基于罗丹明的三价铁离子荧光探针研究进展

安国策

(中国刑事警察学院法化学系，辽宁 沈阳 110854)

铁是地球上含量相对丰富一种元素，约占地球元素总含量的4.1%。自然界中铁元素过多会引发水污染、土壤污染等环境问题。并且，铁是人体内必不可少的一种微量元素，广泛分布在血液、肌肉组织、脾脏、肝脏、骨髓等组织和器官中，是血红蛋白、肌红蛋白以及多种酶的重要组成成分，对细胞代谢、氧代谢、电子传递、酶催化合成、质子转移、体液酸碱平衡、渗透压调节等生理活动有着重要作用。人体内铁元素含量或分布的异常会损害正常的生理功能，导致疾病产生，如肝功能异常、心肌损伤、骨质疏松症、糖尿病、癌症等[1]。因此，发展一种有效检测三价铁离子的方法对于环境及人类健康有着非常重要的作用。检测铁离子的传统方法有原子吸收分光光度法、比色法、伏安法、电感耦合等离子体质谱法等，然而这些方法因为所用仪器昂贵、样品前处理复杂等缺点而无法被广泛使用。荧光探针由于具有探针分子合成简单、样品需要量小、响应时间短、选择性好、灵敏度高等优点而被人们广泛研究，用于分析铁离子[2]。

1 罗丹明对三价铁离子的识别机理及分类

罗丹明染料具有长吸收和发射波长、高荧光量子产量、大消光系数等优良的光物理性质成为了科技工作者们设计荧光探针分子时最多使用的染料分子之一。科技工作者们通常以罗丹明为底物，与多胺化合物反应，另一端连接给电子基团设计合成探针分子。罗丹明的酰胺螺环形式无荧光，开环形式有荧光，探针在识别三价铁离子时，罗丹明酰胺环开环，以1∶1或2∶1的比例与三价铁离子络合，产生荧光，从而实现对三价铁离子的检测。罗丹明主要分为罗丹明B、罗丹明6G，我们对近年的罗丹明类三价铁离子荧光探针分为基于罗丹明B的三价铁离子荧光探针、基于罗丹明6G的三价铁离子荧光探针、基于其它罗丹明染料的三价铁离子荧光探针进行了综述[3]。

图1 罗丹明的分类及探针识别机理Fig.1 Rhodamine and it’s reaction mechanism with trivalent iron ion

2 基于罗丹明B的三价铁离子荧光探针

2018年Chen Xia等[4]利用罗丹明B、一水合肼、2-呋喃基丙烯醛为原来制备了一种基于罗丹明B的席夫碱类三价铁离子荧光探针1。在25 ℃、pH=7.0、水/乙醇(1∶1，V/V)条件下，探针1对三价铁离子有很好的选择性和灵敏度，检出限为2.81×10-8M，与三价铁离子结合后，可以明显看到溶液颜色由无色变为粉红色，且荧光强度显著增强，可以用于自然环境中三价铁离子的检测。更重要的是，活细胞成像实验表明，该探针分子对细胞膜有高渗透性且具有低细胞毒性，可以用于活细胞中三价铁离子的检测。

图2 基于罗丹明B的三价铁离子荧光探针1Fig.2 Trivalent iron ion fluorescent probe 1 based on rhodamine B

2017年Susanta Adhikari等[5]设计合成了一种基于罗丹明B的比率型三价铁离子荧光探针2，探针分子可以在二价铁离子存在的情况下对三价铁离子进行特异性识别，可以用于铁离子形态的研究。水/乙腈=7/3(V/V)的溶液中，向探针分子中逐渐加入三价铁离子，产生深红色络合沉淀，溶液由亮黄色变为粉色，437 nm处的荧光减弱，577 nm处的荧光增强。分子在结合的过程中经过光诱导电子转移、螯合荧光增强效应、荧光共振能量转移。探针分子与三价铁离子的结合常数为3.7025×106M-1，检出限为2×10-8M。

图3 基于罗丹明B的三价铁离子荧光探针2Fig.3 Trivalent iron ion fluorescent probe 2 based on rhodamine B

2018年Yu Wang等[6]以罗丹明B、糠酰氯等为原料合成了一种基于罗丹明B的三价铁离子荧光探针3。探针分子可以在水/乙醇(1∶1，V/V，HEPES buffer，pH 7.36，1.3 mM)条件下对三价铁离子进行专一性识别，探针分子的酰胺环发生开环，与三价铁离子络合，荧光强度增大28倍，检出限为4.37×10-7M，结合常数为7.28×103M-1。细胞实验表明，该探针分子还可以用于MCF-7细胞中三价铁离子的监测。

图4 基于罗丹明B的三价铁离子荧光探针3Fig.4 Trivalent iron ion fluorescent probe 3 based on rhodamine B

2018年Mecit Ozdemir等[7]开发了一种基于罗丹明B的可逆型三价铁离子荧光探针4，三价铁离子作用后，探针分子由酰胺环状结构变为开环形式，溶液由无色变为粉红色，荧光强度显著增强，探针分子与三价铁离子的结合常数为1.27×107M-1。而且，该探针分子可以在很宽的pH范围(pH 5～9)下对三价铁离子进行特异性识别，符合大多数的生理条件。共聚焦激光扫描显微镜实验表明，该探针分子可以用于对BAEC活细胞中三价铁离子及其动态变化进行监测分析。

图5 基于罗丹明B的三价铁离子荧光探针4Fig.5 Trivalent iron ion fluorescent probe 4 based on rhodamine B

2019年曾竟等[8]设计合成了一种可以在两种波长下对三价铁离子进行特异性识别的罗丹明B类三价铁离子荧光探针5，探针分子可以在pH 7.0、水/乙醇(1∶1，V/V)下2∶1与三价铁离子进行络合，溶液从无色变为红色。350 nm激发波下，508 nm处荧光强度降低，检出限4.56×10-6M；530 nm激发波下，582 nm处荧光强度增强，检出限7.4×10-7M。可视化的溶液颜色变化、双波长下的荧光强度的明显改变等独特性能表明分子5可以作为一种优良的三价铁离子荧光探针分子。

图6 基于罗丹明B的三价铁离子荧光探针5Fig.6 Trivalent iron ion fluorescent probe 5 based on rhodamine B

3 基于罗丹明6G的三价铁离子荧光探针

2014年Amanpreet Singh等[9]以罗丹明6G、乙二胺为原料进行反应，对得到的产物进行再沉淀，得到了一种基于罗丹明6G的有机纳米聚合物探针6。在水相介质中探针6可以对三价铁离子进行特异性识别，荧光强度显著提高，不受其它金属离子影响，检出限为9.2×10-9M，可以作为一种有效的三价铁离子荧光探针分子。

图7 基于罗丹明6G的三价铁离子荧光探针6Fig.7 Trivalent iron ion fluorescent probe 6 based on rhodamine 6G

2016年Hyungjoo Kim等[10]以罗丹明6G、3-(2-氨基乙基氨基)丙基三甲氧基硅烷、介孔二氧化硅等为原料制备了基于罗丹明6G的三价铁离子荧光探针7。探针分子对三价铁离子的识别具有高选择性并且是可逆的，与三价铁离子作用后，产生螯合荧光增强效应，发出青黄色荧光，EDTA作用后回到原始无荧光的状态。生物成像实验还表明该探针分子在生物学应用及单分子检测技术领域有着潜在的应用价值。

图8 基于罗丹明6G的三价铁离子荧光探针7Fig.8 Trivalent iron ion fluorescent probe 7 based on rhodamine 6G

2016年Min Hee Lee等[11]合成了六个基于罗丹明6G的荧光探针分子(探针8及其衍生物)，用于生物系统中三价铁离子的特异性识别和分析。探针分子与三价铁离子结合后，在526 nm处的紫外吸收增强，在551 nm处的荧光发射增强。用HepG2细胞进行共焦显微镜分析实验表明，细胞内的三价铁离子使探针分子发生了开环反应，荧光强度随着铁离子浓度的增大显著增强。在六个探针分子中，探针8具有最优良的性能，可以用于细胞内质网中三价铁离子的成像研究。

图9 基于罗丹明6G的三价铁离子荧光探针8及其衍生物Fig.9 Trivalent iron ion fluorescent probe 8 and it’s derivatives based on rhodamine 6G

2018年Huimin Kang等[12]以罗丹明6G、3-溴丙炔等为原料设计了一种新颖的基于罗丹明6G的三价铁离子荧光探针9。乙腈溶液、可见光下，探针分子的取代基部分以开环形式存在，溶液无色；紫外光下，探针分子取代基部分以关环形式存在，溶液为浅紫色。加入三价铁离子后，探针分子罗丹明部分的酰胺环开环，产生黄色荧光。核磁、质谱等实验表明，探针分子与三价铁离子的络合比为1∶1，检出限为7.7×10-10M，结合常数为2.2111×104M-1。

图10 基于罗丹明6G的三价铁离子荧光探针9Fig.10 Trivalent iron ion fluorescent probe 9 based on rhodamine 6G

4 基于其它罗丹明荧光染料的三价铁离子荧光探针

2014年Puhui Xie等[13]设计合成了罗丹明类三价铁离子荧光探针10。探针10与三价铁离子的络合比为1∶1，检出限为6.4×10-7M，结合常数为1.74×104M-1。380 nm激发光下，探针分子由于自身所带的丹酰基团，发出绿色荧光，与三价铁离子的络合后，罗丹明酰胺环部分发生开环，发生分子内荧光共振能量转移，在605 nm处产生红色荧光。该探针分子体现了一个大的斯托克斯位移(225 nm)，有助于消除激发光的反向散射效应的影响。

图11 基于其它罗丹明荧光染料的三价铁离子荧光探针10Fig.11 Trivalent iron ion fluorescent probe 10 based on other types of rhodamine

5 结 语

近年来，以罗丹明染料尤其是罗丹明B、罗丹明6G为底物制备三价铁离子荧光探针被人们广泛研究和发展，是化学检测应用方面的热点研究方向。罗丹明类三价铁离子荧光探针具有检测快速、所需检测样品量小、灵敏度高、选择性好等优点，随着研究的深入开展，与纳米材料等新技术进行结合设计新型的、功能更全面、更实用的荧光探针分子将被人们更加广泛地研究和开发。