铜离子荧光探针的研究进展

崔 娜, 张晓娟, 王志明

(沈阳工业大学 石油化工学院，辽宁 辽阳 111003)

·综合评述·

铜离子荧光探针的研究进展

崔 娜, 张晓娟*, 王志明

(沈阳工业大学 石油化工学院，辽宁 辽阳 111003)

高选择性、超灵敏性铜离子荧光探针的设计和开发，在环境检测、食品安全及人体内微量铜元素探测等领域具有重要意义。本文根据荧光分子探针对铜离子的识别机制和化学结构特点，从罗丹明、香豆素、芘基团、萘酰亚胺、氟硼吡咯及其他荧光基团等发色团出发，综述了近年来铜离子荧光探针的研究进展。参考文献27篇。

铜离子; 荧光探针; 催化; 荧光增强; 荧光淬灭; 综述

铜是人体生命活动不可或缺的微量元素。如果人体内铜离子循环长期处于过高浓度，将会导致新陈代谢紊乱、损害肝脏等，甚至引起肝硬化等恶性疾病[1]。所以，铜污染不仅会影响生态环境中动、植物和微生物的生长和土壤酶的活性，而且铜元素会以各种形式在体内富集，最终对人体生命健康造成不良后果[2]。目前，在众多铜离子检测方法中，荧光探针法以其成本低廉、选择性好、灵敏度高及实时原位检测等优点，倍受基础科研及应用开发人员的关注[3-4]。

事实上，众多的铜离子探针的检测或监测过程大都基于荧光信号的位置或强度变化来完成，如荧光颜色的变化。其中，荧光的变化多源于荧光物种结构或作用形式的变化，与有机荧光分子的探针结构和铜离子的作用有关。由于铜离子本身具有顺磁性作用，易于同具有合适空腔体积的电子螯合基团结合，导致有机分子受激发时电子跃迁方式发生改变，出现固有荧光的降低或淬灭响应。所以，目前报道的铜离子络合型探针多数属于荧光淬灭型探针，如希夫碱类和香豆素衍生物类等。同时，铜离子具有一定的催化活性，能够催化多种脂、环己内酰胺或亚胺结构水解的有机反应，如荧光光色转变、强度增加或淬灭等。所以，文献报道的铜离子荧光增强型探针大部分基于上述催化历程。然而，在实际检测体系中，许多铜离子探针需要在高含量有机溶剂体系中使用，严重影响了荧光探针在水系样品分析中的应用，尤其是生命样品的检测。因此，设计、合成可应用于生命体系检测的高选择性和灵敏度的铜离子荧光探针是一项极具重大意义的任务。

本文从有机荧光探针的化学结构出发，重点介绍了几类铜离子荧光探针及检测机制与应用，旨在对铜离子探针的设计和研究提供一定参考。

1 罗丹明及其衍生物

罗丹明，作为经典的荧光分子探针的构筑基元，具有良好的分子稳定性、较高的荧光量子产率和较宽的适用pH范围[5]。当罗丹明结构的内酰胺螺环处于关闭状态时，探针结构在长波长处没有吸收(无显著颜色)，并且没有荧光信号输出，然而，当待检测物与罗丹明类探针作用时，其内酰胺螺环被打开，紫外吸收光谱在长波长处吸收显著增加，溶液颜色加重(无色至粉红色)，出现显著的荧光信号；因此，罗丹明为目前大部分商业化的荧光探针(汞离子居多)的母核结构。

2012年，Zheng课题组[6]报道了一种新型的罗丹明衍生物(1， Scheme 1)。通过在五元环里面嵌入氮原子，将一个传统的罗丹明螺环骨架的五元环进行扩环成为六元环，将本来用于检测Hg2+的荧光探针转变为能够高选择性检测Cu2+的荧光探针(在有机相乙腈/水体积比为20/1中使用)。进一步机理研究显示，1的电子结构能选择与Cu2+结合并被催化诱导开环，生成异硫氰酸酯结构，表现为荧光显著增强。

2013年，Fan和Peng课题组[7]也报道了一种基于铜离子催化罗丹明衍生物水解的荧光探针(2, Scheme 2)。2通过炔键连接了罗丹明酰肼和萘二酰亚胺结构，加入铜离子之前，荧光探针仅显示出萘二酰亚胺的单荧光行为；加入铜离子之后，铜离子催化罗丹明酰肼水解，借助能量转移效应(TBET)，罗丹明部分的荧光被表现出来；借助二者荧光强度的变化，构筑了一类比率型荧光检测的方法，从而有效地提高对铜离子检测的灵敏度。但遗憾的是，该探针需在有机相主导的环境中使用(乙腈和水的体积比为20 ∶1)，大大影响了其在实际样品检测中的应用。2014年，Huo课题组[8]进一步优化罗丹明结构，设计并合成了两种可以用于水系环境的探针(3和4, Scheme 3)。前者基于分子内电荷转移(ICT)机理机制，通过颜色的改变来实现对Cu2+的比色化学传感(无色变为粉色)；后者通过分子螯合作用，构筑了淬灭型探针，其在生物成像中的应用可能成为细胞铜离子含量研究的有效工具。

侯桂革课题组[9]以罗丹明6G为原料，设计并合成了两种Schiff-base 螯合的新型荧光探针5和6(Scheme 4)，在生理环境下(20 mmol·L-1PBS buffer， pH 7.4)，探针5和6发光较弱，当加入Mg2+， Ca2+， Ag+， Cd2+， Co2+， Fe2+， Fe3+， Mn2+， Ni2+， Pb2+， Zn2+， Cr3+， Hg2+和Al3+等金属离子后，探针荧光强度迅速增强，而只有加入Cu2+离子后荧光强度变化比较小，证明探针对Cu2+离子具有很好的选择性。

冯锋课题组[10]以罗丹明B酰肼和4-(二乙氨基)水杨醛的缩合反应，合成了一种对Cu2+具有特定荧光识别功能的席夫碱类化合物7(Scheme 5)。在C=N的异构化作用下，甲酰腙结构上氧原子和氮原子为金属离子提供了结合位点，预测其能与Cu2+配位，使得荧光基团的荧光强度发生变化，从而达到识别Cu2+的目的。在50%乙腈水溶液中，其光谱性和离子选择性实验结果表明，7自身荧光很弱，但是与Cu2+结合后荧光显著增强，而与其他金属离子结合后，荧光强度变化很小，说明7对Cu2+具有很好的选择性和较高的灵敏度，可用作Cu2+荧光增强型探针。

Scheme 1

Scheme 2

Scheme 3

Scheme 4

Scheme 5

2 香豆素及其衍生物

香豆素，作为一类重要的荧光染料，具有荧光量子产量高，Stocks位移大，摩尔消光系数大，光稳定性好等优点；而且，香豆素母体合成方法较为丰富，很容易通过简单底物的结构变化引入不同的推拉电子取代基团，大幅度降低未来商业化的成本；因此，香豆素也是最有可能实现廉价荧光探针制备的首选材料体系[11]。

由于香豆素芳基酮结构具有很强的配位能力，所以香豆素衍生物的铜离子荧光探针多以淬灭型为主，如Scheme 6中所示的化合物8。研究了其在甲醇/水(1/1)溶剂中加入不同金属离子溶液的荧光光谱。结果表明8能够与高选择性地与Cu2+结合并淬灭荧光(绿色荧光消失)，表观颜色由淡黄色变为红色，并且不被其他金属离子干扰[12]。通过浓度配比的调节和荧光强度绘制Jess曲线，计算香豆素苯酚腙结构与Cu2+的络合比为2 ∶1，络合常数为9.56×109M-2。由于点亮型探针的灵敏性相对更高(由不亮到亮，更易被察觉和检测)，所以香豆素型铜离子荧光探针也可借助其催化特性。

Tong研究组[13]报道了一例荧光增强型的探针(9， Scheme 7)。该探针分子在乙腈/水(1/1)溶液中不但对Cu2+具有非常高的选择性，在其他的常见金属阳离子存在时，没有显著干扰；当其与Cu2+以2 ∶1的比例形成络合物后，香豆素内酯快速的发生水解，导致新的共轭结构的生成，其荧光信号增强50倍。动力学测试显示，该水解反应为一级反应机制，响应速度较快，其他离子也不会干扰Cu2+水解催化作用。

冯锋课题组[14]合成了一种荧光减弱型的探针(10， Scheme 8)在无水乙醇溶液中，10在433 nm处有较强的紫外吸收峰，随着Cu2+浓度升高，紫外吸收峰发生红移，且紫外吸收峰逐渐降低。(该现象是由于Cu2+与化合物络合，增加了分子平面性和共轭程度，从而导致紫外吸收峰变化。)在10%丙酮水溶液中，加入不同金属离子时，10在485 nm处有较强的发射峰，而当加入Cu2+后，该处荧光显著减弱。

3 芘基团及其衍生物

芘基团是有机光电材料中重要的荧光构筑基元，尽管其在单分子状态下具有较高的荧光量子产率和光热稳定性，但是其在聚集状态中的效率下降较为明显，这主要是由于其容易形成二聚体结构导致偶极堆积而淬灭荧光。分子荧光探针11(Scheme 9)利用联肼键将两个芘基团链接[15]，进一步增加了分子的刚性和聚集能力，导致其在乙腈和丙酮溶液中没有明显荧光，而当含有Mg2+， Ca2+， Ni2+， Zn2+， Cd2+， Pb2+， Cu2+和Hg2+溶液加入后，可以观察到Cu2+和Hg2+混合体系表现为红色和绿色荧光，而其他金属离子则没有明显变化。这主要是Cu2+和Hg2+如同撬杠一样配位填入堆积在一起的探针中间，使其成为了一类新的配合物，并赋予其荧光特性；这也是目前报道不多的配位效应导致荧光增强的实例。

Scheme 6

Scheme 7

Scheme 8

Scheme 9

Scheme 10

Scheme 11

在荧光探针领域中，萘酰亚胺荧光染料扮演着重要角色，由于萘酰亚胺类荧光探针本身具有电荷转移结构，发光信号强，因此可设计成检测阳离子、阴离子及有机小分子的多种荧光探针。化合物12(Scheme 10)是基于脱氢和ICT原理结合的铜离子淬灭型荧光探针，在乙腈溶液中加入铜离子后，与萘环相连的两个氮原子脱去质子，增强了氮原子的给电子能力，导致吸收波长和荧光波长红移[16](在激发态下，由于ICT作用，即萘胺基氮原子上的电子更有利于向萘环π*体系电子转移，因此导致荧光红移)。从裸眼可以看到颜色由黄色变为红色，在紫外灯的照射下，可以看到荧光由绿色变为红色。

Qian研究组报道了与化合物12的结构类似的探针13，而二者在作用机理有所差异(Scheme 11)。化合物13与铜离子络合，铜离子通过配位与脱氢双重作用改变4-位和5-位氮原子的供电子能力，从而改变其分子内电荷转移过程，使发射波长发生改变，从而实现了双波长比率检测[17]；而化合物12是由于与Cu2+络合导致萘胺脱氢，带负电荷的胺基氮原子与萘环形成C=N双键，共轭体系被延长；N的非键电子向Cu2+的空d轨道转移一个电子，抑制了Cu2+的顺磁效应，导致荧光淬灭，受光激发后，共轭N与萘环之间发生n→π*电子转移导致ICT效应和荧光红移[18]。

另外，Xu等为了利用萘酰亚胺羰基参与配位特性，开发了一类多模式配位型荧光探针化合物14(Scheme 12)[19]。在有机相乙腈溶液中，当与铜离子以1 ∶1络合时，形成了夹心结构，两个萘酰亚胺发色团靠的较近，萘酰亚胺在485 nm处的特征发射峰很弱，反而在544 nm处出现了一个新的荧光峰；随着铜离子浓度的增加，其与铜离子以1∶2络合，夹心结构被破坏，两个萘酰亚胺发色团远离，从而释放了萘酰亚胺单体的荧光；从而，探针呈现了双波长比率型的荧光变化。

这种配位能力的应用在Ramaiah等[20]的报道中有所体现，化合物15为萘酰亚胺和丹磺酰胺链接的激发态能量转移(EET)比率型铜离子荧光探针(Scheme 13)。萘酰亚胺与丹磺酰胺(在乙腈溶液中)具有很相近的吸收光谱，在没有铜离子的情况下，激发萘酰亚胺发色团，能量转移至丹磺酰胺基团，在525 nm处可以观测荧光发射峰；当加入铜离子后，铜离子与丹磺酰胺结合，其与萘酰亚胺的发射光谱重叠变小，仅在375 nm处观测到萘酰亚胺的荧光峰，从而实现了比率识别铜离子。遗憾的是，该探针的激发波长在紫外区，不利于用于生物样品的检测，但是该工作为设计通过调节光谱移动调控EET过程的比率型荧光探针提供了一种新的思路。

王恩举课题组[21]合成了一种以1,8-萘酰亚胺为发光团，以双西佛碱结构为识别单元的铜离子荧光探针化合物16(Scheme 14)，通过荧光光谱法探究了16在乙腈中对Cu2+有明显的“turn off”荧光响应，荧光淬灭率达97.6%。而加入其他金属离子(Na+, K+, Ca2+, Mg2+, M2+, Co2+, Ni2+, Cu2+, Cr3+, Ag+, Pb2+, Zn2+, Cd2+, Hg2+, Fe2+和Fe3+)均未使化合物16的荧光发生变化。因此，该荧光探针对Cu2+有较高的选择性和灵敏度，可应用于环境中的Cu2+定性检测。

BODIPY作为广泛用于水溶性荧光探针材料设计的基础结构，在铜离子探针研究方面也备受关注。在BODIPY的邻位(吡咯环)和间位(亚甲基)上引入不同铜离子识别基团，均可实现对BODIPY探针自身荧光特性的调整。Yoon等[22]直接在亚甲基上共轭连接上螯合基元合成了含羧酸酯基的BODIPY化合物17(Scheme 15)，在铜离子催化作用下(在乙腈溶液中)，羧酸酯基团水解，构筑成一类新型的螯合增强荧光的探针。

Scheme 12

Scheme 13

Scheme 14

Scheme 15

Scheme 16

Scheme 17

He等[23]则在吡咯环的邻位插入具有配位能力的羟基腙结构，制备了化合物18(Scheme 16)，其探针的荧光内核为BODIPY主体。与上面催化机理类似，Cu2+与羟基及腙的氮原子发生配位后，高效水解成醛，在光诱导电子转移(PET)效应下实现无荧光向绿色荧光转化，表现为一种“Turn-On”型荧光探针。

2015年，Huang等[24]合成了一种新型基于BODIPY 近红外荧光探针化合物19(Scheme 17)。在乙腈溶液中，与其他金属离子相比，该探针对Cu2+显示了高度选择性和灵敏度。在乙腈溶液中，滴加Cu2+后，最大吸收峰由603 nm红移至608 nm，颜色也由粉色变到蓝色。当激发波为600 nm时，加入Cu2+后，荧光发射峰λ=617 nm出现了荧光淬灭，淬灭强度超过86%。值得注意的是，当向配合物中滴加EDTA或S2-时，荧光强度又可以恢复。

除上述典型的荧光基元改性外，荧光素、喹啉等新型荧光基元也逐渐加入了高选择性和敏感性的铜离子探针制备领域，并在个别领域展现出不可替代的能力。如荧光素衍生物20(Scheme 18)，通过铜离子的顺磁淬灭效应，在水系条件下检测限达到0.30 μmol·L-1[25]； Chen等[26]制备的香豆素-喹啉荧光探针化合物21(Scheme 18)，可在pH 5～11广谱范围内进行铜离子的定量检测，并且能在活体细胞中进行铜离子成像研究；Pramanik小组[27]合成的喹啉类衍生物22(Scheme 18)，不但对铜离子的存在具有开关效应，还发现其可用于人体扁平上皮细胞等铜离子微量检测。

Scheme 18

由于荧光显微成像技术和时间分辨技术的迅速发展，基于超分子化学和有机染料的荧光探针现已成为研究生物学和医学领域相关问题的重要工具。伴随着对铜离子研究的不断深入，开发高灵敏，高选择性铜离子荧光探针对于检测和研究铜离子参与生命体系的行为具有重大意义，但目前许多荧光探针多在有机溶剂中使用，限制了探针分子的实际应用。因此，急需研发不受溶剂极性和pH影响以及光稳定性和溶解性均较好的荧光团。同时，在生物学研究、环境监测、临床医学及疾病诊断等领域，开发微量铜离子的选择性检出将是铜离子荧光探针今后重要的发展方向。

[1] Sasanka Dalapati, Sankar Jana, Akhtarul Alam,etal. Multifunctional fluorescent probe selective for Cu(II) and Fe(III) with dual-mode of binding approach[J].Elsevier B V Sensors and Actuators B,2011,09(034):1106-1111.

[2] 陈斌．基于香豆素及罗丹明的硫化氢及铜离子光学探针[D]．大连：大连理工大学，2014.

[3] Maity D, Manna A K, Karthigeyan D,etal. Visible-near-infrared and fluorescent copper sensors based on julolidine conjugates:Selective detection and fluorescence imaging in living cells[J].Chem Eur J,2011,17(40):11152-11161.

[4] Liu X, Zong C, Lu L. Fluorencent silver nanoclusters for user-friendly detection of Cu2+on a paper platform[J].Analyst,2012,137(10):2406-2414.

[5] 杨玉波．基于罗丹明的铜离子化学传感器的设计、合成及性能研究[D]．吉林：吉林大学，2014.

[6] Wu C, Bian Q N, Zhang B G,etal. Ring expansion of spiro-thiolactam in rhodamine scaffold:Switching the recognition preference by adding one atom[J].Organic letters,2012,14(16):4198-4201.

[7] Fan J, Zhan P, Hu M,etal. A fluorescent ratiometric chemodosimeter for Cu2+based on TBET and its application in living cells[J]．Org Lett,2013,15:492-495.

[8] Gao W, Yang Y, Huo F,etal. An ICT colorimetric chemosensor and a non-ICT fluorescent chemosensor for the detection copper ion[J]. Sensors and Actuators B:Chemical,2014,193:294-300.

[9] 王海燕，孙基梁，林栋，等．罗丹明荧光探针对铜离子的识别性能研究[J].山东化工，2015,44(9):74-77.

[10] 曹羽迪，陈泽忠，韩文强，等． 罗丹明B类Cu2+荧光增强型探针的合成及其选择性识别[J]．化学试剂，2016,38(7):673-676.

[11] Tasior M, Poronik Y M, Vakuliuk O,etal. V-shaped bis-coumarins:Synthesis and optical properties[J].J Org Chem,2014,79(18):8723-8732.

[12] Yeh J T, Chen W C, Liu S R,etal. A coumarin-based sensitive and selective fluorescent sensor for copper(II) ions[J]．New J Chem,2014,38(9):4434-4439.

[13] Martínez R, Espinosa A, Tárraga A,etal. New Hg2+and Cu2+selective chromo-and fluoroionophore based on a bichromophoric azine[J]．American Chemical Society.2005,7(26):5869-5872.

[14] 周高，冯锋，陈泽忠，等． 一种新型香豆素类荧光探针的合成及其对Cu2+的选择性识别[J]．分析试验室，2015,34(6):717-721.

[15] Espinosa A, Otón F, Martínez R,etal. A multidimensional undergraduate experiment for easy solution and surface sensing of mercury(II) and copper(II) metal cations[J]．American Chemical Society and Division of Chemical Education,2013,90:1057-1060.

[16] 徐兆超． 基于ICT萘酰亚胺阳离子比率荧光探针的研究[D]．大连：大连理工大学，2006.

[17] Xu Z, Xiao Y, Qian X,etal. Ratiometric and selective fluorescent sensor for CuIIbased on internal charge transfer (ICT)[J]．Org Lett,2005,7(5):889-892.

[18] 崔俐丽,周丹红,李苗苗． 红移型Cu(II)离子比率荧光探针的光物理性质[J]．Acta Phys Chim Sin,2013,29(4):745-753.

[19] Xu Z C, Yoon J, Spring D R. A selective and ratiometric Cu2+fluorescent probe based on naphthalimide excimer-monomer switching[J].Chem Commun,2010,46(15):2563-2565.

[20] Jisha V S, Thomas A J, Ramaiah D. Fluorescence ratiometric selective recognition of Cu2+ions by dansyl-naphthalimide dyads[J]．J Org Chem,2009,74:6667-6673.

[21] 常智博，韩国友，王恩举． 基于1,8-萘酰亚胺的铜离子荧光探针[J]．海南师范大学学报(自然科学版),2015,28(1):41-43.

[22] Qi X, Jun E J, Yoon J,etal. New BODIPY derivative as off-on fluorescent chemosensor and fluorescent chemodosimeter for Cu2+:Cooperative selectivity enhancement toward Cu2+[J]．The Journal of organic chemistry, 2006,71:2881-2884.

[23] Ye J, Xu J, Chen H,etal. A highly sensitive and selective turn-on fluorescent chemodosimeter for Cu2+based on BODIPY and its application in bioimaging[J]．Rsc Adv,2014,4:6691-6695.

[24] Huang L, Zhang J, Yu X,etal. A Cu2+-selective fluorescent chemosensor based on BODIPY with two pyridine ligands and logic gate[J].Spectrochimica Acta Part A:Molecular and Biomolecular Spectroscopy,2015,145:25-32.

[25] 武鑫，马骏，南明，等． 荧光素衍生物水杨醛荧光素腙的合成及对铜(II)离子的检测[J]．应用化学，2016,33(3):357-362.

[26] 赵长春．铜离子荧光探针研究进展[J]．轻工科技，2014,10:31-32.

[27] Chen F J, Hou F P, Huang L,etal. Development of anovel fluorescent probe for copper ion in near aqueous media[J].Dyes and Pigments,2013,98(1):146-152.

《华西药学杂志》2017年征订征稿启事

尊敬的各位专家学者：

《华西药学杂志》是由教育部主管、四川大学和四川省药学会联合主办的药学类综合性学术刊物。国内外公开发行，CN 51-1218/R，ISSN 1006-0103。

本刊为中国科技论文统计源期刊(中国科技核心期刊)和中国科学引文数据库(CSCD)来源期刊；2004、2008、2011年入选中文核心期刊；入选中国期刊方阵双效期刊。1993年起被美国《化学文摘》(CA)收录并进入千刊表，2006年被俄罗斯《文摘杂志》收录；2008年被英国皇家化学学会系类数据库收录；被《中国药学文摘》《医学文摘》《中国生物学文摘》等摘录。

本刊主要内容有天然药物化学、中药学、药剂与生物药剂学、临床药学、药理与毒理、药物分析、生化药物、药事管理、药学教育及部分边缘学科。欢迎从事药物研究的科学工作者、医药院校师生、工程技术人员、医师、药师、药事管理干部及其它药学工作者订阅和投稿。

投稿时请将投稿打印件、单位介绍信和50元审稿费一起寄往编辑部。请在稿件上注明详细通讯地址、联系手机及电子邮箱。编辑部收到这三样后，文章才能尽快进入审稿程序。

本刊为双月刊，大16开，110个版面，每期定价10元。如需订阅，请： 1. 到当地邮局办理订购手续，邮发代号62-79； 2. 可直接汇款到编辑部订购，全年订价60元。为准确投递，务请工整书写详细地址、姓名和邮编。

电话： 028-85501400， E-mail： hxyxzz@scu.edu.cn， 网址： http://hxyo.cbpt.cnki.net

地址：成都市武侯区人民南路3段17号四川大学华西校区6教学楼203

《华西药学杂志》编辑部

Research Progress in Fluorescent Probes for Copper Ion Sensor

CUI Na, ZHANG Xiao-juan*, WANG Zhi-ming

(School of Petrochemical Engineering, Shenyang University of Technology, Liaoyang 111003, China)

The design of high selectivity and sensitivity copper ion fluorescent probes are important in environmental monitoring, food safety and detection of trace copper ions in life. Based on the recognition mechanism and chemical structure in copper ion fluorescence probe, the relative research progress in recent years was summarized and introduced from their chromophore structurers, such as rhodamine, coumarin, pyrene, naphthalimide, BODIPYs and other fluorophores with 27 references.

copper ion; fluorescent probe; catalysis; fluorescence enhancement; fluorescence quenching; review

2016-10-28； 修改日期： 2017-02-21

国家自然科学基金资助项目(51673118)； 辽宁省高等学校杰出青年学者成长计划(LJQ2014014)

崔娜(1991-)，女，汉族，安徽六安人，硕士研究生，主要从事荧光探针制备及金属离子传感的研究。 E-mail：1574060754@qq.com

张晓娟，教授， E-mail： 1664392140@qq.com

O657

A

10.15952/j.cnki.cjsc.1005-1511.2017.04.16275