基于有机小分子的铜离子荧光探针

陈慧敏，郇 凤，陈梦如，柯希童，廖湘兰

（1.福建省特色生物化工材料重点实验室，福建宁德 352000；2.绿色能源与环境催化福建省高校重点实验室，福建宁德 352000；3.宁德师范学院化学与材料学院，福建宁德 352000）

铜元素广泛存在于土壤、大气、环境水体及生物体中，也是人体不可缺少的微量元素之一，在生命体的基本生理活动中发挥重要作用。铜元素是多种蛋白质和酶的重要组成成分，作为金属酶的催化辅助因子，参与到生物体内的氧化还原、电子转移等生理活动中。人体如果铜元素摄入过量会引起许多问题，例如会抑制生物酶的活性导致中毒症状[1]。如果铜元素摄入不足则会导致造血功能下降、胆固醇升高，甚至引发冠心病等。因此，世界卫生组织明确规定饮用水中铜离子的安全浓度为30 µmol/L，成人每日摄入铜元素的量应为10～12 mg[2]。另外，铜离子与人们的日常生活关系密切，例如游泳池的水由于使用铜离子消毒而显浅蓝色。此外，铜离子在现代冶金、电力、汽车等工业中也发挥重要作用。随着工业的不断发展，工业废水排放导致土壤、水体等铜元素含量过高，对周围的生物体和人类健康产生严重威胁，因此铜离子含量的检测非常重要。

能够实现金属离子浓度检测的方法较多，例如原子吸收法[3]、电感耦合等离子体质谱法[4]、电化学法[5]、动态光散射法[6]等。这些方法虽然可以得到精确的测量值，但往往存在仪器设备昂贵、前处理步骤繁琐、测试耗时长等问题。荧光探针法是近年来备受关注的检测方法，它具有选择性好、灵敏度高、重现性好、操作简单等优势，因而备受关注[7]。荧光探针是具有特异性光学性能的一类化合物，可以将分子在特定环境下的化学变化转变为光学信号，从而识别和检测特定物质。从结构上，荧光探针一般有三个部分，即识别基团、荧光基团和桥联基团。作为荧光基团的通常是具有大共轭体系的有机小分子，例如，罗丹明、香豆素、BODIPY、萘酰亚胺等。

根据探针与铜离子作用后的荧光信号输出方式不同，铜离子的荧光探针分为“开-关”型、“关-开”型和比率型。由于铜离子的顺磁性，容易与具有合适大小的电子螯合基团结合，导致荧光分子激发时电子跃迁方式发生变化，因而大多数探针表现出一定程度的荧光淬灭，即“开-关”型探针更为常见。然而，荧光淬灭也有可能是其他环境因素引起的，从而给铜离子测定产生干扰而产生假阳性结果。因此，“关-开”型铜离子荧光探针的开发往往更具有吸引力。比率型探针是通过不同位置峰的强度比值来识别和检测物质，因而可以排除环境温度、pH、探针浓度等因素的影响，因此近年来比率型探针也得到快速发展和应用。根据探针识别铜离子的机制可以分为配位型和反应型。

1 反应型铜离子探针

铜离子属于Lewis 酸，具有催化活性，同时二价是铜离子的最高价态，具有氧化性。因此设计探针时可以设计与铜离子发生反应或者可被铜离子催化的结构，探针在与铜离子混合前后结构发生明显变化，荧光信号发生明显变化，从而达到识别铜离子的目的。

吉林大学的任红等报道了以邻氨基偶氮苯作为铜离子识别基团的探针[8]，如图1所示。该类探针在铜离子作用下会发生脱氢环化而生成三氮唑杂环。有铜离子存在时，探针在478 nm 处出现荧光峰，当在体系中添加铜离子络合剂EDTA 时，荧光峰的强度和位置并没有发生变化，说明EDTA 不会干扰苯并三氮唑的荧光信号，从而证明了探针的作用机制是铜离子催化邻氨基偶氮苯的脱氢环化过程。

图1 铜离子催化脱氢环化反应

罗丹明类化合物在铜离子作用下会发生螺环酰胺结构的开环水解反应，因而也被设计为铜离子的荧光探针。2018年，Wechakorn 等设计了以罗丹明为母体的荧光探针[9]，如图2所示。当探针与铜离子混合时，首先与N、O 配位，进而发生水解开环反应，生成罗丹明B 和1，2，3-三氮唑衍生物，在荧光光谱579 nm 处出现明显的荧光信号。该探针灵敏度高，检出限低至1 nm。

图2 铜离子催化水解开环反应

香豆素类化合物也可以被设计成铜离子探针。由于香豆素本身有荧光，设计“关-开”型荧光探针就需要先在香豆素分子中引入淬灭荧光的基团。2019年，张长丽等报道了一例基于铜离子催化的酰胺水解反应的香豆素类荧光探针[10]，如图3所示。研究表明该探针的作用机制是首先与铜离子形成1 ∶1的配合物，之后发生水解，生成香豆素羧酸。

图3 铜离子催化的酰胺水解反应

2 配位型铜离子探针

配位性铜离子探针的结构通常包含配位部分和荧光基团两个部分，利用配位基团与铜离子配位前后情况信号的明显变化来识别铜离子。2017年，Diao 等报道了一例结构对称的Schiff碱型荧光探针[11]。该探针分子内有巯基，会存在光诱导电子转移效应而导致分子无荧光信号。当与铜离子配位之后，光诱导电子转移效应被阻断，产生配位增强效应，荧光光谱上出现365 nm 处的信号，溶液颜色由无色变为黄色，检出限为0.2 μm。

2019 年，Gawale 小组设计了氟硼二吡咯（BOPIPY）骨架的铜离子荧光探针[12]。由于两个乙氧基的光诱导电子转移效应探针本身没有荧光，与铜离子配位后，荧光光谱700 nm 处出现了明显信号，溶液颜色也伴随着从浅蓝到深蓝的变化，可实现肉眼可视的检测。偶氮类化合物是常用的染料，其中的两个氮原子上都有孤对电子，可以配位，因此可以设计成配位型探针。刚果红是常用指示剂，本身没有荧光，与铜离子混合后在407 nm 处出现荧光信号，该探针反应迅速，检出限0.12 μm[13]。

3 结束语

综述了近年来铜离子荧光探针的实例，理想的铜离子荧光探针具有选择性好、灵敏度高、重现性好、操作简单等优点，然而目前有机小分子探针大多适用于有机溶剂，因而限制了小分子铜离子探针的使用范围。相信随着科学技术的发展，铜离子探针可在环境检测、生物学研究、临床医学等方面有更好的应用。