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罗丹明类荧光探针研究进展_吴豪
罗丹明类荧光探针研究进展 吴豪，袁文兵* (海南大学材料与化工学院，海南海口 570228) [摘要]文章主要介绍近年来罗丹明衍生物在分子探针方面研究的一些新进展，系统阐述了该类探针分子在离子和小分子检测方面的应用。 [关键词]罗丹明；荧光探针；离子检测 [中图分类号]TQ [文献标识码]A [文章编号]1007-1865(2011)06-0265-01 Recent Progress in Rhodamine-Based Fluorescence Chemosensor Wu Hao, Yuan Wenbing* (College of Materials and Chemical Engineering, Hainan University, Haikou 570228, China) Abstract: The recent progress in the studies on rhodamines-based fluorescent probes was reviewed. The application of Rhodamine chemosensors in ions and small molecules sense were discussed in detail. Keywords: rhodamine；fluorescent sensor；ions sense 罗丹明B是重要的荧光探针材料，属于呫吨类染料。罗丹明B具有高的消光系数，较好的荧光量子产率，水溶性好，无毒，制备成本低等优点。因此，它是一类较好的荧光探针母体，极具广泛的应用价值。在中性或碱性条件下，罗丹明B内酰胺化合物以螺环状结构存在，体现紫外区吸收，无色，荧光减弱至消失。在酸性条件下以醌式结构存在，内酰胺结构开环，有荧光，体现长波吸收，成紫红色。 罗丹明基荧光染料由于其具有特殊的结构及相应的结构特性，使其广泛应用于化学分析和生命科学领域。目前的研究焦点多集中于通过不断修饰、优化罗丹明荧光分子探针的结构片段，以实现对小分子及离子的特异性识别，并进一步应用于生物活体及自然环境监测领域。 1 铜离子探针 铜是人体重要的微量元素，机体内铜缺失会导致代谢紊乱和诸多疾病，如胆固醇升高，动脉弹性降低，血压升高。一直以来，铜离子生物荧光探针的研究是一个热门课题。 1997年，Czarinik等[1]合成了罗丹明B酰肼，其可以选择性识别铜离子，该荧光探针是基于铜离子催化罗丹明B酰肼水解生成强荧光的罗丹明B分子的。 2006年，AijunTong等[2]合成水杨醛罗丹明B酰腙，可以可逆性的荧光增强识别铜离子。也就是说，在缓冲溶液中，当加入铜离子时，内酰胺螺环状结构被打开，吸收和荧光增强，当加入络合剂EDTA时，化合物表现出没有吸收和荧光，而在此时再加入铜离子，荧光恢复。 Yang等[3]通过在酸性条件下罗丹明B-酰肼与硫氰酸甲间的一步反应合成了一种Cu2+荧光探针。向该探针的乙腈/水溶液中添加Cu2+后，会造成荧光分子内酰胺键断裂，从而引起体系的荧光和紫外吸收明显增强。利用该探针实现了水相中Cu2+荧光和紫外检测，方法的线性范围分别为0.2~0.4和0.5~10 μmol/L。他们将该方法应用于自来水中Cu2+含量的测定，测定结果与原子吸收光谱方法测定结果一致。 Zhao等[4]在2009年设计合成了一种新型罗丹明内酰胺衍生物5，并将其应用于水溶液和活体细胞中Cu2+的检测。这种比色探针对铜离子的反应是瞬时可逆的,并且在其它金属离子浓度很高的情况下也不会对铜离子的比色和荧光信号产生干扰，这一特征使其很好地满足了生物医学和环境监测方面的特殊要求。目前，该类探针已广泛应用于环境体系中铜离子浓度的检测和生物活细胞铜离子分布成像实验，其优异的综合性能预示了极好的应用前景。 2 铁离子探针 铁是人体中所必须的微量元素，它在人体中主要以络离子的形式存在，与血红素、蛋白质等形成血红蛋白和肌红蛋白，在机体中起到运输和贮存氧的作用。由于Fe3+的顺磁性，一般的Fe3+荧光探针都是荧光熄灭型，不利于在牛物体内Fe3+的荧光成像及原位检测。因此利用罗丹明分子的闭环一开环间转换机理设计荧光增强型Fe3+荧光探针逐步受到重视。 2006年，Tong等[5]利用二乙基三胺将两个罗丹明B连接起来，从而形成无色，没有荧光的罗丹明B的衍生物，三价铁离子的加入，导致其内酰胺结构的开环，荧光增强，从而实现了对三价铁离子的检测。 2007年，Tae和Bae[6]利用肟酸作为Fe3+识别点的功能团，将氧肟酸引入罗丹明内酰胺和开环结构的平衡中。得到了一种新型的Fe3+探针。这种具有氧肟酸结构片段的罗丹明基荧光探针，在甲醇一乙腈(V∶V=1∶1)溶液中能很好的识别Fe3+，产生明显的荧光增强和颜色变化。 Peng等[7]通过乙二胺将2-羟基苯甲醛与罗丹明6G相连接，合成了一种Fe3+荧光探针。内酰胺的羰基氧原子、2-羟基苯甲醛上的羟基氧原子以及乙二胺上的氮原子同时参与了 Fe3+的螯合作用，导致了内酰胺键断裂，体系的荧光性增强。其他重金属和过渡金属离子无类似现象发生。 3 汞离子探针 汞是具有很高毒性的金属。汞单质及汞离子可通过各种途径进入环境，人体长期接触并摄入后会产生严重的恶心、呕吐、腹痛以及肾功能损伤等病症，危害极大。由于人们对汞毒性的高度重视，近年来对Hg2+荧光探针的研究日益增多。 Saresh等[8]以罗丹明6G为母体合成的Hg2+的荧光探针L1在水和甲醇(1∶1，φ)混合溶液中与Hg2+形成Hg (L1)2型复合物，荧光强度提高了90倍，利用L1测定Hg2+的检测线打到1 μg/L。25倍Hg2+浓度的Co2+，Fe2+，Ni2+，Zn2+，Pb2+，Cd2+，Mg2+，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Hg2+荧光探针。 Xu等[9]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Hg2+，探针与Hg2+结合的化学计量比为2∶1.Qian等[10]设计合成的高选择性的罗丹明类Hg2+荧光探针不仅可以实现对Hg2+的荧光检测，而且利用显色反应可以对Hg2+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，体系的紫红色变为无色。另外，荧光响应速度快是该探针的另一特点，Hg2+加入后立即产生稳定的强烈荧光，与同类的探针需要一定的平衡时间相比，该探针更适合于环境或者生物样品的实时分析。 2005年，Tae等[11]报道了一种十分精妙的罗丹明6G衍生物12，它可用于水溶液中Hg2+高灵敏度和高选择性的检测，即可以检测水溶液中低于2 μmol／L的Hg2+。 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Hg2+荧光探针RGl。在纯水中，Hg2+的检测限达到1 μg/L，满足美国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Hg2+共存的稳定体系中加入Na2S后，可以降低该体系的荧光强度，而再添加Hg2+时，体系的荧光则恢复。 (下转第243页) 新工艺新技术 [收稿日期] 2011-05-05 [作者简介] 吴豪(1988-)，男，河南人，本科，主要研究方向为罗丹明类荧光探针。*为通讯作者。
基于罗丹明B的阳离子荧光探针的研究
基于罗丹明B的阳离子荧光探针的研究 .1分子荧光产生的原理 当用紫外或可见光照射某些物质时，这些物质吸收某种波长的光后会发射出波长和 强度各不相同的光线，当停止照射后，这种红光也随之消失，这种光被称为荧光汇1.2〕。对 荧光产生原理和条件直到十世纪中期才弄清楚。GorgeGStokes在1852年详细考察了奎 宁和叶绿素的荧光后，首先确定和报告了他们的荧光波长总比激发波长要长。他还研究 了荧光强度和荧光物质浓度的关系，发现在高浓度时荧光会淬灭，他也发现荧光可以被 外部物质淬灭，从而建议利用荧光达到检测的目的。由AlexanderJabfonski在1935年提 出的荧光产生的过程图，常被称为Jabfonski图131(见图 1.1)。通常情况下，荧光试剂 分子处于基态，吸收光后，试剂分子的电子被激发而处于激发态，基态和激发态都有单 重态和三重态两种类型。S为电子自旋量子数的代数和，其数值为O或1。S为O时， Fig.1.1JalllonskidiagramforaPhotolu刀。刃。eseentsystem 分子内轨道中的所有电子自旋配对，自旋方向相反，此时分子处于单线态，大多数有机 物分子的基态是处于单线态。分子吸收光能后，电子越迁到高能级，电子自旋方向不变， 此时分子处于激发单重态。S。，51，52，.…，表示分子的基态和第一，第二，…，激发 单重态，能量由低到高。如果处于基态单重态的有机物分子的电子在跃迁过程中伴随有
电子自旋方向的变化，在激发态分子轨道中就有两个自旋不配对的电子，此时S=l，表 明分子处于激发态的三重态，用T表示，Tl，T:分别表示三重态的第一第二激发态，分 子中的电子从基态S0跃迁到激发态51，52，比较容易发生，进行很快(10飞)，而从基 态单重态到激发三重态不易发生。高能量的单重态激发态分子(如S:)可以与其它同类分子或溶剂分子碰撞通过内转换回到激发态的最低能级51，这一过程为10一，25，处于激发态最低能级的分子寿命一般为10礴一10一ss，它们会放出光子返回基态，这时产生的光就是 荧光。从51到Tl能量转化是系间跨越。从Tl到S。有两种过程:一个事物能量释放; 另一个是放出光子，即磷光，在104一105间完成。 1.2荧光分子探针的定义 荧光探针定义为能和个别组织特异结合而又不干扰其他组织成分自身荧光的那些 荧光化合物，为了和细胞中的自发荧光物质相区别，人们也曾称荧光染料为次级荧光体， 相应地把这种染色过程称为次级染色，把像叶琳这样的自然荧光物质称为初级荧光体。 而现在把所有的荧光探针，不管其染色性能和对天然荧光的影响如何，都统称为荧光探 针〔‘〕。 荧光探针大多是含有共扼双键体系的有机化合物，共辆双键使其容易吸收激发光， 其激发波长多处于近紫外区或可见光区，发射波长多处于可见光区。 作为荧光探针应该具有以下特点〔4]:第一，荧光探针的荧光必须与生物样品的背景 荧光易于区别;第二，荧光探针必须不干扰研究的主体;第三，荧光探针主要用于
罗丹明荧光探针的设计、合成及光谱研究
罗丹明荧光探针的设计、合成及光谱研究 【摘要】：罗丹明类荧光染料具有独特的结构特性和突出的光物理性质,即在螺环状态下表现为非颜色和非荧光性质,而与客体分子作用生成其开环结构后表现为明显的颜色变化和荧光释放特性。将反应位点与罗丹明生色团相结合,设计出大量的基于罗丹明衍生物的荧光探针,不仅能够运用于识别传感阳离子,而且能用于阴离子、活性氧物质和中性分子的传感识别。本论文在总结前人工作的基础上,设计开发了四个基于罗丹明衍生物的荧光探针：罗丹明—吡啶甲酰肼衍生物、罗丹明—水杨甲酰肼衍生物、罗丹明—萘酰亚胺衍生物和罗丹明—吡啶腙衍生物。通过客体与探针分子作用后产生的独特光谱变化,采用荧光发射和紫外—可见光谱详细地研究了其传感性能,主要研究内容如下：将罗丹明和吡啶甲酰肼相结合得到了探针分子2-1,不仅能够通过与Cu2+的配位作用实现了在水溶液中对Cu2+的高选择性和高灵敏性的检测,而且利用C1O能定向氧化甲酰肼基团实现了对ClO的识别传感。实验结果表明,在乙腈/Tris-HC1(pH=7.0)缓冲溶液中,探针2-1与Cu2+形成了1：1的络合物并且结合常数为1.79×106M-1(R2=0.994),具有非常高的检测限(1nM)。在甲醇/Na2B407-NaOH(pH=12.0)缓冲溶液中对C1O-也显示出了很好的识别性能,其检测限可以达到1nM。相比于其它已经报道的Cu2+或C1O-荧光探针,这是第一个能在一个小分子中同时检测这两种离子的化学传感器。采用荧光”turn-on”策略来设计罗丹明铜离子配合物的CN-荧光传感器是非常困难的。因为氰离
子会将配合物中的Cu2+取代,生成没有颜色也没有荧光的罗丹明关环结构。将做为发色团的罗丹明B与水杨甲酰肼相连,我们设计合成了一个能够通过配位模式,导致荧光释放来传感识别氰离子的荧光探针3-1。化合物先与Cu2+发生配位作用并导致了明显的紫外吸收光谱变化,其与Cu2+的结合常数为1.7×107M-1。第一次培养出了罗丹明衍生物和铜离子络合产物的单晶,通过分析可以看出,两个水杨甲酰肼基团与两个Cu2+所形成的双铜中心近乎处于一个平面上,两个罗丹明基团处于垂直位置。由于化合物与Cu2+之间的强的配位作用和铜离子的强的荧光猝灭效应,我们将该配合物成功应用于CN-的识别。配合物3-1+Cu2+与氰离子的结合比为1：2,并且得到了高分辨质谱的证实。其对氰离子的检测限可以达到 1.4×10-7M,远远低于世界卫生组织(WHO)对饮用水中氰离子含量不得超过1.9μM的规定。基于FRET 机理,我们设计合成了一个基于罗丹明—萘酰亚胺的Hg2+比率荧光探针4-4。在甲醇／水=2/1(V/VpH=7.0,Tris-HCl,10mM)溶剂体系中探针能够和汞离子进行定量的1：1加汞脱硫反应,并进一步发生分子内成环反应而导致罗丹明开环结构,并释放出光信号。探针能够对Hg2+实现高效且具有高选择性的特异性识别,当主体浓度为0.1μM时,Hg2+浓度在0.030.08μM之间,汞离子浓度和荧光比值之间产生了良好的线性,说明探针对Hg2+浓度的检测可以在一个非常低的范围内进行。在单一分子中,同样条件下探针能够实现对不同物种的选择性识别,具有重要的实际应用价值。我们采用罗丹明肼毗啶腙化合物5-3,实现了在同一溶液中利用紫外可见光谱识别Cu2+,而通过明显的荧光增强来选