罗丹明化学研究的新进展*

张来新，朱海云

( 宝鸡文理学院化学化工学院，陕西宝鸡721013)

罗丹明常作为指示剂是应用于分析化学领域的重要化合物，其母体结构式的合成如下:

罗丹明荧光染料由于其具有特殊的结构及相应的特性，使其广泛应用于化学分析和生命科学领域。目前研究的焦点多集中于通过结构修饰，优化罗丹明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］。罗丹明类化合物可用于各类物质中金属离子的测定。近年来，人们研究发现该类化合物作为染料，不仅具有较大的摩尔吸光系数，而且还有很好的氧化还原和荧光效应。目前它作为吸附指示剂、络合(或缔合)沉淀剂、络合显色剂、催化氧化还原剂和荧光指示剂，已渗透到化学分析的各个领域，如光度法、离子缔合荧光法、催化荧光法、动力学分析、伏安法及化学发光法等［2］。由于其独特的特性和广阔的应用前景，目前已发展成为一门新兴的热门边缘学科——罗丹明化学。

1 新型罗丹明类荧光探针的合成与性能研究

1.1 新型含硅罗丹明类荧光探针的合成与性能研究

罗丹明分子与其常用的荧光探针相比，具有光稳定性好、对pH 值不敏感、有较宽的波长范围和较高的荧光量子产率等优点，因此在化学和生物分析领域是应用十分广泛的生物探针分子。基于罗丹明分子的络合与再开环机理，罗丹明分子已被广泛用于金属离子的识别与检测。尤其是罗丹明类荧光探针应用于细胞内重金属离子成像具有重要的意义而被广泛应用于环境科学、医学和生命科学。然而，罗丹明在植物荧光探针应用于细胞成像时，其最大的缺点是激发波长位于紫外区，用紫外光照射时对细胞损伤大，此外，当其发射波长多在600nm以下时，易受生物体自身荧光的干扰。为此，青岛科技大学的孙磊丽等人设计合成了一类将硅引入罗丹明分子的新型罗丹明分子，使其发射波长位于近红外区或红外区，这对于罗丹明荧光探针在细胞中的成像具有特殊的意义和极大的挑战性。他们以间二乙胺基苯酚为原料，先与邻苯二甲酸酐反应生成中间体氨基对位酰基化物(A)，A 再与间位含硅取代基的苯酚衍生物作用，制备了含有硅原子的罗丹明类荧光探针分子。研究表明其含硅罗丹明相比传统罗丹明分子，其发射峰向长波长方向移动，其最大波长位于620nm，量子产率为0.749［3］。该研究将在生命科学、环境科学及医学研究上得到应用。

1.2 新型罗丹明类荧光探针的合成及其对HClO的识别研究

可用于检测活性氮或氧的荧光分子探针近年来引起了人们的极大关注。这类探针操作简便，成本低廉且可以实现实时检测，更重要的是基于该类探针的荧光成像有利于人们检测活体中的活性氧或氮。次氯酸是一种非常重要的生物活性氧，在免疫系统中发挥着重要作用。然而噬菌细胞中产生的非正常产物次氯酸却会引起癌症等一系列疾病。因此设计合成新的荧光分子探针来检测次氯酸具有重要的应用价值。目前已报道的用于检测次氯酸的荧光探针大多伴随着荧光淬灭的过程，这不利于对次氯酸的检测。为此，青岛科技大学的顾莹莹等人设计合成了新的荧光探针分子，并发现其对次氯酸的检测是基于荧光增强机理。即他们通过多步反应分别合成了香豆素衍生物(A)和羰基连接的邻位苯甲酸和对氨基邻位苯酚(B)，再将化合物A和B 在浓硫酸催化作用下生成目标分子新的荧光探针分子(C)［4］，进一步研究表明，该新型罗丹明类荧光探针分子(C)可以高选择性和高灵敏度地识别次氯酸，其背景干扰很少，络合比例为1 ∶1。此外，他们还成功地将该探针用于细胞内的荧光成像。故该研究在医学、生命科学的研究中有着广阔的应用前景。

2 新型罗丹明及香豆素类荧光探针的合成及其对金属离子的识别

2.1 新型罗丹明荧光探针的合成及其对铁离子的识别

铁离子作为一种广泛存在于细胞中的金属离子在很多生物过程中具有重要的作用。然而，铁过量或者贫乏会引起葡萄糖或者化合物的代谢紊乱，从而产生疾病。虽然人体可以自我调节铁含量，但检测人体中的活性铁仍是一个巨大的挑战。目前已报道的用于检测铁离子的荧光探针大多伴随着荧光淬灭的过程，这不利于对铁离子的检测。为此，青岛科技大学的朱江华等人设计合成了一种新型荧光探针分子，使其对铁离子的检测基于荧光增强机理。即他们通过多步反应分别合成了二酰肼多元酚(A)和羰基连接的邻位苯甲酸和对氨基邻位苯酚(B)，化合物A 和B 在浓H2SO4催化作用下环合生成目标化合物(C)，化合物C 和水合肼缩合可以生成最终目标分子新型罗丹明类荧光探针分子(D)［5］，其产率为27%。他们的进一步研究还发现，该D 化合物可以高选择性和高灵敏度地识别铁离子，背景干扰小，其络合比例为1 ∶1。此外，他们还成功将该探针用于细胞内的荧光成像。该研究将在生命科学、生物化学、生物物理、环境科学、医学及分析分离科学的研究中得到应用。

2.2 新型罗丹明类荧光探针的合成及其对Cu2+的识别

罗丹明是一类已商品化的荧光团，在化学和生物分析领域应用十分广泛。与其它常用的荧光团相比，其优点在于它具有光稳定性好、对pH 不敏感、较宽的波长范围和较高的荧光量子产率等，因而被广泛用于金属离子的识别与检测，特别是细胞内的重金属离子成像。但罗丹明在作为荧光探针应用于细胞成像时，由于激发波长位于紫外区，对细胞的损害大，因此，改造罗丹明分子的结构，设计与合成用于细胞内荧光成像的罗丹明类荧光探针，是一项十分重要和艰巨的挑战性工作［6－7］。为此，青岛科技大学的胡文洲等人以罗丹明衍生物为原料，先与水合肼缩合生成中间体(A)，A 再与香豆素衍生物反应，合成了一种新型罗丹明探针分子，其产率为23%［8］。荧光测试研究还发现，该探针可以高选择性和高灵敏度地识别铜离子，其络合比例也为1 ∶1。该探针的发射峰位于590nm，有利于在分子成像时减少对细胞的损害［8］。该研究将在生物化学、生物物理、生命科学、环境科学及分析分离科学中得到应用。

2.3 新型香豆素类荧光探针的合成及其对Hg2+的识别

荧光分子探针在应用中操作简单、成本低、可实现实时检测并可用于细胞成像。因此，近年来可用于检测阴阳离子的荧光探针引起了人们极大的研究兴趣。在诸多金属离子中，汞离子是毒性最大的重金属离子之一，它可以对环境造成极大的污染。实验证明汞离子可以对大脑造成损伤，从而引起严重的精神和行为紊乱。因此，人们对于利用分子荧光探针检测汞离子给予了极大的关注，并取得了一系列研究成果。然而，已有的荧光探针在检测汞离子的过程中大多伴随着荧光淬灭。而基于荧光增强响应的荧光探针分子的设计合成就显得十分迫切和需要。为此，青岛科技大学的胡文洲等人以4 －(二乙胺基)水杨醛和丙二酸二乙酯在醋酸催化下加热回流生成香豆素衍生物(A)，A 与氨水发生氨解生成对应的酰胺类物质(B)，最后含酰胺取代基的B 和Lawesson 试剂反应生成新型香豆素荧光探针分子(C)，其产率为31%［9］。荧光测试实验表明该探针分子C 能高选择性和高灵敏性地识别汞离子，该过程为荧光增强过程。此外，该探针分子也能用于细胞成像。该研究将在环境科学、生命科学、医药学及分析分离科学等研究中得到应用。

3 结语

综上所述，罗丹明类化合物在无机组分(特别是金属离子)的光度法、荧光法和电化学分析中得到了广泛的应用，使之成为分析试剂中不可缺少的物质。与此同时，罗丹明类化合物已广泛应用于环境科学、食品科学、化妆品科学、生命科学、医学分析及染料科学中，随着新的分析手段和新的分析方法的不断涌现，合成和发现一些水溶性好，具有良好分子标识选择功能的罗丹明类试剂及其衍生物，用于无机、有机以及生物活性分子的检测，是今后罗丹明类试剂发展的重要方向之一。同时还应加强对其作用机理的探讨和研究，使该类物质的应用更加完整、系统、广泛，并形成一套有理论指导实践和应用的分析方法。

［1］Kim H N，Lee M H，Kim H J，et al. A new trend in rhodamine-based chemosensors:application of spirolactam ring-opening to sensing ions［J］.Chem. Soc. Rev. ，2008，37:1465 －1472.

［2］Chen X，Pradhan T，Wang F，et al. Fluorescent chemosensors based on spiroring-opening of xanthenes and related derivatives［J］. Chem. Rev. ，2012，112:1910 －1956.

［3］孙磊丽，朱江华，胡志强. 新型含硅罗丹明类荧光探针的合成与性能研究［C］∥全国第十七届大环化学暨第九届超分子化学学术讨论会论文集. 吉林延吉:延边大学，2014:72 －73.

［4］顾莹莹，朱江华，江一. 新型罗丹明类荧光探针的合成与其对HClO 的识别性能研究［C］∥全国第十七届大环化学暨第九届超分子化学学术讨论会论文集. 吉林延吉:延边大学，2014:74 －75.

［5］朱江华，胡文州，江一. 新型罗丹明类荧光探针的合成与其对铁离子的识别性能研究［C］∥全国第十七届大环化学暨第九届超分子化学学术讨论会论文集. 吉林延吉:延边大学，2014:75 －76.

［6］Ko S K，Yang Y K，Tae J，et al. In Vivo Monitoring of Mercury Ions Using a Rhodamine-Based Molecular Probe［J］. J. Am. Chem. Soc. ，2006，128(43):14150 －14155.

［7］Escobedo J O，Rusin O，Lim S，Strongin R M. NIR dyes for bioimaging applications［J］. Current Opinion in Chemical Biology，2010，14(1):64－70.

［8］胡文州，孙磊丽，胡志强. 新型罗丹明类荧光探针的合成与其对Cu2+的识别性能研究［C］∥全国第十七届大环化学暨第九届超分子化学学术讨论会论文集. 吉林延吉:延边大学，2014:78 －79.

［9］胡文州，顾莹莹，胡志强. 新型香豆素类荧光探针的合成与其对Hg2+的识别性能研究［C］∥全国第十七届大环化学暨第九届超分子化学学术讨论会论文集. 吉林延吉:延边大学，2014:76 －77.