新型铁离子荧光探针的研究进展

第２９卷第３期化㊀学㊀研㊀究Ｖｏｌ．２９㊀Ｎｏ．３２０１８年５月

ＣＨＥＭＩＣＡＬ㊀ＲＥＳＥＡＲＣＨ

Ｍａｙ２０１８

新型铁离子荧光探针的研究进展

李连庆∗，罗㊀艺

（陕西学前师范学院化学与化工系，陕西西安７１０１００）

摘㊀要：由于重金属离子对人类健康起着重要作用，因而对痕量重金属离子的快速检测，是当前研究的热点问题．作为生物体内的重要元素，铁元素的缺少和过量都可能引起严重的人体机能障碍，因而能够对铁离子实现快速识别显得尤为重要．本文作者通过研究近年来报道的高选择性高灵敏度铁离子荧光探针，对Ｆｅ３＋的特异性识别及其实际应用的可能性进行总结，并对Ｆｅ３＋荧光探针未来的发展方向进行预测．关键词：荧光探针；铁离子；识别；进展中图分类号：Ｏ６５７．３

文献标志码：Ａ

文章编号：１００８－１０１１（２０１８）０３－０３２５－０６

ＲｅｓｅａｒｃｈｐｒｏｇｒｅｓｓｏｆｎｏｖｅｌｆｌｕｏｒｅｓｃｅｎｔｓｅｎｓｏｒｆｏｒＦｅ３＋

ＬＩＬｉａｎｑｉｎｇ∗ ＬＵＯＹｉ

ＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＣｈｅｍｉｓｔｒｙａｎｄＣｈｅｍｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ＳｈａａｎｘｉＸｕｅｑｉａｎＮｏｒｍａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ Ｘｉ ａｎ７１０１００ Ｓｈａａｎｘｉ Ｃｈｉｎａ

Ａｂｓｔｒａｃｔ Ａｓｈｅａｖｙｍｅｔａｌｉｏｎｓｐｌａｙａｎｉｍｐｏｒｔａｎｔｒｏｌｅｉｎｈｕｍａｎｈｅａｌｔｈ，ｔｈｅｒａｐｉｄｄｅｔｅｃｔｉｏｎｏｆｔｒａｃｅｈｅａｖｙｍｅｔａｌｉｏｎｓｉｓａｈｏｔｉｓｓｕｅｉｎｔｈｅｃｕｒｒｅｎｔｒｅｓｅａｒｃｈ．Ａｓａｎｉｍｐｏｒｔａｎｔｅｌｅｍｅｎｔｉｎｏｒｇａｎｉｓｍ，ｔｈｅｌａｃｋａｎｄｏｖｅｒｄｏｓｅｏｆｉｒｏｎｃａｎｃａｕｓｅｓｅｒｉｏｕｓｈｕｍａｎｄｙｓｆｕｎｃｔｉｏｎ，ｓｏｉｔｉｓｐａｒｔｉｃｕｌａｒｌｙｉｍｐｏｒｔａｎｔｆｏｒｆａｓｔｒｅｃｏｇ⁃ｎｉｔｉｏｎｏｆｉｒｏｎｉｏｎｓ．Ｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ，ｗｅｓｕｍｍａｒｉｚｅｄｔｈｅｍｅｔｈｏｄｓｏｆｓｙｎｔｈｅｓｉｚｉｎｇｖａｒｉｏｕｓｋｉｎｄｓｏｆｆｌｕｏｒｅ⁃ｓｃｅｎｔｐｒｏｂｅｓｗｉｔｈｈｉｇｈｓｅｌｅｃｔｉｖｉｔｙａｎｄｈｉｇｈｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙｔｏｄｅｔｅｃｔｔｈｅｉｒｏｎｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｗｉｔｈｔｈｅｓｐｅｃｉｆｉｃ

ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎｏｆｉｒｏｎｉｏｎｓｉｎｖａｒｉｏｕｓｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｓｉｎｒｅｃｅｎｔｙｅａｒｓ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｆｌｕｏｒｅｓｃｅｎｔｐｒｏｂｅ；ｉｒｏｎｉｏｎ；ｒｅｃｏｇｎｉｔｉｏｎ；ｐｒｏｇｒｅｓｓ收稿日期：２０１７－１１－１７．

基金项目：陕西省工业公关课题（２０１６ＧＹ⁃２３２），陕西教育厅自然科

学专项（１７ＪＫ０１８１）．

作者简介：李连庆（１９７６－），男，教授，研究方向为荧光探针材料．

∗

通讯联系人，Ｅ⁃ｍａｉｌ：ｌｉａｎｑｉｎｇｌｉ００８＠１６３．ｃｏｍ．

㊀㊀铁元素作为最基本的生物系统的痕量元素，在生命系统的正常运行和生长中发挥着不可或缺地作用，在人体细胞中，广泛地参与多种生命过程，如细胞内ＤＮＡ与ＲＮＡ的合成㊁细胞和氧在生命体内的代谢㊁质子转移㊁酶催化等．Ｆｅ３＋在生命系统中有着不可替代的重要性，它的缺少和过量都可能引起严重的人体机能障碍．因此，在临床㊁药物和环境等方面找到合适的Ｆｅ３＋

定量检测方法一直都是科研工作者努力的方向．荧光探针是指其荧光性质（发射波长㊁强度和寿命等）可随着所处的环境（比如极性㊁黏度㊁温度和识别客体等）改变而灵敏地改变的一类荧光性分子，当探针分子与金属离子特异性结合后，由于各种原因，探针分子的光物理性质会发生变

化，通过各种检测方式检测到荧光信号的变化，从而检测到环境中金属离子的含量．荧光探针具有选择性好㊁灵敏度高㊁对设备依赖小㊁操作简单和检测限低等优点，而且能够与激光扫描荧光显微镜成像技术及荧光成像技术相结合，实现在活体水平上无损原位的检测，使得荧光探针被认为是最有前景的方法之一．

１㊀罗丹明类铁离子荧光探针

罗丹明类染料具有荧光量子产率高㊁刚性平面结构较大㊁水溶性好㊁毒性小㊁最大发射波长位于可见光区等优点［１－４］．此外，罗丹明类结构有多个修饰位点，能够引入特定基团对分子性能进行改造，以增加其在水溶液中的溶解度，增强光稳定性和生物融合性，使荧光探针分子能够满足在各种环境下Ｆｅ３＋检测，提高荧光探针分子的检测选择性和灵敏度．

ＱＩＮ等［５］将罗丹明衍生物与喹啉衍生物结合，

合成了探针１（图１）．当溶液中没有Ｆｅ３＋时，在波长

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４２５ｎｍ和５５０ｎｍ处（罗丹明特征发射）没有出现荧光，这恰好证明了罗丹明核心呈环状异构体形式，添加Ｆｅ３＋后，显示在波长４２５ｎｍ处有轻微的荧光增强和在５５０ｎｍ处有显著的荧光增强，前者的荧光增强是喹啉部分的特征发射，后者的则属于罗丹明的开环特征信号．这种比率型Ｆｅ３＋探针在溶液中有其他金属离子共存时对Ｆｅ３＋有较高的选择性．此外，它还具有良好的可逆性和较低的检出限，在生物体系和环境中检测微摩尔浓度Ｆｅ３＋也具有潜在的应用价值．

ＬＩＵ等［６］以罗丹明Ｂ为发色团，乙二胺为连接臂，以羰基上的氧为特异识别位点，合成Ｆｅ３＋特异性识别探针２．探针与Ｆｅ３＋之间以１ʒ１比例结合，探针分子上羰基氧原子参与Ｆｅ３＋配位，荧光探针为可逆性良好的可逆探针，Ｎａ４Ｐ２Ｏ７溶液可作为解络合剂，从结合区剥离Ｆｅ３＋，能够做到对探针的重复使用，经济环保，探针的ｐＨ适用范围为４ ８，且对活细胞无毒害作用，为检测活细胞中铁离子含量提供了简便快捷的方法．

高勇等［４］将１，２，４⁃苯三酸酐和罗丹明Ｂ酰肼作用合成一种改良型荧光探针３．探针在苯三酸酐的一个位点连接上一个亲水性的基团羧基，从而大大提高了探针的水溶性，使探针能够在ＤＭＦ／Ｔｒｉｓ⁃ＨＣｌ（１ʒ９，体积比，ｐＨ＝７．４）的缓冲溶液中，完成对Ｆｅ３＋的检测．研究者使用紫外⁃可见光谱和荧光光谱两种检测方法对探针的识别性能进行了研究，探针在与铁离子特异性结合时，碳氧双键打开与铁离子结合，通过显著的荧光增强来识别Ｆｅ３＋，且该探针对其他离子的抗干扰能力较强，对Ｆｅ３＋具有良好的选择性，细胞影像研究显示探针对细胞膜具有良好的透过性，能够实现对细胞内Ｆｅ３＋检测．

ＭＡ等［７］以罗丹明酰氯化物为反应物合成了荧光探针４和５，溶液中无金属离子存在时罗丹明的螺内酰胺为闭环形式，无响应光谱信号，当加入Ｆｅ３＋后，内酰胺开环，与Ｆｅ３＋形成配合物，荧光信号显著增强，溶液明显由无色变紫色．该荧光探针也具有良好的可逆性，乙二胺能够作为解络合剂使罗丹明的螺内酰胺重新闭环，通过活体细胞荧光成像实验表明，该荧光探针能够在细胞水平上实现对Ｆｅ３＋的检测，可以作为探索生物学作用的高效工具，进一步了解Ｆｅ３＋在细胞和生物器官的重要职能．

ＬＩＵ等［８］合成了一种新型吡啶基乙烯基罗丹明萘二甲酰亚胺比率型荧光探针６，该探针为Ｈｇ２＋和Ｆｅ３＋的双功能探针，罗丹明的内酯环在Ｆｅ３＋／Ｈｇ２＋存在下转化为开环形式．当Ｆｅ３＋／Ｈｇ２＋浓度较低时，即会出现了新的发射峰，在波长５８１ｎｍ处荧光显著增强，肉眼即能感受到明显颜色变化，在浓度较高时，在波长４８１ｎｍ处会出现强的荧光信号．这个双响应的金属离子探针有着较高的荧光 开／关 响应灵敏度，在ｐＨ变化范围为２．９２ ４．５时，荧光强度变化与

ｐＨ成线性相关．

ＷＡＮＧ等［９］设计了一种通过罗丹明和萘二甲酰亚胺荧光团之间的键能传递（ＴＢＥＴ）的比率型荧光探针７．该萘酰亚胺的罗丹明衍生物通过分子内化合键间的能量转移来检测金属离子，酰胺基上的氧原子参与了Ｆｅ３＋的螯合，在金属离子的存在下化合键的能量转移得以实现，荧光强度增加．这种荧光探针与Ｆｅ３＋后荧光强度变化明显，可用裸眼观察到颜色变化，给Ｆｅ３＋视觉检测提供了的简便方法．该探针主要的不足为在中性水溶液中与铁离子的结合能力较差，但是由于其优异的选择性检测０．１０５μｍｏｌ／ＬＦｅ３＋仍然是可以的．提高其在中性水溶液中与Ｆｅ３＋的结合能力仍然具有重要意义．

ＪＩＮ等［１０］合成了荧光探针８，该探针具有水溶液好，能够对Ｆｅ３＋表现出很好的灵敏度和高选择性，检出限仅为４．２ˑ１０－８ｍｏｌ／Ｌ．此外，在添加Ｆｅ３＋时快速增强的荧光强度给Ｆｅ３＋检测提供了良好的检测方法．更重要的是，颜色的变化是肉眼可观察的，因此可以用于裸眼检测的Ｆｅ３＋．此外，荧光探针在活细胞和斑马鱼的成像实验结果表明其具有良好的细胞相容性和低毒性，意味着它可用于检测活细胞中的Ｆｅ３＋．这些结果表明其在生物学方面具有重要的研究价值．

ＹＡＮＧ等［１１］将罗丹明Ｂ与苯并噻唑衍生物结合合成了Ｆｅ３＋荧光探针９，它对Ｆｅ３＋的良好识别度在实验和理论计算上都得到了证实．与其他探针不同的是，以往通常是探针的羰基上的配位氧与金属离子结合导致螺旋开放，而在这个探针中清楚地表明，与Ｆｅ３＋配位的是苯并噻唑部分的Ｎ原子而不是羰基Ｏ原子．Ｎ原子优于Ｏ原子与Ｆｅ３＋配位是因为从探针的结构上来看，Ｎ原子的孤对电子空间范围大于Ｏ原子，Ｎ原子轨道能量明显高于Ｏ原子，在能量充足的条件下，有利它与Ｆｅ３＋的结合．所以，可以认为Ｆｅ３＋更易与苯并噻唑部分的Ｎ原子配位，并伴随着电子的转移形成醌型结构，导致荧光强度发生变化．此探针最大优点在于它通过了活体细胞实验，在活细胞中仍与Ｆｅ３＋结合，并且能够检测到荧光变化，为实现活体细胞中Ｆｅ３＋检测提供了可能．罗丹明类荧光探针１－９的结构如图１所示．