非常重要的作用。檢測鐵離子的傳統(tǒng)方法有原子吸收分光光度法、比色法、伏安法、電感耦合等離子體質(zhì)譜法等，然而這些方法因為所用儀器昂貴、樣品前處理復(fù)雜等缺點(diǎn)而無法被廣泛使用。熒光探針由于具有探針分子合成簡單、樣品需要量小、響應(yīng)時間短、選擇性好、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)而被人們廣泛研究，用于分析鐵離子[2]。

1 羅丹明對三價鐵離子的識別機(jī)理及分類

羅丹明染料具有長吸收和發(fā)射波長、高熒光量子產(chǎn)量、大消光系數(shù)等優(yōu)良的光物理性質(zhì)成為了科技工作者們設(shè)計熒光探針分子時最多使用的染料分子之一?？萍脊ぷ髡邆兺ǔＲ粤_丹明為底物，與多胺化合物反應(yīng)，另一端連接給電子基團(tuán)設(shè)計合成探針分子。羅丹明的酰胺螺環(huán)形式無熒光，開環(huán)形式有熒光，探針在識別三價鐵離子時，羅丹明酰胺環(huán)開環(huán)，以1∶1或2∶1的比例與三價鐵離子絡(luò)合，產(chǎn)生熒光，從而實現(xiàn)對三價鐵離子的檢測。羅丹明主要分為羅丹明B、羅丹明6G，我們對近年的羅丹明類三價鐵離子熒光探針分為基于羅丹明B的三價鐵離子熒光探針、基于羅丹明6G的三價鐵離子熒光探針、基于其它羅丹明染料的三價鐵離子熒光探針進(jìn)行了綜述[3]。

圖1 羅丹明的分類及探針識別機(jī)理Fig.1 Rhodamine and it’s reaction mechanism with trivalent iron ion

2 基于羅丹明B的三價鐵離子熒光探針

2018年Chen Xia等[4]利用羅丹明B、一水合肼、2-呋喃基丙烯醛為原來制備了一種基于羅丹明B的席夫堿類三價鐵離子熒光探針1。在25 ℃、pH=7.0、水/乙醇(1∶1，V/V)條件下，探針1對三價鐵離子有很好的選擇性和靈敏度，檢出限為2.81×10-8M，與三價鐵離子結(jié)合后，可以明顯看到溶液顏色由無色變?yōu)榉奂t色，且熒光強(qiáng)度顯著增強(qiáng)，可以用于自然環(huán)境中三價鐵離子的檢測。更重要的是，活細(xì)胞成像實驗表明，該探針分子對細(xì)胞膜有高滲透性且具有低細(xì)胞毒性，可以用于活細(xì)胞中三價鐵離子的檢測。

圖2 基于羅丹明B的三價鐵離子熒光探針1Fig.2 Trivalent iron ion fluorescent probe 1 based on rhodamine B

2017年Susanta Adhikari等[5]設(shè)計合成了一種基于羅丹明B的比率型三價鐵離子熒光探針2，探針分子可以在二價鐵離子存在的情況下對三價鐵離子進(jìn)行特異性識別，可以用于鐵離子形態(tài)的研究。水/乙腈=7/3(V/V)的溶液中，向探針分子中逐漸加入三價鐵離子，產(chǎn)生深紅色絡(luò)合沉淀，溶液由亮黃色變?yōu)榉凵?37 nm處的熒光減弱，577 nm處的熒光增強(qiáng)。分子在結(jié)合的過程中經(jīng)過光誘導(dǎo)電子轉(zhuǎn)移、螯合熒光增強(qiáng)效應(yīng)、熒光共振能量轉(zhuǎn)移。探針分子與三價鐵離子的結(jié)合常數(shù)為3.7025×106M-1，檢出限為2×10-8M。

圖3 基于羅丹明B的三價鐵離子熒光探針2Fig.3 Trivalent iron ion fluorescent probe 2 based on rhodamine B

2018年Yu Wang等[6]以羅丹明B、糠酰氯等為原料合成了一種基于羅丹明B的三價鐵離子熒光探針3。探針分子可以在水/乙醇(1∶1，V/V，HEPES buffer，pH 7.36，1.3 mM)條件下對三價鐵離子進(jìn)行專一性識別，探針分子的酰胺環(huán)發(fā)生開環(huán)，與三價鐵離子絡(luò)合，熒光強(qiáng)度增大28倍，檢出限為4.37×10-7M，結(jié)合常數(shù)為7.28×103M-1。細(xì)胞實驗表明，該探針分子還可以用于MCF-7細(xì)胞中三價鐵離子的監(jiān)測。

圖4 基于羅丹明B的三價鐵離子熒光探針3Fig.4 Trivalent iron ion fluorescent probe 3 based on rhodamine B

2018年Mecit Ozdemir等[7]開發(fā)了一種基于羅丹明B的可逆型三價鐵離子熒光探針4，三價鐵離子作用后，探針分子由酰胺環(huán)狀結(jié)構(gòu)變?yōu)殚_環(huán)形式，溶液由無色變?yōu)榉奂t色，熒光強(qiáng)度顯著增強(qiáng)，探針分子與三價鐵離子的結(jié)合常數(shù)為1.27×107M-1。而且，該探針分子可以在很寬的pH范圍(pH 5～9)下對三價鐵離子進(jìn)行特異性識別，符合大多數(shù)的生理條件。共聚焦激光掃描顯微鏡實驗表明，該探針分子可以用于對BAEC活細(xì)胞中三價鐵離子及其動態(tài)變化進(jìn)行監(jiān)測分析。

圖5 基于羅丹明B的三價鐵離子熒光探針4Fig.5 Trivalent iron ion fluorescent probe 4 based on rhodamine B

2019年曾竟等[8]設(shè)計合成了一種可以在兩種波長下對三價鐵離子進(jìn)行特異性識別的羅丹明B類三價鐵離子熒光探針5，探針分子可以在pH 7.0、水/乙醇(1∶1，V/V)下2∶1與三價鐵離子進(jìn)行絡(luò)合，溶液從無色變?yōu)榧t色。350 nm激發(fā)波下，508 nm處熒光強(qiáng)度降低，檢出限4.56×10-6M；530 nm激發(fā)波下，582 nm處熒光強(qiáng)度增強(qiáng)，檢出限7.4×10-7M。可視化的溶液顏色變化、雙波長下的熒光強(qiáng)度的明顯改變等獨(dú)特性能表明分子5可以作為一種優(yōu)良的三價鐵離子熒光探針分子。

圖6 基于羅丹明B的三價鐵離子熒光探針5Fig.6 Trivalent iron ion fluorescent probe 5 based on rhodamine B

3 基于羅丹明6G的三價鐵離子熒光探針

2014年Amanpreet Singh等[9]以羅丹明6G、乙二胺為原料進(jìn)行反應(yīng)，對得到的產(chǎn)物進(jìn)行再沉淀，得到了一種基于羅丹明6G的有機(jī)納米聚合物探針6。在水相介質(zhì)中探針6可以對三價鐵離子進(jìn)行特異性識別，熒光強(qiáng)度顯著提高，不受其它金屬離子影響，檢出限為9.2×10-9M，可以作為一種有效的三價鐵離子熒光探針分子。

圖7 基于羅丹明6G的三價鐵離子熒光探針6Fig.7 Trivalent iron ion fluorescent probe 6 based on rhodamine 6G

2016年Hyungjoo Kim等[10]以羅丹明6G、3-(2-氨基乙基氨基)丙基三甲氧基硅烷、介孔二氧化硅等為原料制備了基于羅丹明6G的三價鐵離子熒光探針7。探針分子對三價鐵離子的識別具有高選擇性并且是可逆的，與三價鐵離子作用后，產(chǎn)生螯合熒光增強(qiáng)效應(yīng)，發(fā)出青黃色熒光，EDTA作用后回到原始無熒光的狀態(tài)。生物成像實驗還表明該探針分子在生物學(xué)應(yīng)用及單分子檢測技術(shù)領(lǐng)域有著潛在的應(yīng)用價值。

圖8 基于羅丹明6G的三價鐵離子熒光探針7Fig.8 Trivalent iron ion fluorescent probe 7 based on rhodamine 6G

2016年Min Hee Lee等[11]合成了六個基于羅丹明6G的熒光探針分子(探針8及其衍生物)，用于生物系統(tǒng)中三價鐵離子的特異性識別和分析。探針分子與三價鐵離子結(jié)合后，在526 nm處的紫外吸收增強(qiáng)，在551 nm處的熒光發(fā)射增強(qiáng)。用HepG2細(xì)胞進(jìn)行共焦顯微鏡分析實驗表明，細(xì)胞內(nèi)的三價鐵離子使探針分子發(fā)生了開環(huán)反應(yīng)，熒光強(qiáng)度隨著鐵離子濃度的增大顯著增強(qiáng)。在六個探針分子中，探針8具有最優(yōu)良的性能，可以用于細(xì)胞內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中三價鐵離子的成像研究。

圖9 基于羅丹明6G的三價鐵離子熒光探針8及其衍生物Fig.9 Trivalent iron ion fluorescent probe 8 and it’s derivatives based on rhodamine 6G

2018年Huimin Kang等[12]以羅丹明6G、3-溴丙炔等為原料設(shè)計了一種新穎的基于羅丹明6G的三價鐵離子熒光探針9。乙腈溶液、可見光下，探針分子的取代基部分以開環(huán)形式存在，溶液無色；紫外光下，探針分子取代基部分以關(guān)環(huán)形式存在，溶液為淺紫色。加入三價鐵離子后，探針分子羅丹明部分的酰胺環(huán)開環(huán)，產(chǎn)生黃色熒光。核磁、質(zhì)譜等實驗表明，探針分子與三價鐵離子的絡(luò)合比為1∶1，檢出限為7.7×10-10M，結(jié)合常數(shù)為2.2111×104M-1。

圖10 基于羅丹明6G的三價鐵離子熒光探針9Fig.10 Trivalent iron ion fluorescent probe 9 based on rhodamine 6G

4 基于其它羅丹明熒光染料的三價鐵離子熒光探針

2014年P(guān)uhui Xie等[13]設(shè)計合成了羅丹明類三價鐵離子熒光探針10。探針10與三價鐵離子的絡(luò)合比為1∶1，檢出限為6.4×10-7M，結(jié)合常數(shù)為1.74×104M-1。380 nm激發(fā)光下，探針分子由于自身所帶的丹?；鶊F(tuán)，發(fā)出綠色熒光，與三價鐵離子的絡(luò)合后，羅丹明酰胺環(huán)部分發(fā)生開環(huán)，發(fā)生分子內(nèi)熒光共振能量轉(zhuǎn)移，在605 nm處產(chǎn)生紅色熒光。該探針分子體現(xiàn)了一個大的斯托克斯位移(225 nm)，有助于消除激發(fā)光的反向散射效應(yīng)的影響。

圖11 基于其它羅丹明熒光染料的三價鐵離子熒光探針10Fig.11 Trivalent iron ion fluorescent probe 10 based on other types of rhodamine

5 結(jié) 語

近年來，以羅丹明染料尤其是羅丹明B、羅丹明6G為底物制備三價鐵離子熒光探針被人們廣泛研究和發(fā)展，是化學(xué)檢測應(yīng)用方面的熱點(diǎn)研究方向。羅丹明類三價鐵離子熒光探針具有檢測快速、所需檢測樣品量小、靈敏度高、選擇性好等優(yōu)點(diǎn)，隨著研究的深入開展，與納米材料等新技術(shù)進(jìn)行結(jié)合設(shè)計新型的、功能更全面、更實用的熒光探針分子將被人們更加廣泛地研究和開發(fā)。