安國(guó)策

(中國(guó)刑事警察學(xué)院法化學(xué)系，遼寧 沈陽(yáng) 110854)

鐵是地球上含量相對(duì)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(guò)多會(huì)引發(fā)水污染、土壤污染等環(huán)境問(wèn)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(duì)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(dòng)有著重要作用。人體內(nèi)鐵元素含量或分布的異常會(huì)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(cè)三價(jià)鐵離子的方法對(duì)于環(huán)境及人類健康有著非常重要的作用。檢測(cè)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?yàn)樗脙x器昂貴、樣品前處理復(fù)雜等缺點(diǎn)而無(wú)法被廣泛使用。熒光探針由于具有探針?lè)肿雍铣珊?jiǎn)單、樣品需要量小、響應(yīng)時(shí)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(duì)三價(jià)鐵離子的識(shí)別機(jī)理及分類

羅丹明染料具有長(zhǎng)吸收和發(fā)射波長(zhǎng)、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?cè)O(shè)計(jì)熒光探針?lè)肿訒r(shí)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(jì)合成探針?lè)肿印Ａ_丹明的酰胺螺環(huán)形式無(wú)熒光，開(kāi)環(huán)形式有熒光，探針在識(shí)別三價(jià)鐵離子時(shí)，羅丹明酰胺環(huán)開(kāi)環(huán)，以1∶1或2∶1的比例與三價(jià)鐵離子絡(luò)合，產(chǎn)生熒光，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)三價(jià)鐵離子的檢測(cè)。羅丹明主要分為羅丹明B、羅丹明6G，我們對(duì)近年的羅丹明類三價(jià)鐵離子熒光探針?lè)譃榛诹_丹明B的三價(jià)鐵離子熒光探針、基于羅丹明6G的三價(jià)鐵離子熒光探針、基于其它羅丹明染料的三價(jià)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(shí)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(jià)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(lái)制備了一種基于羅丹明B的席夫堿類三價(jià)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(duì)三價(jià)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(jià)鐵離子結(jié)合后，可以明顯看到溶液顏色由無(wú)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(jià)鐵離子的檢測(cè)。更重要的是，活細(xì)胞成像實(shí)驗(yàn)表明，該探針?lè)肿訉?duì)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(jià)鐵離子的檢測(cè)。

圖2 基于羅丹明B的三價(jià)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(jì)合成了一種基于羅丹明B的比率型三價(jià)鐵離子熒光探針2，探針?lè)肿涌梢栽诙r(jià)鐵離子存在的情況下對(duì)三價(jià)鐵離子進(jìn)行特異性識(shí)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?lè)肿又兄饾u加入三價(jià)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(guò)程中經(jīng)過(guò)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?lè)肿优c三價(jià)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(jià)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(jià)鐵離子熒光探針3。探針?lè)肿涌梢栽谒?乙醇(1∶1，V/V，HEPES buffer，pH 7.36，1.3 mM)條件下對(duì)三價(jià)鐵離子進(jìn)行專一性識(shí)別，探針?lè)肿拥孽０翻h(huán)發(fā)生開(kāi)環(huán)，與三價(jià)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(shí)驗(yàn)表明，該探針?lè)肿舆€可以用于MCF-7細(xì)胞中三價(jià)鐵離子的監(jiān)測(cè)。

圖4 基于羅丹明B的三價(jià)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(kāi)發(fā)了一種基于羅丹明B的可逆型三價(jià)鐵離子熒光探針4，三價(jià)鐵離子作用后，探針?lè)肿佑甚０翻h(huán)狀結(jié)構(gòu)變?yōu)殚_(kāi)環(huán)形式，溶液由無(wú)色變?yōu)榉奂t色，熒光強(qiáng)度顯著增強(qiáng)，探針?lè)肿优c三價(jià)鐵離子的結(jié)合常數(shù)為1.27×107M-1。而且，該探針?lè)肿涌梢栽诤軐挼膒H范圍(pH 5～9)下對(duì)三價(jià)鐵離子進(jìn)行特異性識(shí)別，符合大多數(shù)的生理?xiàng)l件。共聚焦激光掃描顯微鏡實(shí)驗(yàn)表明，該探針?lè)肿涌梢杂糜趯?duì)BAEC活細(xì)胞中三價(jià)鐵離子及其動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析。

圖5 基于羅丹明B的三價(jià)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(jì)合成了一種可以在兩種波長(zhǎng)下對(duì)三價(jià)鐵離子進(jìn)行特異性識(shí)別的羅丹明B類三價(jià)鐵離子熒光探針5，探針?lè)肿涌梢栽趐H 7.0、水/乙醇(1∶1，V/V)下2∶1與三價(jià)鐵離子進(jìn)行絡(luò)合，溶液從無(wú)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(zhǎng)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(jià)鐵離子熒光探針?lè)肿印?/p>

圖6 基于羅丹明B的三價(jià)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(jià)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(duì)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(duì)三價(jià)鐵離子進(jìn)行特異性識(shí)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(jià)鐵離子熒光探針?lè)肿印?/p>

圖7 基于羅丹明6G的三價(jià)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(jià)鐵離子熒光探針7。探針?lè)肿訉?duì)三價(jià)鐵離子的識(shí)別具有高選擇性并且是可逆的，與三價(jià)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(wú)熒光的狀態(tài)。生物成像實(shí)驗(yàn)還表明該探針?lè)肿釉谏飳W(xué)應(yīng)用及單分子檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域有著潛在的應(yīng)用價(jià)值。

圖8 基于羅丹明6G的三價(jià)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(gè)基于羅丹明6G的熒光探針?lè)肿?探針8及其衍生物)，用于生物系統(tǒng)中三價(jià)鐵離子的特異性識(shí)別和分析。探針?lè)肿优c三價(jià)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(shí)驗(yàn)表明，細(xì)胞內(nèi)的三價(jià)鐵離子使探針?lè)肿影l(fā)生了開(kāi)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(gè)探針?lè)肿又?，探?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(jià)鐵離子的成像研究。

圖9 基于羅丹明6G的三價(jià)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(jì)了一種新穎的基于羅丹明6G的三價(jià)鐵離子熒光探針9。乙腈溶液、可見(jiàn)光下，探針?lè)肿拥娜〈糠忠蚤_(kāi)環(huán)形式存在，溶液無(wú)色；紫外光下，探針?lè)肿尤〈糠忠躁P(guān)環(huán)形式存在，溶液為淺紫色。加入三價(jià)鐵離子后，探針?lè)肿恿_丹明部分的酰胺環(huán)開(kāi)環(huán)，產(chǎn)生黃色熒光。核磁、質(zhì)譜等實(shí)驗(yàn)表明，探針?lè)肿优c三價(jià)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(jià)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(jià)鐵離子熒光探針

2014年P(guān)uhui Xie等[13]設(shè)計(jì)合成了羅丹明類三價(jià)鐵離子熒光探針10。探針10與三價(jià)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?lè)肿佑捎谧陨硭鶐У牡；鶊F(tuán)，發(fā)出綠色熒光，與三價(jià)鐵離子的絡(luò)合后，羅丹明酰胺環(huán)部分發(fā)生開(kāi)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?lè)肿芋w現(xiàn)了一個(gè)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(jià)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(yǔ)

近年來(lái)，以羅丹明染料尤其是羅丹明B、羅丹明6G為底物制備三價(jià)鐵離子熒光探針被人們廣泛研究和發(fā)展，是化學(xué)檢測(cè)應(yīng)用方面的熱點(diǎn)研究方向。羅丹明類三價(jià)鐵離子熒光探針具有檢測(cè)快速、所需檢測(cè)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(kāi)展，與納米材料等新技術(shù)進(jìn)行結(jié)合設(shè)計(jì)新型的、功能更全面、更實(shí)用的熒光探針?lè)肿訉⒈蝗藗兏訌V泛地研究和開(kāi)發(fā)。