汞離子熒光探針研究進展

張金燕，萬釗彤，魏雨昕，李連慶

(陜西學前師范學院 化學與化工系，陜西 西安 710100)

重金屬離子：如汞、銅、鉛等對環(huán)境以及人體危害十分之大，尤其是汞具有極強的毒性。汞可以通過無機汞和甲基汞兩種形式進入食物鏈后被人類攝取，從而在體內堆積。由甲基汞所造成的相關神經問題包括產前腦損傷，認知和運動障礙，視力和聽力損失，甚至死亡[1]。目前，汞離子已報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譜法(ICP-MS) ，這些檢測方法具有靈敏度高、選擇性好的優(yōu)點，但需要昂貴并且復雜的檢測儀器，限制了它們對汞離子的定位檢測, 一種高度靈敏、快速響應的發(fā)光化學傳感器為汞離子位置檢測提供了保證[2]。

1 汞離子熒光探針分類介紹

當前用于檢測汞離子的熒光探針種類繁多，熒光離子探針的結構通常由三部分組成：熒光發(fā)色團、連接基團和識別基團。不同的發(fā)色基團所合成的熒光探針具有其自身鮮明的特點，根據(jù)各個熒光探針所用的發(fā)色團不同我們簡單的將其分為羅丹明、香豆素、BODIPY這幾類，下面針對這幾類熒光探針進行簡單概述。

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，熒光量子產率高，對酸堿的靈敏度低，較長的吸收、發(fā)射波長等優(yōu)異的光物理和光化學性能，已成為制備反應型熒光探針的一種理想材料，其在生物體中細胞成像的應用已得到證實[3]。

海南師范大學田韞琪[4]等人將羅丹明 6G與水合肼結合，合成了熒光探針1.當溶液中沒有Hg2+時，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)波長為500 nm，在554nm出現(xiàn)一個發(fā)射峰。在乙醇/水緩沖溶液中，R6GH 能特異性識別汞離子發(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汞離子。汞離子是唯一能引起R6GH 熒光增強的離子，加入其他金屬離子對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胞中汞離子的熒光成像。

南京科技職業(yè)學院王家芹[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)，當溶液中沒有Hg2+時，R6G-NA無熒光，加入汞離子后，激發(fā)波長為450 nm，發(fā)射波長為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+的熒光色度雙識別探針，可以用于“裸眼”檢測,這一色度的變化可以用可見分光光度計進行測量。

Peng[6]等人報道了一個基于羅丹明的化學計量器3，和Hg2+作用后會導致水解反應。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處的突光強度提高了370倍；并且在554 nm處產生了新的紫外吸收峰。當加入ppb級別的Hg2+后突光強度和Hg2+濃度為線性相關，采用5pM探針時檢測限達到0.91 ppb。通過質譜實驗證實了以下的反應機理：加入一當量的Hg2+時產生了絡合物；繼續(xù)加入Hg2+則導致了一個水解反應。

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)苯甲醛反應制得目標產物4(RBS2)。結果顯示在吸收光譜和熒光光譜檢測中不加Hg2+時，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)很強的吸收峰，熒光光譜在595nm處的熒光強度大幅度增加，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，實現(xiàn)了肉眼即可檢測的便利。該探針對Hg2+有良好的選擇性，且響應范圍良好，中性，弱酸，弱堿環(huán)境均可滿足是其優(yōu)勢，檢測限可低至1ppb，其較好的選擇性和高靈敏度很好了實現(xiàn)在水體系中對Hg2+的檢測。

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)。在水溶液中實現(xiàn)了對汞離子Hg2+的高選擇性識別，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-酰肼和對苯二甲醛制得終產品RBPA。RBPA 的本體溶液內酰胺環(huán)處于關閉狀態(tài)，則未表現(xiàn)出明顯吸收及熒光特征峰，當加入Hg2+時，在Hg2+誘導下螺內環(huán)部分被打開，產生增強的光譜信號。引起體系 559 nm 處吸收峰的顯著增強，熒光強度增大為本體的 840 倍，其相對熒光量子產率Φ為0.67。在 Hg2+作用下，內酰胺環(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測的能力。此外，為開發(fā)其重復使用性及在分子傳感器件中的應用潛能，作者將探針分子RBPA共價嫁接到納米二氧化硅基質上。新得到無機-有機雜化體系,實驗表明，嫁接后的雜化材料依然具有對汞離子優(yōu)異的響應識別能力且可實現(xiàn)重復檢測。

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，金屬離子的檢測靈敏度高，對酸堿適用范圍寬廣，在活體細胞成像研究中得到了廣泛的應用.香豆素本身是無色的，它在室溫下是沒有熒光的，當在3-位引入吸電子基團，6-位或 7-位引入供電子基團，將會增加它的熒光量子產率，吸收波長和發(fā)射波長將會向長波長方向移動。因此，將不同的識別基團引入到香豆素發(fā)色團作為受體，是香豆素類熒光探針的重要設計策略[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化為醛功能單元這一特點，該探針可以在水溶液中選擇性地檢測Hg2+，并對雙鉻-和氟化反應發(fā)生變化。Hg2+選擇性反應的化學劑量儀在水的緩沖液和人血漿中被清楚地觀察到。

王海菊[11]等人設計合成了一個以羅丹明 6G 和香豆素為母體的的基于 FRET 機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 處會顯示香豆素的熒光發(fā)射峰。加入汞離子后，該處的熒光強度會逐漸降低，并且在 558 nm 處出現(xiàn)一個新的發(fā)射峰，熒光強度還會隨著汞離子濃度的增加而增大。當汞離子加到 100 μmol·L-1后，熒光強度趨于穩(wěn)定，同時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酰胺開環(huán)，發(fā)出特征熒光。溶液中其他金屬離子對汞離子的熒光識別沒有太大影響，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計合成一種新的 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的最大吸收波長為324 nm，當加入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Hg2+濃度為1.00×10-7～1.30×10-5mol/L 時，熒光強度F與Hg2+濃度具有良好的線性關系，相關系數(shù)r為0.9972，線性回歸方程 F =34.53c+116.3，計算檢出限為3.12×10-8mol/L。表明該熒光探針TC可作為檢測Hg2+的熒光探針，對于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計合成了一個具有比例計量性能的 Hg2+熒光探針9 CDTT，該探針基于汞離子對縮硫醛類化合物的特異性脫硫反應實現(xiàn)汞離子響應。CDTT(1.0 μmol/L)在 PBS緩沖溶液中發(fā)射出強烈的藍綠色熒光，最大發(fā)射波長為510 nm，最大激發(fā)波長為410 nm，量子產率為0.45。隨著 Hg2+的加入，溶液位于410 nm 出激發(fā)強度逐漸降低，而在485 nm 處的激發(fā)強度逐漸增加，量子產率會降低到0.25。兩個激發(fā)波長下熒光強度的比值 F485/F410由0.06增加到5.02，增強倍數(shù)大于80倍。探針的檢測限為3 nmol/L (0.6 ppb)，表明 CDTT 具有相當高的靈敏度。本研究首次實現(xiàn)了用比例計量型探針對活體斑馬魚的 Hg2+造影成像，對研究 Hg2+在生物體內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)光基團的吸收波長和發(fā)射波長在 480～540 nm 區(qū)域，峰型尖銳，強度高，摩爾吸光率高，熒光量子產率高，溶劑效應對其熒光干擾較小，廣泛應用于化學傳感，捕光系統(tǒng)、光敏電池等眾多領域[14]。

Erman Karakus[15]等人描述了一個分子傳感器10的設計和合成，它是一個rhodamine/BODIPY平臺，設計合成的探針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)波長為525nm,在Hg2+的存在下，Rh S-BOD顯示了羅丹明發(fā)色團的光學特征。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]等人設計以氟硼二吡咯作為熒光基團、以肼基作為活性基團設計、合成了一種可用于物質的量高靈敏的檢測水溶液中汞離子的熒光探針11(MS)。沒有汞離子時探針 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，當汞離子濃度逐漸增加到 1 μmol/L 時，515 nm 處的熒光強度是原來熒光強度 5 倍，表明探針 MS 對于檢測汞離子具有非常高的靈敏度。

2012 年，Vedamalai 等[17]設計了一種基于 PET 機理的“off-on”型探針12，探針包含兩個吡啶甲基三氮唑官能團和一個 BODIPY 母體，探針分子本身幾乎沒有熒光.在眾多競爭金屬離子( 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 Hg2+有高度選擇性熒光識別作用，和其他的金屬離子不發(fā)生作用，該探針激發(fā)波長為492 nm，在520 nm處會產生強的熒光.經實驗研究表明設計合成的探針在活體細胞成像研究中具有潛在的應用價值。

1.4 其他類型汞離子熒光探針

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

2 汞離子檢測前景

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汞離子的熒光探針具有高選擇性和高靈敏度，得到社會的廣泛關注，并且它們在定量分析水溶液，細胞，以及活體動物中的汞離子含量方面具有良好的應用前景。且這些類型的探針對進一步研究有著一定的指導作用。但由于探針分子主要應用于對環(huán)境中水的檢測，而現(xiàn)今的探針分子溶劑大多為DMF、DMSO或乙醇等有機溶劑，為了避免有機溶劑對環(huán)境水的污染，所以需要使用純水類探針。水分子對金屬離子具有較強的水合作用、并能與探針分子識別基團特異性結合，使水溶液中的金屬離子識別比有機溶劑中難度更大。因此設計、合成純水溶型汞離子熒光探針成為了目前研究的熱點和難點。若能研究出在水中檢測性能良好的熒光探針，并將其應用于社會，將會很大程度上造福人類。

圖1 熒光探針結構圖

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