畢業(yè)論文--基于小分子的汞離子熒光探針的研究進(jìn)展3

1、基于小分子的汞離子熒光探針的研究進(jìn)展'摘要汞離子（hg2+）作為一種極具生理毒性的化學(xué)物質(zhì)，其檢測方法在傳感領(lǐng)域 得到了廣泛的研究。熒光探針甴于具有高效靈敏、快速便捷檢測等優(yōu)點(diǎn)而成為hg2+檢測的 重要手段之一。通過hg2+與探針特征的結(jié)合位點(diǎn)作用，引起其光物理性質(zhì)的變化，從而實(shí) 現(xiàn)對(duì)hg2+的高選擇性識(shí)別。本文綜述了近年來小分子hg2+焚光探針的研究進(jìn)展。文中著重 總結(jié)了 hg2+熒光探針分子的設(shè)計(jì)原理、檢測機(jī)制及應(yīng)用方法；評(píng)述了這些化合物的結(jié)構(gòu)和 檢測性能之間的關(guān)系；最后展望了 hg2+熒光探針的研究和發(fā)展方向。關(guān)鍵詞汞離子熒光探針離子識(shí)別中圖分類號(hào):063 062 06-1 文獻(xiàn)

2、標(biāo)識(shí)碼:a文章編號(hào)：091134the progress of fluorescent probes for mercury ion based on smallmoleculesshi hui fang1 zhao qiang1, an zlumfu1 xu wenjuan1 liu shujuan1 huang wei1(1.nanjing university of posts & telecommunications (nupt)，institute of advanced materials(iam)，jiangsu key lab for organic electroni

3、cs & information displays，nanjing，210003;2. nanjing university，state key laboratory of coordination chemistry，nanjing，210093，china)abstracts as one of the most toxic heavy metals，mercury ion causes severe environmental and healthy problems. hence，its sensing methods have been widely studied. due

4、 to their unique advantages，such as high sensitivity，low cost，and fast detection，fluorescent probes have been one of the most important sensing methods of mercury ion. the mercury ion could be coordinated with specific receptors of fluorescent probes. such complexation causes the changes of photophy

5、sical properties and realizes highly selective mercury ion detection. herein， fluorescent probes for mercury ion based on small molecules reported in recent years have been reviewed. the design principles of probe materials, as well as their sensing mechanisms and applications are summarized. the st

6、ructure-property relationships are also elucidated. finally, the development and prospect are foreseen in the field of mercury ion probes.keywords mercury ion; fluorescent probes; ion-recognitioncontents1 introduction2. design principles3. the progress of fluorescent probes on mercury ion3.1 turn-of

7、f fluorescent probes on mercury ion3.2 turn-on fluorescent probes on mercury ion3.3 radiometric fluorescent probes on mercury ion4. conclusion and outlook1. 引言hg2+是一種極具生理毒性的化學(xué)物質(zhì)， 它對(duì)人體的危害主要集中在中樞神經(jīng)系統(tǒng)、 消化系統(tǒng)和內(nèi)臟器官，對(duì)呼吸系統(tǒng)、皮膚、 血液及眼睛也有一定的影響。hghp毒的機(jī) 理尚未完全清楚，目前被廣泛接受的hg2+ 產(chǎn)生毒性的基礎(chǔ)是hg-s反應(yīng)。hg2+可與體 內(nèi)蛋白質(zhì)（如酶）中某些基團(tuán)（如巰

8、基）結(jié)合, 使細(xì)胞a許多代謝（如能量的生成、蛋白質(zhì) 和核酸的合成等）受到影響，從而影響了細(xì) 胞的功能和生長1。hg2+具有持久性、易遷 移性和高度的生物富集性，這使其成為目前 全球最引人關(guān)注的環(huán)境污染物之一2。正是因?yàn)閔g2+存在高毒性，開發(fā)研制成 本低、響應(yīng)快、易實(shí)現(xiàn)、能應(yīng)用于自然環(huán)境 和生物體系的新型hg2+檢測手段顯得尤為 重要。近年來，通過比色或熒光分析，實(shí)現(xiàn) 快速、便捷地檢測hg2'的化學(xué)傳感法備受關(guān) 注。本文綜述了近年來關(guān)于小分子hf熒光 探針的研究進(jìn)展，著重介紹了 hg2"探針材料 的分子設(shè)計(jì)和檢測機(jī)理。2. 設(shè)計(jì)原理巾于hg2+的d軌道充滿電子，hg2+本身

9、并不具有光學(xué)特性，造成了其光學(xué)檢測的局 限性3。但是人們發(fā)現(xiàn)可以利用發(fā)色團(tuán)與 hg2+結(jié)合導(dǎo)致其熒光信號(hào)的改變來檢測環(huán) 境或生物體系屮的汞含量。從結(jié)合方式看， 雖然hf+的d軌道充滿電子，但它的最外層 有空的s軌道和p軌道，在軌道能級(jí)圖巾， 它們與次外層的d軌道在同一能級(jí)，也可以 來化參與配位。而n、0、s等原子具有孤 對(duì)電子，將這些具有孤對(duì)電子的原子作為識(shí) 別單元引入到探針分子中，通過與hg2+以配 位鍵的形式結(jié)合，使探針分子產(chǎn)生相應(yīng)的光 物理性質(zhì)變化，達(dá)到檢測的0的。另外，還可以通過hg2+引起的探針分子 的直接脫硫反應(yīng)，即化合物屮s原子（或 se原子）與hg2+結(jié)合，脫去hgs（或hgs

10、e）, 改變探針分子的熒光信號(hào)以達(dá)到檢測目的。 這種利川化學(xué)反應(yīng)實(shí)現(xiàn)檢測的方法被稱力 化學(xué)劑量測定法（chemodosimeter）o一般用來解釋hg2+熒光探針的檢測機(jī) 制有電荷轉(zhuǎn)移（ct）和能量轉(zhuǎn)移（et）兩 大類，包括光誘導(dǎo)電子轉(zhuǎn)移（pet）、分子 內(nèi)電荷轉(zhuǎn)移（ict）和熒光共振能量轉(zhuǎn)移 （fret）等。然而，在許多情況下，詳細(xì) 的檢測機(jī)制還不是很清楚，這都有待我們?nèi)?進(jìn)一步研究和完善。3.小分子汞離子熒光探針的研究進(jìn) 展我們根據(jù)熒光信號(hào)變化的不同，將小分 子hg2+熒光探針主要分為turn-off型、 tum-on型和比率法檢測三種類型。其屮， turn-off型熒光探針是指與hg2+

11、發(fā)生作用后 自身熒光減弱或者猝火的探針;turn-on型熒 光探針是指向原本不發(fā)光或者發(fā)熒光較弱 的化合物溶液中加入hg2+后，熒光出現(xiàn)或者 熒光增強(qiáng)的探針4。比率法檢測指的是與 hg2+作用前后，分子在兩個(gè)不同波長卜發(fā)生 熒光強(qiáng)度對(duì)比變化的探針。3.1 turn-off型熒光探針tum-o ff型探針檢測hg2+的理論基礎(chǔ)是 重金屬引起的熒光猝滅機(jī)理，它是由自旋耦 合、能量轉(zhuǎn)移和電子轉(zhuǎn)移等一系列途徑引起 的4。這里我們按照熒光探針與hg21結(jié)合位 點(diǎn)的不同歸類并予以評(píng)述。3.1.1氮原子作為結(jié)合位點(diǎn)的探針氮雜環(huán)是一類很有效的單元。化合物1-7 （圖1）都是基于這類識(shí)別單元 的探針分子。對(duì)于化

12、合物1,氮雜環(huán)單元通 過兩個(gè)酰胺鍵與兩個(gè)芘基相連。在水/二氧 雜環(huán)已烷（9/1 v/v）的混合體系中，化合物 1主要是芘激基締合物發(fā)射，單體的發(fā)射較 弱5。加入一個(gè)當(dāng)量的hg2+后，激基締合物 的發(fā)射強(qiáng)度大大降低。這是由于hg24的引入 導(dǎo)致激基締合物解離的結(jié)果。該化合物對(duì) hg2+具有良好的選擇性。探針2和3的化學(xué) 結(jié)構(gòu)與1相似。在甲醇/水（3/7 v/v）的混合體系屮，探針2屮芘單體產(chǎn)生強(qiáng)的熒光發(fā)射， 當(dāng)加入hg24后熒光猝滅。與2不同的是，3 含有兩個(gè)酰胺基團(tuán)，增強(qiáng)了探針分子與hg2+ 的配位能力，從而提高了檢測的靈敏度6。 上述三種探針的選擇性均較好，唯有cu2+ 對(duì)hg2+的檢測有干

13、擾。除芘外，蔥也可以作為信號(hào)單元。如基 于蔥的探針分子4能夠在ph值為4.8的乙 腈/水（95/5 v/v）緩沖體系屮作為hg2+熒光 探針7。隨著啤2+的加入，該化合物的熒光 強(qiáng)度降低了 83%。價(jià)等8合成一系列含卟啉 用于檢測hg2f的化合物5 （5a、5b、5c）， 卟啉環(huán)中的n原子作為結(jié)合位點(diǎn)與hg2+配 位，三種化合物對(duì)hg2+均產(chǎn)生turn-off型響 應(yīng)，其屮化合物5b的檢測效果最好。含四個(gè)丹磺酰基的杯芳烴衍生物6在乙 腈/水（1/1 v/v）的混合體系巾，實(shí)現(xiàn)對(duì)hg2+ 高選擇性的檢測，檢測限為3.41 mm。隨著 hg2+的加入，該探針溶液在531 nm處的熒 光發(fā)射強(qiáng)度降低

14、了 94%,這是由丹磺?；?hg2+電荷轉(zhuǎn)移的結(jié)果9。chawla等1（）報(bào)道了 一系列新型的含丹磺酰基的杯芳烴類化合 物，其中硝基取代的化合物7對(duì)hg2+有良好 的選擇性，在:加入hg2+后，在450 nm處的 熒光發(fā)射強(qiáng)度顯著降低，檢測限接近20 ppbo同時(shí)通過edta （乙二胺四乙酸）的 返滴證明該探針還具有一定的可逆性。化合 物8（圖1）是一種由分子聚集引起的turn-off 型hg熒光探針11。該探針具有極高的選 擇性，對(duì)除hg2+以外的其他金屬陽離子cu2+、ni2+、fe2+、co2+、pb2+、cd2+、zn2+、 mn2 cr3 mg2+、ca2+、k?和 na*均沒有

15、響應(yīng)。以上兒類探針分子都是以可見光為檢 測信號(hào)。近來，近紅外發(fā)射的探針由于具有 背景干擾小、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)而受到眾多研 宂者的關(guān)注。含有6個(gè)毗咯環(huán)的卟啉衍生物9 （圖1）發(fā)射波長大于900 nm，可作為turn-off 型近紅外啦2+探針112。在啤2+存在下，該探 針產(chǎn)生熒光猝滅。探針9對(duì)hg2+具有良好的 選擇性。即使在40倍當(dāng)量的li+、na mg2+、 ca2+、sr2 ba2+、cr3 ag co2+、pd2 ni2 zn2 cd2+和pb2+存在的情況下，該探 針仍然只對(duì)hg2+有響應(yīng)，這就表明該化合物 能夠檢測復(fù)雜體系屮的hg2+。另外，該探針對(duì)hg2+的檢測限低，為100nm。

16、上述的幾類探針分子都是在有機(jī)-水混合體系中實(shí)現(xiàn)對(duì)hg2+的檢測。而在純水溶液 中，對(duì)hg2+響應(yīng)的tum-ofnw探針材料較少， 這歸因于大多數(shù)熒光材料的水溶性較差。蔥 衍生物w （圖1）可以實(shí)現(xiàn)在純水中對(duì)hg2+ 的檢測13。向該化合物的中性水溶液中加入 12+后引起熒光強(qiáng)度的明顯減弱。而cu2+ 只引起微弱的熒光減弱，其他金屬離子的干 擾較小。9圖1 n原子為結(jié)合位點(diǎn)的探針fig 1 probes with nitrogen atom as receptors此外，金屬離子交換法也是實(shí)現(xiàn)hg24檢測的手段之一141。這種方法是利用各金屬離 子與配體結(jié)合能力的不同，通過金屬離子的 置換導(dǎo)致探

17、針分子熒光性質(zhì)的變化來實(shí)現(xiàn) 檢測。利用該方法可以設(shè)計(jì)一些新穎的探針 分子。如在無熒光的苯基橋化合物配體11 （圖2）中加入zn2+，產(chǎn)生一個(gè)叫核的熒光 化合物12。當(dāng)在化合物12的溶液中加入hg2_ 后，hg2+取代zn2+與氮原子配位，形成了新 的雙核化合物13 （圖2）,引起熒光猝滅。其 它過渡金屬離子（如mn2+、cd2 fe2+、ni2+、 co2 al3 pd2+）、堿金屬和堿土金屬離子 的引入對(duì)化合物12的熒光發(fā)射影響很弱。而 cu2+使12產(chǎn)生微弱的熒光減弱。這表明該探 針分子對(duì)hg2+具有很好的選擇性。13圖2金屈離子交換法的作用機(jī)理fig 2 mechanism of met

18、al ion replacement3.1.2硫原子作為結(jié)合位點(diǎn)的探針除氮原子作為結(jié)合位點(diǎn)外，硫原子作為結(jié)合位點(diǎn)的hg2+探針也有大量報(bào)道。h1a圖3硫原子為結(jié)合位點(diǎn)的探針fig 3 probes with sulfur atom as receptors圖4磷光汞離子探針fig 4 phosphorescent hg21 probes化合物14 （閣3）在水介質(zhì)屮加入hg2+后，產(chǎn)生明s的熒光猝滅15。該探針的選擇 性較好，w有ag1產(chǎn)生類似的猝火響應(yīng)，cd2+ 則導(dǎo)致熒光增強(qiáng)。michelet和1町等161報(bào)道了一種基于苯炔類化合物的新型hg2+熒光 探針15（圖3）,隨著?2<的加

19、入，在ph值為 4的乙胳7水（4/1 v/v）混合溶液中產(chǎn)生熒光 猝滅。該探針的選擇性較好，具有可逆性。 檢測限為3.8 nm，可達(dá)到檢測世界衛(wèi)生組織 公布的飲用水中允許的最大汞濃度的水平。 此外，該研究最新報(bào)道的化合物16 （圖3） 對(duì)hg21nj樣具有良好的識(shí)別作用17。在前期 工作的基礎(chǔ)上，作者改變苯乙炔基的度， 研宄了空間位阻對(duì)其傳感性能的影響。近年來，基于重金屬配合物的磷光探針 的研究也引起了廣泛的關(guān)注。這是由于這類 磷光探針具有優(yōu)異的光物理性質(zhì)，如發(fā)射波 l<:對(duì)環(huán)境敏感、大的stokes位移以及長的發(fā) 射壽命，長的發(fā)射壽命有利于使用時(shí)間分辨 技術(shù)使磷光信號(hào)與背景的熒光信號(hào)相

20、區(qū)分， 從而提高信噪比1819?；谂潴w含硫原子的 銥配合物磷光探針17和18 （圖4）,能夠高選 擇性地檢測hg2+l2, 2（化合物17配體上的s 原子作為結(jié)合位點(diǎn)與hg2+結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了紫外 可見吸收、磷光發(fā)射及電化學(xué)等多信號(hào)輸 出的磷光hg24探針。加入hg2+后，化合物的 紫外-可見吸收光譜和磷光發(fā)射光譜發(fā)生明 顯藍(lán)移，溶液的顏色由深紅色變?yōu)槌赛S色， 從而實(shí)現(xiàn)了肉眼識(shí)別。此外，hg2+加入后， 配合物金屬中心的irm/klv氧化峰向陽極移 動(dòng)。以上這些明顯的變化歸因于hg2+與配體 上的s原子相互作用降低了 ir原子中心的電 荷密度，導(dǎo)致homo能級(jí)降低，homo與 lumo間的能帶變

21、寬，進(jìn)而發(fā)生明顯的光譜藍(lán)移?；谙嗨平Y(jié)合機(jī)理的探針18同樣可用 來檢測hg2+。二者不同的是，化合物18在加 入hg2+后發(fā)射強(qiáng)度減弱直至猝滅。這種差異 歸因于兩種配合物結(jié)合hg2+后電荷分布的 不同。3.1.3氮和氧原子共為結(jié)合位點(diǎn)的探針氮原子還可以與氧原子共同組成hg2+的識(shí)別單元。如圖5中的冠醚類化合物19、 20和21中的氮、氧可共同作為識(shí)別位點(diǎn)，與 12+結(jié)合1221。在乙腈溶液屮，隨著hg2+ 的加入，化合物1921產(chǎn)生不同程度的熒光 降低甚至猝火。但其選擇性較差。具體而言, 化合物19在pd2+存在下可觀察到熒光增強(qiáng)； 化合物20在cu2+溶液中產(chǎn)生熒光。由于這些 干擾作用，此類

22、大環(huán)狀化合物并不適合于在 復(fù)雜的混合體系中檢測hg2+?；衔?2和23 （圖5）是基于杯芳烴的 含丹磺?；蜍诺臒晒獠牧希肿又械牡?子和氧原子共同作用作為結(jié)合位點(diǎn)，丹磺酰 基或芘部分作為信號(hào)單元，產(chǎn)生hg2+誘導(dǎo)熒 光猝滅現(xiàn)象22'23。化合物22由兩個(gè)丹磺?；?與杯芳烴以酰胺鍵鍵合構(gòu)成，在其乙腈與水 混合溶液體系中，加入hg2+后產(chǎn)生97%的熒 光猝滅和20 nm的藍(lán)移122。根據(jù)低溫電化學(xué) 和熒光性質(zhì)測定，這種熒光猝滅歸因于非輻 射的能量轉(zhuǎn)移。該探針的檢測限是300 nm。 化合物23在純甲醇或甲醇與水的混合溶液 中加入hg2+都會(huì)產(chǎn)生熒光猝滅231。該探針在 純甲醇溶液中加

23、入100當(dāng)量的hg2+后產(chǎn)生 96%的熒光減弱；在甲醇/水（1/1 v/v）的混合體系中加入hg后激基締合物的發(fā)射完 全消失。這是因?yàn)檐艈误w與激基締合物的發(fā) 射強(qiáng)度比率取決于溶劑的組成。在純甲醇 中，單體發(fā)射是主導(dǎo)發(fā)射；在中醇/水（1/1 v/v）的浞合體系屮只有激基締合物的發(fā)射。 隨著hg2+的配位，芘單體的tt-tt堆積解離， 因此激基締合物的發(fā)射完全消失。21圖5氮和氧共為結(jié)合位點(diǎn)的探針fig 5 probes with nitrogen and oxygen atoms asreceptors3.1.4氮和硫原子共為結(jié)合位點(diǎn)的探針氮原子和硫原子也可共同作用作為hg2+的結(jié)合位點(diǎn)?；衔?/p>

24、24 （圖6）在乙腈 與水的混合體系中，芘單體和激基締合物均 有發(fā)射。而隨著hg2+的加入，兩個(gè)發(fā)射的強(qiáng) 度均有所減弱，其中單體減弱約89%，激基 締合物降低了97%241。激基締合物發(fā)射的減 弱可能是由hg2+的加入引起的分子構(gòu)象變 化和芘間距加大造成的。該探針對(duì)hg2+的檢 測限為1.6 mm。在毫摩爾級(jí)的堿金屬和堿土 金屬離子或微摩爾級(jí)的zn2+和cu2+的存在 下，該探針分子對(duì)h+的響應(yīng)仍呈線性關(guān) 系。wanichachcva等報(bào)道了具有雙信號(hào)s 示（熒光猝滅和顏色變化）的化合物25 （閣 6）在乙腈/水（4/1 v/v）洛劑中對(duì)hg2+具有識(shí) 別作用。隨著hg21的加入，該化合物在5

25、35 nm處的發(fā)射強(qiáng)度明顯降低；在460 nm處吸 收波長紅移（70 nm左右），可以通過肉眼 觀察到其溶液顏色巾黃色變?yōu)榉奂t色。這是 因?yàn)榛鶓B(tài)時(shí)hg2+與該探針中的n、s原子配位 而減少由電荷分離引起的激發(fā)態(tài)能量變化。 該探針的檢測限為100 nm。圖6 n和s共力結(jié)合位點(diǎn)的探針fig 6 probes with nitrogen and sulfur atoms asreceptors3. 2 turn-on型焚光探針相比turn-off型災(zāi)光探針，turn-on型災(zāi)光探針材料的設(shè)計(jì)更具挑戰(zhàn)性，同時(shí)也更具有應(yīng)用前m,因此成為近年來傳感領(lǐng)域研 的一大熱點(diǎn)。從上世紀(jì)90年代末至本世紀(jì) 初，tu

26、rn-on hg2+熒光探針僅限于有機(jī)相 中檢測i26,2'近兒年來，大量水相hg2+熒 光探針材料相繼設(shè)計(jì)并合成，實(shí)現(xiàn)了在水體 系及生物體中hg2+的檢測。3.2.1氮原子為主要結(jié)合位點(diǎn)的探針羅丹明類化合物具有摩爾吸光系數(shù)高、熒光量子產(chǎn)率高和激發(fā)波長長等優(yōu)點(diǎn)，能夠 實(shí)現(xiàn)可見光激發(fā)，在熒光檢測時(shí)背景信號(hào)干 擾也較少。通過對(duì)母體結(jié)構(gòu)的修飾，可以調(diào) 控羅丹明類化合物的最大吸收、發(fā)射波長、 量子產(chǎn)率等熒光特性，使羅丹明熒光染料成 為傳感等領(lǐng)域的明星材料28j。通過合理的分 子設(shè)計(jì)，將對(duì)hg2+具有結(jié)合作用的識(shí)別單元 引入到羅丹明分子中，利用hg2+誘導(dǎo)羅丹明 分子開環(huán)，改變其發(fā)光性質(zhì)（熒光增

27、強(qiáng)）， 從而實(shí)現(xiàn)對(duì)hg2+的檢測。圖7氮原子為結(jié)合位點(diǎn)的探針（i）fig 7 probes with nitrogen atom as receptors ( i )shiraishi等291將氮雜環(huán)作為識(shí)別單元引入到羅丹明屮合成化合物26 （閣7）。在 有機(jī)溶劑（如乙腈）中對(duì)hg24具有很好的識(shí) 別作用。當(dāng)加入hg2+后，該探針在540-670 nm出現(xiàn)很強(qiáng)的橙色熒光。加入10當(dāng)呈的 hg2+后，在580 nm處熒光增強(qiáng)1700倍。該 探針是至今羅丹明類hg21f、針中熒光增強(qiáng) 最大的一例。hirai30和ycxm31分別報(bào)道了基于羅丹 明衍生物的探針27和28 （圖7），在乙腈溶 液屮二者

28、均對(duì)hg2+有turn-on的響應(yīng)。雖然 其熒光有很大程度增強(qiáng)，但是它們的選擇性 均較差，對(duì)zn2+、pbldcd24等也有類似的 響應(yīng)。隨著研究的深入，hg2+探針已用于實(shí) 際環(huán)境屮的2+檢測。如li等321發(fā)現(xiàn)在水 介質(zhì)和活細(xì)胞屮，親水性的糖和羅丹明組成 的化合物29 （圖7）對(duì)hg2+具有良好的熒光 識(shí)別作用，檢測限為1.0 rnn。除羅丹明類熒光探針外，其它類型的 turn-on型hg2+焚光探針也有一些報(bào)道。 tdrraga和molina等引入雙臂二茂鐵結(jié)構(gòu)得 到探針30 （圖8）,增強(qiáng)了探針的靈敏度。 在乙腈溶液中隨著hg24的加入，其吸收波長 在長波段發(fā)生紅移（120nm）,溶液

29、有橙色 變成綠色，這種變化歸因于氮原子與hg2+ 的結(jié)合3tew等34研究了一系列基于三聯(lián) 毗啶的hg2+熒光探針31 （圖8）,發(fā)現(xiàn)單純 的三聯(lián)毗啶對(duì)hg24識(shí)別效果較好，檢測限力 25 pm。圖8氮原子為結(jié)合位點(diǎn)的探針（ii）fig 8 probes with nitrogen atom as receptors （ii） 對(duì)于tum-on型hg2l光探針，除了在有機(jī)相中可以實(shí)現(xiàn)檢測外，在水和有機(jī)混合 體系中也有大量報(bào)道。chang等135報(bào)道了一 種在ph為4.8的乙腈/水（9/1 v/v）緩沖體 系中的turn-on型啦2+探針32 （圖8）。其中 芘環(huán)和硝基苯唑啉發(fā)光團(tuán)作為信號(hào)單元，

30、氮 雜環(huán)作為接收單元。這樣形成芘環(huán)和硝基苯 唑啉在385 nm和538 nm處均有發(fā)射。加入 hg2+后，硝基苯唑啉的發(fā)射強(qiáng)度增加了約10 倍而跎環(huán)的發(fā)射變化很小。該工作的新穎之 處在于實(shí)現(xiàn)了一種單激發(fā)、雙發(fā)射的熒光檢 測方法。zhang等36報(bào)道丫一種含胸腺嘧啶 的叫苯基乙煤基化合物33，可作為turn-on 型12+熒光探針（閣8）。該探針的特色在 于：向探針的水/乙腈（2h v/v）屮加入hg2+ 后產(chǎn)生聚集誘導(dǎo)熒光增強(qiáng)，即aie效應(yīng)。加 入的hg24與分子內(nèi)胸腺嘧啶上的n、o原子 配位，導(dǎo)致分子內(nèi)的轉(zhuǎn)動(dòng)受阻，進(jìn)而產(chǎn)生熒 光增強(qiáng)的現(xiàn)象。同時(shí)由于胸腺嘧啶與hg2+ 的特效結(jié)合，該探針的選擇

31、性較島。近年來，hg2+熒光探針已逐漸應(yīng)用于細(xì) 胞內(nèi)的檢測。yoon等合成了一種基于吖啶的 hg2+熒光探針34和35 （圖8）,利用吖啶上 的氮原子對(duì)hg2+進(jìn)行識(shí)別37。此類檢測主要 是依賴于螯合熒光增強(qiáng)作用。它們的結(jié)合常 數(shù)分別為105和108 mdo此化合物不僅在有 機(jī)溶劑中具有識(shí)別作用，并可成功用于細(xì)胞 成像，在細(xì)胞中也能顯示其較好的檢測性 能。wu等138首次報(bào)道了基于氨基酸骨架的 hg2+熒光探針36 （閣8）。含丹磺酰基的l- 天冬氨酸探針在中性水洛液和活細(xì)胞中結(jié) 合hg24后熒光增強(qiáng)1.5倍，發(fā)射波長也發(fā)生藍(lán) 移（15 nm）?；衔?7 （閣8）含2個(gè)萘酰亞胺與2 個(gè)剛性的

32、哌嗪基，實(shí)現(xiàn)在水相屮檢測hg2+ p9。與hg2+結(jié)合前，37具有較低的熒光量 子效率。結(jié)合hg21后，產(chǎn)生17.4倍的熒光 增強(qiáng)，且最大發(fā)射波長紅移8 mn。該探針 對(duì)hg2+具有較高的選擇性。探針38 （圖8） 通過取代法實(shí)現(xiàn)水相屮對(duì)12+的商選擇性 識(shí)別40。該化合物與cu2+的絡(luò)合使得萘酚環(huán) 的發(fā)光猝火，隨著hg2j9加入，在530 nm 處熒光增強(qiáng)。最初引入012+產(chǎn)生的熒光猝滅 是基于光誘導(dǎo)電子轉(zhuǎn)移機(jī)制或是順磁猝滅 機(jī)制41,而加入的hg2+取代了 cu2+,恢復(fù) 了熒光。由二者的滴定曲線可得，hg2+與探 針的結(jié)合常數(shù)遠(yuǎn)大于cu23.2.2硫原子為主要結(jié)合位點(diǎn)的探針fig 9 m

33、achanism of the probe 39除氮原子外，硫原子作為主要結(jié)合位點(diǎn)的turn-on型hg2+熒光探針也有報(bào)道。qian等 42將奶2引入羅丹明巾，得到turn-on型hg2" 熒光探針39 （圖9）。該探針引入ns2旨在提 高探針與hg2+的親和力，迅速產(chǎn)生熒光和比 色響應(yīng)，同時(shí)增強(qiáng)在水體系屮探針的選擇性 和可逆性，實(shí)現(xiàn)高靈敏度的檢測。加hg2u 后，溶液的顏色由無色變力紅色，從而實(shí)現(xiàn) 肉眼識(shí)別。另外，利用核磁滴定推斷出探針 分子與hg2+為kl結(jié)合。¥0011等43報(bào)道了 一種新型的含硫醇的 羅丹明6g衍生物41 （圖10），可用作turn-on 型hg2

34、+熒光探針。該探針在乙腈-hepes的 緩沖體系中（ph = 7.4），加入hg2+后，在515 nm的波長激發(fā)下產(chǎn)生熒光增強(qiáng)近200倍。檢 測限可達(dá)1.0 nm。圖10硫原子為結(jié)合位點(diǎn)的探針fig 10 probes with sulfur atom as receptorsduan等441將含硫的螺環(huán)結(jié)構(gòu)引入羅丹 明中得到三種在水相識(shí)別hg2+的熒光探針 42, 43和44 （圖10）,檢測靈敏度達(dá)到ppb 水平?；衔?2的結(jié)構(gòu)簡單，在dmf與水 （1/1 v/v）的體系中加入hg2+, 585 nm處 的發(fā)射強(qiáng)度明顯增強(qiáng)，但探針42的選擇性 較差，它對(duì)ag cu2，zn2+也有不同程度

35、 的響應(yīng)?；衔?3和化合物44分別將苯環(huán) 改為毗啶和二茂鐵的結(jié)構(gòu)后，其水溶性大大 增強(qiáng)，在dmf/水（0.5/99.5 v/v）的體系巾 實(shí)現(xiàn)了檢測。此外，探針43和44的選擇性 得到了提高：對(duì)于43來說，惟zn24對(duì)hg2+ 的檢測產(chǎn)生一定干擾；而44的選擇性良好, 消除了其他雜離子的影響。探針45 （圖10）中，富硫的ns4環(huán)是 接收單元。hg2+配位后熒光增強(qiáng)大于170倍， 檢測限為60 nm,而且選擇性好，消除了 cu2+的干擾45。45可用于活體細(xì)胞屮hg2+的檢測。tang等46合成了近紅外hg2+熒光 探針46 （圖10），利用近紅外光作為檢測 信號(hào)，可以減小對(duì)生物組織的損害。

36、該探針 的作用機(jī)理為通過hg2+的結(jié)合來抑制光誘 導(dǎo)電子轉(zhuǎn)移（pet）導(dǎo)致的熒光猝滅。隨著 hg2+濃度的增加，熒光強(qiáng)度不斷增加。同時(shí) 他們發(fā)現(xiàn)，ph值對(duì)其影響也很明顯，在中 性條件下最好，因而在細(xì)胞環(huán)境中具有很好 的檢測效果。3.2.3基于化學(xué)劑量測定法的turn-on型探針除了上述s、n等原子直接與hg2+配位 外，還存在利用化學(xué)劑量測定法實(shí)現(xiàn)檢測的 turn-on型hg2*災(zāi)光探針。4748圖11化學(xué)劑飛測定法的作川機(jī)理fig 11 mechanism of the chemodosimeter methodhennrich等26報(bào)道了基于萘體系的 hg2+熒光探針48 （圖11），其巾

37、荼基作為信 號(hào)單元。該探針是由化合物47反應(yīng)得到。 化合物47的熒光較弱，并且其熒光性質(zhì)基 木不受hg2+的影響。但是在冰醋酸屮加入還 原劑鋅，可將47還原得到化合物48。加入 低于化學(xué)計(jì)量濃度（0.1當(dāng)量）的hg21后， 48將產(chǎn)生不可逆的直接脫硫反應(yīng),這樣萘環(huán) 的熒光發(fā)射增強(qiáng)34倍?；衔?8對(duì)hg2* 的檢測靈敏度較商，但在hg2+存在時(shí)并不穩(wěn) 定，加入100當(dāng)量的hg2+后，熒光先猝滅，48小時(shí)后又出現(xiàn)。后來，zhang等471報(bào)道了 熒光探針49和50 （圖11），其中蔥環(huán)作力 信號(hào)單元。49和50在叫氫呋喃/水（20/1 v/v） 的混合體系中，加入hg2+后在30分種內(nèi)逐 步產(chǎn)生

38、18倍的熒光增強(qiáng)，這也歸因于直接 脫硫作用。到目前力止，利用化學(xué)劑量測定法在水 體系中實(shí)現(xiàn)對(duì)12+檢測的turn-on型小分子 探針材料已取得很大進(jìn)展，在生物、環(huán)境體 系屮具有非常好的的應(yīng)用前景。早在1992年，czarnik等481報(bào)道了第一 個(gè)水溶性的turn-on型hg2f探針51 （圖12）。 該探針在其hepes緩沖溶液中加hg2+脫硫 后熒光增強(qiáng)55倍，且脫硫反應(yīng)迅速，室溫 下10分種即可完成87%。后來，kim等州 報(bào)道了一種基于化學(xué)劑量測定法的12+熒 光探針，香豆素衍生物52 （圖12）。該探針 在hepes緩沖溶液中（ph = 7.4）對(duì)hg2+ 實(shí)現(xiàn)高選擇性的檢測。另一種

39、基于硫代香豆 素的熒光染料53 （圖12）用于島選擇性的 hg2+熒光探針50。該探針也是在hepes緩 沖溶液中，通過加汞直接脫硫的化學(xué)劑量測 定法實(shí)現(xiàn)雙信號(hào)檢測（顏色變化和熒光變 化。一種新型藍(lán)色熒光染料54 （圖12）能 夠用來檢測hg2+，實(shí)現(xiàn)100%的水溶性，進(jìn) 而應(yīng)用于血漿和血清蛋白等生物體系中 掩2+的檢測511。wang等521報(bào)道了一種在磷 酸鹽緩沖溶液屮（ph = 6.0）通過直接脫硫- 閃酯化反應(yīng)實(shí)現(xiàn)選擇性hg2+檢測的探針 55 （圖12）。當(dāng)hg2+的濃度達(dá)到5（im時(shí)， 探針溶液在480 rnn處的熒光發(fā)射增強(qiáng)丫 50 倍，響應(yīng)非常迅速（小于30 s）?；衔?6

40、（圖12）是基于香豆素的hg2+熒光探針5 該探針在磷酸鹽緩沖溶液（ph = 7.4）屮實(shí) 現(xiàn)檢測，具有良好的選擇性，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了水 溶性，可應(yīng)用于生物檢測。3叩等54發(fā)現(xiàn) 化合物57 （圖12）在水體系中對(duì)hg2+具有 很好的單一識(shí)別作用，且具有高的靈敏度。 該化合物是基于化學(xué)劑:w:測定法的hg2+檢 測探針。當(dāng)加入hg2+后，該探針在580 nm 處出現(xiàn)一個(gè)熒光發(fā)射峰。同時(shí)，他們發(fā)現(xiàn)其 在活細(xì)胞中對(duì)hg2+也就有很好的識(shí)別作用。另外，一種縮對(duì)稱二氨基脲化合物58 也可利用不可逆的hg2+誘導(dǎo)脫硫作用和環(huán) 化作用來檢測hg2+55o當(dāng)向探針58溶液中 加入一個(gè)當(dāng)量的hg2后，形成三氮雜荼59

41、 （圖13）,在635 nm處產(chǎn)生了近100倍的 熒光增強(qiáng)，并且具有較高的選擇性。最近， ahn等56報(bào)道了一種可檢測無機(jī)和有機(jī)汞 的turn-on型熒光探針60 （h 13）。該探針 的檢測是基于hg2誘導(dǎo)的乙烯基水解反應(yīng)， 乙烯基醚的羥汞化作用生成一 種半縮醛中 間體，進(jìn)而裂解為醇類化合物61和醛類化 合物62 （閣13）。60本身發(fā)射較弱，加入 hg2+形成的醇類化合物61熒光大大增強(qiáng)， 實(shí)現(xiàn)了水相檢測hg24對(duì)有機(jī)汞的檢測也是 同樣的機(jī)制，并且60對(duì)hg2*具有專一性結(jié) 合能力。此類探針還可用于活細(xì)胞屮檢測 hg2+,靈敏度較島。ss57圖12基于化學(xué)劑帶測定法檢測的探針fig 12

42、probes based on chemodosimeter在水介質(zhì)中基于硒的hg2+熒光探針63（圖13），其檢測限為1.0 nm57o該探針 在h+的作用下直接脫去hgse,得到化合 物64,通過化學(xué)劑呈測定法實(shí)現(xiàn)對(duì)hg2+的 定:w:檢測，同時(shí)具有良好的選擇性。該化合 物在活細(xì)胞及生物體內(nèi)對(duì)hg2+的檢測具有 很好的應(yīng)川前景。3.3基于比率法的探針除了熒光猝滅型（turn-off）和增強(qiáng)型（turn-on）的呢2+探針外，比率型熒光探針 也是極具有發(fā)展?jié)摿Φ男》肿訜晒馓结?，?目前最前沿的探針種類之一。o itf.圖13探針58、60和63的作用機(jī)理fig 13 machanisms o

43、f the probe 58, 60 and 63xiao和qian等58發(fā)現(xiàn)由羅丹明和氟化 硼絡(luò)合二毗咯甲川類熒光染料（bodipy） 構(gòu)成的化合物65 （圖14）可通過hg引起 的脫硫關(guān)環(huán)反應(yīng)得到化合物66,實(shí)現(xiàn)對(duì)hg2+ 的比率法檢測。加入啦2+前后，溶液顏色由 綠色變成品紅色。他們還發(fā)現(xiàn)隨著hg2+濃度 的增加，在514 mn處的發(fā)射強(qiáng)度不斷降低， 在589 mn處的發(fā)射強(qiáng)度不斷增加。密度泛 函理論計(jì)算證明該識(shí)別過程主要是forster 能量轉(zhuǎn)移的過程。同時(shí)他們還發(fā)現(xiàn)該探針在 活細(xì)胞中對(duì)hg2+也具有良好的檢測效果。圖14探針65的作用機(jī)理fig 14 machanism of the

44、 probe 65圖15基予比率法檢測的探針fig 15 probes based on ratiometric sensingzheng等59將熒光素與羅丹明通過共價(jià) 鍵連接合成了 hg2+熒光探針67 （閣15 ）,該 探針在丙酮與水的混合體系中能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì) hg2的比率法檢測。1等6（）研究了 一種近紅 外hg2+探針68 （圖15）。結(jié)合hg2+后，該化 合物的最大吸收波長紅移近120 nm至近紅 外區(qū)。此外，kumar等61】將丹磺?；氡?烴類化合物，得到一種新型的基于比率法檢 測hg2+的熒光探針69（圖15）。向其hepes 緩沖溶液中加入hg2+后，溶液的紫外-可見 吸收光

45、譜發(fā)生顯著的改變：在340 nm處的 吸收強(qiáng)度逐漸降低，在286 rnn處出現(xiàn)一個(gè) 新的吸收峰，且在311 mn處有一個(gè)等吸收 點(diǎn)。另外，69的熒光發(fā)射光譜也有相應(yīng)的變 化：在502 rnn處的發(fā)射強(qiáng)度逐漸降低直至 完全猝滅，而在435 nm和412 nm處出現(xiàn)兩處新峰。這些變化可能是rti于部分的質(zhì)子化 降低了氨基上n原子的電荷密度，影響了富 電子基（二甲基氨基）與缺電子基（萘基） 之間的電荷轉(zhuǎn)移作用引起的。由于探針具有 商選擇性，該化合物還能夠以hg2*作為輸入 信號(hào)用作分子開關(guān)。化合物70 （圖15）同 樣是一種基于比率法檢測hg21的熒光探針。 該探針能夠在乙腈/水（1/1 v/v）混

46、合體系中 實(shí)現(xiàn)檢測隨著啡2+的滴加，在555 nm 處的發(fā)射顯著增強(qiáng)，而在500 nm處的發(fā)射 強(qiáng)度有所降低，這是丹磺酰基到羅丹明的共 振能量轉(zhuǎn)移（ret）的結(jié)果。另外，該探針 還可應(yīng)用于活體細(xì)胞成像。lee等163報(bào)道了由給體色氨酸和受體丹磺酰基構(gòu)建的化合物71 （閣15）在水相屮對(duì)hg2+具有熒光識(shí)別作用，隨著hg2+濃度的增加，在495 nm處的發(fā)射強(qiáng)度增加，而在340 mn處降低。這主要是熒光共振能量轉(zhuǎn)移（fret）和螯合熒光增強(qiáng)效應(yīng)的結(jié)果。所謂fret是指電子激發(fā)能在適當(dāng)?shù)哪躸供體和能量受體對(duì)之間的傳遞。其傳遞效率與原子間及分子間的距離密切相關(guān)，這一特點(diǎn)使得fret技術(shù)在分子構(gòu)象變化

47、、分子之間相互作用、細(xì)胞成像等研究中發(fā)揮著重要作 用64,65。4結(jié)束語除了上述基于小分子的hg2+熒光探針 外，近年來很多研究者致力于研宂基于共軛 聚合物和生物大分子66_681的hg2+熒光探針。最新還有很多關(guān)于納米材料用作hg2+熒光 探針的報(bào)道出現(xiàn)，如金納米粒子69、包覆 cds的dna納米復(fù)合物701等。本文就不一一 贅述。綜上所述，近年來，hg2+熒光探針的研 宂飛速發(fā)展，新型材料的沒計(jì)合成使得hg2+ 檢測的領(lǐng)域不斷拓寬，研究已逐步深入實(shí)際 環(huán)境和生物體內(nèi)。今后，具有高靈敏度、高 選擇性、光穩(wěn)定性好和良好水溶性等優(yōu)點(diǎn)的 hg2+熒光探針的設(shè)計(jì)及應(yīng)用研究仍是化學(xué) 家和生物學(xué)家關(guān)注的

48、課題。而突破傳統(tǒng)的設(shè) 計(jì)原理，開發(fā)新的檢測機(jī)理則是一重要研究 內(nèi)容。進(jìn)一步將hf+熒光探針用于細(xì)胞或活 體成像，實(shí)現(xiàn)生物體a的檢測，將會(huì)成為本 領(lǐng)域一重要的研究方叫。另外，將傳統(tǒng)的探 針分子引入到無機(jī)或有機(jī)基質(zhì)上，同時(shí)保持 它們優(yōu)異的檢測性能，開發(fā)準(zhǔn)固態(tài)或固態(tài)的 檢測材料，實(shí)現(xiàn)具有實(shí)用化的便攜式檢測器 件（如檢測試紙），將具有非常重要的意義。 總之，隨著納米技術(shù)、生物技術(shù)與超分子化 學(xué)的日新月異，交叉融合，hg2+熒光探針的 設(shè)計(jì)和制備將面臨全新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)！參考文獻(xiàn)1nolan e m，lippard s j. chem. rev.，2008，108:3443-34802zhao q, ca

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