基于小分子的汞离子荧光探针的研究进展最终修订稿精.docx

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基于小分子的汞离子荧光探针的研究进展最终修订稿精

基于小分子的汞离子荧光探针的研究进展*史慧芳1赵强1,2安众福1许文娟1刘淑娟1**黄维1**

（1.南京邮电大学信息材料与纳米技术研究院江苏省有机电子与信息显示重点实验室南京210046;2.南京大学配位化学国家重点实验室南京210093

摘要汞离子（Hg2+作为一种极具生理毒性的化学物质,其检测方法在传感领域得到了广泛的研究。

荧光探针由于具有高效灵敏、快速便捷检测等优点而成为Hg2+检测的重要手段之一。

通过Hg2+与探针特征的结合位点作用,引起其光物理性质的变化,从而实现对Hg2+的高选择性识别。

本文综述了近年来小分子Hg2+荧光探针的研究进展。

文中着重总结了Hg2+荧光探针分子的设计原理、检测机制及应用方法;评述了这些化合物的结构和检测性能之间的关系;最后展望了Hg2+荧光探针的研究和发展方向。

关键词汞离子荧光探针离子识别

中图分类号:

O63O62O6-1文献标识码:

A文章编号:

091134

TheProgressofFluorescentProbesforMercuryIonBasedonSmallMolecules

ShiHuifang1ZhaoQiang1,2AnZhongfu1XuWenjuan1LiuShujuan1*HuangWei1*（1.NanjingUniversityofPosts&Telecommunications（NUPT,InstituteofAdvancedMaterials（IAM,JiangsuKeyLabforOrganicElectronics&InformationDisplays,Nanjing,210003;2.NanjingUniversity,StateKeyLaboratoryofCoordinationChemistry,Nanjing,210093,China

AbstractsAsoneofthemosttoxicheavymetals,mercuryioncausessevereenvironmentalandhealthyproblems.Hence,itssensingmethodshavebeenwidelystudied.Duetotheiruniqueadvantages,suchashighsensitivity,lowcost,andfastdetection,fluorescentprobeshavebeenoneofthemostimportantsensingmethodsofmercuryion.Themercuryioncouldbecoordinatedwithspecificreceptorsoffluorescentprobes.Suchcomplexationcausesthechangesofphotophysicalpropertiesandrealizeshighlyselectivemercuryiondetection.Herein,fluorescentprobesformercuryionbasedonsmallmoleculesreportedinrecentyearshavebeenreviewed.Thedesignprinciplesofprobematerials,aswellastheirsensingmechanismsandapplicationsaresummarized.Thestructure-propertyrelationshipsarealsoelucidated.Finally,thedevelopmentandprospectareforeseeninthefieldofmercuryionprobes.

KeywordsMercuryIon;FluorescentProbes;Ion-Recognition

*国家重大科学研究计划（973项目,No.2009CB930601,国家自然科学基金项目（No.50803028,20804019,20774043、江苏省高校自然科学基础研究面上项目（No.08KJD430017、江苏省基础研究计划项目（No.BK2009427、江苏省高校优秀科技创新团队项目（No.TJ207035、南京市留学回国人员科技活动项目（NJ209001、南京邮电大学引进人才科研启动基金项目（No.NY208045和江苏省普通高校研究生科研创新计划项目（No.CX08B_084Z资助。

**通讯联系人E-mail:

iamwhuang@;iamsjliu@

Contents

1.Introduction

2.DesignPrinciples

3.TheProgressofFluorescentProbesonMercuryIon3.1Turn-offFluorescentProbesonMercuryIon3.2Turn-onFluorescentProbesonMercuryIon

3.3RadiometricFluorescentProbesonMercuryIon

4.ConclusionandOutlook

1.引言

Hg2+是一种极具生理毒性的化学物质,它对人体的危害主要集中在中枢神经系统、消化系统和内脏器官,对呼吸系统、皮肤、血液及眼睛也有一定的影响。

Hg2+中毒的机理尚未完全清楚,目前被广泛接受的Hg2+产生毒性的基础是Hg-S反应。

Hg2+可与体内蛋白质（如酶中某些基团（如巯基结合,使细胞内许多代谢（如能量的生成、蛋白质和核酸的合成等受到影响,从而影响了细胞的功能和生长[1]。

Hg2+具有持久性、易迁移性和高度的生物富集性,这使其成为目前全球最引人关注的环境污染物之一[2]。

正是因为Hg2+存在高毒性,开发研制成本低、响应快、易实现、能应用于自然环境和生物体系的新型Hg2+检测手段显得尤为重要。

近年来,通过比色或荧光分析,实现快速、便捷地检测Hg2+的化学传感法备受关注。

本文综述了近年来关于小分子Hg2+荧光探针的研究进展,着重介绍了Hg2+探针材料的分子设计和检测机理。

2.设计原理

由于Hg2+的d轨道充满电子,Hg2+本身并不具有光学特性,造成了其光学检测的局限性[3]。

但是人们发现可以利用发色团与Hg2+结合导致其荧光信号的改变来检测环境或生物体系中的汞含量。

从结合方式看,虽然Hg2+的d轨道充满电子,但它的最外层有空的s轨道和p轨道,在轨道能级图中,它们与次外层的d轨道在同一能级,也可以杂化参与配位。

而N、O、S等原子具有孤对电子,将这些具有孤对电子的原子作为识别单元引入到探针分子中,通过与Hg2+以配位键的形式结合,使探针分子产生相应的光物理性质变化,达到检测的目的。

另外,还可以通过Hg2+引起的探针分子的直接脱硫反应,即化合物中S原子（或Se原子与Hg2+结合,脱去HgS（或HgSe,改变探针分子的荧光信号以达到检测目的。

这种利用化学反应实现检测的方法被称为化学剂量测定法（Chemodosimeter。

一般用来解释Hg2+荧光探针的检测机

制有电荷转移（CT和能量转移（ET两大类,包括光诱导电子转移（PET、分子内电荷转移（ICT和荧光共振能量转移（FRET等[1]。

然而,在许多情况下,详细的检测机制还不是很清楚,这都有待我们去进一步研究和完善。

3.小分子汞离子荧光探针的研究进展

我们根据荧光信号变化的不同,将小分子Hg2+荧光探针主要分为turn-off型、turn-on型和比率法检测三种类型。

其中,turn-off型荧光探针是指与Hg2+发生作用后自身荧光减弱或者猝灭的探针;turn-on型荧光探针是指向原本不发光或者发荧光较弱的化合物溶液中加入Hg2+后,荧光出现或者荧光增强的探针[4]。

比率法检测指的是与Hg2+作用前后,分子在两个不同波长下发生荧光强度对比变化的探针。

3.1Turn-off型荧光探针

Turn-off型探针检测Hg2+的理论基础是重金属引起的荧光猝灭机理,它是由自旋耦合、能量转移和电子转移等一系列途径引起的[4]。

这里我们按照荧光探针与Hg2+结合位点的不同归类并予以评述。

3.1.1氮原子作为结合位点的探针

氮杂环是一类很有效的Hg2+识别单元。

化合物1-7（图1都是基于这类识别单元的探针分子。

对于化合物1,氮杂环单元通过两个酰胺键与两个芘基相连。

在水/二氧杂环已烷（9/1v/v的混合体系中,化合物1主要是芘激基缔合物发射,单体的发射较弱[5]。

加入一个当量的Hg2+后,激基缔合物的发射强度大大降低。

这是由于Hg2+的引入导致激基缔合物解离的结果。

该化合物对Hg2+具有良好的选择性。

探针2和3的化学结构与1相似。

在甲醇/水（3/7v/v的混合体系中,探针2中芘单体产生强的荧光发射,当加入Hg2+后荧光猝灭。

与2不同的是,3含有两个酰胺基团,增强了探针分子与Hg2+的配位能力,从而提高了检测的灵敏度[6]。

上述三种探针的选择性均较好,唯有Cu2+对Hg2+的检测有干扰。

除芘外,蒽也可以作为信号单元。

如基于蒽的探针分子4能够在pH值为4.8的乙腈/水（95/5v/v缓冲体系中作为Hg2+荧光探针[7]。

随着Hg2+的加入,该化合物的荧光强度降低了83%。

Yu等[8]合成一系列含卟啉用于检测Hg2+的化合物5（5a、5b、5c,卟啉环中的N原子作为结合位点与Hg2+配位,三种化合物对Hg2+均产生turn-off型响应,其中化合物5b的检测效果最好。

含四个丹磺酰基的杯芳烃衍生物6在乙腈/水（1/1v/v的混合体系中,实现对Hg2+高选择性的检测,检测限为3.41μM。

随着Hg2+的加入,该探针溶液在531nm处的荧光发射强度降低了94%,这是由丹磺酰基到Hg2+电荷转移的结果[9]。

Chawla等[10]报道了一系列新型的含丹磺酰基的杯芳烃类化合物,其中硝基取代的化合物7对Hg2+有良好

的选择性,在加入Hg2+后,在450nm处的荧光发射强度显著降低,检测限接近20ppb。

同时通过EDTA（乙二胺四乙酸的返滴证明该探针还具有一定的可逆性。

化合物8（图1是一种由分子聚集引起的turn-off型Hg2+荧光探针[11]。

该探针具有极高的选择性,对除Hg2+以外的其他金属阳离子Cu2+、Ni2+、Fe2+、Co2+、Pb2+、Cd2+、Zn2+、Mn2+、Cr3+、Mg2+、Ca2+、K+和Na+均没有响应。

以上几类探针分子都是以可见光为检测信号。

近来,近红外发射的探针由于具有背景干扰小、灵敏度高等优点而受到众多研究者的关注。

含有6个吡咯环的卟啉衍生物9（图1发射波长大于900nm,可作为turn-off型近红外Hg2+探针[12]。

在Hg2+存在下,该探针产生荧光猝灭。

探针9对Hg2+具有良好的选择性。

即使在40倍当量的Li+、Na+、Mg2+、Ca2+、Sr2+、Ba2+、Cr3+、Ag+、Co2+、Pd2+、Ni2+、Zn2+、Cd2+和Pb2+存在的情况下,该探针仍然只对Hg2+有响应,这就表明该化合物能够检测复杂体系中的Hg2+。

另外,该探针对Hg2+的检测限低,为100nM。

上述的几类探针分子都是在有机-水混合体系中实现对Hg2+的检测。

而在纯水溶液中,对Hg2+响应的turn-off型探针材料较少,这归因于大多数荧光材料的水溶性较差。

蒽衍生物10（图1可以实现在纯水中对Hg2+的检测[13]。

向该化合物的中性水溶液中加入Hg2+后引起荧光强度的明显减弱。

而Cu2+只引起微弱的荧光减弱,其他金属离子的干扰较小。

图1N原子为结合位点的探针

Fig1Probeswithnitrogenatomasreceptors此外,金属离子交换法也是实现Hg2+检测的手段之一[14]。

这种方法是利用各金属离

子与配体结合能力的不同,通过金属离子的置换导致探针分子荧光性质的变化来实现检测。

利用该方法可以设计一些新颖的探针分子。

如在无荧光的苯基桥化合物配体11（图2中加入Zn2+,产生一个四核的荧光化合物12。

当在化合物12的溶液中加入Hg2+后,Hg2+取代Zn2+与氮原子配位,形成了新的双核化合物13（图2,引起荧光猝灭。

其它过渡金属离子（如Mn2+、Cd2+、Fe2+、Ni2+、Co2+、Al3+、Pd2+、碱金属和碱土金属离子的引入对化合物12的荧光发射影响很弱。

而Cu2+使12产生微弱的荧光减弱。

这表明该探针分子对Hg2+具有很好的选择性。

图2金属离子交换法的作用机理

Fig2Mechanismofmetalionreplacement

3.1.2硫原子作为结合位点的探针

除氮原子作为结合位点外,硫原子作为结合位点的Hg2+探针也有大量报道。

图3硫原子为结合位点的探针

Fig3Probeswithsulfuratomasreceptors

图4磷光汞离子探针

Fig4PhosphorescentHg2+probes

化合物14（图3在水介质中加入Hg2+后,产生明显的荧光猝灭[15]。

该探针的选择

性较好,只有Ag+产生类似的猝灭响应,Cd2+则导致荧光增强。

Michelet和Leray等[16]报道了一种基于苯炔类化合物的新型Hg2+荧光探针15（图3,随着Hg2+的加入,在pH值为4的乙腈/水（4/1v/v混合溶液中产生荧光猝灭。

该探针的选择性较好,具有可逆性。

检测限为3.8nM,可达到检测世界卫生组织公布的饮用水中允许的最大汞浓度的水平。

此外,该研究最新报道的化合物16（图3对Hg2+同样具有良好的识别作用[17]。

在前期工作的基础上,作者改变苯乙炔基的长度,研究了空间位阻对其传感性能的影响。

近年来,基于重金属配合物的磷光探针的研究也引起了广泛的关注。

这是由于这类磷光探针具有优异的光物理性质,如发射波长对环境敏感、大的Stokes位移以及长的发射寿命,长的发射寿命有利于使用时间分辨技术使磷光信号与背景的荧光信号相区分,从而提高信噪比[18,19]。

基于配体含硫原子的铱配合物磷光探针17和18（图4,能够高选择性地检测Hg2+[2,20]。

化合物17配体上的S原子作为结合位点与Hg2+结合,实现了紫外-可见吸收、磷光发射及电化学等多信号输出的磷光Hg2+探针。

加入Hg2+后,化合物的紫外-可见吸收光谱和磷光发射光谱发生明显蓝移,溶液的颜色由深红色变为橙黄色,从而实现了肉眼识别。

此外,Hg2+加入后,配合物金属中心的IrⅢ/IrⅣ氧化峰向阳极移动。

以上这些明显的变化归因于Hg2+与配体上的S原子相互作用降低了Ir原子中心的电荷密度,导致HOMO能级降低,HOMO与LUMO间的能带变宽,进而发生明显的光谱蓝移。

基于相似结合机理的探针18同样可用来检测Hg2+。

二者不同的是,化合物18在加入Hg2+后发射强度减弱直至猝灭。

这种差异归因于两种配合物结合Hg2+后电荷分布的不同。

3.1.3氮和氧原子共为结合位点的探针氮原子还可以与氧原子共同组成Hg2+的识别单元。

如图5中的冠醚类化合物19、20和21中的氮、氧可共同作为识别位点,与Hg2+结合[12,21]。

在乙腈溶液中,随着Hg2+的加入,化合物19~21产生不同程度的荧光降低甚至猝灭。

但其选择性较差。

具体而言,化合物19在Pd2+存在下可观察到荧光增强;化合物20在Cu2+溶液中产生荧光。

由于这些干扰作用,此类大环状化合物并不适合于在复杂的混合体系中检测Hg2+。

化合物22和23（图5是基于杯芳烃的含丹磺酰基或芘的荧光材料,分子中的氮原子和氧原子共同作用作为结合位点,丹磺酰基或芘部分作为信号单元,产生Hg2+诱导荧光猝灭现象[22,23]。

化合物22由两个丹磺酰基与杯芳烃以酰胺键键合构成,在其乙腈与水混合溶液体系中,加入Hg2+后产生97%的荧光猝灭和20nm的蓝移[22]。

根据低温电化学和荧光性质测定,这种荧光猝灭归因于非辐射的能量转移。

该探针的检测限是300nM。

化合物23在纯甲醇或甲醇与水的混合溶液中加入Hg2+都会产生荧光猝灭[23]。

该探针在

纯甲醇溶液中加入100当量的Hg2+后产生96%的荧光减弱;在甲醇/水（1/1v/v的混合体系中加入Hg2+后激基缔合物的发射完全消失。

这是因为芘单体与激基缔合物的发射强度比率取决于溶剂的组成。

在纯甲醇中,单体发射是主导发射;在甲醇/水（1/1v/v的混合体系中只有激基缔合物的发射。

随着Hg2+的配位,芘单体的π-π堆积解离,因此激基缔合物的发射完全消失。

图5氮和氧共为结合位点的探针

Fig5Probeswithnitrogenandoxygenatomsasreceptors

3.1.4氮和硫原子共为结合位点的探针氮原子和硫原子也可共同作用作为Hg2+的结合位点。

化合物24（图6在乙腈与水的混合体系中,芘单体和激基缔合物均有发射。

而随着Hg2+的加入,两个发射的强度均有所减弱,其中单体减弱约89%,激基缔合物降低了97%[24]。

激基缔合物发射的减弱可能是由Hg2+的加入引起的分子构象变化和芘间距加大造成的。

该探针对Hg2+的检测限为1.6μM。

在毫摩尔级的碱金属和碱土金属离子或微摩尔级的Zn2+和Cu2+的存在下,该探针分子对Hg2+的响应仍呈线性关系。

Wanichacheva等[25]报道了具有双信号显示（荧光猝灭和颜色变化的化合物25（图6在乙腈/水（4/1v/v溶剂中对Hg2+具有识别作用。

随着Hg2+的加入,该化合物在535nm处的发射强度明显降低;在460nm处吸收波长红移（70nm左右,可以通过肉眼观察到其溶液颜色由黄色变为粉红色。

这是因为基态时Hg2+与该探针中的N、S原子配位而减少由电荷分离引起的激发态能量变化。

该探针的检测限为100nM。

图6N和S共为结合位点的探针

Fig6Probeswithnitrogenandsulfuratomsasreceptors

3.2Turn-on型荧光探针

相比turn-off型荧光探针,turn-on型荧光探针材料的设计更具挑战性,同时也更具有应用前景,因此成为近年来传感领域研究的一大热点。

从上世纪90年代末至本世纪初,turn-on型Hg2+荧光探针仅限于有机相中检测[26,27]。

近几年来,大量水相Hg2+荧光探针材料相继设计并合成,实现了在水体系及生物体中Hg2+的检测。

3.2.1氮原子为主要结合位点的探针

罗丹明类化合物具有摩尔吸光系数高、荧光量子产率高和激发波长长等优点,能够实现可见光激发,在荧光检测时背景信号干扰也较少。

通过对母体结构的修饰,可以调控罗丹明类化合物的最大吸收、发射波长、量子产率等荧光特性,使罗丹明荧光染料成为传感等领域的明星材料[28]。

通过合理的分子设计,将对Hg2+具有结合作用的识别单元引入到罗丹明分子中,利用Hg2+诱导罗丹明分子开环,改变其发光性质（荧光增强,从而实现对Hg2+的检测。

图7氮原子为结合位点的探针（ⅠFig7Probeswithnitrogenatomasreceptors（ⅠShiraishi等[29]将氮杂环作为识别单元引入到罗丹明中合成化合物26（图7。

在有机溶剂（如乙腈中对Hg2+具有很好的识别作用。

当加入Hg2+后,该探针在540-670nm出现很强的橙色荧光。

加入10当量的Hg2+后,在580nm处荧光增强1700倍。

该探针是至今罗丹明类Hg2+探针中荧光增强最大的一例。

Hirai[30]和Yoon[31]分别报道了基于罗丹明衍生物的探针27和28（图7,在乙腈溶液中二者均对Hg2+有turn-on的响应。

虽然其荧光有很大程度增强,但是它们的选择性均较差,对Zn2+、Pb2+和Cd2+等也有类似的响应。

随着研究的深入,Hg2+探针已用于实际环境中的Hg2+检测。

如Li等[32]发现在水介质和活细胞中,亲水性的糖和罗丹明组成的化合物29（图7对Hg2+具有良好的荧光识别作用,检测限为1.0nm。

除罗丹明类荧光探针外,其它类型的turn-on型Hg2+荧光探针也有一些报道。

Tárraga和Molina等引入双臂二茂铁结构得到探针30（图8,增强了探针的灵敏度。

在乙腈溶液中随着Hg2+的加入,其吸收波长在长波段发生红移（120nm,溶液有橙色变成绿色,这种变化归因于氮原子与Hg2+的结合[33]。

Tew等[34]研究了一系列基于三联吡啶的Hg2+荧光探针31（图8,发现单纯的三联吡啶对Hg2+识别效果较好,检测限为25μM。

图8氮原子为结合位点的探针（Ⅱ

Fig8Probeswithnitrogenatomasreceptors（Ⅱ对于turn-on型Hg2+荧光探针,除了在有机相中可以实现检测外,在水和有机混合体系中也有大量报道。

Chang等[35]报道了一种在pH为4.8的乙腈/水（