Fe3+熒光探針的研究進展

楊志偉，馮 楊，韓宇珠，刁全平

(鞍山師范學院 化學與生命科學學院，遼寧 鞍山 114007)

隨著我國工業生產的迅速發展，“三廢”的排放量急劇增加，環境污染已經嚴重影響國家發展和人民身心健康，因而備受關注[1]。尤其在金屬離子污染方面，國家更是投入了大量的物力和財力，用來研究對金屬離子的檢測和其污染的應對方案。金屬離子的檢測方法眾多，主要有伏安法、原子吸收光譜法、原子發射光譜法、電感耦合等離子體質譜法[2-7]等，但是這些方法大多對實驗條件要求較高，并且儀器昂貴、成本高、時間長、樣品前處理復雜等，熒光探針分析法具有特異性強、靈敏度高、反應迅速、操作簡便等優點備受廣大有機合成和化學分析研究者的矚目。

鐵屬于過渡金屬，在現代工業以及建筑材料中具有不可或缺的地位，同樣也是人體當中含量最高的過渡金屬元素。Fe3+廣泛存在于自然環境和生物體內[8]。Fe3+在許多化學和生物學過程中，扮演著重要的角色，Fe3+可以提高血紅素運輸氧氣的能力，參與合成血紅蛋白和其它各種生物酶促進細胞的生長和代謝[9]。缺鐵會引起缺鐵性貧血，表現為皮膚泛黃缺乏紅潤之色，并且會導致新陳代謝紊亂以及免疫系統的功能下降，進而引發多種疾病[10]。如果人體中的Fe3+濃度過高則會引發細胞的癌變和某些器官的功能紊亂，如心臟、肝臟和胰腺等，進而引發血氣色素沉著癥以及心臟病等其他的疾病[11]。本文概述了幾種Fe3+熒光探針的研究進展，并對不同的熒光探針進行了綜述和比較。

1 香豆素類

陳兆輝等[12]在香豆素衍生物的基礎上設計合成了一種水溶性良好的熒光猝滅型熒光探針：7-二乙氨基-3-甲醛香豆素(圖1)。該熒光探針的熒光發射性能良好，研究表明探針與Fe3+的結合比為1∶1，由于Fe3+參與了探針中電子/能量轉移過程，從而促使香豆素有機熒光基團產生了非輻射的能量轉移過程，最終導致熒光猝滅；探針的最大熒光發射峰位于471 nm，隨著Fe3+濃度不斷升高，熒光強度會逐漸減弱。當Fe3+濃度處于0.02～60.00 μmol/L范圍時，探針的熒光發射強度與Fe3+的濃度具有良好的線性關系，可以對Fe3+進行定性和定量檢測，檢出限為22 nmol/L。當探針與不同的金屬離子溶液混合后，除了Cu2+和Cr3+造成一定程度的紅移外，其它金屬離子溶液對探針溶液的吸光度均無明顯影響，表明此探針具有良好的特異性，不易受其他常見金屬離子的干擾。探針對Fe3+的檢測具有可逆性，在水中具有良好的水溶性，探針檢測Fe3+的最適宜pH值范圍為5～7，且成功在人體pH環境中用于淋巴腫瘤細胞Ramos中Fe3+的熒光成像。

圖1 可能成像機理

2009年劉偉生教授[13]在Inorganic Chemistry Communications 上報道了一種以香豆素為母體的Fe3+熒光探針(圖2)，探針在HEPES體系下，都能夠對Fe3+有很好的檢測效果，并且當存在有干擾例子的情況下探針對鐵離子的檢測沒有影響，通過多種檢測，推測出鐵離子和探針是以1∶1的形式螯合。

圖2 探針合成路線

2 羅丹明類

韓翔等[14]在羅丹明B的基礎上合成出了熒光增強型可逆熒光探針RH-Fe(圖3)，該探針與Fe3+1∶1絡合，并可用于裸眼檢測。乙腈溶液中，探針在561 nm處的吸收良好，隨著乙腈溶液含水量的增加，探針在561 nm處的吸收呈下降趨勢，當含水量大于70%時，吸收下降十分顯著，在含水量80%乙腈溶液中，探針的吸收強度僅為在含水量70%乙腈溶液中的四分之一。在光學性質的研究中，經過將探針RH-Fe和RH-Fe-Fe3+的紫外吸收圖譜及熒光發射圖譜歸一化比較，證明探針RH-Fe在加入Fe3+之后，羅丹明的螺旋內酰胺由閉環狀態轉變為開環狀態，其熒光量子產率為0.36。在探針對金屬離子選擇性的研究中，除Cr3+和Al3+對探針識別性有微弱影響外，其他金屬離子對探針的選擇性影響均不明顯，探針對Fe3+的檢測限為0.27 μmol/L，當Fe3+濃度在1～16 μmol/L之間時與探針的吸光度有良好的線性關系。探針可適用的pH值范圍在5.54～10.12之間。

圖3 探針RH-Fe對Fe3+可能的絡合機理

胡偉等[14]在羅丹明B的基礎上，將其與水合肼、6-氮雜吲哚-3-羧醛反應，合成了新型Fe3+熒光探針RN(圖4)。RN與Fe3+形成1∶1的穩定螯合物，使羅丹明分子內的螺內酰胺環發生開環，溶液顏色變為粉紅色，具有特征熒光。當環境pH值處于4～10時，在金屬離子響應測試中，探針對Fe3+響應良好，其它金屬離子對探針的選擇性影響均極其輕微，可以忽略。其中在探針的紫外-可見光譜實驗中，于565 nm處向熒光探針溶液體系中加入50 μmol/L的Fe3+制備液，探針溶液體系瞬間由無色變為粉紅色。此現象表明很容易實現RN對Fe3+的裸眼識別。經Fe3+熒光滴定實驗表明，體系在585 nm處熒光強度隨Fe3+濃度梯度的不斷增加而逐漸增強。當Fe3+濃度在1～20 μmol/L之間時與熒光強度差呈良好的線性關系。根據檢出限公式得出RN的檢出限為1.02×10-7mol/L。

圖4 探針RN合成路線

白童鹿等[15]設計合成了三種(圖5～7)基于羅丹明類衍生物的熒光/比色探針。其中基于3-脫氧莽草酸甲酯在對甲苯磺酸催化作用下縮合制備得到了探針分子RhM606(圖5)。光譜測試表明當pH值為6時，在Tris-HCl緩沖體系中Fe3+和探針分子發生離子絡合反應，導致羅丹明內酰胺開環，在530 nm處產生吸收峰。當制備的探針溶液中加入不同的金屬離子后，時除Al3+和Cr3+對Fe3+的檢測有一定的干擾之外，其他金屬離子對Fe3+的檢測干擾均不明顯。當置于365 nm紫外燈照射的環境中，可以輕易地分辨出Fe3+與Al3+、Cr3+的不同。由此可見探針對Fe3+具有良好的選擇性。該探針在40℃環境中，在與Fe3+反應40 min后吸光度達到最大。在靈敏度檢測中，線性擬合結果表明，Fe3+濃度與探針分子RhM606的熒光強度呈線性關系，檢測限為3.93 μmol/L。

圖5 RhM606與Fe3+配位機理

第二種是由羅丹明6G與乙二胺和4-羥基-3,5-二溴苯甲醛經過一系列反應，得到橘色探針分子產物RhM716(圖6)。在探針分子溶液中加入Fe3+，由紫外吸收光譜分析得出，探針在pH值=3時達到最大吸光度。隨著溶液的pH增大，吸收強度逐漸減弱，當pH值≥6時530 nm處的吸收消失。在靈敏度檢測研究中，線性擬合結果顯示該探針的吸光度與Fe3+的濃度在15～50 μmol/L和50～120 μmol/L范圍內，相應的有兩段良好的線性關系。計算得到檢測限為1.26 μmol/L，探針具有良好的可逆性，能夠多次反復使用。

圖6 RhM716與Fe3+配位機理

第三種是由羅丹明B酰肼中間體和3-羥基-4-甲氧基-2-溴苯甲醛，經過一系列反應得到的淡紫色探針分子RhM668(圖7)。在pH值=7時該探針與Fe3+絡合產生最大吸收，探針對Fe3+具有優異的選擇性，基本不受其他金屬離子的影響。在金屬離子干擾實驗中，僅有Fe3+與探針溶液發生絡合反應，溶液由無色變為紫紅色。紫外-可見吸收光譜測試表明，在Fe3+濃度處于40～150 μmol/L和200～400 μmol/L之間時，探針的吸收強度與Fe3+濃度有良好的線性關系。經過計算探針作為比色探針檢測Fe3+的檢出限為2.46 μmol/L。

圖7 RhM668與Fe3+配位機理

陳曉超等[16]經過一系列反應合成了化合物 2-吡啶-4-苯基喹啉，并研究了該化合物作為Fe3+和Fe2+熒光探針的特性。探針與Fe3+在466 nm的發射波長處出現很強的發射峰，由此判斷Fe3+與探針之間具有熒光增強效應。探針對Fe3+的最高濃度檢測限為1.2×10-4mmol/mL,對Fe3+的最低離子檢測下限為0.1913×10-8mmol/mL，熒光光譜儀的檢測下限為0.1557×10-8mmol/mL。經過進一步的研究表明探針與Fe3+的絡合比為1∶2。

3 吡嗪類

圖8 探針分子結構

2005年H.Ouchetto[17]人在Bioorg.Med.Chem.上報道了一種Turn-Off型Fe3+熒光探針(圖8)，該探針處于甲醇體系下時，隨著Fe3+的不斷加入，熒光逐漸減弱。

4 吡喃類

Guo Fengchen等[18]于2012年在Research on Chemical IntermnediatesAhead of Print上報道了四種Turn-Off的Fe3+熒光探針(圖9)，在乙腈體系下， Fe3+對GH-1、GH-2、GH-3、GH-4四種探針都具有猝滅作用，猝滅程度分別為67.1%，68.8%，98.8%，99.9%，由此可知GH-4對Fe3+具有更好的選擇性，二者的結合常數為2.2×104M-1。

圖9 探針分子結構

5 甲基麥芽粉類

曹悅等[19]以甲基麥芽粉為原料經過一系列的反應，得到了一種熒光猝滅型熒光探針，探針的最大發射波長分別為550、547和542 nm。探針的計算脂水分配系數小于5，能夠順利的透過細胞膜在細胞內分布。在Fe3+對探針熒光的猝滅實驗中，研究發現當Fe3+與探針的濃度配比小于1∶3的時候，Fe3+與探針強度呈線性相關。經過計算得知F0/F與Fe3+的濃度無線性相關，證明猝滅的機理是靜態的而不是動態的，在離子干擾實驗中發現Cu2+和Fe2+對探針的熒光猝滅能力與Fe3+相當，但是Cu2+在細胞內的含量較少，幾乎可以忽略其影響。

6 菲并咪唑類

何玉倩等[20]以菲并咪唑為母體，設計合成出一種具有ESIPT和AIE特征的酚羥基菲并咪唑熒光猝滅型Fe3+熒光探針PIP-o-OH。在MeOH/H2O(v∶v=1∶9，Hepes 10 μmol/L，pH值=7.4)溶液中，考察了探針在形成聚集的條件下對Fe3+具有良好的選擇性識別性能。同時研究發現該探針在pH值為2～12的范圍內均對Fe3+具有優異的識別能力。在MeOH/H2O(v∶v=1∶9，Hepes 10 μmol/L，pH值=7.4)體系中，處于478nm發射波長下，當Fe3+濃度達到1 mmol/L時，在加入Fe3+的后20s探針分子的熒光猝滅強度達到最低值。通過Job法探究發現該探針與Fe3+形成化學計量數比為1∶1的絡合物。此外探針PIP-o-OH的細胞毒性研究結果表明，探針濃度為20 μmol/L時，在HeLa細胞內的成活率大于85%，說明探針分子的毒性低，可用于細胞檢測。

7 鞣花酸類

馮煥然等[21]建立了鞣花酸(EA)測定Fe3+的熒光分析方法。在80%的甲醇-水體系中，pH值為6.5時EA對Fe3+具有良好的絡合作用，除Cr3+和Fe2+之外其他金屬離子均不干擾測定，研究發現EA可與Fe3+形成配合物，其配位比為1∶2。對Fe3+和Fe2+檢測的線性范圍均為0.08～1.1 μmol/L。

8 BODIPY類

渠星宇等[22]用吡啶-2-甲酸(4-甲酰基苯酚)酯，在BODIPY染料的3-位引入對羥基苯基，得到了一種探針，該探針易溶于各種有機溶劑。探針在甲醇溶液中的最大吸收波長為570 nm，最大發射波長為585 nm。當溶液的pH值從酸性過渡到堿性的時候，其最大吸收波長發生紅移，而且溶液顏色會有明顯的變化，可作為一種“裸眼”可視化的pH探針。同時該探針對Fe3+也有良好的選擇性，以及明顯的響應，最低檢出限為0.36 mmol/L，該探針既是比率計量型的“裸眼”探針，又是比率計量型的熒光探針。

9 富勒烯類

葉超等[23]以富勒烯C60為碳源，運用水熱法合成了一種水溶性良好，在365 nm紫外燈照射下具有明亮藍色熒光的富勒烯量子點，在日光下表現為淺棕黃色。Fe3+對量子點的淬滅非常明顯，Cu2+、Fe2+對量子點的熒光強度雖然也有一定的猝滅作用，但效果遠不如Fe3+。由此判斷其可以選擇性識別Fe3+，結果表明Fe3+濃度在0～50 μmol/L的范圍內，室溫條件下量子點熒光猝滅的程度與其呈現出良好的線性關系。

10 展望

綜上所述，用羅丹明、香豆素、BODIPY等作為熒光團合成的探針對Fe3+高選擇性和高靈敏度得到了廣泛的關注，對溶液中、細胞內以及環境中的Fe3+的定性和定量分析展現出良好的應用前景。新型熒光材料如熒光有機納米顆粒、熒光樹枝狀聚合物、金屬有機框架(MOF)等由于其與Fe3+特有的結合方式及不同的熒光強度變化機理，使其對Fe3+的選擇性更勝一籌。如何解決熒光探針水溶性低、水穩定性差、pH探測范圍窄、響應時間長等缺點，成為科研工作者關注的焦點。熒光探針分子能夠對溶液中、細胞內以及環境中Fe3+的定性定量分析，若能夠實現其商品化，它將很好地運用于實驗室研究、工業生產、醫藥衛生等方面，為提高人類生活質量做出巨大貢獻。