有机荧光分子材料指示剂研究文献综述

吕怡晨

摘 要：文章主要探讨最近十几年来有机荧光指示剂在生物、生态领域上的研究和突破，包括其方法和应用，总结现有荧光指示剂的不足之处，展望荧光指示剂的未来发展。

关键词：有机化学；荧光指示剂；分子材料

中图分类号：Q582 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2016）09-0168-03

荧光分子大多对周围的化学或物理环境极为敏感，可以探测到许多人类难以察觉的微小变化。过去几十年，通过利用荧光分子的上述特性，科学检测在效率和精准度上有了极大的提升。现今，荧光材料已经有了非常广泛的应用，其中很大一部分是把荧光作为指示剂来测量生物生态指标的变化。

1 发光原理及分类

1.1 发光原理

荧光物质可以吸收短波长光而使荧光内部电子呈激发态，发射出波长较长的光。[1]荧光分子材料经常会由于外界原因产生不同的荧光光谱，外力、光、pH、温度等都是诱导荧光光谱变化的因素。在物理力作用下，荧光分子材料中分子的化合键可能产生断裂，导致分子性质发生变化，使分子的发射光谱位移。 [2]在光的作用下，激发态的荧光分子结构十分不稳定，分子也有可能由于受到特定波长的光照过长而产生发射光谱位移。[1][2]环境中的pH值与温度也会对荧光分子产生影响。[2]这两个因素可以影响分子之间氢键或双硫键的组合或断裂，因而导致分子的折叠结构发生变化，荧光发射光谱偏移。荧光分子材料的极性也会使得分子间产生力的吸引，产生化学键的断裂或形成，由此导致分子空间结构的变化，最终导致荧光发射光谱的位移（此种情况多见于离子间）。[3]

1.2 分 类

从种类上来说，荧光物质制作而成的分子材料分为有机与无机两种。[2]有机荧光分子材料通常带有不饱和基团来产生光电性质上的变化。[2]无机荧光分子材料有硫化物系荧光材料、铝酸盐系荧光材料、氧化物系荧光材料及稀土荧光材料等，通过氧化还原反应改变材料中的离子数量，改变发光光谱。[2]

在现今社会中，由于稳定性好、对外界光、力、温度与pH的作用不敏感，无机荧光分子材料广泛应用于荧光粉或荧光灯等产品的生产，很少应用于荧光指示剂。有机分子由于分子大，分子内部的氢键、双硫键等十分丰富，可以形成复杂的、独一无二的空间结构。[2]一旦其中的化学键发生变化，分子的空间结构将改变，由此改变分子的性质。[2]因此，有机分子大多对环境变化格外敏感，多用于环境、生物体内和体外的探测。[2]由于本文的侧重点是荧光指示剂在生物生态领域的应用，因此主要讨论在其中起到更大作用的有机分子荧光指示剂。[2]

2 荧光指示剂应用

荧光指示剂在生物生态学的研究中得到了广泛应用，包括医学，细胞学，环境学等。其中，荧光指示剂作为探针，能较为准确地探测人体环境或生态环境中某一因素的变化，为研究者提供测量依据，协助研究的进一步发展。荧光指示剂作为基础的测量工具，在不少研究中作为桥梁，将两个变量联系起来。

2.1 医 学

有机荧光指示剂的作用在医学中尤为显著。在Mordon等人的医学研究中，对pH变化敏感的荧光分子5，6-carboxyfluorescei

n被用作探测肿瘤细胞的数量。此分子有两条发射峰值（465 nm和490 nm），随着pH的上升而红移。由于恶性肿瘤会带来比正常组织更低的pH，此分子可以探测到肿瘤细胞的存在。[4]

2.2 细胞学

除医学外，荧光指示剂帮助研究者更进一步了解细胞的结构以及其工作原理。

FAD（黄素腺嘌呤二核苷酸）的荧光对温度十分敏感，可以探测D氨基酸氧化酶的活性与温度的关系。[5]当温度变化时FAD空间结构发生变化，不再能有效地与D氨基酸氧化酶结合。[5]因此，FAD与D氨基酸氧化酶结合的速度下降，两者结合时后生的相对荧光发射量下降，显示出温度的变化。通过FAD的形成速度与其荧光发射光谱的对比，可以得出D氨基酸氧化酶的活性与温度的关系。如图1所示。[5]

2.3 植物学

除了动物体内的元素测量，有机荧光指示剂在对植物的病原探测中也起到了作用。荧光图像可以用来监控个体中的从环境中入侵的病原体。Dimitre A. Ivanov，和Mark A. Bernards通过感应叶绿素荧光参量Φ NO监控宿主根体内病原体的增长。数据表明，Φ NO 对于被增加的疾病量非常敏感。[6] 在四个病原种类的实验中，其准确度达到了95%，99%，82%与80%。[6] 因此，在叶绿素荧光测量大范围内的荧光强度中，变量ΦNO对于无害测量并监控疾病发展十分有效。[6]

2.4 生态群系

有的荧光指示剂，例如叶绿素荧光，可以用作测量植被群的环境变化。由于依赖叶绿素进行的光合作用是碳循环中的重要一环，植物的叶绿素含量会对碳循环产生重大影响。[7]探测叶绿素荧光可以探测叶绿素的含量，由此掌握碳循环的信息。[7]在实验中，J.Joiner等从太空中摄取的荧光发射光谱图得出叶绿素荧光的分布，获得有关碳摄取周期的更多信息。[7]人造卫星GOME-F740借助光合作用对环境变化的灵敏度，在春秋季节叶绿素光合作用率的变化进行探测。[7]

同样，叶绿素荧光还可以探测大环境中污染物的变化。[8] 当环境被重金属污染，重金属离子进入植物，不同程度上干扰植物光合作用的进行。而叶绿素发出的荧光与光合作用的速率有着密切联系，使得叶绿素荧光可以反映重金属污染程度。[8]

2.5 个体与环境

荧光指示剂还可以用来探究个体对于环境变化的反应。在Wolfgang Binder与Peter？Fielder的实验中，叶绿素荧光Fvar被用作测量白云杉幼苗在不同纬度霜冻耐寒性的指示剂。[9]回归曲线显示，四种纬度的针伤数量在10%～20%时荧光的发射峰值有明显变化。[9]在10～12月的荧光属性和可见幼苗针伤缺少关系，这是因为最低温度（-18 °C和-24 °C）不足以引起针伤。[9]

在Georgios N Stamatas等人的实验中，研究团队通过荧光指示剂测定了慢性环境损害和年龄变化对于脸部细胞更替速度的影响。如果脸部细胞的更替速度慢，荧光会逐渐堆积，荧光强度会上升；反之，如果更替速度快，荧光会被迅速替代掉，荧光强度下降。因此，通过测量脸部的荧光指示剂的更替速度，可以探知脸部皮肤的修复能力。[11]研究表明，荧光作为指示达到了95%的准确度，在很大程度上精确地测量了皮肤更替与年龄的关系。[11]如图2所示。

2.6 生态指示剂

荧光指示剂也可以用作测量其它新型指示剂的有效性。为了观测花粉可不可以作为大气污染的生物指示剂，G.Pepponi等人先用反射回来的x光荧光对不同地区的环境进行分析，再采集当地的花粉，悬干后进行元素分析。[12]通过对比花粉指示剂测出的成分与荧光指示剂测量的成分，发现花粉在部分元素测量中得出的结果与荧光作为指示剂测量得出结果相符。[12] 花粉指示剂可以测试出从铝到铂的元素，也可以测量出存在成分很小的微量元素，结果如图3所示。[12]

3 现 状

通过上述研究可以看出，随着人们逐渐不满足于天然分子所具有的荧光特性，人工合成的分子逐渐占领了市场。人工合成的分子往往具有更高的精准度和效率，造价低，因此可以以较低成本批量生产。[3]随着技术发展，尤其是在生物领域中，人工合成荧光指示剂起到了关键的测量数据的作用。[2]

因此，研究新兴的荧光有机分子指示剂也成为了备受关注的领域。而在生态方面，由于人工合成分子有的会对环境造成危害，研究中倾向于使用自然荧光分子，如叶绿素荧光。然而叶绿素荧光的作用被研究者挖掘已久，已经不是多数人所关注的领域，只能被用作个体与大环境关系之间的测量，很难有大的进展。[3]

未来的发展中，荧光指示剂在医学、环境学中有着十分巨大的前景。提早预知或发现潜在的疾病成为了非常重要的研究方向。作为十分敏感的指示剂，荧光可以有效地发现人体内元素的微小变化，帮助潜在患者预知自己未来可能得的疾病。同时，荧光指示剂的精确定位功能也使得如肿瘤手术的精密手术程序得以顺利实行。[4]荧光指示剂也会对污染测量起到极大的贡献，对于水质、地质环境特征的检测非常重要。[8] [10]

4 展 望

在未来发展中，荧光由于易于探测，可能会有更加广泛的应用。荧光指示剂在医学的探测癌症等疾病方面可以有着进一步的发展。如今荧光探测肿瘤组织的技术还不够完善，但是已有不少研究研制或发现了可以有效侦查肿瘤的荧光分子材料。这些检测疾病的技术，如荧光PCR技术，都有很大的发展空间。[12]而随着无毒无害的荧光指示剂的发明，环境科学中的荧光指示剂不会再过分依赖于叶绿素荧光等生物荧光。同时，现在还有很多潜在有效的荧光分子，但是由于性质原因不能适应探测环境。[3]这些分子在未来发展中有着很大的潜力，可以借助人工合成的手段进行改良，使其拥有探测能力，从而具有实际的使用价值。