新型銅離子熒光傳感器研究進展

李 輝，李兆云，陳萬超，許軻韓，李 龍

（1.德宏師范高等?？茖W校 農學與生物科學學院，云南 芒市 678400；2.上海市農業科學院食用菌研究所，上海 201403；3.華北水利水電大學 材料學院，河南 鄭州 450045；4.河南省科學院 環境功能材料創新研究中心，河南 鄭州 450002）

環境、生物和化學系統都離不開銅元素的存在[1-2]，無論是植物還是動物，它都是必需的微量元素，對其檢測具有十分重要的意義[3]。

目前已有多種技術應用于Cu2+的檢測[4]，這些方法包括原子吸收光譜法、電感耦合等離子體質譜法（ICPMS）、電感耦合等離子體原子發射光譜法（ICP-AES）、伏安法和陽極溶出伏安法（ASV）等。然而，這些方法在某些程度上存在一些不足，因為它們不僅需要昂貴的分析儀器，而且在操作上還存著苛刻；這些方法雖可以用于生物樣本，如活細胞檢測，但它們會導致細胞死亡，無法利用成像技術[5-6]。與傳統的檢測技術相比，熒光傳感器則具有許多優異功能，如標記細胞器和細胞膜、指示pH、確定細胞活力以及檢測金屬陽離子[7]。引入不同的配體和熒光團，如熒光素、羅丹明、萘酰亞胺和二芘硼（BODIPY）等，可以成功地實現對金屬離子的選擇性檢測[8]，通過對其進行改裝，包括一個識別基團，可以使染料能夠定位，并因此拍攝細胞的一個特定的區域。熒光傳感器因具有良好的生物相容性、易發生結構變化、毒性低等優點，近年來一直受廣大研究者青睞。眾所周知生物成像技術可以對細胞內包括銅(II)在內的多種金屬離子進行檢測[9-10]，如若將靈敏的成像技術應用于熒光傳感器中，這將在很大程度上提高了熒光傳感器的檢測性能。

目前已有報道Cu2+檢測的熒光傳感器綜述文章，王松濤等[11]對銅離子在胺/酰胺、肽、杯芳烴和納米微粒方面的熒光傳感器進行了總結，劉希玲等[12]基于不同類別的熒光團綜述銅離子熒光傳感器，于帥兵等[13]從多肽結構介紹了銅離子熒光傳感器；與之前相關銅離子綜述文章不同的是，本文依據不同類型熒光團，包括萘酰亞胺、羅丹明、香豆素、熒光素和芘等，主要綜述了比色和熒光銅離子傳感器最新研究進展，為設計靈敏成像Cu2+的熒光傳感器提供了一定的實驗理論基礎。

1 萘酰亞胺類銅(II)傳感器

眾所周知，由于1,8-萘酰亞胺衍生物具有較高的光穩定性和高的量子產率、可見光區的強吸收帶和較大的斯托克斯位移而被廣泛應用于有機染料，目前通常用作熒光傳感器，該方法優于其他傳統的金屬離子檢測和分析方法[14-15]，近年來研究者們廣泛應于銅(II)熒光傳感器的研究。

Fatma 等[16]以1,8-萘酰亞胺衍生物為基礎，開發了一種新型響應式比色比率熒光傳感器1（圖1、表1），用于Cu2+的納摩爾識別。傳感器1 實驗表明，加入Cu2+后熒光顏色由“亮黃”變為“藍色”，裸眼顏色由“亮黃”變為“無色”。利用傳感器檢測Cu2+，其超低檢出限為9.53 nM，遠低于衛生部和美國環保局報告的Cu2+的可接受限。通過對食用樣品的實驗研究，傳感器1 在瓶裝飲用水和食物樣品中檢測Cu2+的結果令人滿意。因此，這些發現可能有助于開發新型化學熒光傳感器，用于檢測金屬離子，而不需要復雜的設備。

表1 銅離子熒光傳感器的檢測限檢出限、熒光開啟/關閉及應用

圖1 傳感器1 對Cu2+響應機理[13]

Qu 等[17]合成了一種高選擇性、高靈敏度檢測Cu2+的新型熒光傳感器2（圖2、表1）。實驗結果表明，傳感器2 與Cu2+形成2∶1 的絡合物，傳感器對Cu2+的猝滅響應可歸結為逆向PET 機理。傳感器對Cu2+的檢出限可達3.30×10-8M，對Cu2+的定量分析具有很高的應用價值。更重要的是，該傳感器成功地證明了其檢測兩種不同水樣中Cu2+微摩爾濃度的能力，并獲得了優異的回收率。這項研究將為金屬離子檢測新型傳感器的設計提供靈感。

圖2 傳感器2 對Cu2+響應機理[14]

2 香豆素類銅(II)傳感器

香豆素衍生物存在于自然界的各種植物中，并已被廣泛用于生產日常產品。香豆素衍生物具有易于改性和生物相容性好的優點，在生物醫學和分子成像材料的有機合成方面具有良好的多功能性?；谙愣顾氐臒晒鈧鞲衅饕驯粡V泛研究和應用于金屬離子的檢測[18]，其中對銅(II)的熒光檢測研究頗多。

Sun 等[19]設計并合成了一種基于香豆素的新型“關閉”熒光傳感器3（圖3、表1），用于對溶液中Cu2+的檢測。傳感器溶液中加入Cu2+離子后，在490 nm 處的熒光發射峰顯著降低。隨著Cu2+在0～40 μM 范圍內離子濃度的增加，傳感器的熒光強度呈成比例的變化。應用它可以檢測HeLa 細胞和斑馬魚中的Cu2+離子，該研究的結果表明了傳感器3 在實際應用中的潛在價值。

圖3 傳感器3 對Cu2+響應機理[16]

此外，Nguyen 等[20]合成了一種新型香豆素衍生物4（圖4、表1），并作為比色和熒光傳感器對其他金屬離子存在下的Cu2+離子進行選擇性檢測，檢測限分別為5.7 ppb 和4.0 ppb。Cu2+離子與傳感器4 反應形成1∶1 的化學計量配合物，在460～510 nm 處產生顯著的最大吸收紅移，在536 nm 波長下的熒光強度幾乎完全猝滅，這些變化可以用肉眼清楚地觀察到。此外，傳感器4 的工作pH 范圍較寬，適合于生理條件，因此該傳感器可用于檢測活細胞中的Cu2+離子。配合物的形成使的電子密度從傳感器4 向Cu2+離子的強烈轉移，導致π-電子共軛體系斷裂，這是4-Cu2+配合物熒光猝滅和顏色變化的原因。

圖4 傳感器4 的結構[17]

3 熒光素類銅(II)傳感器

熒光素具有極強的水溶性，與其他有機染料相比又具有高量子產率、可見區域的吸收和最大發射的優勢，近年來廣泛應用于金屬離子的熒光檢測[21]，例如銅(II)熒光傳感器的研究。

Su 等[22]基于光誘導電子轉移（PET）機理合成了熒光傳感器5（圖5、表1），它能夠檢測乙醇/水溶液中的Cu2+。此外，加入它可以產生從無色到黃色的明顯顏色變化，表明傳感器可以快速、簡單地通過比色法檢測Cu2+，肉眼可見。

圖5 傳感器5 的結構[19]

Xin 等[23]合成了一種新型的含熒光素衍生物6（圖6、表1），用于檢測Cu2+，它是一種具有可裂解活性鏈的螺環分子體系。熒光素對Cu2+與酰肼的傳感機制支持酰胺鍵的水解裂解，從而導致熒光團（熒光素）的釋放和熒光的增強。它已成功地用于HeLa 細胞中Cu2+的活細胞成像，并證明了對Cu2+離子的選擇性檢測。

圖6 傳感器6 對Cu2+響應機理[20]

4 芘類銅(II)傳感器

基于芘的衍生物由于其優良的光物理性質，以及高的吸收系數，使得發射波長是構建新的金屬離子熒光探針的理想模板[24]，廣泛應用于銅(II)熒光傳感器中。

一種新型的Cu2+“開啟”化學傳感器7（圖7、表1）已成功應用于生理pH 值的水培養基中，由于其細胞毒性水平較低，它們選擇用共聚焦熒光顯微鏡進行生物成像研究，利用Vero 細胞系獲得綠色明亮的圖像[25]。

圖7 傳感器7 的結構[22]

通過將吡嗪酰肼單元與吡喃基熒光團結合，合成了一種新型的雙功能熒光傳感器8（圖8、表1）。該傳感器可通過熒光開啟響應同時檢測ClO-和Cu2+。ClO-和Cu2+在選擇性和靈敏度方面優于其他陰離子和金屬離子。傳感器對ClO-和Cu2+的檢測限分別低至4.02 nM 和157 nM。在較寬pH值范圍內，它表現出較強的pH 穩定性，對ClO-和Cu2+有很好的響應。ClO-和Cu2+也可以很容易地在測試紙上直觀地顯示出來。此外，它還成功地用于HeLa 細胞中ClO-和Cu2+的成像[26]。

圖8 傳感器8 對Cu2+響應機理[23]

5 羅丹明類銅(II)傳感器

羅丹明結構具有良好的光譜特性、較大的激發光波長和發射波長以及較高的熒光量子產率，是構建熒光傳感器的理想模式[27]。在羅丹明的螺內酰胺（非熒光）到開環酰胺（熒光）平衡的基礎上，大多數基于羅丹明酰肼衍生物或羅丹明胺偶聯物通過顯色和熒光信號的羅丹明熒光探針已成功制備為熒光增強型[28–31]。到目前為止，許多研究仍在進行中，以尋找更便宜、更穩定、更方便和有效的羅丹明衍生物，應用于銅(II)檢測。

Yang 等[32]構建了一種新型的基于羅丹明的化學傳感器9（圖9、表1），該傳感器對Cu2+具有較高的靈敏度和選擇性，反應迅速，且具有顯著的顏色和熒光變化。此外，傳感器除了能感知Cu2+外，還能在水溶液中有效、快速地捕獲Cu2+。研究表明，制備了傳感器功能化凝膠球，對Cu2+具有較強和較高的吸附能力，并伴有明顯的顏色變化。更為顯著的是，這些凝膠球可以在用EDTA溶液處理后被回收利用，這些優良的性能使凝膠球成為銅離子純化的理想候選材料。

圖9 傳感器9 對Cu2+響應機理[29]

此外，通過2,3,4-三羥基苯甲醛與羅丹明B 酰肼之間的反應合成了一種新型的羅丹明B 席夫堿化學傳感器10（圖10、表1），用于檢測不同溶劑體系中Co2+/Cu2+。Co2+/Cu2+的實時監測可以通過快速響應和無色到粉色的明顯顏色變化來實現。此外，傳感器10 能夠選擇性地檢測各種不同金屬離子之間的Co2+/Cu2+，從而表現出良好的抗干擾性能。對Co2+/Cu2+的檢測靈敏度較高，檢測限較低，分別為4.425×10-8M 和1.398×10-7M。此外，利用EDTA 測定了傳感器10 作為Cu2+探測器的可逆性，結果表明傳感器10 可以重用至少6 個循環。除此之外，還制備了一種低成本的化學傳感器測試條，用于方便的肉眼檢測純水介質中的Co2+和Cu2+。此外，傳感器1 在CCD-18 Co 和HT-29 細胞系中沒有明顯的細胞毒性，顯示其在生物成像應用的潛力[33]。

圖10 傳感器10 對Cu2+響應機理[30]

6 五種不同類別銅(II)傳感器的應用研究比較

表1 是銅離子熒光傳感器的應用研究比較。

6 結論

本文綜述了基于多種類型熒光團用于檢測Cu2+離子的新型熒光化學傳感器研究進展，利用各種小分子熒光傳感器檢測Cu2+離子的技術和應用，以及它們在活細胞和其他物種成像中的應用。Cu2+熒光化學傳感器的發展也得到了一些創新技術的輔助，如雙光子顯微鏡和近紅外光發射，其中一些已成功用于檢測生物和環境樣品中的Cu2+。這一領域今后還會有更重大的發展，同時為新的生物傳感器診斷工具的開發提供了一定的參考價值。