汞离子荧光探针的研究进展

于海涛，杨尚军，王延风，白少岩

（山东省医学科学院药物研究所 山东省罕少见病重点实验室，山东 济南250062）

汞是一种重要的重金属元素，广泛存在于自然界，是对人体及自然界最具威胁的重金属元素之一，因此找到一种快速准确的检测汞离子的方法，对于环境污染、检测食品安全等有重要的理论和实用价值.目前对Hg2＋测定方法的研究已有不少报道［1-3］，但也存在着仪器昂贵、分析成本高等缺点.荧光检测法具有灵敏度高、选择性专一、响应时间短等优点，近几年来备受人们的青睐［4］.荧光探针分析方法涉及到不同的原理，如光诱导的电子转移（PET）、分子内电荷转移（ICT）、荧光共振能量转移（FRET）、激发单体-激基缔合物（Monomer-Excimer）等.基于上述机理研究人员设计合成了一系列用于检测重金属离子的荧光探针［5-9］，本文作者将对其中用于检测汞离子的荧光探针进行评述.

1 氟硼二吡咯（BODIPY）类

ZHANG等用2，4-二甲基吡咯和苯甲醛通过两步“一锅煮”的合成方法制备了BODIPY染料［10］.它是一种类次甲基、非离子性的新型荧光标记材料，其分子具有刚性共平面结构（见图1），能在激发光的作用下产生强烈的荧光.它具有较高的摩尔吸光系数，高的荧光量子产率，溶剂效应对其荧光干扰小，广泛应用于光敏电池、光捕获系统等［11-13］.

图1 氟硼二吡咯的分子结构Fig.1 Molecular structure of BODIPY

2012年，WU等［14］合成了一种基于PET机理的“OFF-ON”型探针MS1（图2），并且用于活细胞的成像.MS1包含两个吡啶甲基三氮唑官能团和一个BODIPY母体，探针本身几乎没有荧光.在众多竞争金属离子存在的溶液中，该探针对Hg2＋有高度的选择性，并且伴随着颜色的改变.在520nm处产生强的荧光.研究表明，探针MS1与Hg2＋形成1∶1配合物，该探针在活体细胞成像研究中也具有潜在的应用价值.

图2 探针MS1的分子结构Fig.2 Molecular structure of probe MS1

利用Hg2＋与BODIPY的衍生物发生化学反应，也可用来设计Hg2＋荧光探针.KIM等［15］利用8-甲巯基-BODIPY作为识别Hg2＋的荧光探针1（图3）.研究表明，当加入Hg2＋后，探针分子发生反应水解，甲巯基水解为羟基.水解前后其吸收光谱和荧光光谱有明显的变化.探针分子本身的最大吸收波长在485nm，加入Hg2＋后其最大吸收波长蓝移了115nm，最大发射波长蓝移了116nm.而其他金属不能催化探针发生水解，因此不能观察到明显的光谱变化，由此实现了对Hg2＋的选择性响应.

图3 探针1的分子结构

QIAN等［16］通过偶联反应将罗丹明和BODIPY键链，设计合成了含双荧光团的荧光探针2（图4）.研究发现，该探针可通过Hg2＋引起的脱硫关环反应得到另一化合物，利用两种化合物荧光信号的变化来实现对Hg2＋的比率型检测.在加入Hg2＋前表现为氟硼的绿色荧光（512nm），Hg2＋的加入促使氨基硫脲形成噁二唑酮类化合物而使罗丹明内酰胺结构开环，使BODIPY发出的荧光转移到罗丹明.研究还发现，随着Hg2＋浓度的增加，在最大发射波长为514nm的荧光（来自BODIPY荧光团的发射）强度逐渐减弱，而位于589nm的荧光（来自罗丹明的荧光发射）强度不断增加.此时氟硼的能量传递给罗丹明，实现共振能量转移，荧光由绿色变为红色，实现了Hg2＋的比率型检测，使检测的结果更加直接.

2 罗丹明类

罗丹明及其衍生物具有摩尔消光系数大、荧光量子产率高等优点，目前已经报道的一些基于罗丹明的荧光探针可以通过颜色和荧光信号的变化来检测Cu2＋［17］、Pb2＋［18］、Cr2＋［19］、Hg2＋，是一类很好 的OFF-ON型荧光传感器.

张卫军等［20］通过罗丹明与2-氨乙基噻吩反应合成了一种基于罗丹明-噻吩类化合物的新型Hg2＋荧光探针3（图5），该探针是基于罗丹明类化合物螺内酰胺环的“OFF-ON”机理而设计的，在探针未与Hg2＋络合之前其螺内酰胺环未打开，并不显示荧光，当Hg2＋与探针配位之后，螺内酰胺环被打开，荧光强度增强，同时溶液的颜色由无色变为粉红色，从而实现了对Hg2＋的识别.

通过对上述探针分子结构的优化，袁圆等［21］替换噻吩引入一个更强的亲核基团，构建了一个利于亲核反应的立体结构来获得一个性能更好的基于罗丹明的Hg2＋化学计量计类荧光探针4（图6），并应用于Hg2＋的检测.在这个分子设计中硫代螺环取代了硫脲结构成为Hg2＋的结合组件，引入了比酰胺的亲核性强的酚负离子作为亲核试剂，而苯环的引入则是在立体效应上促进亲核反应的快速进行.

2014年，基于硫的亲汞性和氨基硫脲衍生物能被Hg2＋转化为胍衍生物的机理，张丽珠等［22］合成了一种新的Hg2＋探针5（R6G1）（图7）.该探针对Hg2＋有非常高的选择性，在加入Hg2＋后R6G1的荧光强度显著增强，加入Fe3＋和Cu2＋后R6G1的荧光强度略有增强，而加入其他金属离子对R6G1的荧光强度几乎没有什么影响.其次，在水相中，随着Hg2＋的浓度变化R6G1的荧光强度产生明显变化：未加入Hg2＋时，R6G1的荧光强度几乎为零，表明此时探针R6G1为闭环状态；加入Hg2＋后，在566 nm处出现一个新的荧光特征峰，且荧光强度随着Hg2＋浓度的增大而增强，表明R6G1的内酰胺结构打开产生了荧光，且荧光强度的增幅与Hg2＋的浓度呈线性关系，溶液的颜色由无色逐渐转变为粉红色.作者同时也考察了pH对R6G1的影响，结果表明，探针在较宽的pH范围内（3.5～12.0）主要以螺环的形式存在，其水溶液既无颜色也没有荧光.通过Sigmoidal拟合计算得pKa＝2.52±0.07，表明探针R6G1是一种对pH不敏感的荧光分子.探针R6G1的设计实现了其在水溶液中对Hg2＋的检测并且不受环境pH的影响.

图4 探针2与Hg2＋的反应Fig.4 The reaction of probe 2 with Hg2＋

图5 探针3的分子结构Fig.5 Molecular structure of probe 3

图6 探针4的分子结构Fig.6 Molecular structure of probe 4

图7 探针5的分子结构

3 萘酰亚胺类

萘酰亚胺类衍生物是一种重要的荧光标记材料，具有Stokes位移大，荧光量子产率高，光稳定性强，摩尔吸光系数高等优点［23-24］.

DONG等［25］设计合成了炔基修饰的萘酰亚胺为基础的Hg2＋荧光传感器6（图8）.在水溶液中分别用Hg2＋、Ag＋、Au3＋、Al3＋、Ba2＋、Cu2＋、Fe2＋、Zn2＋滴定6，检测其对金属离子的选择性.在分别加入上述金属离子反应5min后，最大荧光发射波长从543nm（Hg2＋溶液）蓝移到486nm处.竞争性试验中，在含有n mol的其他金属离子溶液中加入0.12n mol的Hg2＋时，所有的其他金属离子对Hg2＋没有产生干扰，荧光探针对Hg2＋依然有响应，对Hg2＋显示出非常高的选择性.在pH＝7.4的缓冲溶液中用Hg2＋对探针进行荧光滴定，可以观察到，在543nm处荧光强度明显降低，486nm处荧光强度增强，509nm处可观察到有一个等发射点.通过在543nm和486nm的荧光强度的比值可看出，这是一个明显的比率型荧光变化.荧光强度的比值在486～543nm范围内随Hg2＋浓度的增加线性上升.另外，仅在含Hg2＋的水溶液中发出的荧光从黄绿色变为青色.因此该探针能够在水溶液中实现对Hg2＋的荧光比率型检测.

图8 探针6的分子结构Fig.8 Molecular structure of probe 6

ZHANG等［26］将两个相互独立的都能 对Hg2＋产生选择性响应的萘酰亚胺和卟啉通过共价键结合在一起，合成了一种能对Hg2＋检测的比率型荧光探针7及其类似物8（图9a、9b）.两个荧光团通过不同的连接基连接.类似物8中的两个荧光团的距离近，存在比较大的空间位阻，致使类似物8与Hg2＋结合困难，因此其在525nm（萘酰亚胺的荧光发射峰）与650nm（卟啉的荧光发射峰）的荧光强度比变化很小.与类似物8相比，荧光探针7在结合Hg2＋后有非常明显的荧光强度比的变化.通过观察7、8在滴加Hg2＋前后紫外吸收光谱的变化，进一步验证7、8对Hg2＋结合能力的不同.与8相比，探针7在滴加Hg2＋后表现出更稳定更明显的吸收光谱特征，这表明探针7结合Hg2＋能力更强.另外，用Hg2＋滴定荧光探针7，检测其荧光信号时发现，在525nm处的荧光信号增强，在650nm处的荧光信号减弱，在525nm和650nm两个波长下的荧光强度比随Hg2＋浓度的增大而增大，Hg2＋的响应范围为1×10-7～5×10-5mol/L，当Hg2＋的浓度在0.1～200μmol/L时，其荧光强度的比值从0.28变化到9.61，检测非常灵敏.

ZHANG等［27］合成了以萘酰亚胺为基础的Hg2＋探针9（图10）.探针的红外和荧光光谱不受pH的影响，对Hg2＋有非常高的选择性和灵敏度.当滴加Hg2＋后，吸收光谱发生蓝移（从436nm到376nm），同时伴随着肉眼可见的颜色变化，这个变化在很短的时间内就可产生响应，实现了荧光探针对Hg2＋的快速检测.当滴加其他金属离子时，未观察到吸收光谱的变化和颜色的变化，从而实现了对Hg2＋的高选择性检测.

图10 探针9的分子结构Fig.10 Molecular structure of probe 9

4 其他

除上述介绍的几种类型外，Hg2＋荧光分子探针还有很多种［28-30］.2012年吴小丽等［31］设计了以奈尔蓝为母体的Hg2＋荧光探针10（图11）.该探针属于“OFF-ON”型，探针分子在水溶液中呈蓝色，最大吸收峰在640nm.在加入Hg2＋后，其在640nm处的吸收逐渐减弱，在556nm出现新的吸收峰，且逐渐增强，溶液颜色也转变为浅紫色，可作为Hg2＋的裸眼识别探针.以630nm为激发波长，pH＝7的探针溶液在660nm处有较强的特征荧光发射，加入Hg2＋后荧光发生淬灭.Hg2＋的检出限为0.005 μmol/L，线性范围为0.04～0.24μmol/L.

图11 探针10的分子结构Fig.11 Molecular structure of probe 10

ZHOU等［32］设计合成了基于激基缔合物的荧光探针11（图12）.加入Hg2＋之前两个芘分子相距很远，因此发射的是芘的单体荧光.加入Hg2＋之后Hg2＋与O和N原子配位形成另一化合物，从而拉近了两个芘分子之间的距离，且让其平行排列，从而产生二聚体荧光.

5 结论与展望

Hg2＋是一种污染环境的重金属元素，因而Hg2＋荧光探针具有强大的应用前景和潜力.近年来Hg2＋探针得到了迅猛发展，合成了许多性能优异的Hg2＋探针.但是，Hg2＋探针大多是在有机溶剂或含水的有机溶剂中进行识别，在纯水介质中进行识别的报道很少，而生命体系和环境监测中Hg2＋的识别通常在纯水介质中进行.大多数传感器分子为有机分子，其在纯水中无法溶解，且其在纯水中存在水合作用和水解作用.因此，研究在纯水介质中的Hg2＋探针成为目前汞离子识别研究的重点和难点.

总之，开发易于制备、成本低、检测灵敏度高、选择性好及能在纯水介质中完成识别的传感器依然是一个热门的研究方向.

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