張金燕，萬釗彤，魏雨昕，李連慶

(陜西學(xué)前師范學(xué)院 化學(xué)與化工系，陜西 西安 710100)

重金屬離子：如汞、銅、鉛等對(duì)環(huán)境以及人體危害十分之大，尤其是汞具有極強(qiáng)的毒性。汞可以通過無機(jī)汞和甲基汞兩種形式進(jìn)入食物鏈后被人類攝取，從而在體內(nèi)堆積。由甲基汞所造成的相關(guān)神經(jīng)問題包括產(chǎn)前腦損傷，認(rèn)知和運(yùn)動(dòng)障礙，視力和聽力損失，甚至死亡[1]。目前，汞離子已報(bào)道的分析方法包括原子吸收發(fā)射光譜法(AAS/AES)、冷原子熒光光譜選擇性分析、電感耦合等離子體質(zhì)譜法(ICP-MS) ，這些檢測(cè)方法具有靈敏度高、選擇性好的優(yōu)點(diǎn)，但需要昂貴并且復(fù)雜的檢測(cè)儀器，限制了它們對(duì)汞離子的定位檢測(cè), 一種高度靈敏、快速響應(yīng)的發(fā)光化學(xué)傳感器為汞離子位置檢測(cè)提供了保證[2]。

1 汞離子熒光探針分類介紹

當(dāng)前用于檢測(cè)汞離子的熒光探針種類繁多，熒光離子探針的結(jié)構(gòu)通常由三部分組成：熒光發(fā)色團(tuán)、連接基團(tuán)和識(shí)別基團(tuán)。不同的發(fā)色基團(tuán)所合成的熒光探針具有其自身鮮明的特點(diǎn)，根據(jù)各個(gè)熒光探針?biāo)玫陌l(fā)色團(tuán)不同我們簡(jiǎn)單的將其分為羅丹明、香豆素、BODIPY這幾類，下面針對(duì)這幾類熒光探針進(jìn)行簡(jiǎn)單概述。

1.1 羅丹明類汞離子熒光探針

羅丹明類熒光染料具有光穩(wěn)定性好，熒光量子產(chǎn)率高，對(duì)酸堿的靈敏度低，較長(zhǎng)的吸收、發(fā)射波長(zhǎng)等優(yōu)異的光物理和光化學(xué)性能，已成為制備反應(yīng)型熒光探針的一種理想材料，其在生物體中細(xì)胞成像的應(yīng)用已得到證實(shí)[3]。

海南師范大學(xué)田韞琪[4]等人將羅丹明 6G與水合肼結(jié)合，合成了熒光探針1.當(dāng)溶液中沒有Hg2+時(shí)，R6GH無熒光，室溫下，向10μM·R6GH 的乙醇/HEPES 緩沖溶液中逐漸加入汞離子，激發(fā)波長(zhǎng)為500 nm，在554nm出現(xiàn)一個(gè)發(fā)射峰。在乙醇/水緩沖溶液中，R6GH 能特異性識(shí)別汞離子發(fā)出黃綠色熒光，汞離子還能使 R6GH 溶液由無色變?yōu)榉奂t色，因此，R6GH 還可用于比色法檢測(cè)汞離子。汞離子是唯一能引起R6GH 熒光增強(qiáng)的離子，加入其他金屬離子對(duì)R6GH 的熒光光譜沒有影響。所以該熒光探針具有極高的選擇性并能成功用于活細(xì)胞中汞離子的熒光成像。

南京科技職業(yè)學(xué)院王家芹[5]等人將羅丹明6G和 4-溴-1，8-萘二甲酸酐為原料，合成了新型熒光分子探針2(R6G-NA)，當(dāng)溶液中沒有Hg2+時(shí)，R6G-NA無熒光，加入汞離子后，激發(fā)波長(zhǎng)為450 nm，發(fā)射波長(zhǎng)為550 nm，并且向熒光探針R6G-NA的乙醇-水溶液體系中加入 Hg2+，可以目測(cè)觀察到溶液的顏色由黃綠色變?yōu)榻奂t色，說明探針R6G-NA可以作為 Hg2+的熒光色度雙識(shí)別探針，可以用于“裸眼”檢測(cè),這一色度的變化可以用可見分光光度計(jì)進(jìn)行測(cè)量。

Peng[6]等人報(bào)道了一個(gè)基于羅丹明的化學(xué)計(jì)量器3，和Hg2+作用后會(huì)導(dǎo)致水解反應(yīng)。在乙醇/水=1/1(V/V，pH值7.0)體系中單純的化合物由于以螺環(huán)狀態(tài)存在，既沒有明顯的顏色也沒有明顯的突光。隨著Hg2+的加入，在579 nm處的突光強(qiáng)度提高了370倍；并且在554 nm處產(chǎn)生了新的紫外吸收峰。當(dāng)加入ppb級(jí)別的Hg2+后突光強(qiáng)度和Hg2+濃度為線性相關(guān)，采用5pM探針時(shí)檢測(cè)限達(dá)到0.91 ppb。通過質(zhì)譜實(shí)驗(yàn)證實(shí)了以下的反應(yīng)機(jī)理：加入一當(dāng)量的Hg2+時(shí)產(chǎn)生了絡(luò)合物；繼續(xù)加入Hg2+則導(dǎo)致了一個(gè)水解反應(yīng)。

宋春霞[7]將羅丹明B硫化得硫代羅丹明B RhBS，將RhBS肼化后與4-(二甲基)苯甲醛反應(yīng)制得目標(biāo)產(chǎn)物4(RBS2)。結(jié)果顯示在吸收光譜和熒光光譜檢測(cè)中不加Hg2+時(shí)，RBS2的吸收光譜在500 nm以上幾乎沒有吸收帶,而且其熒光很弱，說明此時(shí)RBS2主要以閉環(huán)形式存在。加入飽和Hg2+后，RBS2的吸收光譜在564 nm處出現(xiàn)很強(qiáng)的吸收峰，熒光光譜在595nm處的熒光強(qiáng)度大幅度增加，發(fā)射光譜有紅移，證明RBS2探針分子明顯地發(fā)生開環(huán)。溶液顏色從無色變?yōu)樯罴t色，實(shí)現(xiàn)了肉眼即可檢測(cè)的便利。該探針對(duì)Hg2+有良好的選擇性，且響應(yīng)范圍良好，中性，弱酸，弱堿環(huán)境均可滿足是其優(yōu)勢(shì)，檢測(cè)限可低至1ppb，其較好的選擇性和高靈敏度很好了實(shí)現(xiàn)在水體系中對(duì)Hg2+的檢測(cè)。

倪靜凱[8]合成了一種新穎的基于羅丹明衍生物的開啟型熒光分子探針5，即希夫堿探針分子(RBPA)。在水溶液中實(shí)現(xiàn)了對(duì)汞離子Hg2+的高選擇性識(shí)別，且其他常見陽離子如堿金屬、堿土金屬和過渡金屬等幾乎無干擾。將羅丹明B和水合聯(lián)氨制成羅丹明B-酰肼，由羅丹明B-酰肼和對(duì)苯二甲醛制得終產(chǎn)品RBPA。RBPA 的本體溶液內(nèi)酰胺環(huán)處于關(guān)閉狀態(tài)，則未表現(xiàn)出明顯吸收及熒光特征峰，當(dāng)加入Hg2+時(shí)，在Hg2+誘導(dǎo)下螺內(nèi)環(huán)部分被打開，產(chǎn)生增強(qiáng)的光譜信號(hào)。引起體系 559 nm 處吸收峰的顯著增強(qiáng)，熒光強(qiáng)度增大為本體的 840 倍，其相對(duì)熒光量子產(chǎn)率Φ為0.67。在 Hg2+作用下，內(nèi)酰胺環(huán)被打開，引起探針分子明顯的顏色變化，溶液由無色變?yōu)榱练凵Ｊ固结樂肿泳邆渎阊蹤z測(cè)的能力。此外，為開發(fā)其重復(fù)使用性及在分子傳感器件中的應(yīng)用潛能，作者將探針分子RBPA共價(jià)嫁接到納米二氧化硅基質(zhì)上。新得到無機(jī)-有機(jī)雜化體系,實(shí)驗(yàn)表明，嫁接后的雜化材料依然具有對(duì)汞離子優(yōu)異的響應(yīng)識(shí)別能力且可實(shí)現(xiàn)重復(fù)檢測(cè)。

1.2 香豆素類汞離子熒光探針

香豆素及其衍生物水溶性好，由于其pH值較大，金屬離子的檢測(cè)靈敏度高，對(duì)酸堿適用范圍寬廣，在活體細(xì)胞成像研究中得到了廣泛的應(yīng)用.香豆素本身是無色的，它在室溫下是沒有熒光的，當(dāng)在3-位引入吸電子基團(tuán)，6-位或 7-位引入供電子基團(tuán)，將會(huì)增加它的熒光量子產(chǎn)率，吸收波長(zhǎng)和發(fā)射波長(zhǎng)將會(huì)向長(zhǎng)波長(zhǎng)方向移動(dòng)。因此，將不同的識(shí)別基團(tuán)引入到香豆素發(fā)色團(tuán)作為受體，是香豆素類熒光探針的重要設(shè)計(jì)策略[9]。

Ja Hyung Kim[10]等人合成了一種基于香豆素的二硫烷探針6，通過二硫烷與汞的相互作用能轉(zhuǎn)化為醛功能單元這一特點(diǎn)，該探針可以在水溶液中選擇性地檢測(cè)Hg2+，并對(duì)雙鉻-和氟化反應(yīng)發(fā)生變化。Hg2+選擇性反應(yīng)的化學(xué)劑量?jī)x在水的緩沖液和人血漿中被清楚地觀察到。

王海菊[11]等人設(shè)計(jì)合成了一個(gè)以羅丹明 6G 和香豆素為母體的的基于 FRET 機(jī)理的汞離子熒光探針7 (Rh-6G-coumarin(RC))。以400nm的光激發(fā)，RC(10μmol·L-1) 的 V( C2H5OH) ∶ V( H2O) = 9 ∶1 溶液在 470 nm 處會(huì)顯示香豆素的熒光發(fā)射峰。加入汞離子后，該處的熒光強(qiáng)度會(huì)逐漸降低，并且在 558 nm 處出現(xiàn)一個(gè)新的發(fā)射峰，熒光強(qiáng)度還會(huì)隨著汞離子濃度的增加而增大。當(dāng)汞離子加到 100 μmol·L-1后，熒光強(qiáng)度趨于穩(wěn)定，同時(shí)溶液的顏色由黃色變?yōu)榧t色，說明汞離子的加入使得羅丹明內(nèi)酰胺開環(huán)，發(fā)出特征熒光。溶液中其他金屬離子對(duì)汞離子的熒光識(shí)別沒有太大影響，說明該探針具有良好的選擇性。

蔣浩[12]等人以香豆素為母體設(shè)計(jì)合成一種新的 Hg2+熒光探針分子8，6-硝基-3( 4-甲基)苯基-2-硫代香豆素(TC)。探針TC的最大吸收波長(zhǎng)為324 nm，當(dāng)加入Hg2+，探針TC在324 nm 處的吸收逐漸下降，并且在 256 nm 處出現(xiàn)一個(gè)新的吸收峰，且隨著 Hg2+的不斷加入，探針TC在256 nm 處的吸收逐漸增加。可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)Hg2+濃度為1.00×10-7～1.30×10-5mol/L 時(shí)，熒光強(qiáng)度F與Hg2+濃度具有良好的線性關(guān)系，相關(guān)系數(shù)r為0.9972，線性回歸方程 F =34.53c+116.3，計(jì)算檢出限為3.12×10-8mol/L。表明該熒光探針TC可作為檢測(cè)Hg2+的熒光探針，對(duì)于Hg2+有著很好的選擇性及很高的靈敏度。

陳韻聰[13]等人以香豆素醛為原料設(shè)計(jì)合成了一個(gè)具有比例計(jì)量性能的 Hg2+熒光探針9 CDTT，該探針基于汞離子對(duì)縮硫醛類化合物的特異性脫硫反應(yīng)實(shí)現(xiàn)汞離子響應(yīng)。CDTT(1.0 μmol/L)在 PBS緩沖溶液中發(fā)射出強(qiáng)烈的藍(lán)綠色熒光，最大發(fā)射波長(zhǎng)為510 nm，最大激發(fā)波長(zhǎng)為410 nm，量子產(chǎn)率為0.45。隨著 Hg2+的加入，溶液位于410 nm 出激發(fā)強(qiáng)度逐漸降低，而在485 nm 處的激發(fā)強(qiáng)度逐漸增加，量子產(chǎn)率會(huì)降低到0.25。兩個(gè)激發(fā)波長(zhǎng)下熒光強(qiáng)度的比值 F485/F410由0.06增加到5.02，增強(qiáng)倍數(shù)大于80倍。探針的檢測(cè)限為3 nmol/L (0.6 ppb)，表明 CDTT 具有相當(dāng)高的靈敏度。本研究首次實(shí)現(xiàn)了用比例計(jì)量型探針對(duì)活體斑馬魚的 Hg2+造影成像，對(duì)研究 Hg2+在生物體內(nèi)的分布及毒理具有重要意義。

1.3 BODIPY類汞離子熒光探針

BODIPY 發(fā)光基團(tuán)的吸收波長(zhǎng)和發(fā)射波長(zhǎng)在 480～540 nm 區(qū)域，峰型尖銳，強(qiáng)度高，摩爾吸光率高，熒光量子產(chǎn)率高，溶劑效應(yīng)對(duì)其熒光干擾較小，廣泛應(yīng)用于化學(xué)傳感，捕光系統(tǒng)、光敏電池等眾多領(lǐng)域[14]。

Erman Karakus[15]等人描述了一個(gè)分子傳感器10的設(shè)計(jì)和合成，它是一個(gè)rhodamine/BODIPY平臺(tái)，設(shè)計(jì)合成的探針Rh S-BOD是一種硼-二吡咯烷(BODIPY)染料，它是一種環(huán)狀的羅丹明染料。該探針激發(fā)波長(zhǎng)為525nm,在Hg2+的存在下，Rh S-BOD顯示了羅丹明發(fā)色團(tuán)的光學(xué)特征。在加入Hg2+的過程中，在發(fā)射光譜中沒有發(fā)現(xiàn)其他伴生帶，這表明BODIPY染料仍處于休眠狀態(tài)(“off”)模式。

趙軍偉[16]等人設(shè)計(jì)以氟硼二吡咯作為熒光基團(tuán)、以肼基作為活性基團(tuán)設(shè)計(jì)、合成了一種可用于物質(zhì)的量高靈敏的檢測(cè)水溶液中汞離子的熒光探針11(MS)。沒有汞離子時(shí)探針 MS 在 515 nm 處熒光發(fā)射較弱，在 0.1μmol/L 汞離子的加入后，可以看出探針的熒光明顯增強(qiáng)，當(dāng)汞離子濃度逐漸增加到 1 μmol/L 時(shí)，515 nm 處的熒光強(qiáng)度是原來熒光強(qiáng)度 5 倍，表明探針 MS 對(duì)于檢測(cè)汞離子具有非常高的靈敏度。

2012 年，Vedamalai 等[17]設(shè)計(jì)了一種基于 PET 機(jī)理的“off-on”型探針12，探針包含兩個(gè)吡啶甲基三氮唑官能團(tuán)和一個(gè) BODIPY 母體，探針分子本身幾乎沒有熒光.在眾多競(jìng)爭(zhēng)金屬離子( Ag+，Ca2+，Cd2+，Co2+，Cu2+，F(xiàn)e2+，F(xiàn)e3+，K+，Mg2+，Mn2+，Ni2+，Pb2+，Zn2+) 存在的甲醇溶液中，該探針只對(duì) Hg2+有高度選擇性熒光識(shí)別作用，和其他的金屬離子不發(fā)生作用，該探針激發(fā)波長(zhǎng)為492 nm，在520 nm處會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)的熒光.經(jīng)實(shí)驗(yàn)研究表明設(shè)計(jì)合成的探針在活體細(xì)胞成像研究中具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。

1.4 其他類型汞離子熒光探針

介紹了一種基于1,8-萘酰亞胺和烷基結(jié)合的非硫探針13[18]，用于Hg2+和Au3+在不同水溶液中對(duì)pH的調(diào)節(jié)。這一研究提供了一種新穎的基于反應(yīng)的方法來選擇性地識(shí)別這兩種離子，其熒光顏色有顯著的變化，并且是Au3+的第一個(gè)比率的例子。

2 汞離子檢測(cè)前景

綜上所述，用羅丹明B，香豆素，BODIPY作為熒光染料合成的一系列檢測(cè)汞離子的熒光探針具有高選擇性和高靈敏度，得到社會(huì)的廣泛關(guān)注，并且它們?cè)诙糠治鏊芤?，?xì)胞，以及活體動(dòng)物中的汞離子含量方面具有良好的應(yīng)用前景。且這些類型的探針對(duì)進(jìn)一步研究有著一定的指導(dǎo)作用。但由于探針分子主要應(yīng)用于對(duì)環(huán)境中水的檢測(cè)，而現(xiàn)今的探針分子溶劑大多為DMF、DMSO或乙醇等有機(jī)溶劑，為了避免有機(jī)溶劑對(duì)環(huán)境水的污染，所以需要使用純水類探針。水分子對(duì)金屬離子具有較強(qiáng)的水合作用、并能與探針分子識(shí)別基團(tuán)特異性結(jié)合，使水溶液中的金屬離子識(shí)別比有機(jī)溶劑中難度更大。因此設(shè)計(jì)、合成純水溶型汞離子熒光探針成為了目前研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。若能研究出在水中檢測(cè)性能良好的熒光探針，并將其應(yīng)用于社會(huì)，將會(huì)很大程度上造福人類。

圖1 熒光探針結(jié)構(gòu)圖

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