第２９卷第３期化 学 研 究Ｖｏｌ．２９ Ｎｏ．３２０１８年５月ＣＨＥＭＩＣＡＬ ＲＥＳＥＡＲＣＨＭａｙ２０１８
新型铁离子荧光探针的研究进展
李连庆∗，罗 艺
（陕西学前师范学院化学与化工系，陕西西安７１０１００）
摘 要：由于重金属离子对人类健康起着重要作用，因而对痕量重金属离子的快速检测，是当前研究的热点问题．作为生物体内的重要元素，铁元素的缺少和过量都可能引起严重的人体机能障碍，因而能够对铁离子实现快速识别显得尤为重要．本文作者通过研究近年来报道的高选择性高灵敏度铁离子荧光探针，对Ｆｅ３＋的特异性识别及其实际应用的可能性进行总结，并对Ｆｅ３＋荧光探针未来的发展方向进行预测．关键词：荧光探针；铁离子；识别；进展中图分类号：Ｏ６５７．３文献标志码：Ａ文章编号：１００８－１０１１（２０１８）０３－０３２５－０６
ＲｅｓｅａｒｃｈｐｒｏｇｒｅｓｓｏｆｎｏｖｅｌｆｌｕｏｒｅｓｃｅｎｔｓｅｎｓｏｒｆｏｒＦｅ３＋
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收稿日期：２０１７－１１－１７．基金项目：陕西省工业公关课题（２０１６ＧＹ⁃２３２），陕西教育厅自然科学专项（１７ＪＫ０１８１）．作者简介：李连庆（１９７６－），男，教授，研究方向为荧光探针材料．∗通讯联系人，Ｅ⁃ｍａｉｌ：ｌｉａｎｑｉｎｇｌｉ００８＠１６３．ｃｏｍ． 铁元素作为最基本的生物系统的痕量元素，在
生命系统的正常运行和生长中发挥着不可或缺地作用，在人体细胞中，广泛地参与多种生命过程，如细胞内ＤＮＡ与ＲＮＡ的合成、细胞和氧在生命体内的代谢、质子转移、酶催化等．Ｆｅ３＋在生命系统中有着不可替代的重要性，它的缺少和过量都可能引起严
重的人体机能障碍．因此，在临床、药物和环境等方面找到合适的Ｆｅ３＋定量检测方法一直都是科研工作者努力的方向．荧光探针是指其荧光性质（发射波长、强度和寿命等）可随着所处的环境（比如极性、黏度、温度和识别客体等）改变而灵敏地改变的一类荧光性分子，当探针分子与金属离子特异性结合
后，由于各种原因，探针分子的光物理性质会发生变化，通过各种检测方式检测到荧光信号的变化，从而
检测到环境中金属离子的含量．荧光探针具有选择
性好、灵敏度高、对设备依赖小、操作简单和检测限低等优点，而且能够与激光扫描荧光显微镜成像技
术及荧光成像技术相结合，实现在活体水平上无损原位的检测，使得荧光探针被认为是最有前景的方
法之一．
１ 罗丹明类铁离子荧光探针
罗丹明类染料具有荧光量子产率高、刚性平面结构较大、水溶性好、毒性小、最大发射波长位于可
见光区等优点［１－４］．此外，罗丹明类结构有多个修饰
位点，能够引入特定基团对分子性能进行改造，以增加其在水溶液中的溶解度，增强光稳定性和生物融合性，使荧光探针分子能够满足在各种环境下Ｆｅ３＋
检测，提高荧光探针分子的检测选择性和灵敏度．ＱＩＮ等［５］将罗丹明衍生物与喹啉衍生物结合，合成了探针１（图１）．当溶液中没有Ｆｅ３＋时，在波长
ＤＯＩ：１０．１４００２／ｊ．ｈｘｙａ．２０１８．０３．０１７｜化学研究，２０１８，２９（３）：３２５－３３０３２６ 化 学 研 究２０１８年
４２５ｎｍ和５５０ｎｍ处（罗丹明特征发射）没有出现荧
光，这恰好证明了罗丹明核心呈环状异构体形式，添
加Ｆｅ３＋后，显示在波长４２５ｎｍ处有轻微的荧光增强
和在５５０ｎｍ处有显著的荧光增强，前者的荧光增强
是喹啉部分的特征发射，后者的则属于罗丹明的开
环特征信号．这种比率型Ｆｅ３＋探针在溶液中有其他
金属离子共存时对Ｆｅ３＋有较高的选择性．此外，它还
具有良好的可逆性和较低的检出限，在生物体系和
环境中检测微摩尔浓度Ｆｅ３＋也具有潜在的应用价
值．ＬＩＵ等［６］以罗丹明Ｂ为发色团，乙二胺为连接
臂，以羰基上的氧为特异识别位点，合成Ｆｅ３＋特异性
识别探针２．探针与Ｆｅ３＋之间以１∶１比例结合，探
针分子上羰基氧原子参与Ｆｅ３＋配位，荧光探针为可
逆性良好的可逆探针，Ｎａ４Ｐ２Ｏ７溶液可作为解络合
剂，从结合区剥离Ｆｅ３＋，能够做到对探针的重复使
用，经济环保，探针的ｐＨ适用范围为４～８，且对活
细胞无毒害作用，为检测活细胞中铁离子含量提供
了简便快捷的方法．
高勇等［４］将１，２，４⁃苯三酸酐和罗丹明Ｂ酰肼
作用合成一种改良型荧光探针３．探针在苯三酸酐
的一个位点连接上一个亲水性的基团羧基，从而大
大提高了探针的水溶性，使探针能够在ＤＭＦ／Ｔｒｉｓ⁃ＨＣｌ（１∶９，体积比，ｐＨ＝７．４）的缓冲溶液中，完成
对Ｆｅ３＋的检测．研究者使用紫外⁃可见光谱和荧光光
谱两种检测方法对探针的识别性能进行了研究，探
针在与铁离子特异性结合时，碳氧双键打开与铁离
子结合，通过显著的荧光增强来识别Ｆｅ３＋，且该探针
对其他离子的抗干扰能力较强，对Ｆｅ３＋具有良好的
选择性，细胞影像研究显示探针对细胞膜具有良好
的透过性，能够实现对细胞内Ｆｅ３＋检测．ＭＡ等［７］以罗丹明酰氯化物为反应物合成了荧
光探针４和５，溶液中无金属离子存在时罗丹明的螺
内酰胺为闭环形式，无响应光谱信号，当加入Ｆｅ３＋后，
内酰胺开环，与Ｆｅ３＋形成配合物，荧光信号显著增强，
溶液明显由无色变紫色．该荧光探针也具有良好的可
逆性，乙二胺能够作为解络合剂使罗丹明的螺内酰胺
重新闭环，通过活体细胞荧光成像实验表明，该荧光
探针能够在细胞水平上实现对Ｆｅ３＋的检测，可以作为
探索生物学作用的高效工具，进一步了解Ｆｅ３＋在细胞
和生物器官的重要职能．ＬＩＵ等［８］合成了一种新型吡啶基乙烯基罗丹明
萘二甲酰亚胺比率型荧光探针６，该探针为Ｈｇ２＋和Ｆｅ３＋的双功能探针，罗丹明的内酯环在Ｆｅ３＋／Ｈｇ２＋存
在下转化为开环形式．当Ｆｅ３＋／Ｈｇ２＋浓度较低时，即会出现了新的发射峰，在波长５８１ｎｍ处荧光显著增
强，肉眼即能感受到明显颜色变化，在浓度较高时，
在波长４８１ｎｍ处会出现强的荧光信号．这个双响应
的金属离子探针有着较高的荧光“开／关”响应灵敏
度，在ｐＨ变化范围为２．９２～４．５时，荧光强度变化与ｐＨ成线性相关．
ＷＡＮＧ等［９］设计了一种通过罗丹明和萘二甲
酰亚胺荧光团之间的键能传递（ＴＢＥＴ）的比率型荧
光探针７．该萘酰亚胺的罗丹明衍生物通过分子内
化合键间的能量转移来检测金属离子，酰胺基上的
氧原子参与了Ｆｅ３＋的螯合，在金属离子的存在下化
合键的能量转移得以实现，荧光强度增加．这种荧
光探针与Ｆｅ３＋后荧光强度变化明显，可用裸眼观察
到颜色变化，给Ｆｅ３＋视觉检测提供了的简便方法．该
探针主要的不足为在中性水溶液中与铁离子的结合
能力较差，但是由于其优异的选择性检测０．１０５μｍｏｌ／ＬＦｅ３＋仍然是可以的．提高其在中性水溶液中
与Ｆｅ３＋的结合能力仍然具有重要意义．ＪＩＮ等［１０］合成了荧光探针８，该探针具有水溶
液好，能够对Ｆｅ３＋表现出很好的灵敏度和高选择性，
检出限仅为４．２×１０－８ｍｏｌ／Ｌ．此外，在添加Ｆｅ３＋时快
速增强的荧光强度给Ｆｅ３＋检测提供了良好的检测方
法．更重要的是，颜色的变化是肉眼可观察的，因此
可以用于裸眼检测的Ｆｅ３＋．此外，荧光探针在活细胞
和斑马鱼的成像实验结果表明其具有良好的细胞相
容性和低毒性，意味着它可用于检测活细胞中的Ｆｅ３＋．这些结果表明其在生物学方面具有重要的研
究价值．ＹＡＮＧ等［１１］将罗丹明Ｂ与苯并噻唑衍生物结
合合成了Ｆｅ３＋荧光探针９，它对Ｆｅ３＋的良好识别度
在实验和理论计算上都得到了证实．与其他探针不
同的是，以往通常是探针的羰基上的配位氧与金属
离子结合导致螺旋开放，而在这个探针中清楚地表
明，与Ｆｅ３＋配位的是苯并噻唑部分的Ｎ原子而不是
羰基Ｏ原子．Ｎ原子优于Ｏ原子与Ｆｅ３＋配位是因为
从探针的结构上来看，Ｎ原子的孤对电子空间范围
大于Ｏ原子，Ｎ原子轨道能量明显高于Ｏ原子，在
能量充足的条件下，有利它与Ｆｅ３＋的结合．所以，可
以认为Ｆｅ３＋更易与苯并噻唑部分的Ｎ原子配位，并
伴随着电子的转移形成醌型结构，导致荧光强度发
生变化．此探针最大优点在于它通过了活体细胞实
验，在活细胞中仍与Ｆｅ３＋结合，并且能够检测到荧光
变化，为实现活体细胞中Ｆｅ３＋检测提供了可能．罗丹
明类荧光探针１－９的结构如图１所示．
ＤＯＩ：１０．１４００２／ｊ．ｈｘｙａ．２０１８．０３．０１７｜化学研究，２０１８，２９（３）：３２５－３３０第３期李连庆等：新型铁离子荧光探针的研究进展３２７
图１ 罗丹明类荧光探针１－９的结构Ｆｉｇ．１ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｒｈｏｄａｍｉｎｅｆｌｕｏｒｅｓｅｎｔｓｅｎｓｏｒｓ
２ 香豆素类铁离子荧光探针
香豆素类荧光探针具有苯并α⁃吡喃酮核结构，
其对金属离子的特异性识别依赖于香豆素环上各位
点的取代基的性质．香豆素的母体结构在常温下没
有荧光，但是，当其７⁃位上有供电子取代基或３⁃位
和４⁃位上有吸电子取代基时，其吸收光谱和发射光
谱发生会变化．香豆素类荧光探针具有良好的光学
特性：适宜的最大激发波长、发射波长适中，荧光量
子产率高，Ｓｔｏｋｅｓ位移大和光稳定性好，可以有效降
低细胞组分和生理液体的背景荧光［１２］．
２０１２年，ＭＡ等［１３］将硫代卡巴肼与７⁃二乙氨基
香豆素⁃３⁃甲醛结合，反应生成了具有硫脲基团和亚
胺基团两个特异性识别基团的香豆素类探针１０，在Ｔｒｉｓ⁃ＨＣｌ的ＥｔＯＨ／Ｈ２Ｏ（９５∶５，体积比）溶液中加
入Ｆｅ３＋后，溶液中荧光强度显著增强，对Ｆｅ３＋的识别
表现出很好的选择性和灵敏度．
为了比较取代基对探针特异性识别的影响，陈国锋等［１４］设计合成了系列香豆素衍生物１１，实验
结果表明Ｆｅ３＋对探针的荧光具有猝灭作用，当Ｒ基
团为乙基胺时，侧链越长，Ｆｅ３＋对探针的猝灭能力越
强．２０１５年，ＢＯＺＫＵＲＴ等［１５］合成了在作为能量供
体的香豆素和作为能量受体的荧光素之间进行ＦＲＥＴ过程而发生荧光的探针１２．当香豆素衍生物
浓度为２×１０－７ｍｏｌ／Ｌ，荧光素的浓度为２×１０－５ｍｏｌ／
Ｌ，这时能达到最高效率的ＦＲＥＴ．实验研究了Ｃｕ２＋、
Ｃｄ２＋、Ｆｅ３＋、Ｃｒ３＋和Ａｌ３＋等离子对荧光素和香豆素衍
生物之间能量转移．最终观察到Ｆｅ３＋离子的存在抑
制了两个分子之间的能量转移，而其他金属离子没
有影响．对Ｆｅ３＋的检测限为２．５４×１０－６ｍｏｌ／Ｌ．由于其
对Ｆｅ３＋的高选择性，该荧光素香豆素衍生物具有很
好的传感器应用潜力．ＺＨＡＯ等［１６］报道了香豆素类探针１３，在ＤＭＦ／ＨＥＰＥＳ（１∶１，体积比，１０ｍｍｏｌ，ｐＨ＝７．４）缓冲溶
液中能够作为Ｆｅ３＋开关型化学传感器，成功实现了
对Ｆｅ３＋有效检测．Ｆｅ３＋的检出限可低至４．８×１０－６
ＤＯＩ：１０．１４００２／ｊ．ｈｘｙａ．２０１８．０３．０１７｜化学研究，２０１８，２９（３）：３２５－３３０