張淑惠,牛臣翰,張 鑫,何樹(shù)麗,隋芳含,劉 磊

(臨沂大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院，山東 臨沂 276000)

1 Cu2+識(shí)別的意義與方法

Cu2+作為自然產(chǎn)生或工業(yè)與制造業(yè)中的副產(chǎn)品而存在于環(huán)境中，銅礦的過(guò)度開(kāi)采冶煉，會(huì)導(dǎo)致環(huán)境大氣、土壤和水的污染。對(duì)于生命而言，Cu2+是植物和動(dòng)物生命活動(dòng)中必需的微量元素，人體細(xì)胞必須保持最佳銅離子濃度才能維持細(xì)胞正常離子代謝平衡。通常，人體血液中Cu2+的平均濃度在15.7～23.6 μm特定范圍內(nèi)，世衛(wèi)組織將飲用水中Cu2+的最大允許標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置為30 μM，成人每天平均攝入量不應(yīng)超過(guò)10～12 mg。人體缺銅會(huì)導(dǎo)致貧血、孟克斯綜合征、阿爾茨海默病等病癥，但體內(nèi)濃度蓄積過(guò)高，又可引起肝臟或腎臟損傷，嚴(yán)重時(shí)出現(xiàn)腎衰竭及尿毒癥等病癥[1-3]。因此，對(duì)于環(huán)境和人類(lèi)生命健康而言，由于Cu2+有毒有害的基本特性使其檢測(cè)與監(jiān)測(cè)事項(xiàng)至關(guān)重要。

經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，傳統(tǒng)Cu2+檢測(cè)方法主要包括離子色譜法、高效液相色譜法、原子吸收光譜法、紫外-可見(jiàn)分光光度法、原子熒光光譜法、電化學(xué)方法、比色法、質(zhì)譜法、中子活化分析法、熒光分析等[4]。傳統(tǒng)的重金屬離子檢測(cè)方法雖然精度高、測(cè)量范圍寬、抗干擾能力強(qiáng)，但仍存在樣品處理前復(fù)雜、儀器設(shè)備昂貴，無(wú)法在線檢測(cè)等劣勢(shì)。熒光分析法因其測(cè)試靈敏度高、操作簡(jiǎn)單易行、成本低、特異性強(qiáng)已被廣泛運(yùn)用到Cu2+高效的金屬離子選擇性識(shí)別中。

2 熒光探針金屬離子識(shí)別概述

熒光探針是一種能夠識(shí)別不同化學(xué)粒子(陰陽(yáng)離子)并將這些粒子的濃度轉(zhuǎn)換成可識(shí)別信號(hào)或電信號(hào)的傳感器。熒光探針受到溶劑或者環(huán)境中的外源生物化學(xué)的影響將改變熒光強(qiáng)度或熒光光譜的位置，熒光探針技術(shù)的發(fā)展用于識(shí)別和感測(cè)生物和環(huán)境上重要的金屬離子，并以其靈敏度高、速度快、準(zhǔn)確度高、特異性、成本低、操作簡(jiǎn)單、成本高敏感特異性、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和短響應(yīng)時(shí)間，特別適用于對(duì)樣品進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)與生物質(zhì)熒光成像，已成為科學(xué)家們研究的熱點(diǎn)。目前，熒光探針常用的熒光團(tuán)主要有萘、蒽、芘、1,8-萘酰亞胺、羅丹明、卟啉、熒光素、香豆素等[5]。

以羅丹明及其衍生物作為母體設(shè)計(jì)合成的熒光探針具有激發(fā)波長(zhǎng)較長(zhǎng)，光穩(wěn)定性好，熒光量子產(chǎn)率高，消耗光系數(shù)高等優(yōu)點(diǎn)[6]，當(dāng)羅丹明及其衍生物處于螺內(nèi)酰胺(環(huán)閉合)結(jié)構(gòu)時(shí)，它們是無(wú)熒光和無(wú)顏色的。當(dāng)羅丹明及其衍生物的螺內(nèi)酰胺結(jié)構(gòu)打開(kāi)(off-on)，熒光明顯增強(qiáng)，顏色變紅。若將其它金屬離子識(shí)別基團(tuán)引入到羅丹明螺內(nèi)酰胺的結(jié)構(gòu)中，則金屬離子與識(shí)別基團(tuán)之間的相互作用可形成羅丹明螺內(nèi)酰胺鍵，會(huì)發(fā)生閉環(huán)或開(kāi)環(huán)變化[7-8]，同樣會(huì)發(fā)生顏色變化，肉眼可識(shí)別，因此，以羅丹明及其衍生物為母體構(gòu)建熒光探針引起了人們廣泛關(guān)注。

3 羅丹明類(lèi)銅(Ⅱ)離子熒光探針

3.1 熒光淬滅型

You和Huang等[9]報(bào)道了一種以羅丹明B為母體的熒光探針(1)，探針(1)與Cu2+絡(luò)合后引起內(nèi)酰胺環(huán)打開(kāi)，氧雜蒽部分和Cu2+離子-偶極和軌道-軌道相對(duì)強(qiáng)的相互作用，導(dǎo)致Cu2+熒光猝滅，可能的絡(luò)合機(jī)理如圖1所示。Tang等[10]設(shè)計(jì)合成了新型的羅丹明衍生物(2)，分子結(jié)構(gòu)如圖2所示，Cu2+的加入雖然使得羅丹明內(nèi)酰胺環(huán)打開(kāi)，但同時(shí)形成了新的吸收峰(556 nm)，會(huì)導(dǎo)致Cu2+熒光淬滅，溶液熒光強(qiáng)度低。

圖1 熒光探針(1)與銅離子反應(yīng)機(jī)理

圖2 探針(2)的分子結(jié)構(gòu)

3.2 熒光增強(qiáng)型

相對(duì)于熒光淬滅，熒光增強(qiáng)的信號(hào)變化更易于有效檢測(cè)，從而提高探針的靈敏度。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，熒光增強(qiáng)型探針往往比淬滅型更具優(yōu)勢(shì)?；瘜W(xué)反應(yīng)型探針是 Cu2+熒光增強(qiáng)型探針設(shè)計(jì)的重要手段，而且通常具有較好的選擇性，大多數(shù)過(guò)渡金屬離子具有較強(qiáng)的吸電子能力，可用作路易斯酸來(lái)促進(jìn)或催化某些化學(xué)反應(yīng)，特定Cu2+化學(xué)反應(yīng)型探針是基于Cu2+誘導(dǎo)的氧雜蒽類(lèi)熒光團(tuán)(羅丹明、熒光素)的開(kāi)環(huán)反應(yīng)而設(shè)計(jì)的。1997年美國(guó)Czarnick[11]研究小組報(bào)道的螺環(huán)結(jié)構(gòu)的羅丹明B酰肼(RBH)探針(3)。加入Cu2+后，銅離子催化使羅丹明酰肼發(fā)生水解反應(yīng),生成了羅丹明B,反應(yīng)機(jī)理如圖3。Kumar[12]等合成了一種新型羅丹明B衍生物(4)，在乙腈水溶液中加入Cu2+后,羅丹明B衍生物(4)的熒光強(qiáng)度增強(qiáng)，可以作為檢測(cè)Cu2+的高選擇性熒光探針，反應(yīng)機(jī)理如圖4。

圖3 羅丹明探針(3)與銅離子反應(yīng)機(jī)理

圖4 羅丹明B衍生物(4)與 Cu2+反應(yīng)機(jī)理

圖5 羅丹明探針(5)與銅離子反應(yīng)機(jī)理

周麗波等[4]以羅丹明 6G為原料合成了一種新的銅離子熒光探針(5)，在體積比V(CH3OH)/V(H2O)= 1∶1介質(zhì)中探針(5)能高選擇性的識(shí)別Cu2+，探針(5)的熒光強(qiáng)度受pH值的影響很小，可以高靈敏度、高選擇性的檢測(cè)環(huán)境中Cu2+，反應(yīng)機(jī)理與圖5。Yi[13]等用羅丹明B酰肼為原料合成了一種新的銅離子熒光探針(6)。吡啶基團(tuán)的引入可增加與Cu2+的配位點(diǎn)，探針(6)可以通過(guò)配位作用選擇性識(shí)別Cu2+，顏色從無(wú)色變?yōu)辄S色，反應(yīng)機(jī)理如圖6所示。

圖6 羅丹明探針(6)與銅離子反應(yīng)機(jī)理

Wang等[14]設(shè)計(jì)合成了一種銅離子熒光探針的羅丹明B衍生物(7)。Cu2+誘導(dǎo)羅丹明B衍生物(7)環(huán)發(fā)生開(kāi)環(huán)反應(yīng)，在20min內(nèi)，顏色由無(wú)色變?yōu)榉奂t色，熒光強(qiáng)度顯著增強(qiáng)，反應(yīng)機(jī)理如圖7 。賈治芳等[15]設(shè)計(jì)并合成了一種未曾報(bào)道的胡椒醛-羅丹明B衍生物熒光探針(8)，并將其用于識(shí)別金屬銅離子。研究表明，在pH值為7.4的Tris-HCl緩沖溶液中，在乙腈/水的溶液體系中，探針為無(wú)色且無(wú)明顯熒光強(qiáng)度，Cu2+的加入使得探針螺環(huán)打開(kāi)體系共軛增加，溶液由無(wú)色變?yōu)榉凵?，反?yīng)機(jī)理如圖8所示。

圖7 羅丹明探針(7)與銅離子反應(yīng)機(jī)理

圖8 羅丹明探針(8)與銅離子反應(yīng)機(jī)理

3.3 PET 型

通過(guò)PET機(jī)理可以實(shí)現(xiàn)熒光開(kāi)關(guān)，是設(shè)計(jì)增強(qiáng)型熒光探針是一種常用的方法。如果識(shí)別基團(tuán)是多齒配體，并且通過(guò)與金屬離子螯合增強(qiáng)熒光(Zn2+、Mg2+的識(shí)別)，則這個(gè)過(guò)程稱(chēng)為螯合增強(qiáng)熒光效應(yīng)。檢測(cè)Cu2+的PET熒光探針有一定的局限性，Cu2+的順磁性會(huì)導(dǎo)致熒光猝滅，因此檢測(cè)Cu2+的PET型探針報(bào)道較少[16-17]。

3.4 比率型

He等[18]設(shè)計(jì)合成了一種由香豆素和羅丹明6G相連構(gòu)成的新型Cu2+比率型探針RCl(9)(圖9)。在識(shí)別Cu2+過(guò)程中，因配位效應(yīng)導(dǎo)致羅丹明6G的“off-on”，其吸收光譜與香豆素的發(fā)射光譜有較好的匹配度，改變了FRET的傳能效率，實(shí)現(xiàn)了對(duì)Cu2+的比率檢測(cè)。Fan等[19]報(bào)道了萘二甲酰亞胺羅丹明基TEBT比率熒光探針(10)SR-23用于Cu2+的檢測(cè)(圖10),隨著體系中Cu2+的濃度增加，檢測(cè)體系在535 nm處熒光發(fā)射強(qiáng)度明顯降低，同時(shí)在577 nm處出現(xiàn)新的熒光發(fā)射峰，體系發(fā)生TBET過(guò)程。

圖9 熒光探針(9)的分子結(jié)構(gòu)及與Cu2+反應(yīng)熒光光譜

圖10 熒光探針(10)的合成路線

4 結(jié)語(yǔ)

銅離子熒光探針的研究已經(jīng)近二十多年，某種程度上說(shuō)，研究者們?cè)陂_(kāi)發(fā)新的熒光銅離子探針?lè)矫媸请S機(jī)的，經(jīng)常得到負(fù)面的結(jié)果，至今還沒(méi)有遵循一定的原則的熒光探針的設(shè)計(jì)產(chǎn)生。目前，基于羅丹明及其衍生物為母體的化學(xué)反應(yīng)型銅離子熒光探針已展現(xiàn)出了獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，從而基于羅丹明及其衍生物為母體的Cu2+的熒光探針具有足夠的空間去研究發(fā)現(xiàn)，未來(lái)會(huì)獲得重要的成果，具有廣闊的研發(fā)應(yīng)用前景。