熒光探針在水中重金屬離子檢測中的應用研究進展

紀雪峰，單 斌，王莎莎，馬繼平(青島理工大學 環境與市政工程學院，青島 266033)

隨著經濟的快速發展，工業生產中污染物的排放量不斷增加，導致重金屬污染問題越來越嚴重，不僅影響環境質量，還會對人體健康產生極大損害.尤其是生物毒性較大的汞、鎘、鉛、鉻的污染，它們在水體中不能被分解，且微量就具有較高的毒性，會對人體的神經系統、消化系統、免疫系統及腎臟肝臟等造成較大危害[1-4].此外，銅、鐵、鋅等人體所必需的微量元素，過量的攝入同樣會對機體產生嚴重的損害，引起阿爾茨海默病、帕金森病等一系列疾病[5-6].因此，對重金屬離子的檢測具有重要意義.

常規檢測重金屬離子的方法有原子吸收光譜法、原子發射光譜法、原子熒光光譜法、電感耦合等離子體質譜法等[7-8].雖然這些方法能較為準確地檢測出金屬離子的含量，但所需的儀器設備昂貴，操作復雜，且需要繁雜的樣品前處理過程.可見-紫外分光光度法和電化學分析法儀器設備簡單，也可以用于金屬的分析，但是可見-紫外分光光度法測定金屬選擇性不好、靈敏度不高；電化學分析法存在電極衰減引起的重現性差等局限性.分子熒光法具有檢測速度快、靈敏度高、選擇性好、操作簡單、成本低廉等特點，利用熒光探針檢測重金屬離子是一種便捷有效的方法.目前熒光探針主要應用于生物和環境領域，因此能夠在水溶液中進行識別才具有更高價值.關于金屬離子熒光探針的綜述已有一些報道[9-10]，但多是基于其中一種類型的熒光探針做的總結.本文從有機小分子熒光探針及納米材料熒光探針兩方面綜述近幾年來兩種探針在水溶液中重金屬離子檢測中的研究現狀.

1 有機小分子熒光探針的應用研究

典型的有機小分子熒光探針一般由識別基團、熒光基團和連接基團三部分組成(圖1).由于熒光基團與識別基團的連接方式不同，使得熒光探針的識別機理也不盡相同.常見的重金屬離子熒光探針識別機理主要包括：光誘導電子轉移(PET)、分子內電荷轉移(ICT)、熒光共振能量轉移(FRET)以及激基締合物(Excimer)等[11-12].

圖1 熒光探針的結構

目前對于可以選擇性檢測某種離子的有機熒光探針的研究已有很多的文獻報道，主要包括羅丹明類、喹啉類、香豆素類、熒光素類、萘酰亞胺類等，不同類型的熒光探針在重金屬離子檢測領域得到應用.

1.1 羅丹明類

羅丹明類因具有良好的熒光性能和光穩定性，較高的熒光量子產率和水溶性，以及獨特的螺內酰胺開環熒光增強響應，是制備熒光增強型探針的良好選擇，也是目前為止研究最多的一類熒光探針.

SUNNAPU等[13]以羅丹明6G肼和3,4-二甲氧基苯甲醛為原料合成了一種新型熒光比色探針1(圖2).在乙腈/水(體積比2∶8)溶液中，探針1對Cr3+表現出高選擇性和靈敏度識別，加入Cr3+后，在554 nm處出現一個新的發射帶，熒光強度增加100倍以上，而EDTA的加入可使熒光猝滅，說明識別過程是可逆的.該探針的檢出限達到1.78×10-8mol/L.

圖2 熒光探針1的結構

曾竟等[14]則合成一種可以在雙波長下檢測Fe3+的羅丹明類熒光探針(圖3).在乙醇/水(體積比1∶1)溶液中，加入Fe3+后溶液由無色變為紅色，而熒光強度則出現兩種相反的變化.當激發波長為350 nm時，在508 nm處發生了熒光猝滅現象，而當激發波長為530 nm時，則在582 nm處出現明顯的熒光增強現象，且兩種熒光強度的變化均與Fe3+的濃度在一定范圍內具有良好的線性關系，檢出限分別為4.56×10-6，7.4×10-7mol/L.

比率型熒光探針，是通過兩處熒光強度變化的比值來對金屬離子的濃度進行檢測，在實際應用中可減弱其他環境因素的干擾.陳家逸等[15]設計了一種萘酰亞胺-羅丹明B熒光探針3可對Hg2+實現比率熒光檢測(圖4).在甲醇/乙腈/HEPES緩沖液(體積比8∶1∶1)中，基于熒光共振能量轉移機理，Hg2+濃度的增加使探針在540 nm處的熒光強度減弱，在580 nm處出現新的發射峰且熒光強度逐漸增加，兩處熒光強度的比值(F580/F540)與Hg2+濃度呈良好的線性關系，檢出限為1.05×10-8mol/L.由于Hg2+還能引起探針熒光顏色從綠色到橙色的變化，作者還用含有該探針的濾紙檢測了湖水水樣中Hg2+濃度引起的比色響應，結果可靠.

圖4 熒光探針3的結構

具有檢測多種離子功能的熒光探針在應用中更具優勢.LI等[16]設計合成了一種基于羅丹明衍生物的雙功能探針(圖5)，對Pb2+具有熒光增強響應，還可通過顏色的變化檢測Cu2+.在含1%乙腈的HEPES緩沖液中，Pb2+的加入可以引起熒光強度顯著增加，但Cr3+，Hg2+和Cu2+的共存會使熒光強度降低30%～50%；而Cu2+濃度的增加會引起567 nm處吸光度的增加以及顏色從無色到淡紫色的變化.探針4對Pb2+和Cu2+的檢出限分別為2.5×10-7，5.8×10-7mol/L.

圖5 熒光探針4的結構

1.2 香豆素類

香豆素的母體本身不具熒光，但通過引入吸電子基團、供電子基團可形成含有推拉電子體系的熒光團，因其容易修飾且具有高量子產率、大斯托克斯位移及光穩定性好等優勢，被用于熒光探針的合成研究.

SHAIL等[17]合成了一種香豆素類熒光猝滅型分子探針5(圖6)，用于Pb2+的檢測.在磷酸緩沖液中，只有Pb2+的加入可以使熒光發生猝滅，同時產生顏色的變化.實驗表明，Pb2+與探針5形成1∶1的絡合物，檢出限達到1.9×10-9mol/L.另外，作者還將該探針溶液涂在測試帶上用于金屬離子的檢測，發現Pb2+使測試帶變為亮黃色且在紫外燈照射下無熒光.

圖6 熒光探針5的結構

王海娜等[18]以香豆素為熒光基團、以酰腙為識別基團合成了2種檢測Cu2+的熒光探針6a，6b(圖7).在DMSO/H2O(體積比9∶1)溶液中，基于光誘導電子轉移機理，隨著Cu2+濃度的增加，兩種探針在529 nm處的熒光強度呈下降趨勢，且當加入1倍量的Cu2+時熒光完全猝滅.其中探針6a的熒光強度可以在加入EDTA后恢復，表明探針與Cu2+的結合是可逆的.兩種探針對Cu2+的檢出限達到1.0×10-9mol/L.

圖7 熒光探針6的結構

劉琪夢等[19]則通過引入三羥基作為識別基團合成了可用于純水中檢測Fe3+的香豆素類熒光探針7(圖8).探針7對Fe3+具有高選擇性，且響應迅速，加入Fe3+后熒光在2 min內被猝滅，猝滅機理與Fe3+的順磁性有關，其他金屬離子的存在無干擾.該探針對Fe3+的檢出限為1.16×10-6mol/L.

圖8 熒光探針7的結構

1.3 喹啉類

喹啉及其衍生物是一種良好的金屬離子螯合劑，且喹啉本身具有剛性結構、大共軛體系和較好的水溶性，因此容易與金屬離子絡合，適合作為熒光增強型分子探針用于金屬離子的檢測.

XU等[20]通過5-羥甲基-8-羥基喹啉和2,6 -二氯甲基吡啶反應合成了熒光探針8(圖9).探針8在不同緩沖液(Tris-HCl，HEPES，PBS)及純水中均能對Cd2+表現出良好的選擇性熒光增強響應，檢測的靈敏度也較高，檢出限分別為2.301×10-7，2.389×10-7，3.261×10-7和2.165×10-7mol/L.VELMURUGAN等[21]以3-甲酰基-2-羥基喹啉和鄰苯二胺為原料通過一步反應合成了熒光探針9(圖10).該探針對Zn2+具有專一的選擇性和靈敏度，在乙腈/水(體積比1∶1)溶液中加入Zn2+后，溶液表現出明顯的顏色變化和熒光增強現象.

圖9 熒光探針8的結構

圖10 熒光探針9的結構

SHI等[22]則合成了一種基于喹啉的雙光子熒光探針10(圖11)，對Cd2+表現出優良的選擇性和高靈敏度的熒光增強反應.在乙醇/水(體積比2∶8)溶液中隨著Cd2+濃度的增加，原本在407 nm處的發射帶逐漸消失，在500 nm處出現一個新的顯著增強的發射帶，且在439 nm處形成了一個清晰的等發射點，這是由于探針與Cd2+形成的絡合物發生了分子內電荷轉移.該探針的檢出限為2.363×10-8mol/L.

圖11 熒光探針10的結構

過去幾十年有關有機小分子熒光探針的研究已經有很多報道，除上述幾種類型外，還有熒光素、萘酰亞胺、卟啉、氟硼二吡咯等其他類型的有機熒光探針也在重金屬檢測中被應用.表1總結了用于水體及細胞成像中重金屬檢測的小分子熒光探針的文獻報道.

表1 用于水體及細胞中重金屬離子檢測的有機小分子熒光探針

2 納米熒光探針的應用研究

隨著納米技術的快速發展，將納米材料用于熒光探針的構建受到了越來越多的關注.與傳統的熒光染料相比，熒光納米材料不僅有較高的熒光強度和良好的光穩定性，同時還具有納米材料所特有的小尺寸效應、量子效應和表面效應等特性，可以彌補傳統熒光染料的不足.目前，研究比較多的熒光納米材料主要包括金屬納米材料、半導體量子點、碳點及金屬-有機骨架材料等，在重金屬離子檢測方面有應用研究報道.

2.1 金屬納米材料

金屬納米材料包括金屬納米粒子和由10～100個金屬原子組成的金屬納米簇，其常用的金屬主要有金、銀、銅等.其中金屬納米粒子主要通過與熒光物質間的熒光共振能量轉移作用使熒光物質發生熒光猝滅來實現熒光檢測.而金屬納米簇是自身具有熒光發射，其與待測物的相互作用可使熒光性質發生改變，從而可用于熒光探針的構建.

本課題組制備了一種水溶性的金納米粒子可以用于水中Cu2+的熒光檢測[31].通過將異硫氰酸熒光素(FITC)加入到檸檬酸鹽改性的Au NPs中，合成了FITC-Au NPs，由于兩者間形成了FRET系統使得FITC的熒光被極大地猝滅，而半胱氨酸的加入可以取代FITC與Au NPs形成比Au-SCN親和力更強的Au-S鍵從而將FITC釋放出來使其熒光恢復.但當Cu2+存在時，Cu2+可以催化半胱氨酸被氧氣氧化生成二硫胱氨酸，而二硫胱氨酸不能置換出FITC.因此，在半胱氨酸存在的條件下隨著Cu2+濃度的增加，FITC-Au NPs在溶液中的熒光強度會降低，且存在良好的線性關系，可以實現Cu2+的定量檢測，檢出限達到3.7×10-10mol/L.在桶裝礦泉水中加入Cu2+進行檢測，檢出限為6.4×10-10mol/L.

與金屬納米粒子相比，金屬鈉米簇因具有粒徑小、熒光強、穩定性好以及核殼結構等特性在熒光探針方面的應用更多.ZHANG等[32]以胞嘧啶為穩定劑制備了金納米簇作為檢測Ag+和Hg2+的雙功能熒光探針.在Au NCs溶液中加入Ag+會形成AuAg NCs使熒光增強，而在AuAg NCs溶液中再加入Hg2+則會引起熒光猝滅，響應速度快且穩定，推測其機理與Ag-Au金屬鍵和Hg2+-Ag+高親和金屬鍵的相互作用有關.該探針對Ag+和Hg2+的檢出限分別為1.0×10-8和3.0×10-8mol/L，將其用于湖水樣品的檢測結果顯示，對Ag+的測定結果與給定濃度之間的相對誤差小于5%，對Hg2+的檢測回收率為97.7%～99.3%.

PENG等[33]則以甲硫氨酸做穩定劑制備了一種金納米簇作為熒光增強型探針檢測Cd2+.實驗表明只有Cd2+的加入會使溶液熒光增強，推測是由于Cd2+與配體上的氨基或羧基螯合使Au NCs聚集所致，其他金屬陽離子和陰離子均無響應.該方法的檢出限為1.225×10-8mol/L，對自來水、湖水和奶粉樣品的分析發現平均回收率在95.33%～106.21%.

與金銀納米簇相比制備銅納米簇所需的前驅體更豐富且成本更低.HU等[34]以谷胱甘肽(GSH)作為還原劑和穩定劑制備了銅納米簇(GSH-Cu NCs)檢測Hg2+.Hg2+的加入與配體表面的羧基和巰基發生反應誘導了Cu NCs的聚集從而使熒光猝滅，檢出限為3.3×10-9mol/L.該方法對自來水、嘉陵江水及大米中Hg2+的測定結果與氫化物發生原子熒光光譜法測定結果吻合度較好.

2.2 半導體量子點

半導體量子點一般由II-VI族或III-V族的元素組成，是粒徑在1～10 nm的零維納米材料，由于其粒徑小于或者接近激子半徑，因此表現出量子限制效應使連續的能帶結構變成分立狀態，在被激發后可發射熒光.其獨特的量子尺寸效應，使其光譜具有可控性，同時存在激發波長范圍寬、發射光譜窄且對稱的特性.

目前報道的該類熒光探針多為CdX(X=Te，Se，S)量子點，通過不同的物質對量子點表面進行修飾來增加其水溶性及對金屬離子的選擇性.高雪等[35]用巰基乙酸作穩定劑合成了CdTe量子點，然后通過乙二胺四乙酸鈉(EDTA)與Cd2+的絡合作用對量子點的表面進行了化學蝕刻，形成Cd2+空腔使熒光猝滅，以此作為一種Cd2+增強型熒光探針，檢出限為1.0×10-9mol/L.用于自來水和海水水樣中Cd2+的檢測，回收率為97%～108%.

將有機熒光團連接到量子點上是制備比率型納米探針的一種簡單有效的方法.MA等[36]將具有綠光發射的咪唑熒光團(PIPT)螯合到有紅光發射的CdTe@SiO2量子點表面，作為一種比率型納米探針PIPT-CdTe@SiO2QDs用來檢測Hg2+.由于PIPT與Hg2+存在強螯合作用，加入Hg2+后PIPT的熒光被猝滅，但CdTe量子點對Hg2+不敏感熒光不變，因此出現熒光比值的變化，該方法對Hg2+的檢出限為6.5×10-9mol/L，用于自來水和湖水水樣回收率為96.3%～107.0%.

2.3 碳點

碳點是以碳為基礎的粒徑小于10 nm的零維碳納米材料，具有熒光性質，因具有水溶性好、光穩定性高、原料成本低、制備過程簡單、易功能化、毒性低及發射光譜可調等優點，可用于催化、熒光檢測、生物成像等領域，是一種較為理想的構建熒光納米探針的材料.

ZHANG等[37]以天冬氨酸和碳酸氫銨為原料通過微波輔助熱解法一步合成了石墨烯量子點(GQDs)，可用于檢測水中的Fe3+.選擇性實驗顯示在Fe3+，Fe2+，Hg2+，Ca2+，Ba2+，Cu2+，Mn2+，Mg2+，Ni2+，Ag+中只有Fe3+會使熒光明顯猝滅，因為Fe3+會與GQDs表面的酚羥基絡合導致電子躍遷到Fe3+的d軌道，從而引起熒光猝滅.該探針的檢出限為2.6×10-7mol/L.GEDDA等[38]則以蝦殼為原料制備了一種低成本、響應速度快、選擇性和靈敏度高的綠色熒光碳點(CD)，基于Cu2+與CD表面氨基的配位作用形成銅胺絡合物及內過濾效應使熒光發生猝滅，可對水中Cu2+進行檢測，檢出限為5.0×10-9mol/L.

碳點熒光探針對金屬離子的選擇性識別除上述通過CD表面官能團直接識別外，還可通過配體對CD的修飾提高選擇性以及CD與其他物質結合形成復合物來提高識別能力.XU等[39]合成了一種經胸腺嘧啶(T)修飾的CD，用于檢測Hg2+.通過形成T-Hg2+-T結構使CDs-T聚集，導致熒光強度降低.熒光探針CDs-T對Hg2+的檢出限為9.3×10-10mol/L，用于自來水與池塘水水樣的檢測，回收率為97.2%～103.7%.

2.4 金屬-有機骨架材料

金屬-有機骨架材料(MOFs)是由金屬離子和有機配體自組裝形成的多孔材料，具有尺寸、結構可調性，在催化、吸附、氣體儲存與分離等方面具有良好的應用前景.本課題組制備了磁性MOFs及MOF混合基質膜等復合MOFs材料，作為吸附劑去除環境中的污染物或作為色譜分析樣品前處理的富集吸附材料[40-43].MOFs材料也具有優異的發光特性，可作為新型納米熒光材料用于重金屬離子的檢測.

RUDD等[44]通過引入熒光團和功能化的二羧酸酯連接體合成了一系列MOFs材料(LMOF-261，262，263)，用于檢測和去除水中重金屬離子.研究發現LMOF-263可在很低的濃度下(3.3×10-9，1.97×10-8mol/L)檢測Hg+和Pb2+.另外，LMOF-263還可以對Hg+進行吸附，在30 min內去除率達到99.1%.

目前報道的MOFs熒光探針多為熒光猝滅型，易受周圍環境因素影響，相比之下熒光增強型及比率型探針能更好地應用于水中重金屬離子的檢測.CHEN等[45]制備了含卟啉基團的金屬-有機骨架材料PCN-222-Pd(Ⅱ)對水溶液中的Cu2+表現出熒光增強響應.Cu2+的加入取代了與卟啉中氮原子螯合的鈀離子，將鈀離子置換出來并還原成鈀納米粒子從而催化了Heck反應，使苯胺轉化為具有熒光的吲哚產物，產生熒光增強響應.檢出限為5.0×10-8mol/L.

WANG等[46]則合成了一種具有雙發射峰的MOFs作為比率型熒光探針檢測Cu2+.加入Cu2+后，Eu(III)復合物的中心Eu3+被Cu2+取代導致熒光發生猝滅，而熒光素異硫氰酸酯(FITC)的熒光信號不變可作為參考，呈現出比值熒光響應.該探針對Cu2+的檢測靈敏度很高，檢出限達到1.0×10-10mol/L，且在人血清樣本、黃河水及自來水樣品中1.0×10-10mol/L的Cu2+也可以被檢測到，證明了這種探針的可行性.

稀土-有機骨架熒光探針由于稀土離子自身的特性和配體向稀土離子的能量轉移而呈現的發光現象，使其在熒光分析檢測方面得到應用.XIA等[47]采用溶劑熱法合成了以稀土離子為中心的MOFs可用于水溶液中Hg2+的檢測.向溶液中加入Hg2+后，由于Hg2+與配體的相互作用顯著影響了配體向中心Tb3+的能量轉移從而發生熒光猝滅，檢出限為4.4×10-9mol/L.將該方法用于河水、飲用水和自來水水樣的檢測，相對標準偏差小于4.80%.

除上述幾類納米熒光探針外，還有磁性納米粒子、硅納米材料以及納米纖維素等也被用于重金屬離子熒光探針的構建.表2總結了用于水中重金屬離子檢測的納米熒光探針的文獻報道.

表2 用于水中重金屬離子檢測的納米熒光探針

續表2

3 結論與展望

隨著重金屬污染問題日益加劇，重金屬離子的檢測受到越來越多的關注.近年來，熒光探針在重金屬離子檢測方面取得了較好的進展.然而，仍然存在一些問題亟待解決.例如：一些熒光探針特異性不高，容易受其他金屬離子的干擾，或靈敏度不夠，達不到檢測的要求；部分熒光探針結構復雜，合成較為困難，多數有機熒光探針是在有機溶劑跟水的混合體系中進行的，很難廣泛應用.因此，要優化已有熒光探針的性能，進一步提高檢測的靈敏度和選擇性以及探針的實用性.另一方面，對于性能優良、合成簡單、成本低、水溶性好且能夠實時檢測的新型熒光探針的設計還需要進一步的探究.此外，還可以對熒光探針的檢測機理進行深入研究，將多種檢測手段聯用，設計出抗干擾能力更強，更具實際應用價值的熒光探針.總之，隨著熒光探針技術的進一步發展，新型、高效、適用范圍廣的熒光探針將被不斷開發，使其在化學、環境科學、生物科學等領域具有更加廣泛的應用前景.