新型铜离子荧光传感器研究进展

李 辉，李兆云，陈万超，许轲韩，李 龙

（1.德宏师范高等专科学校 农学与生物科学学院，云南 芒市 678400；2.上海市农业科学院食用菌研究所，上海 201403；3.华北水利水电大学 材料学院，河南 郑州 450045；4.河南省科学院 环境功能材料创新研究中心，河南 郑州 450002）

环境、生物和化学系统都离不开铜元素的存在[1-2]，无论是植物还是动物，它都是必需的微量元素，对其检测具有十分重要的意义[3]。

目前已有多种技术应用于Cu2+的检测[4]，这些方法包括原子吸收光谱法、电感耦合等离子体质谱法（ICPMS）、电感耦合等离子体原子发射光谱法（ICP-AES）、伏安法和阳极溶出伏安法（ASV）等。然而，这些方法在某些程度上存在一些不足，因为它们不仅需要昂贵的分析仪器，而且在操作上还存着苛刻；这些方法虽可以用于生物样本，如活细胞检测，但它们会导致细胞死亡，无法利用成像技术[5-6]。与传统的检测技术相比，荧光传感器则具有许多优异功能，如标记细胞器和细胞膜、指示pH、确定细胞活力以及检测金属阳离子[7]。引入不同的配体和荧光团，如荧光素、罗丹明、萘酰亚胺和二芘硼（BODIPY）等，可以成功地实现对金属离子的选择性检测[8]，通过对其进行改装，包括一个识别基团，可以使染料能够定位，并因此拍摄细胞的一个特定的区域。荧光传感器因具有良好的生物相容性、易发生结构变化、毒性低等优点，近年来一直受广大研究者青睐。众所周知生物成像技术可以对细胞内包括铜(II)在内的多种金属离子进行检测[9-10]，如若将灵敏的成像技术应用于荧光传感器中，这将在很大程度上提高了荧光传感器的检测性能。

目前已有报道Cu2+检测的荧光传感器综述文章，王松涛等[11]对铜离子在胺/酰胺、肽、杯芳烃和纳米微粒方面的荧光传感器进行了总结，刘希玲等[12]基于不同类别的荧光团综述铜离子荧光传感器，于帅兵等[13]从多肽结构介绍了铜离子荧光传感器；与之前相关铜离子综述文章不同的是，本文依据不同类型荧光团，包括萘酰亚胺、罗丹明、香豆素、荧光素和芘等，主要综述了比色和荧光铜离子传感器最新研究进展，为设计灵敏成像Cu2+的荧光传感器提供了一定的实验理论基础。

1 萘酰亚胺类铜(II)传感器

众所周知，由于1,8-萘酰亚胺衍生物具有较高的光稳定性和高的量子产率、可见光区的强吸收带和较大的斯托克斯位移而被广泛应用于有机染料，目前通常用作荧光传感器，该方法优于其他传统的金属离子检测和分析方法[14-15]，近年来研究者们广泛应于铜(II)荧光传感器的研究。

Fatma 等[16]以1,8-萘酰亚胺衍生物为基础，开发了一种新型响应式比色比率荧光传感器1（图1、表1），用于Cu2+的纳摩尔识别。传感器1 实验表明，加入Cu2+后荧光颜色由“亮黄”变为“蓝色”，裸眼颜色由“亮黄”变为“无色”。利用传感器检测Cu2+，其超低检出限为9.53 nM，远低于卫生部和美国环保局报告的Cu2+的可接受限。通过对食用样品的实验研究，传感器1 在瓶装饮用水和食物样品中检测Cu2+的结果令人满意。因此，这些发现可能有助于开发新型化学荧光传感器，用于检测金属离子，而不需要复杂的设备。

表1 铜离子荧光传感器的检测限检出限、荧光开启/关闭及应用

图1 传感器1 对Cu2+响应机理[13]

Qu 等[17]合成了一种高选择性、高灵敏度检测Cu2+的新型荧光传感器2（图2、表1）。实验结果表明，传感器2 与Cu2+形成2∶1 的络合物，传感器对Cu2+的猝灭响应可归结为逆向PET 机理。传感器对Cu2+的检出限可达3.30×10-8M，对Cu2+的定量分析具有很高的应用价值。更重要的是，该传感器成功地证明了其检测两种不同水样中Cu2+微摩尔浓度的能力，并获得了优异的回收率。这项研究将为金属离子检测新型传感器的设计提供灵感。

图2 传感器2 对Cu2+响应机理[14]

2 香豆素类铜(II)传感器

香豆素衍生物存在于自然界的各种植物中，并已被广泛用于生产日常产品。香豆素衍生物具有易于改性和生物相容性好的优点，在生物医学和分子成像材料的有机合成方面具有良好的多功能性。基于香豆素的荧光传感器已被广泛研究和应用于金属离子的检测[18]，其中对铜(II)的荧光检测研究颇多。

Sun 等[19]设计并合成了一种基于香豆素的新型“关闭”荧光传感器3（图3、表1），用于对溶液中Cu2+的检测。传感器溶液中加入Cu2+离子后，在490 nm 处的荧光发射峰显著降低。随着Cu2+在0～40 μM 范围内离子浓度的增加，传感器的荧光强度呈成比例的变化。应用它可以检测HeLa 细胞和斑马鱼中的Cu2+离子，该研究的结果表明了传感器3 在实际应用中的潜在价值。

图3 传感器3 对Cu2+响应机理[16]

此外，Nguyen 等[20]合成了一种新型香豆素衍生物4（图4、表1），并作为比色和荧光传感器对其他金属离子存在下的Cu2+离子进行选择性检测，检测限分别为5.7 ppb 和4.0 ppb。Cu2+离子与传感器4 反应形成1∶1 的化学计量配合物，在460～510 nm 处产生显著的最大吸收红移，在536 nm 波长下的荧光强度几乎完全猝灭，这些变化可以用肉眼清楚地观察到。此外，传感器4 的工作pH 范围较宽，适合于生理条件，因此该传感器可用于检测活细胞中的Cu2+离子。配合物的形成使的电子密度从传感器4 向Cu2+离子的强烈转移，导致π-电子共轭体系断裂，这是4-Cu2+配合物荧光猝灭和颜色变化的原因。

图4 传感器4 的结构[17]

3 荧光素类铜(II)传感器

荧光素具有极强的水溶性，与其他有机染料相比又具有高量子产率、可见区域的吸收和最大发射的优势，近年来广泛应用于金属离子的荧光检测[21]，例如铜(II)荧光传感器的研究。

Su 等[22]基于光诱导电子转移（PET）机理合成了荧光传感器5（图5、表1），它能够检测乙醇/水溶液中的Cu2+。此外，加入它可以产生从无色到黄色的明显颜色变化，表明传感器可以快速、简单地通过比色法检测Cu2+，肉眼可见。

图5 传感器5 的结构[19]

Xin 等[23]合成了一种新型的含荧光素衍生物6（图6、表1），用于检测Cu2+，它是一种具有可裂解活性链的螺环分子体系。荧光素对Cu2+与酰肼的传感机制支持酰胺键的水解裂解，从而导致荧光团（荧光素）的释放和荧光的增强。它已成功地用于HeLa 细胞中Cu2+的活细胞成像，并证明了对Cu2+离子的选择性检测。

图6 传感器6 对Cu2+响应机理[20]

4 芘类铜(II)传感器

基于芘的衍生物由于其优良的光物理性质，以及高的吸收系数，使得发射波长是构建新的金属离子荧光探针的理想模板[24]，广泛应用于铜(II)荧光传感器中。

一种新型的Cu2+“开启”化学传感器7（图7、表1）已成功应用于生理pH 值的水培养基中，由于其细胞毒性水平较低，它们选择用共聚焦荧光显微镜进行生物成像研究，利用Vero 细胞系获得绿色明亮的图像[25]。

图7 传感器7 的结构[22]

通过将吡嗪酰肼单元与吡喃基荧光团结合，合成了一种新型的双功能荧光传感器8（图8、表1）。该传感器可通过荧光开启响应同时检测ClO-和Cu2+。ClO-和Cu2+在选择性和灵敏度方面优于其他阴离子和金属离子。传感器对ClO-和Cu2+的检测限分别低至4.02 nM 和157 nM。在较宽pH值范围内，它表现出较强的pH 稳定性，对ClO-和Cu2+有很好的响应。ClO-和Cu2+也可以很容易地在测试纸上直观地显示出来。此外，它还成功地用于HeLa 细胞中ClO-和Cu2+的成像[26]。

图8 传感器8 对Cu2+响应机理[23]

5 罗丹明类铜(II)传感器

罗丹明结构具有良好的光谱特性、较大的激发光波长和发射波长以及较高的荧光量子产率，是构建荧光传感器的理想模式[27]。在罗丹明的螺内酰胺（非荧光）到开环酰胺（荧光）平衡的基础上，大多数基于罗丹明酰肼衍生物或罗丹明胺偶联物通过显色和荧光信号的罗丹明荧光探针已成功制备为荧光增强型[28–31]。到目前为止，许多研究仍在进行中，以寻找更便宜、更稳定、更方便和有效的罗丹明衍生物，应用于铜(II)检测。

Yang 等[32]构建了一种新型的基于罗丹明的化学传感器9（图9、表1），该传感器对Cu2+具有较高的灵敏度和选择性，反应迅速，且具有显著的颜色和荧光变化。此外，传感器除了能感知Cu2+外，还能在水溶液中有效、快速地捕获Cu2+。研究表明，制备了传感器功能化凝胶球，对Cu2+具有较强和较高的吸附能力，并伴有明显的颜色变化。更为显著的是，这些凝胶球可以在用EDTA溶液处理后被回收利用，这些优良的性能使凝胶球成为铜离子纯化的理想候选材料。

图9 传感器9 对Cu2+响应机理[29]

此外，通过2,3,4-三羟基苯甲醛与罗丹明B 酰肼之间的反应合成了一种新型的罗丹明B 席夫碱化学传感器10（图10、表1），用于检测不同溶剂体系中Co2+/Cu2+。Co2+/Cu2+的实时监测可以通过快速响应和无色到粉色的明显颜色变化来实现。此外，传感器10 能够选择性地检测各种不同金属离子之间的Co2+/Cu2+，从而表现出良好的抗干扰性能。对Co2+/Cu2+的检测灵敏度较高，检测限较低，分别为4.425×10-8M 和1.398×10-7M。此外，利用EDTA 测定了传感器10 作为Cu2+探测器的可逆性，结果表明传感器10 可以重用至少6 个循环。除此之外，还制备了一种低成本的化学传感器测试条，用于方便的肉眼检测纯水介质中的Co2+和Cu2+。此外，传感器1 在CCD-18 Co 和HT-29 细胞系中没有明显的细胞毒性，显示其在生物成像应用的潜力[33]。

图10 传感器10 对Cu2+响应机理[30]

6 五种不同类别铜(II)传感器的应用研究比较

表1 是铜离子荧光传感器的应用研究比较。

6 结论

本文综述了基于多种类型荧光团用于检测Cu2+离子的新型荧光化学传感器研究进展，利用各种小分子荧光传感器检测Cu2+离子的技术和应用，以及它们在活细胞和其他物种成像中的应用。Cu2+荧光化学传感器的发展也得到了一些创新技术的辅助，如双光子显微镜和近红外光发射，其中一些已成功用于检测生物和环境样品中的Cu2+。这一领域今后还会有更重大的发展，同时为新的生物传感器诊断工具的开发提供了一定的参考价值。