基于有机小分子铝离子荧光探针研究进展

李连庆，王晓秀

(陕西学前师范学院 化学化工学院，陕西 西安 710100)

在日常生活中, 伴随着铝制炊具、含铝膨松剂、发酵粉和净水剂等普遍使用，人们不可避免的吸收铝。 通常而言，通过食物、铝制炊具和饮用水等进入人体的铝绝大部分通过肾脏等器官排泄出去。 当所摄入的铝过多时, 会对人体的中枢神经系统及胚胎发育等均有不良影响，对人体健康造成各种危害[1]。 世界卫生组织规定，人体每天摄入Al3+含量为3～10 mg且饮用水中Al3+浓度不超过7.41 μmol·L-1。 因而，在水样及仿生样品中定量定性检测Al3+含量具有重要的研究意义。 常见的原子吸收发射光谱法( AAS/AES) 、冷原子荧光光谱选择性分析、电感耦合等离子体质谱法( ICP- MS) ，这些检测方法具有灵敏度高、选择性好的优点，但需要昂贵并且复杂的检测仪器，限制了它们对铝离子的实时检测[2]。 荧光探针灵敏度高、响应快速，通过荧光强度与铝离子浓度的线性关系实现对其定性、定量检测，为铝离子实时检测提供了保证[3]。

荧光离子探针的结构通常由三部分组成: 荧光发色团、连接基团和识别基团[4]。 当前用于检测铝离子的荧光探针种类很多，不同的发色基团所合成的荧光探针专一性和选择性不同。 本文选取常见的罗丹明、香豆素、BODIPY 为荧光团的荧光分子探针，总结其在铝离子检测中的应用。

1 罗丹明类铝离子荧光探针

罗丹明染料具有摩尔消光系数大、荧光量子产率高等优良的光谱特性，是制备金属离子光学荧光探针的理想选择。 此外，非荧光螺环形式与高荧光环开放形式的平衡为构建无荧光提供了一种理想的开关传感模式，成为制备反应型荧光探针的一种理想材料，其在生物体中细胞成像的应用已得到证实[5]。

RANGASAMY[6]等报道基于罗丹明B和二苯甲醛合成探针1，当溶液中没有 Al3+时，当激发波长 554 nm，在571 nm出现一个发射峰。 自由荧光探针1在CH3CN∶H2O(80∶20，体积比)溶液中为无色和无荧光，当加入Al3+后，离子诱导的螺环开环迅速产生明显的粉红色，荧光强度较强，而其他金属离子没有明显的颜色变化。 这些结果表明探针1可以作为Al3+的裸眼荧光探针。 同时，该荧光探针具有极高的选择性并成功用于活细胞中铝离子的荧光成像研究。

QIN[7]等合成了一种新型的基于荧光共振能量转移的Al3+荧光探针2(结构见图1)，其中罗丹明6G和萘是通过乙二醛连接在一起的。 当溶液中没有Al3+时，荧光探针2在520 nm处表现出荧光发射，这与萘分子有关。 在Al3+存在的情况下，由于罗丹明环的开启，荧光发射随着强度的降低呈现蓝移，在550 nm处出现了较大的荧光增强，这是由荧光共振能量转移(FRET)和ICT共同作用的结果， Al3+的加入触发了萘向罗丹明6G的分子内 FRET。 另外，其它相关金属离子的存在对荧光增强几乎没有影响。 更重要的是，对Al3+的理论检测限可达到8.06×10-8mol/L，能够检测出许多化学和生物醇中Al3+的微量浓度。

侯淑华[8]以罗丹明B为原料, 通过“点击化学”合成了一种苯并噻唑-罗丹明类双通道比色和荧光增强型探针3(结构见图1)。 在含有探针3的 V(甲醇)∶V(水) = 9∶1(Tris =10 mmol /L，pH = 7.2)的溶液中，加入Al3+时，在588 nm 处有新的荧光特征峰出现，同时溶液迅速变为粉红色，在紫外灯照射条件下发橙色荧光，而探针3本身及加入其它金属离子无此现象。 该结果表明，探针3具有高选择性识别 Al3+。

图1 探针1-3的结构Fig.1 Structures of probes 1-3

谢俊英等[9]通过采用将费舍尔氏醛连接到罗丹明类结构上的方法，将吸收和发射延长到了近红外区，设计和合成了一个近红外荧光荧光探针4(结构见图2)用于对铝离子的检测。 在这个近红外探针中，未加Al3+时，荧光探针在 710～810 nm 范围内没有明显的荧光发射峰。 加入Al3+后，在 743 nm 处出现了一个新的发射峰，并且随着Al3+浓度的增大，探针的荧光强度不断增加，同时溶液颜色也从黄色变成了绿色，实现了肉眼识别溶液中是否含有Al3+。

周雨等[10]设计并合成了一个基于 FRET 机理的含有 4-溴-1,8-萘酐和罗丹明B的双荧光基团荧光探针5(结构见图2)用于 Al3+的测定。 没有加入Al3+时，探针在402 nm 处有吸收带；加入 Al3+之后在555 nm 处出现吸收峰,并且随着 Al3+浓度增加其强度增加。 铝离子触发该探针分子发生能量传递过程，探针分子和 Al3+络合形成了配合物，发生FRET 过程，因而，可用探针分子5来测定 Al3+浓度，且受pH影响不大。

TANG 等[11]研制了一种罗丹明螺环酰胺衍生物作为三价铝离子(Al3+)的荧光探针6(结构见图2)。 它对Al3+显示出高度敏感的“开启”荧光反应。 在激发波长520 nm和发射波长530 nm 和650 nm处记录到含有不同浓度Al3+的缓冲溶液(pH = 7.0)。 未加铝离子，溶液没有明显的特征，表明该探针为螺环酰胺结构。 在Al3+的加入下，溶液由无色变为粉红色。 出现了一个与罗丹明相应的红色发射带，其最大波长为575 nm。 探针6的荧光强度随Al3+浓度的增加而逐渐增大，当加入2倍Al3+, 荧光强度增加到70倍。 同时，该探针对Al3+的线性检测范围为5.0×10-7～2.0×10-5mol/L，其对Al3+的检测限为4.0× 10-8mol/L，该探针可以用于水样Al3+的检测及活细胞中Al3+的成像研究。

HUANG等[12]以罗丹明B和盐酸比哆醛为原料，报道了一个用于检测铝离子的“off-on”型荧光探针7(结构见图2)。 探针7对Al3+表现出很好的选择性和灵敏性: 加入Al3+，探针溶液由无色变为粉红色，可以实现对Al3+的裸眼识别。 EDTA实验表明，探针7对Al3+的识别是可逆的。 探针7可以应用于水样中Al3+的检测并且得到了较好的结果。 同时，探针7作为生物试剂，可以用于活细胞中Al3+的成像研究。

最近，张凯等[13]报道了一种新型荧光分子探针8(结构见图2)。 该探针以5-硝基水杨醛与二溴荧光素酰肼为原料。 随着Al3+浓度的增加，荧光探针8在600 nm处的荧光减弱，基于荧光探针8和Al3+的络合作用，可以实现对Al3+的选择性检测。

图2 探针4-8的结构Fig.2 Structures of probes 4-8

通过1,6-二氨基吡啶连接罗丹明和噻吩，KAN等设计了一个新型罗丹明类荧光探针分子9[14]。 探针分子9在EtOH/H2O (1∶1, 体积比, HEPES, 1.0 m·mol/L, pH = 7.40)条件下，对Al3+表现出很好的识别性质。 工作曲线表明探针9与Al3+形成1∶1的络合物，同时EDTA实验证实探针9对Al3+的识别是可逆的，检测限为0.177 μmol/L。 探针9能够应用于水样Al3+的检测及乳腺癌细胞中Al3+的荧光成像研究。

图3 探针9的识别机理图Fig.3 Recognition mechanism of probe 9

2 香豆素类铝离子荧光探针

苯并酮类化合物，特别是香豆素类化合物，具有斯托克斯位移大、荧光量子产率高、光稳定性好、可见光激发、毒性较小等优点，在生物、医药、香水、化妆品和荧光染料等领域得到了广泛的应用。 迄今为止，香豆素衍生物已被用作pH的荧光探针[5-6]、氮氧化物和过氧化氢的测定。 它们已被证明是准确在线检测有毒重金属离子、阴离子和酶的优良试剂，也是一种经济有效的有毒重金属离子、阴离子和酶的检测剂，具有高度的选择性和敏感性。

以2-氨基喹啉与3-香豆素羧酸为原料，ZHOU等[15]合成了一种新型的香豆素衍生物10，在CH3CN∶H2O(95∶5，体积比)溶液中，向化合物10中加入Al3+，吸收光谱由433 nm红移到464 nm，其他金属离子无明显的光谱变化；荧光光谱中，随着Al3+的加入，荧光逐渐猝灭，因此，化合物10是一个“turn off”型Al3+检测探针，探针10与Al3+的计量比为2∶1。

图4 探针10的识别机理图Fig.4 Recognition mechanism of probe 10

GHARAMI等以肼为连接臂，巧妙的合成了香豆素衍生物11(结构见图5)，作为一种新型的铝离子识别荧光探针[16]。 探针11在MeOH/H2O (1∶1, 体积比) 溶液中，随着Al3+的加入，382 nm处的峰逐渐红移到407 nm，表明探针11与Al3+之间形成络合物。 荧光光谱研究表明，随着Al3+的加入，431 nm处弱的荧光峰红移至481 nm处，荧光量子产率由0.01增强至0.34，表明探针11是一个荧光增强型Al3+识别探针。 此外，EDTA实验证实，探针11对Al3+的识别是可逆的。 探针11对Al3+的识别机理，作者推测可能为CHEF机制，随着Al3+与探针11形成络合物，增加了探针的刚性，因而导致荧光增强。 把探针11制作成TLC板子，可以实现裸眼识别Al3+。

HOSSAIN等[17]将香豆素衍生物席夫碱配体合成探针12(结构见图5)。 在激发波长390 nm和发射波长490 nm处采集荧光数据，在DMF-H2O (9∶1，体积比)溶剂中进行表征。 各种金属离子加入后，探针12的荧光性质几乎没有变化。 而当Al3+的加入改变了探针12的发射信号，在490 nm处显著增强(34倍)，表明探针12对Al3+的选择性。

ZHANG[18]等将8-甲酰基-7-羟基香豆素与邻氨基苯酚在热甲醇中偶联合成了一种简易的香豆素席夫碱7-羟基-8-(2-羟基-苯亚胺基甲基)-香豆素探针13(结构见图5)，用于甲醇-水(1∶1，体积比)中Al3+的选择性检测。 在大多数金属离子的存在下,该荧光探针对Al3+具有较高的选择性，探针13具有良好的水溶性，其激发波长在可见范围内，对环境友好。 在甲醇-水(1∶1，体积比)中，探针13的吸收光谱在室温下有两个宽的带，分别集中在350 nm和449 nm。 在528 nm处，加入5.0当量，Al3+的激发波长为421 nm时可实现12倍的荧光增强。

BHASKAR[19]等合成了一种新的香豆素席夫碱化合物，作为检测铝离子的荧光探针14(结构见图5)。 在荧光光谱中，该探针对Al3+具有较高的选择性。 在混合缓冲溶液(MeOH∶ HEPES，9∶1，体积比，pH = 7.4，BSA)，仅添加5倍等量的Al3+，荧光强度提高了24倍。 颜色由浅黄色变为无色，并呈现蓝色荧光，用肉眼可以观察到，这为Al3+的实时传感提供了一种方法。 此外，活细胞成像研究表明，也很容易检测到细胞内的Al3+离子。

ZHU[20]等以8-甲酰基-7-羟基香豆素与酰肼烟酸缩合为原料，设计合成了一种新型香豆素衍生物探针15(结构见图5)，用于其它金属离子上Al3+的高选择性检测。 光谱研究表明，在EtOH-HEPES (95∶5，体积比，pH=7.40)中，探针15对Al3+有明显的荧光增强作用，具有较高的选择性和灵敏度。 荧光滴定计算数据表明，探针15 的检出限和缔合常数, Al3+分别为2.51×10-7mol/L和9.64×10- 4mol/L。 该荧光探针具有选择性好、灵敏度高、pH范围宽、检测精度低等优点，具有良好的应用前景。 由于其低毒性，生物成像研究也表明探针15可以成功地应用于活体细胞中Al3+的监测。

TANG[21]设计并合成了一种新型的基于香豆素的荧光探针16(结构见图5)。 该探针可用于水中HEPES缓冲液中金属离子Al3+和阴离子F-的识别。 该探针在识别过程中对目标离子具有较高的选择性和灵敏度，相应的检测限低至0.014 μmol/L Al3+和0.03 μmol/L F-。 通过质谱分析和理论计算，探讨了探针的作用机理。 此外，该探针还成功地应用于活体细胞中靶离子的检测。 通过测定不同金属离子,存在下的荧光发射光谱，研究了探针16的荧光响应。 单探针16在461 nm处呈现极弱的荧光发射(Φ=0.02)。 当10等量时，添加了Al3+，探针16系统在461nm处的发射峰明显增加(Φ=0.41)。 但在同样的条件下，其他金属离子的加入并没有引起探针荧光发射的大幅度波动。 同样，在365 nm紫外光照射下加入不同金属离子后相应探针混合溶液的荧光发射表明， Al3+诱导肉眼出现可见的蓝色荧光。

图5 探针11-16的结构Fig.5 Structures of probes 11-16

3 BODIPY类铝离子荧光探针

谢晓江[22]等合成并表征了一种新的近红外荧光染料探针17(结构见图6) 在520 nm激发下，利用化合物17在568 nm处的一个新的发射峰，在30～110 μm围内选择性地检测Al3+，而不受其它金属离子的干扰。 化合物17在550～650 nm范围内有较强的吸光度，最大吸收波长为588 nm。 随着大量碱金属的加入，吸收光谱保持不变。 当添加Al3+时，溶液的吸收光谱和颜色都发生了很大的变化。 随着Al3+浓度的增加，以555 nm为中心的吸光度增大，而在588 nm处的吸收峰随乙腈溶液中粉红色的出现而减小。

KUMARI等[23]以BODIPY为母体，通过优化结构，设计合成了探针18和探针19(结构见图6)。其结构相似，差异在于探针18连接基团为喹啉，探针19为吡嗪。 荧光光谱研究表明，探针加入Al3+之后，其荧光出峰位置由556 nm蓝移至552 nm。 探针18对Al3+的检测限为86.6×10-8mol/L，探针19对Al3+的检测限为13.7×10-8mol/L。 由于分子内电荷转移(ICT)，探针本身表现为弱荧光，Al3+的加入，导致C=N双键断裂从而显示出BODIPY的荧光。

图6 探针17-21的结构Fig.6 Structures of probes 17-21

4 其他类铝离子荧光探针

SUN[24]等研究报道了一种芘为荧光团的荧光探针20(结构见图6)，可以实现在不同溶剂中对 Al3+的双通道检测模式。 在甲醇中，加入 Al3+后激基缔合物的荧光减弱，单体的荧光增强，荧光由蓝色变为紫色，Al3+的浓度随荧光强度(F400/F430)成线性关系。 探针20与Al3+形成1∶1的络合物；在400 nm和430 nm处，探针20对Al3+的检测限分别为1.06 μmol/L、0.51 μmol/L。 在水中，荧光探针20本身的荧光猝灭，加入Al3+，溶液荧光增强，同时在405 nm出现新的荧光峰，Al3+的加入，导致405 nm处荧光增强3.6倍，荧光增强可以归结于CHEF机理。

JIN等[25]以萘为荧光团，设计构建了一种具有席夫碱结构的荧光探针21(结构见图6)。 探针21具有很弱的荧光，加入Al3+后，溶液由无色变为淡黄色，在445 nm出现新的荧光峰，表明探针21与Al3+形成新的络合物，探针21对Al3+的检测限为1.89×10-8mol/L。 探针21在PC-12细胞中的荧光成像研究表明，探针21可以作为活细胞中Al3+检测用荧光材料。

5 铝离子检测前景

荧光成像可通过一种非接触和无损伤的方式，为我们提供一种检测细胞内金属离子的独特方法，这种方法有很高的空间和时间准确性。 在细胞生物学领域内，该方法在进一步理解金属离子的生理和病理功能方面具有广阔的应用前景。 综上所述，用罗丹明、香豆素、BODIPY 作为荧光染料合成的一系列检测铝离子的荧光探针具有选择性高和灵敏度高的特点。 该方法在进一步理解金属离子的生理和病理功能方面具有广阔的应用前景。 水溶性荧光探针分子具有更广泛的应用前景，目前报道的探针分子溶剂大多为 DMF、DMSO 或乙醇等有机溶剂，如何避免有机溶剂对环境的污染、如何解决荧光探针水稳定性差，响应时间长等缺点，将成为科研工作者的关注重点。 目前，荧光探针分子主要用于溶液中、细胞内Al3+的定性定量分析，而在工业生产、医药、生活卫生应用中存在局限性，若能解决这类问题，将会为人类生活质量的提高做出巨大贡献。 因此设计、合成此类铝离子荧光探针成为了目前研究的热点和难点。