杨志伟，冯 杨，韩宇珠，刁全平

(鞍山师范学院 化学与生命科学学院，辽宁 鞍山 114007)

随着我国工业生产的迅速发展，“三废”的排放量急剧增加，环境污染已经严重影响国家发展和人民身心健康，因而备受关注[1]。尤其在金属离子污染方面，国家更是投入了大量的物力和财力，用来研究对金属离子的检测和其污染的应对方案。金属离子的检测方法众多，主要有伏安法、原子吸收光谱法、原子发射光谱法、电感耦合等离子体质谱法[2-7]等，但是这些方法大多对实验条件要求较高，并且仪器昂贵、成本高、时间长、样品前处理复杂等，荧光探针分析法具有特异性强、灵敏度高、反应迅速、操作简便等优点备受广大有机合成和化学分析研究者的瞩目。

铁属于过渡金属，在现代工业以及建筑材料中具有不可或缺的地位，同样也是人体当中含量最高的过渡金属元素。Fe3+广泛存在于自然环境和生物体内[8]。Fe3+在许多化学和生物学过程中，扮演着重要的角色，Fe3+可以提高血红素运输氧气的能力，参与合成血红蛋白和其它各种生物酶促进细胞的生长和代谢[9]。缺铁会引起缺铁性贫血，表现为皮肤泛黄缺乏红润之色，并且会导致新陈代谢紊乱以及免疫系统的功能下降，进而引发多种疾病[10]。如果人体中的Fe3+浓度过高则会引发细胞的癌变和某些器官的功能紊乱，如心脏、肝脏和胰腺等，进而引发血气色素沉着症以及心脏病等其他的疾病[11]。本文概述了几种Fe3+荧光探针的研究进展，并对不同的荧光探针进行了综述和比较。

1 香豆素类

陈兆辉等[12]在香豆素衍生物的基础上设计合成了一种水溶性良好的荧光猝灭型荧光探针：7-二乙氨基-3-甲醛香豆素(图1)。该荧光探针的荧光发射性能良好，研究表明探针与Fe3+的结合比为1∶1，由于Fe3+参与了探针中电子/能量转移过程，从而促使香豆素有机荧光基团产生了非辐射的能量转移过程，最终导致荧光猝灭；探针的最大荧光发射峰位于471 nm，随着Fe3+浓度不断升高，荧光强度会逐渐减弱。当Fe3+浓度处于0.02～60.00 μmol/L范围时，探针的荧光发射强度与Fe3+的浓度具有良好的线性关系，可以对Fe3+进行定性和定量检测，检出限为22 nmol/L。当探针与不同的金属离子溶液混合后，除了Cu2+和Cr3+造成一定程度的红移外，其它金属离子溶液对探针溶液的吸光度均无明显影响，表明此探针具有良好的特异性，不易受其他常见金属离子的干扰。探针对Fe3+的检测具有可逆性，在水中具有良好的水溶性，探针检测Fe3+的最适宜pH值范围为5～7，且成功在人体pH环境中用于淋巴肿瘤细胞Ramos中Fe3+的荧光成像。

图1 可能成像机理

2009年刘伟生教授[13]在Inorganic Chemistry Communications 上报道了一种以香豆素为母体的Fe3+荧光探针(图2)，探针在HEPES体系下，都能够对Fe3+有很好的检测效果，并且当存在有干扰例子的情况下探针对铁离子的检测没有影响，通过多种检测，推测出铁离子和探针是以1∶1的形式螯合。

图2 探针合成路线

2 罗丹明类

韩翔等[14]在罗丹明B的基础上合成出了荧光增强型可逆荧光探针RH-Fe(图3)，该探针与Fe3+1∶1络合，并可用于裸眼检测。乙腈溶液中，探针在561 nm处的吸收良好，随着乙腈溶液含水量的增加，探针在561 nm处的吸收呈下降趋势，当含水量大于70%时，吸收下降十分显著，在含水量80%乙腈溶液中，探针的吸收强度仅为在含水量70%乙腈溶液中的四分之一。在光学性质的研究中，经过将探针RH-Fe和RH-Fe-Fe3+的紫外吸收图谱及荧光发射图谱归一化比较，证明探针RH-Fe在加入Fe3+之后，罗丹明的螺旋内酰胺由闭环状态转变为开环状态，其荧光量子产率为0.36。在探针对金属离子选择性的研究中，除Cr3+和Al3+对探针识别性有微弱影响外，其他金属离子对探针的选择性影响均不明显，探针对Fe3+的检测限为0.27 μmol/L，当Fe3+浓度在1～16 μmol/L之间时与探针的吸光度有良好的线性关系。探针可适用的pH值范围在5.54～10.12之间。

图3 探针RH-Fe对Fe3+可能的络合机理

胡伟等[14]在罗丹明B的基础上，将其与水合肼、6-氮杂吲哚-3-羧醛反应，合成了新型Fe3+荧光探针RN(图4)。RN与Fe3+形成1∶1的稳定螯合物，使罗丹明分子内的螺内酰胺环发生开环，溶液颜色变为粉红色，具有特征荧光。当环境pH值处于4～10时，在金属离子响应测试中，探针对Fe3+响应良好，其它金属离子对探针的选择性影响均极其轻微，可以忽略。其中在探针的紫外-可见光谱实验中，于565 nm处向荧光探针溶液体系中加入50 μmol/L的Fe3+制备液，探针溶液体系瞬间由无色变为粉红色。此现象表明很容易实现RN对Fe3+的裸眼识别。经Fe3+荧光滴定实验表明，体系在585 nm处荧光强度随Fe3+浓度梯度的不断增加而逐渐增强。当Fe3+浓度在1～20 μmol/L之间时与荧光强度差呈良好的线性关系。根据检出限公式得出RN的检出限为1.02×10-7mol/L。

图4 探针RN合成路线

白童鹿等[15]设计合成了三种(图5～7)基于罗丹明类衍生物的荧光/比色探针。其中基于3-脱氧莽草酸甲酯在对甲苯磺酸催化作用下缩合制备得到了探针分子RhM606(图5)。光谱测试表明当pH值为6时，在Tris-HCl缓冲体系中Fe3+和探针分子发生离子络合反应，导致罗丹明内酰胺开环，在530 nm处产生吸收峰。当制备的探针溶液中加入不同的金属离子后，时除Al3+和Cr3+对Fe3+的检测有一定的干扰之外，其他金属离子对Fe3+的检测干扰均不明显。当置于365 nm紫外灯照射的环境中，可以轻易地分辨出Fe3+与Al3+、Cr3+的不同。由此可见探针对Fe3+具有良好的选择性。该探针在40℃环境中，在与Fe3+反应40 min后吸光度达到最大。在灵敏度检测中，线性拟合结果表明，Fe3+浓度与探针分子RhM606的荧光强度呈线性关系，检测限为3.93 μmol/L。

图5 RhM606与Fe3+配位机理

第二种是由罗丹明6G与乙二胺和4-羟基-3,5-二溴苯甲醛经过一系列反应，得到橘色探针分子产物RhM716(图6)。在探针分子溶液中加入Fe3+，由紫外吸收光谱分析得出，探针在pH值=3时达到最大吸光度。随着溶液的pH增大，吸收强度逐渐减弱，当pH值≥6时530 nm处的吸收消失。在灵敏度检测研究中，线性拟合结果显示该探针的吸光度与Fe3+的浓度在15～50 μmol/L和50～120 μmol/L范围内，相应的有两段良好的线性关系。计算得到检测限为1.26 μmol/L，探针具有良好的可逆性，能够多次反复使用。

图6 RhM716与Fe3+配位机理

第三种是由罗丹明B酰肼中间体和3-羟基-4-甲氧基-2-溴苯甲醛，经过一系列反应得到的淡紫色探针分子RhM668(图7)。在pH值=7时该探针与Fe3+络合产生最大吸收，探针对Fe3+具有优异的选择性，基本不受其他金属离子的影响。在金属离子干扰实验中，仅有Fe3+与探针溶液发生络合反应，溶液由无色变为紫红色。紫外-可见吸收光谱测试表明，在Fe3+浓度处于40～150 μmol/L和200～400 μmol/L之间时，探针的吸收强度与Fe3+浓度有良好的线性关系。经过计算探针作为比色探针检测Fe3+的检出限为2.46 μmol/L。

图7 RhM668与Fe3+配位机理

陈晓超等[16]经过一系列反应合成了化合物 2-吡啶-4-苯基喹啉，并研究了该化合物作为Fe3+和Fe2+荧光探针的特性。探针与Fe3+在466 nm的发射波长处出现很强的发射峰，由此判断Fe3+与探针之间具有荧光增强效应。探针对Fe3+的最高浓度检测限为1.2×10-4mmol/mL,对Fe3+的最低离子检测下限为0.1913×10-8mmol/mL，荧光光谱仪的检测下限为0.1557×10-8mmol/mL。经过进一步的研究表明探针与Fe3+的络合比为1∶2。

3 吡嗪类

图8 探针分子结构

2005年H.Ouchetto[17]人在Bioorg.Med.Chem.上报道了一种Turn-Off型Fe3+荧光探针(图8)，该探针处于甲醇体系下时，随着Fe3+的不断加入，荧光逐渐减弱。

4 吡喃类

Guo Fengchen等[18]于2012年在Research on Chemical IntermnediatesAhead of Print上报道了四种Turn-Off的Fe3+荧光探针(图9)，在乙腈体系下， Fe3+对GH-1、GH-2、GH-3、GH-4四种探针都具有猝灭作用，猝灭程度分别为67.1%，68.8%，98.8%，99.9%，由此可知GH-4对Fe3+具有更好的选择性，二者的结合常数为2.2×104M-1。

图9 探针分子结构

5 甲基麦芽粉类

曹悦等[19]以甲基麦芽粉为原料经过一系列的反应，得到了一种荧光猝灭型荧光探针，探针的最大发射波长分别为550、547和542 nm。探针的计算脂水分配系数小于5，能够顺利的透过细胞膜在细胞内分布。在Fe3+对探针荧光的猝灭实验中，研究发现当Fe3+与探针的浓度配比小于1∶3的时候，Fe3+与探针强度呈线性相关。经过计算得知F0/F与Fe3+的浓度无线性相关，证明猝灭的机理是静态的而不是动态的，在离子干扰实验中发现Cu2+和Fe2+对探针的荧光猝灭能力与Fe3+相当，但是Cu2+在细胞内的含量较少，几乎可以忽略其影响。

6 菲并咪唑类

何玉倩等[20]以菲并咪唑为母体，设计合成出一种具有ESIPT和AIE特征的酚羟基菲并咪唑荧光猝灭型Fe3+荧光探针PIP-o-OH。在MeOH/H2O(v∶v=1∶9，Hepes 10 μmol/L，pH值=7.4)溶液中，考察了探针在形成聚集的条件下对Fe3+具有良好的选择性识别性能。同时研究发现该探针在pH值为2～12的范围内均对Fe3+具有优异的识别能力。在MeOH/H2O(v∶v=1∶9，Hepes 10 μmol/L，pH值=7.4)体系中，处于478nm发射波长下，当Fe3+浓度达到1 mmol/L时，在加入Fe3+的后20s探针分子的荧光猝灭强度达到最低值。通过Job法探究发现该探针与Fe3+形成化学计量数比为1∶1的络合物。此外探针PIP-o-OH的细胞毒性研究结果表明，探针浓度为20 μmol/L时，在HeLa细胞内的成活率大于85%，说明探针分子的毒性低，可用于细胞检测。

7 鞣花酸类

冯焕然等[21]建立了鞣花酸(EA)测定Fe3+的荧光分析方法。在80%的甲醇-水体系中，pH值为6.5时EA对Fe3+具有良好的络合作用，除Cr3+和Fe2+之外其他金属离子均不干扰测定，研究发现EA可与Fe3+形成配合物，其配位比为1∶2。对Fe3+和Fe2+检测的线性范围均为0.08～1.1 μmol/L。

8 BODIPY类

渠星宇等[22]用吡啶-2-甲酸(4-甲酰基苯酚)酯，在BODIPY染料的3-位引入对羟基苯基，得到了一种探针，该探针易溶于各种有机溶剂。探针在甲醇溶液中的最大吸收波长为570 nm，最大发射波长为585 nm。当溶液的pH值从酸性过渡到碱性的时候，其最大吸收波长发生红移，而且溶液颜色会有明显的变化，可作为一种“裸眼”可视化的pH探针。同时该探针对Fe3+也有良好的选择性，以及明显的响应，最低检出限为0.36 mmol/L，该探针既是比率计量型的“裸眼”探针，又是比率计量型的荧光探针。

9 富勒烯类

叶超等[23]以富勒烯C60为碳源，运用水热法合成了一种水溶性良好，在365 nm紫外灯照射下具有明亮蓝色荧光的富勒烯量子点，在日光下表现为浅棕黄色。Fe3+对量子点的淬灭非常明显，Cu2+、Fe2+对量子点的荧光强度虽然也有一定的猝灭作用，但效果远不如Fe3+。由此判断其可以选择性识别Fe3+，结果表明Fe3+浓度在0～50 μmol/L的范围内，室温条件下量子点荧光猝灭的程度与其呈现出良好的线性关系。

10 展望

综上所述，用罗丹明、香豆素、BODIPY等作为荧光团合成的探针对Fe3+高选择性和高灵敏度得到了广泛的关注，对溶液中、细胞内以及环境中的Fe3+的定性和定量分析展现出良好的应用前景。新型荧光材料如荧光有机纳米颗粒、荧光树枝状聚合物、金属有机框架(MOF)等由于其与Fe3+特有的结合方式及不同的荧光强度变化机理，使其对Fe3+的选择性更胜一筹。如何解决荧光探针水溶性低、水稳定性差、pH探测范围窄、响应时间长等缺点，成为科研工作者关注的焦点。荧光探针分子能够对溶液中、细胞内以及环境中Fe3+的定性定量分析，若能够实现其商品化，它将很好地运用于实验室研究、工业生产、医药卫生等方面，为提高人类生活质量做出巨大贡献。