%92%88在重金属和过渡金属离子检测中的应用

中图分类号：０６５３．３
引
言
重金属和过渡金属广泛地存在于自然界中，其中的一些
人们在利用分子识别原理设计各种金属离子光学探针方而取 得ｒ极大的成功并广泛应用于化学、生物学和环境科学等领 域【７＿１０Ｊ。其中，罗丹明类荧光分子因具有良好的光稳定性、 对ｐＨ不敏感、长波长发射和高毋子产率等优点成为该方法 最蓖要的荧光母体之一。作为重要的荧光材料，罗丹明类荧 光分子是以氧杂蒽为母体的碱性咕吨染料，其羧基可与伯氨 反应生成独特的五冗环内酰胺结构。图ｌ给ｆｌｊ ｒ罗丹明Ｂ与 重金属和过渡金属离子作用的示意图。如图所示，闭环结构 的罗丹明内酰胺的摩尔吸光系数和荧光量子产率非常低，几 乎没有荧光。当识别基团Ｒ在羰摹的协Ｉ川作用下与某种蓖金 属或过渡金属离子发生作用时，可导致探针的内酰胺键断 裂。形成Ｊｆ环结构，导致荧光强度湿著增强，从而实现对该 离子的选择性识别。由于具有响应机理独特、检测灵敏、干 扰少等特点，罗丹明类荧光探针在重金属和过渡仑属离子的 检测巾得到了．广泛应用。该类探针的设计基本思路是通过适 当的桥联剂将罗丹明类荧光母体与高选择性的含有Ｎ，０，Ｓ
低于美国ＥＰＡ和我国ｌｉ生部关于饮用水中的Ｈ酽＋检测限最 标准【ｌ¨。他们还通过罗丹明６Ｇ内酰肼与二茂铁甲醛或１， １’－二茂铁甲醛之间的反应合成‘ｒ ２种Ｈ９２＋荧光探针ＲＦｌ 和ＲＦ２［２引。此２种探针町以实现水相中Ｈ９２＋的紫外一可见和 荧光检测，荧光方法的检测限达到ｌ肛ｇ・Ｌ～。但利用ＲＦｌ 和ＲＦ２检测Ｈ９２＋的紫外一可见方法会受到ｃｕ２＋的－ｆ二扰。为 了克服这一不足，他们以含硫杂环基团取代ｒ原来的二茂铁 基团，设计合成．ｒ ３种含有噻吩基团的罗丹明类Ｈ酽＋荧光 探针ＲＮｌ，ＲＮ２和ＲＳＴｌ，使Ｃｕ２＋的干扰大为降低［２“。 Ｈ９２＋与硫氨脲作用能形成闭环的ｌ，３，４－嘌二唑【２轧２ ５１。 Ｔａｅ等【ｚ６ｊ受此机理启发，将硫氨脲受体偶联到罗丹明Ｂ匕， 设计了一种能识别Ｈ９２＋的荧光探针。当Ｈ酽＋参与硫氨脲的 闭环过程时，罗丹明Ｂ的内酰胺键断裂，荧光信号显著增 强，从而实现对Ｈ９２＋的灵敏检测。该探针对Ｈ９２＋具有优良 的选择性，除ｎｇ’和Ｚｎ２＋能引起体系荧光强度的微小变化 夕ｈ，Ｃｕ２十，ｐｂ２＋，Ｃｄ２＋，Ｎｉ２＋，ＣＣ＋，Ｆ督＋，Ｍｎ２＋，Ｍ聋＋， Ｃａ２＋，Ｂａ２＋，Ｌｉ＋，Ｋ＋，Ｎａ＋，Ｒｈ３＋和ＣＦ＋等离子对体系的 荧光强度无任何影响。当Ｈ９２＋与探针共存并达到平衡后， 上述所自．离子的加入对体系的荧光强度也不产生任何改变。
１汞离子探针
汞的污染主要来源于火Ｉｌ Ｊ爆发、金矿开采、同体废弃物 焚烧等过程。由于汞的高毒性，世界各国对饮用水中Ｈ９２＋ 含量设定了严格的限制，如荚国ＥＰＡ规定饮用水中Ｈ９２＋的
别反应基本无干扰。同时，该探针具有细胞与生物组织可渗 透性，利用该探针首次实现了哺乳动物细胞和斑马龟中 Ｈ９２＋的荧光分子识别。Ｙａｎｇ等Ｄ９］以８一羟基喹啉、二茂铁和 罗丹明Ｂ为构建单元设计的光学探针对Ｈ９２＋具有高选择 性，对其他重金属与过渡金属离子则基本无响应。另外，由 于二茂铁肇团的町逆氧化还原活性，利用该探针还能实现 Ｈ９２１的电化学检测。将该探针应用于活体细胞中Ｈ９２＋的荧 光成像，取得了良好效果。 Ｈ９２＋可以促进硫尿衍生物与氨基作用生成胍基衍生物 的反应。Ｋｉｍ等【２０Ｊ利用上述原理设计合成了一种罗丹明类 Ｈ９２＋荧光探针。当Ｈ９２＋与１０“ｍｏ卜Ｌ＿１的探针溶液（甲醇／ 水＝９：１，９）作用时，溶液的紫外吸收和荧光发射强度变化 明显；其他重金属与过渡金属离子与该探针无明显的相砭作 用。该探针在ｐＨ小于５的溶液中因荧光性质不稳定而不能 使用。另外，体系的荧光达到稳定需要１０ ｍｉｎ，不利于快速 检测。Ｄｕａｎ等［２１］设计合成了３种结构类似的罗丹明类Ｈ９２＋ 荧光探针并详细讨论了不间结构对Ｈ９２＋识别能力的影响。 其中，探针ＲＳ２和ＲＳ３对Ｈ９２＋的检测限达到０．４
中，通过共聚焦激光扫描荧光显微镜可以观察到Ｈｇｚ＋的存
在与否。
Ｔａｂｌｅ
１剐Ⅺ曲ｍｉＩＰｂ鹤酣ｆｌｕｏｒｅｓｃｅｎｃｅ ｃｌｌ嘲搬蛐ｓ盯ｆｏｒ Ｈ窖ｚ＋
万方数据
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光谱学与光谱分析
第３０卷
三脚架结构由于具有良好的稳定性在Ｈ９２＋荧光探针的 设计上也得到ｒ一定的应用，如Ｌｅｅ等【３０］以罗丹明Ｂ、三乙 胺和甲苯磺酰基为原料合成ｒ一种三角架式Ｈｆ＋荧光探 针。该荧光探针三角架结构的设计和甲苯磺酰基的选择增强 了对Ｈ９２＋的选择性、螯合能力以及探针的稳定性。它的缺 点是在纯水相中的溶解性稍差，需要加入一定比例的有机溶 剂进行助溶。另外，纳米金技术在Ｈ９２＋的荧光检测中也有 一定的应用Ｌ３１｜。表１列出了部分近年来出现的Ｈ９２＋罗丹明 类荧光探针。
１．国家地质实验测试中心，北京１０００３７ ２．中国地质科学院生态地球化学重点实验审，北京 ３．中原油田井下特种作业处，河南濮阳４５７０００
１０００３７
奇１
摘要作为一种岛量子产率的荧光分子，罗丹明常常被选作荧光母体用于金属离子荧光探针的没计合成。 该文对近年来罗丹明类荧光探针在重金属与过渡金属离子检测中的应用进行了详细综述，包括作用机理、 检测离子、应用范围及检测水平都进行ｒ详细的比较分析。另外，提出Ｊ，罗丹明类蘑金属离子荧光探针研究 日前存在的问题和今后的发展趋势。 关键词 罗丹明；重金属和过渡金属离子；榆测技术 文献标识码：Ａ ＤＯＩ：１０．３９６４／ｊ．ｉｓｓｒＬ １０００—０５９３｛２０１０）１０—２６９３—０７ 子的荧光探针技术由于操作简便、检测限低而备受关注［２－６３，
ｇｇ・Ｌ～，
限量标准为２旭・Ｌ～ｉｎ］，我国饮用水中Ｈ酽＋的限虽标准 则为１旭・Ｌ＿１［１引。因此，罗丹明类Ｈｆ＋荧光探针‘的没计
必须满足上述检测限镀标准。 Ｓａｒｅｓｈ等【ｌ３ｊ以罗丹明６Ｇ为母体合成的Ｈ酽＋的荧光探 针Ｌ１在水和甲醇（１：１，妒）混合溶液中与Ｈｆ＋形成Ｈｇ （Ｌ１）ｚ型复合物，荧光强度提高了９０倍，利用Ｌ１测定Ｈ９２＋ 的检测限达到１肛ｇ・Ｌ～。２５倍Ｈ酽＋浓度的Ｃ０２＋，Ｆｅｚ＋， Ｎｉ２＋，Ｚｎ２＋，ｐｂ２＋，ＣＡ２＋，Ｍｆ＋，Ｃａ２＋，Ｂａ２＋，Ｌｉ＋，Ｋ＋和 Ｎａ＋等离子对荧光信号基本无干扰。因而Ｌ１是一种高选择 性、高灵敏度的Ｈ酽’荧光探针。Ｘｕ等［１４］设计合成了一种罗 丹明硫酰肼用于紫外和荧光检测水相中Ｈ９２＋，探针与Ｈ９２＋ 结合的化学计最比为２：ｌ。Ｑｉａｎ等Ｌ１５ｊ设计合成的高选择性 的罗丹明类Ｈ９２’荧光探针不仅可以实现对Ｈ９２＋的荧光检 测，而且利用显色反应可以对Ｈｌ；２＋的存在进行初步判断。 该探针具有可逆性，当向显色的平衡体系中加入ＥＤＴＡ后， 体系的紫红色变为尤色。另外，荧光响应速度快是该探针的 另一特点，Ｈ９２＋加入后立即产生稳定的强烈荧光，与问类的 探针需要一定的平衡时间相比，该探针更加适合于环境或者 生物样品的实时分析。 重金属与过渡金属离子的检测一般在水相中进行，尤其 是生物体内的该类离子的原位检测对探针的水溶性提出了更 高的要求。因此，在设计时要考虑探针的实用性，尽量引入 具有一定水溶性的辅助基团。Ｈｕａｎｇ等［１６］将葡萄糖与罗丹 明６Ｇ酰肼共价连接，合成了一种水溶性好、高选择性、高灵 敏度的Ｈ９２＋荧光探针ＲＧｌ。在纯水中，Ｈ９２＋的检测限达到 １肛ｇ・Ｌ，满足美闺ＥＰＡ规定。该探针可以在ｐＨ在５．５～ １０范围内使用，而且不受环境和生物样品中常见的其他金 属离子的影响。因此，ＲＧｌ可以应用在环境和生物体系，如 细胞膜中汞离子的检测。另外，ＲＧｌ与汞离子的结合是可逆 的。向ＲＧｌ和Ｈｇｚ＋共存的稳定体系中加入Ｎａｚｓ后，可以 降低该体系的荧光强度，而再添加Ｈ９２＋时，体系的荧光则 恢复。此操作可以反复儿次而荧光强度无明娩变化。ＲＧｌ的 这种可逆性和可再生性对于构建Ｈ于＋荧光器件是十分霞要 的。Ｓｏｎｇ等Ｌ１７３以罗丹明Ｂ和对硝摹苯甲醛为原料设计合成
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收稿日期：２０１０－０３一ｌＯ．修订日期：２０１０－０６—２０ 基金项目：国家地质实验测试中心基本科研业务费项日（２００９ＣＳＪ０５）资助 作者简介：王晓春，１９７４年生，国家地质实验测试中心助理研究员 ｅ－ｍａｉｌ：ｗａｎｇｗｘｃ＠ｉｃｃａｓ．ａＧ
ｃｎ
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光谱学与光谱分析
第３０卷
等杂原子的识别基团Ｒ相连接。该技术的关键为识别摹团Ｒ 的选择与设计。另外，探针的设计不仅要考虑到对特定离子 的选择性，而且还要考虑到所设计探针分子的水溶性以及如 何将识别基团与罗丹明荧光母体进行有效连接，因此必须从 探针分子的整体设计｜：进行把握。 目前，罗丹明类荧光探针町以检测的霍金属与过渡金属 离子主要包括Ｈ９２＋，Ｃｕ２＋和Ｆｅ３＋等。本文对近年来罗丹明 类荧光分子探针在重金属和过渡金属离子检测中的应用做以 详细的综述．包括设计的思路、原理以及具体应用。下面将 以这３种离子的检测为主线分别进行论述。
第３０卷，第１０期 ２ ０ １ ０年１ ０月
光谱学与光谱分析
Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ ａｎｄ Ｓｐｅｃｔｒａｌ Ａｎａｌｙｓｉｓ
Ｖ０１．３０，Ｎｏ．１０，ｐｐ２６９３—２６９９ Ｏｃｔｏｂｅｒ，２０１０
罗丹明类荧光探针在重金属和过渡金属离子检测中的应用
王晓春ｈ ２，刘晓端１’２，杨永亮１～，申庆华３，罗松光１，李
了一种Ｈ９２＋选择性荧光探针ＲＢＳＮ。将ＲＢＳＮ与中空多孔 材料ＳＢＡ－１５通过氢键连接后可以实现常温状态下水相中
Ｈｇｚ＋的实时检测。检测限达到ｌ烬・Ｌ～。该探针是为数不
多的可以应用于纯水相中Ｈ９２＋的实时检测的罗丹明探针之 一。Ｔａｅ等【１８］以罗丹明６Ｇ为母体，氨基硫脲为识别单元设 计合成厂一种能在纯水相中应用的Ｈ９２＋荧光探针。室温下， 探针的硫氨脲基团与Ｈ９２＋的结合可以引起一种不町逆环化 作用，导致体系的荧光强度明显增强。该探针具有水溶性 好，信号响应迅速（＜ｌ ｓ），宽ｐＨ适用范围（７～１４）等优良 性能。其他金属离子（包括ｎｇ＋，ｚｎ２＋，Ｃｕ２＋，Ｐｂ２＋，Ｃｄ”， Ｎｉ２＋，ＣＣ＋，ＦＰ＋，Ｍｎｚ＋，Ｃａ２＋，Ｂａ２＋和Ｃｒ２＋）对Ｈ９２＋的识