用于环境中Cu2+检测罗丹明类荧光探针设计及识别机理研究进展

张淑惠,牛臣翰,张 鑫,何树丽,隋芳含,刘 磊

(临沂大学 资源环境学院，山东 临沂 276000)

1 Cu2+识别的意义与方法

Cu2+作为自然产生或工业与制造业中的副产品而存在于环境中，铜矿的过度开采冶炼，会导致环境大气、土壤和水的污染。对于生命而言，Cu2+是植物和动物生命活动中必需的微量元素，人体细胞必须保持最佳铜离子浓度才能维持细胞正常离子代谢平衡。通常，人体血液中Cu2+的平均浓度在15.7～23.6 μm特定范围内，世卫组织将饮用水中Cu2+的最大允许标准设置为30 μM，成人每天平均摄入量不应超过10～12 mg。人体缺铜会导致贫血、孟克斯综合征、阿尔茨海默病等病症，但体内浓度蓄积过高，又可引起肝脏或肾脏损伤，严重时出现肾衰竭及尿毒症等病症[1-3]。因此，对于环境和人类生命健康而言，由于Cu2+有毒有害的基本特性使其检测与监测事项至关重要。

经过多年的发展，传统Cu2+检测方法主要包括离子色谱法、高效液相色谱法、原子吸收光谱法、紫外-可见分光光度法、原子荧光光谱法、电化学方法、比色法、质谱法、中子活化分析法、荧光分析等[4]。传统的重金属离子检测方法虽然精度高、测量范围宽、抗干扰能力强，但仍存在样品处理前复杂、仪器设备昂贵，无法在线检测等劣势。荧光分析法因其测试灵敏度高、操作简单易行、成本低、特异性强已被广泛运用到Cu2+高效的金属离子选择性识别中。

2 荧光探针金属离子识别概述

荧光探针是一种能够识别不同化学粒子(阴阳离子)并将这些粒子的浓度转换成可识别信号或电信号的传感器。荧光探针受到溶剂或者环境中的外源生物化学的影响将改变荧光强度或荧光光谱的位置，荧光探针技术的发展用于识别和感测生物和环境上重要的金属离子，并以其灵敏度高、速度快、准确度高、特异性、成本低、操作简单、成本高敏感特异性、实时监测和短响应时间，特别适用于对样品进行实时检测与生物质荧光成像，已成为科学家们研究的热点。目前，荧光探针常用的荧光团主要有萘、蒽、芘、1,8-萘酰亚胺、罗丹明、卟啉、荧光素、香豆素等[5]。

以罗丹明及其衍生物作为母体设计合成的荧光探针具有激发波长较长，光稳定性好，荧光量子产率高，消耗光系数高等优点[6]，当罗丹明及其衍生物处于螺内酰胺(环闭合)结构时，它们是无荧光和无颜色的。当罗丹明及其衍生物的螺内酰胺结构打开(off-on)，荧光明显增强，颜色变红。若将其它金属离子识别基团引入到罗丹明螺内酰胺的结构中，则金属离子与识别基团之间的相互作用可形成罗丹明螺内酰胺键，会发生闭环或开环变化[7-8]，同样会发生颜色变化，肉眼可识别，因此，以罗丹明及其衍生物为母体构建荧光探针引起了人们广泛关注。

3 罗丹明类铜(Ⅱ)离子荧光探针

3.1 荧光淬灭型

You和Huang等[9]报道了一种以罗丹明B为母体的荧光探针(1)，探针(1)与Cu2+络合后引起内酰胺环打开，氧杂蒽部分和Cu2+离子-偶极和轨道-轨道相对强的相互作用，导致Cu2+荧光猝灭，可能的络合机理如图1所示。Tang等[10]设计合成了新型的罗丹明衍生物(2)，分子结构如图2所示，Cu2+的加入虽然使得罗丹明内酰胺环打开，但同时形成了新的吸收峰(556 nm)，会导致Cu2+荧光淬灭，溶液荧光强度低。

图1 荧光探针(1)与铜离子反应机理

图2 探针(2)的分子结构

3.2 荧光增强型

相对于荧光淬灭，荧光增强的信号变化更易于有效检测，从而提高探针的灵敏度。因此，在实际应用中，荧光增强型探针往往比淬灭型更具优势。化学反应型探针是 Cu2+荧光增强型探针设计的重要手段，而且通常具有较好的选择性，大多数过渡金属离子具有较强的吸电子能力，可用作路易斯酸来促进或催化某些化学反应，特定Cu2+化学反应型探针是基于Cu2+诱导的氧杂蒽类荧光团(罗丹明、荧光素)的开环反应而设计的。1997年美国Czarnick[11]研究小组报道的螺环结构的罗丹明B酰肼(RBH)探针(3)。加入Cu2+后，铜离子催化使罗丹明酰肼发生水解反应,生成了罗丹明B,反应机理如图3。Kumar[12]等合成了一种新型罗丹明B衍生物(4)，在乙腈水溶液中加入Cu2+后,罗丹明B衍生物(4)的荧光强度增强，可以作为检测Cu2+的高选择性荧光探针，反应机理如图4。

图3 罗丹明探针(3)与铜离子反应机理

图4 罗丹明B衍生物(4)与 Cu2+反应机理

图5 罗丹明探针(5)与铜离子反应机理

周丽波等[4]以罗丹明 6G为原料合成了一种新的铜离子荧光探针(5)，在体积比V(CH3OH)/V(H2O)= 1∶1介质中探针(5)能高选择性的识别Cu2+，探针(5)的荧光强度受pH值的影响很小，可以高灵敏度、高选择性的检测环境中Cu2+，反应机理与图5。Yi[13]等用罗丹明B酰肼为原料合成了一种新的铜离子荧光探针(6)。吡啶基团的引入可增加与Cu2+的配位点，探针(6)可以通过配位作用选择性识别Cu2+，颜色从无色变为黄色，反应机理如图6所示。

图6 罗丹明探针(6)与铜离子反应机理

Wang等[14]设计合成了一种铜离子荧光探针的罗丹明B衍生物(7)。Cu2+诱导罗丹明B衍生物(7)环发生开环反应，在20min内，颜色由无色变为粉红色，荧光强度显著增强，反应机理如图7 。贾治芳等[15]设计并合成了一种未曾报道的胡椒醛-罗丹明B衍生物荧光探针(8)，并将其用于识别金属铜离子。研究表明，在pH值为7.4的Tris-HCl缓冲溶液中，在乙腈/水的溶液体系中，探针为无色且无明显荧光强度，Cu2+的加入使得探针螺环打开体系共轭增加，溶液由无色变为粉色，反应机理如图8所示。

图7 罗丹明探针(7)与铜离子反应机理

图8 罗丹明探针(8)与铜离子反应机理

3.3 PET 型

通过PET机理可以实现荧光开关，是设计增强型荧光探针是一种常用的方法。如果识别基团是多齿配体，并且通过与金属离子螯合增强荧光(Zn2+、Mg2+的识别)，则这个过程称为螯合增强荧光效应。检测Cu2+的PET荧光探针有一定的局限性，Cu2+的顺磁性会导致荧光猝灭，因此检测Cu2+的PET型探针报道较少[16-17]。

3.4 比率型

He等[18]设计合成了一种由香豆素和罗丹明6G相连构成的新型Cu2+比率型探针RCl(9)(图9)。在识别Cu2+过程中，因配位效应导致罗丹明6G的“off-on”，其吸收光谱与香豆素的发射光谱有较好的匹配度，改变了FRET的传能效率，实现了对Cu2+的比率检测。Fan等[19]报道了萘二甲酰亚胺罗丹明基TEBT比率荧光探针(10)SR-23用于Cu2+的检测(图10),随着体系中Cu2+的浓度增加，检测体系在535 nm处荧光发射强度明显降低，同时在577 nm处出现新的荧光发射峰，体系发生TBET过程。

图9 荧光探针(9)的分子结构及与Cu2+反应荧光光谱

图10 荧光探针(10)的合成路线

4 结语

铜离子荧光探针的研究已经近二十多年，某种程度上说，研究者们在开发新的荧光铜离子探针方面是随机的，经常得到负面的结果，至今还没有遵循一定的原则的荧光探针的设计产生。目前，基于罗丹明及其衍生物为母体的化学反应型铜离子荧光探针已展现出了独特优势，从而基于罗丹明及其衍生物为母体的Cu2+的荧光探针具有足够的空间去研究发现，未来会获得重要的成果，具有广阔的研发应用前景。