CHEMICAL INDUSTRY AND ENGINEERING PROGRESS        2016年第35卷第10期·3288·
化工进展
反应型荧光探针在检测金属离子中的研究进展
张聪，高云玲
（浙江工业大学化学工程学院，浙江杭州 310032）
摘要：金属离子广泛存在于自然界中，与环境科学、生命科学、医学等领域有着密切的联系。一些金属离子如Hg2+、Fe3+、Cu2+、Zn2+、Al3+等，在生物体的生理和病理中扮演着重要角，摄入过量或不足都会导致生理功能的紊乱，引发各种疾病。近几年来，反应型荧光探针因其高选择性和高灵敏性的特点得到了快速的发展。本文主要综述了近五年来反应型荧光探针在检测金属离子中的研究进展，主要介绍了各类探针分子的设计合成、传感机理、检测结果以及其在生物检测中的应用。指出反应型荧光探针的研究发展还处在初级阶段，该领域将会朝着灵敏度更高、反应时间更少、应用范围更广的方向发展，此外，反应型荧光探针在生物检测以及实际应用方面也有望得到进一步的应用发展。
关键词：化学反应；探针；选择性；金属离子
中图分类号：TP 212.2      文献标志码：A      文章编号：1000–6613（2016）10–3288–07
DOI：10.16085/j.issn.1000-6613.2016.10.038
Reaction-based fluorescence probe for the detection of metal ions
ZHANG Cong，GAO Yunling
（College of Chemical Engineering，Zhejiang University of Technology，Hangzhou 310032，Zhejiang，China）
Abstract：Metal ions are widely distributed in nature and they have key roles in the environment，bioscience and medical science. Some metal ions，such as Hg2+，Fe3+，Cu2+，Zn2+ and Al3+，play important roles in the physiology and pathology of organisms. An excess or deficiency of these metal ions would lead to physiological dysfunction and cause a variety of diseases. Recently，reaction-based fluorescence probes have attracted considerable attention due to their high sensitivity and good selectivity. This review mainly focuses on reaction-based fluorescence probes for the detection of metal ions in the past five years. The design and synthesis of probes，their sensing mech
anisms and their applications were summarized. Currently，the reaction-based fluorescence probes are still in their initial stages and hence many problems need to be solved. With the resolution of these problems，reaction-based fluorescence probes would show higher sensitivities with less reaction-time and possess wider applications. In the future，reaction-based fluorescence probes should show efficient development in biological detection and expand practical applications.
Key words：chemical reaction；probe；selectivity；metal ions
金属离子广泛存在于自然界中，在生物体的生长发育过程中扮演着重要角，摄入过多或不足都会导致生理功能的紊乱，从而引发严重的疾病甚至危及生命。因此，能够简便快速的检测金属离子尤为重要。
近年来，荧光探针的研究和应用已经取得了很大的进展。荧光探针是利用探针与目标物质结合前
收稿日期：2016-03-01；修改稿日期：2016-04-18。
基金项目：浙江省自然科学基金项目（LY15B070004，LY12B07010）。第一作者：张聪（1990—），女，硕士研究生。联系人：高云玲，博士，副教授，主要研究方向为超分子化学及光化学分子传感器的合成及检测、生物识别。********************。
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后荧光性质的变化实现对目标物质的识别检测，具有选择性好、灵敏度高、实时原位检测、操作方法简便等优势[1,2]。荧光探针可以分为两类，即传统型荧光探针和化学反应型荧光探针[3]。传统型荧光探针对目标物质的识别是基于非共价作用，包括氢键作用力π-π、静电作用力、配位作用等，这种传感过程通常是可逆的 [4]。反应型荧光探针则通过探针分子与待测物质之间的化学反应，实现对目标物质的检测。高选择性和高灵敏度以及较大的检测范围使得反应型荧光探针受到广泛的关注。见图1。
1 反应型金属离子荧光探针的设计及传感机理
反应型金属离子荧光探针是探针分子与待识别的金属离子目标物在一定条件下发生化学反应，根据反应产物与探针分子之间荧光信号的差异，实现对目标物质的选择性识别。金属诱导催化反应、亲核加成、取代反应以及涉及它们的串联反应[5-6]等被广泛应用于设计反应型金属离子荧光探针。
与传统的荧光化学探针相比，由于化学转化的结构变化，反应型的荧光探针光谱变化较大，通常具有更高的灵敏度和更好的选择性，为化学和生物体系中物质的检测提供了独特和多功能的检测手段，也扩展了可以检测物质的范围。
2  反应型金属离子荧光探针
2.1  Hg2+反应型荧光探针
汞是一种严重危害人体健康的高毒性重金属，在自然界中多以二价化合物和阳离子形态广泛存在[7]。由于汞离子难以进行生物降解，因此容易通过生物链在生物体内不断累积[8]，汞离子的过量摄入，会严重影响人类的神经系统和内分泌系统[9]。因此，设计和开发对汞离子具有识别作用的荧光探
图1 传统型荧光探针与反应型荧光探针示意图针具有十分重要的意义。
SUMIYA等[10]设计合成了基于7-硝基-1,2,3-苯并氧杂二唑（NBD）的汞离子探针1（图2）。在乙腈水（体积比9/1，HEPES 10mmol/L，pH=7.0）中，由于化合物1中苯胺N上的孤对电子与硫羰基上的π轨道相关，电子转移到硫羰基基团，阻止了化合物1的光诱导电子转移（PET）进程，随着Hg2+的加入，诱导化合物1脱硫成环，生成咪唑啉类化合物1-1，促进了分子内苯胺和激发态NBD间的PET进程，使荧光淬灭。化合物1对汞离子1∶1计量识别，检测限为0.6μmol/L，能够在1min内实现对汞离子的快速响应。
包含Ag+、Cu2+嗜硫离子在内的其它金属离子对该探针无明显作用。
JIANG等[11]设计合成了一种可逆转换识别汞离子的荧光探针2（图3）。无荧光的化合物2与汞离子1∶1反应生成了荧光化合物2-Hg，485nm处的荧光强度增大约50倍；当加入过量硼氢化钠后，2-Hg重新生成化合物2，荧光立即淬灭。该探针重复使用5次后荧光效率仍然良好。探针2对汞离子的选择性好，检测限为6.2nmol/L（汞含量1.2μg/L），满足美国环境保护总署（U.S.EPA）对饮用水中汞离子含量的限制（2 μg/L）。
LEE等[12]设计合成了一种基于香豆素炔的反应型汞离子探针3（图4），
在第一个汞离子作用下，炔基被活化，快速生成乙烯基汞化合物，随后在第二个汞离子和水的作用下，缓慢消去汞，生成稳定的含醛基的香豆素氮唑化合物3-1，25℃下识别过
图2
探针1对Hg2+的传感机理[10]
图3  探针2对Hg2+的传感过程[11]
化    工    进    展                            2016年第35卷
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图4  探针3与Hg 2+的反应机理[12]
程在40min 内完成。探针3与汞离子的络合比例为1∶2，检测限为2.7μmol/L 。
在已报道的汞离子计量探针中，很多使用对pH 敏感的荧光素或者7-氨基香豆素作为荧光基团，由于对pH 的依赖，限制了探针的应用范围，并会对
分析测试带来误差[13]。
HAN 等[13]设计合成了探针4（图5），在pH 范围4.0～11.0之间稳定，在pH=4.0～8.0之间利用脱保护环化机理，表现出良好的汞离 子识别能力。加入5当量汞离子后（测试体系：
10mmol/L ，PBS ，含1% CH 3CN ，pH=7.4）
，荧光强度增大约100倍，其反应机理为：汞离子促进化合物4乙烯基醇醚水解生成含有羟基的中间体，继而快速环化生成化合物4-1，整个过程在10min 内完
成，检测限为4.31×10–8mol/L （汞含量8.8 g/L ）
，具有制备简便、水溶性好、选择性高等特点。 2.2  Cu 2+反应型荧光探针
铜离子是生命体系中必须的一种微量元素，在人体中的含量仅次于铁离子和锌离子[14]，在生物体内的酶反应、酶转录以及一些氧化还原过程中扮演
图5  探针4与Hg 2+的反应机理[13]
着重要角。然而，铜离子的过量摄入会造成氧化应激障碍和神经退行性疾病，例如Menkes 病、威尔森综合症(Wilson)和阿尔茨海默氏症（Alzheimer ）等疾病[15-17]。铜离子在环境中广泛存在，长期积累会对环境造成污染。因此，设计合成简便、快速的铜离子荧光探针在生命和环境科学领域都具有现实意义。
LI 等[18]设计合成了基于罗丹明的荧光增强型铜离子探针5（图6），在测试体系CH 3CN/HEPES （20mmol/L ，体积比1/1，pH=7.20）中与Cu 2+ 1∶1配比，结合常数为  5.01×104L/mol ，检测限为1.2×10–8mol/L 。区别于其他基于罗丹明B 探针识别金属离子的螯合机理，探针5具有不可逆性。在生成的5+Cu 2+（5-2）中加入EDTA ，体系的荧光强度保持不变。其反应机理为Cu 2+加入后导致探针5开环，形成中间体5-1，随后水解生成罗丹明B （5-2）。溶液颜由无变为粉，发射橙荧光。
WANG 等[19]设计合成了一种以喹啉为荧光基团、2-吡啶甲酸为识别基团的探针6（图7），在HEPES （20mmol/L ，pH=7.0）溶液中无荧光，荧光
量子产率仅为0.001。加入Cu 2+后，
探针6在502nm 处的荧光强度增强约110倍，这主要是因为Cu 2+与识别基团配位后，酯基被活化，促进了探针的水解，生成荧光物质2-甲基-7-羟基喹啉。室温下，该反应可在5min 内完成。紫外滴定表明探针6与Cu 2+ 1∶
1
图6  探针5与Cu 2+的反应机理[18]
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图7  探针6与Cu2+的反应机理[19]
计量反应，检测限为0.15μmol/L。该探针具有高灵敏度和高选择性，已成功应用于HeLa细胞中的Cu2+检测。
2.3  Fe3+反应型荧光探针
铁离子是生物体内含量最大的一种微量元素，在细胞代谢、酶催化等过程中起着重要作用[20]，而细胞
内铁离子含量过多或是缺乏都会引发严重的疾病乃至危及生命[21]。近年来，在水体环境中，铁已经成为除氮磷硅以外浮游植物初级生产力的又一个重要的限制因素[22]。因此，设计合成简便、快速、准确检测铁离子的荧光探针变得尤为重要。
2013年，LUXAMI等[23]报道了探针7（图8），实现了对两种金属离子Fe3+和Zn2+的同时选择性检测。加入Fe3+后，由于铁离子的强路易斯酸性质，促进了化合物7分子中的希夫碱水解和螺环内酰胺开环，导致荧光和吸收光谱的发生变化，溶液由无变为粉红，在585nm处出现新发射峰，荧光强度增大了100倍，探针7对Fe3+通过1∶1计量反应识别。加入Zn2+后，Zn2+与化合物7上的N和两个O络合形成1∶1的结构（化合物7-2），而化合物7-2又可以作为一个Fe3+比例探针。这对选择性检测多种金属离子来说是一种很有前景的方法。
2013年，LONG等[24]第一次基于缩醛脱保护反应设计开发了Fe3+荧光探针8（图9）。化合物8中的菲并咪唑基团与缩醛基团非共轭，分子内电荷转移过程（ICT）关闭；加入Fe3+后，引起化合物8缩醛脱保护生成化合物8-1，菲并咪唑基团与醛基共轭，ICT过程实现，化合物8荧光发射峰由390nm 红移至522nm，吸收峰由362nm红移至373nm，发射比率I522/I390增加了2362倍，检测限为0.12μmol/L，远低于正常人血清中Fe3+的浓度（5～39μmol/L）。化合物8是第一个适合检测血清中Fe3+浓度的荧光比率探针，并已成功应用于活细胞荧光成像。
2.4  Pd2+反应型荧光探针
reaction研究
钯是铂系元素之一，由于其特殊的理化性质，广泛应用于催化剂、燃料电池、珠宝首饰等方面[25]。钯催化剂是药物分子合成中常用的一种催化剂，尽管经历纯化步骤，但在药物的最终产品中有时依然有较高浓度的钯残留[25-26]。过量的钯会导致皮肤、眼睛严重过敏[27]，人体每天最大钯摄入量应小于1.5～15μg，而药物中钯含量限度为5～10mg/kg[25-26,28]，因此，建立开发有效的检测痕量钯的分析方法具有重要意义。
2015年，HUANG等[29]基于罗丹明螺环内酰胺
图8  探针7的检测机理[23]
化工进展                            2016年第35卷·3292·
开环反应，设计合成了关-开型钯离子探针9（图10）。紫外光谱测试表明，加入Pd2+后，560nm处出现新吸收峰，溶液由无变为粉红，在0～17μmol/L滴定范围内，检测限为0.200μmol/L。荧光光谱测试表明，探针9荧光很弱，加入Pd2+后，580nm处荧光强度增大，量子产率达到0.53，在0～15μmol/L内，检测限为0.015μmol/L。工作曲线表明，探针9与Pd2+1∶1结合，EDTA加入实验表明，探针9对Pd2+
的识别过程是可逆的。该探针已成功应用于钯催化剂、自然水样中Pd2+检测以及Pd2+活细胞成像中。
XIANG等[30]设计合成了比率比型荧光探针10（图11）。基于钯催化裂解反应，探针10对钯的响应速度高、选择性好和灵敏度高的特点，检测限达到24.2nmol/L。加入钯后，探针10的最大吸收峰由420nm红移至472nm，最大发射峰由570nm红移至643nm，溶液颜由黄变为粉，荧光强度比值I643/I570增大85倍。此外，探针10对Pd(0)以及Pd2+表现出了同样的灵敏度，加入Pd2+ 25min后，荧光强度比值I643/I570保持不变。因此探针10对于钯类的检测具有通用性，在生物体中钯的定量检测
图9  探针8对Fe3+的传感过程[24]
图10  探针9对Pd2+的传感过程[29]
图11  探针10的传感过程[30]方面具有潜在的应用价值。
2.5  Zn2+反应型荧光探针
锌离子是生物系统中不可缺少的微量元素，在基因表达、神经传递、细胞分化凋亡、生长素调控、免疫功能等生命过程中扮演着重要角[31-33]。锌的代谢紊乱会造成免疫低下、老年痴呆、皮炎等疾病[32-33]。另外，环境中锌离子的含量过高会抑制植物的光合作用，降低酶活性[32]。因此，锌离子的方便、快速检测对生物系统和环境是非常重要的[34]。
2010和2012年，ZHU等[35-36]分别报道了两种基于螺吡喃衍生物的锌离子探针11和12（图12）。探针11和12在络合锌离子后螺吡喃开环，使其光谱发生变化，实现对Zn2+的检测。探针11在加入Zn2+后，230nm和350nm的吸收峰减弱，同时在240nm、380nm和540nm处出现新的吸收峰，溶液颜由无变为红；加入Zn2+后的荧光光谱，由于分子内电荷转移和螯合荧光增强（CHEF）作用，荧光强度增加16倍。探针12在加入Zn2+后，560nm 处的荧光发射降低，在665nm处出现新的发射峰，发射比I665/I5
60增加了36倍，12与Zn2+以1∶1结合，络合常数为(1.34±0.7)×10–7mol/L。
2.6  Al3+反应型荧光探针
铝元素是地壳中含量最丰富的金属元素，广泛应用于包装材料、水处理、食品添加剂、临床药物等方面[37-38]。世界卫生组织（WHO）已将铝列为食品污染物之一，提出人体平均每周摄入量不超过2mg/kg 体重。帕金森病、老年痴呆症、透析性脑病等疾病都与铝在体内的稳态失调有关[39-40]。因此，铝离子的检测对减少铝对人体健康的影响是至关重要的。
图12  探针11和12与Zn2+传感过程[35-36]

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