基于罗丹明B设计的一种新型汞离子荧光探针的合成文献综述

1．结合毕业设计（论文）课题情况，根据所查阅的文献资料，每人撰写2000字左右的文献综述：

文 献 综 述

1 引言

过渡金属及重金属广泛地存在于自然界中，其中的一些元素(如铜、锌等)在生命过程中具有非常重要的功能，而另外一些元素(如铅、汞、镉等)则在很低浓度时就对生物体具有极强的毒性。二十世纪50年代，日本熊本县水俣市发生了震惊世界的公害事件^[1]。

汞单质及Hg² 在排入环境后，可以被水生微生物转化为甲基汞。甲基汞可以通过食物链在生物体内累积起来，达到人体后，产生严重的恶心、呕吐、腹痛、以及肾功能损伤，危害极大。并且,甲基汞是具有神经毒性的，可以引起大脑的永久性伤害，以及各种消化，运动疾病等^[2-6]，此外，汞元素及其化合物能够通过皮肤被吸收，引起口腔炎、齿龈炎等疾病。汞离子对人体含有 S 原子的配合基显现出了很强的亲和力，能引起蛋白质、酶和膜的巯基(-SH)块结。因此汞是一种具有严重生理毒性的化学物质,由于其具有持久性、易迁移性和高度的生物富集性,使其成为目前全球最引人关注的环境污染物之一；另一方面, 汞及汞盐在工业中又使用很广。基于上述原因, 环境中汞的检测引起人们的极大关注, 汞被优先列在全球环境监控系统(GEMS)清单上，全世界都花费大量的人力、物力和财力在开发和研究新型的检测汞离子方法,因此 Hg² 的检测在环保部门自有着重要的意义。

迄今人们己经将各种能够与 Hg² 选择性结合的化合物，如冠醚、杯芳烃、多胺等用于Hg² 的识别，成功地设计了一系列 Hg² 的化学传感器^[6-10]。由于汞具有很强的嗜硫性，所以我们设计了目标化合物1，带有两个硫原子可以很好的与汞结合用来检测汞离子，并且其它离子无干扰。

2 荧光探针的原理

荧光探针的原理首先是分子中的荧光团和待测分子的接收基团通过连接体连接在一起,然后由于待测分子的加入,引发荧光的变化,进而人们就可以监测荧光光谱的变化,通过这些变化达到对待测分子识别的目的,从而将分子、离子微观的化学变化转化为光谱变化^[11-13]。

荧光探针法在分子以及离子的识别过程中有着广泛的应用,它有很多的优点。第一,可以实现在不同的体系中对分子、离子的检测,通过光学信号的变化达到对分子、离子的识别；第二,荧光探针法具有比较高的灵敏度,可以实现对某些分子、离子的专一性识别,这也正是人们所期待的;第三,由于荧光探针的高灵敏度^[14-16],使得它对某些分子、离子的检测限比较低；第四,相对与其他的方法来说,荧光探针法的操作是比较简单的。

2.1 荧光分析法的特点

2.1.1 灵敏度高

灵敏度高是荧光分析法最大的特点，这亦是其受到分析工作者重视的一个重要原因。一般来说，荧光分析法的灵敏度要比分光光度法高 2～3 个数量级。不管是有机分子还是无机元素，都可以通过荧光分析法来进行痕量分析。如污水中一些有害的重金属离子，可以通过荧光分析法测定其含量；用荧光胺作为探针，可在微克数量级范围来测定氨基酸、多肽和蛋白质的含量。

2.1.2 选择性高

荧光光谱包括激发光谱和发射光谱。激发光谱是指不同激发波长的辐射引起物质发射某一波长荧光的相对效率。而发射光谱是指某一激发波长引起物质发射不同波长荧光的相对效率。前者是将发射波长固定，扫描激发波长；后者是将激发波长固定，扫描发射波长。与分光光度法相比较，荧光分析法在鉴定物质时，选择性更强。因为分光光度法只能得到待测物质的特征吸收光谱，而荧光分析法则既能依据特征吸收光谱，又可按照发射光谱来鉴定物质。

2.1.3 试样量少

由于荧光分析法灵敏度高，因而为少量试样的测定提供了可能性。如用荧光分析法测定蛋白质中色氨酸含量时，可以只用 40 微克的蛋白质样品。采用荧光分析法，只需一滴血就能测定血液中葡萄糖的含量。

2．2 荧光参数

荧光分析能提供较多的参数，这些参数从各个角度反映了分子的发光性能。通过对这些参数分析，不但可以做一般的定量测定，而且还可以推断分子在各种环境中的构象变化，从而了解大分子结构与功能的关系。

2.2.1 最大吸收和发射波长

最大吸收和发射波长是最常用的荧光特性参数之一，常用λ_ex和λ_em表示。电子跃迁时吸收或发射的能量并不是任意的，而是受到电子能级的制约，只能吸收和发射一定波长范围的光。荧光探针大多是含有共轭双键体系的有机化合物，共轭双键使其容易吸收激发光，其最大吸收波长大多处于近紫外区或可见光区，最大发射波长多处于可见光区。荧光探针的最大发射波长总是大于其最大吸收波长，两者的差值叫斯托克斯（Stokes）位移。探针的斯托克斯位移越大，其激发光谱和发射光谱的重叠就越少，有利于提高其分辨率。

2.2.2荧光强度

荧光强度是最常用的荧光特性参数之一，常用 F 表示，是指在一定条件下仪器所测得荧光物质发射荧光大小的一种量度。荧光强度决定了荧光探针检测的灵敏度。它本身又取决于荧光探针的摩尔消光系数和荧光的量子产率，在确定的情况下，两者为定值。摩尔消光系数反映了荧光探针吸收激发光的能力，而量子产率反映了荧光探针将吸收的辐射转化为荧光的效率。所用的单位常为任意单位，表示的强度只是相对强度。

2.3荧光探针

荧光探针包括有机类荧光探针和无机类荧光探针，目前最常用的是有机类荧光探针，其按结构分为以下几种：罗丹明、荧光素、菁、酞菁和香豆素等在这些类探针中，罗丹明类荧光探针最大吸收和发射波长较长，受样品背景干扰相对较少，其最大发射波长在500～700nm，是生物分析中经常用到的荧光探针，具有很高的研究和商业价值，在生物领域中的应用占有极其重要的位置，长期以来一直是研究的热点。

3.罗丹明探针研究进展

罗丹明(R)及其衍生物是一类重要的荧光探针材料，属于呫吨类碱性探针。由于苯环间氧桥的存在，分子具有刚性共平面结构，使其分子结构稳定性增强，在激发光的作用下能产生强烈的荧光，在红色可见光区，它们是一类非常好的激光染料^[17]。其单体水溶液能发出强的荧光，有很大的摩尔吸光系数^[18]。在不同的溶剂、pH 值、温度和浓度条件下，罗丹明类探针有多种存在形式，如中性分子、离子形式、内酯和二聚体或四聚体。图 3-1是 pH 值对罗丹明结构的影响：详见附件图3-1 pH值对罗丹明结构的影响

随着生物荧光分析范围的不断拓宽，以下几个方面制约了罗丹明在此领域中的应用^[19,20]。

1)、亲脂性差，对细胞的穿透能力差

2)、荧光量子产率较低，不能满足某些探针检测的需要

3)、特异选择性差，与生物分子发生特异性结合的选择性差 ，难以满足当前分子检测的需要。

为了改善罗丹明类荧光探针的性能，国内外的科学家则以罗丹明为母体，通过引入不同的官能团对罗丹明的结构进行修饰，设计合成了多种罗丹明类衍生物。这些修饰弥补了罗丹明探针的某些缺陷，使其更适用于荧光分析。

4.罗丹明B

罗丹明的基本骨架主要由带有 3, 6 位取代氨基的氧杂蒽母体和 9 位碳原子所连接的芳环两个片段组成。其中带氨基的氧杂葸母体是最重要的一个结构片段，此类化合物的荧光特性与它的结构有着密切的关系。许多合成工作都围绕着顶环的修饰而展开。母环上引入不同的取代基如烷基、芳基、卤素、磺酸基等反应性基团，不仅可以影响这类化合物的最大吸收、发射波长，也直接影响它们的应用性能：氨基修饰包括添加水溶性基团使结构刚化以及不对称修饰，对增色及荧光效应都有较大的影响。由于分子结构中含共轭 π 键和较活泼的助色基团，通过引入不同的官能团对罗丹明的结构进行修饰，可以设计合成出许多罗丹明类衍生物。

罗丹明 B 是重要的荧光探针材料，属于呫吨类染料。罗丹明 B 具有高的消光系数，较好的荧光量子产率，水溶性好，无毒，制备成本低等优点。因此，它是一类较好的荧光探针母体，并且在研究生物分子结构及功能﹑核酸杂交分析和免疫等方面得到广泛的应用。由于苯环间氧桥的存在，分子具有刚性共平面结构，使其分子结构稳定性增强，在激发光的作用下产生强烈的荧光，在红色可见光区，它们是一类非常好的荧光染料。其单体水溶液能发出很强的荧光，在不同的溶剂pH 值、温度和浓度条件下，在溶液状态的罗丹明染料有几种存在形式：中性分子、离子形式、内酯、二聚体或四聚体。据报道^[21]，罗丹明内酰胺化合物在不同酸度的水溶液中存在如下平衡：详见附件图 4.1 pH 值对罗丹明结构的影响

参考文献:

[1] Petanen T, Romantschuk M.Use of bioluminescent bacterial sensors as analternative method for measuring heavy metals in soil extracts. Anal Chim Acta, 2002, 456(1): 55 61.

[2] Mutter J, Naumann J, Schneider R, et al. Mercury and. autism: accelerating evidence？ Neuroendocrinology Lett, 2005, 26(5): 439-446.

[3]Zheng W, Aschner M, Ghersi E J F. Brain barrier systems: a new frontier in metal neurotoxicological research. Toxicol and Appl Pharm, 2003, 192(1): 1-11.

[4] Hoyle I, Handy R D. Dose-dependent inorganic mercury absorption by isolated perfused intestine of rainbow trout, Oncorhynchus mykiss, involves both amiloride-sensitive and energy-dependent pathways. Aquat Toxicol, 2005, 72(1-2): 147-159.

[5] Zalups R K. Molecular Interactions with Mercury in the Kidney. Pharmacol Rev, 2000, 52(1): 113-143

[6] Kobal A B, Horvat M, Prezelj M, et al. The impact of long-term past exposure to elemental mercury on antioxidative capacity and lipid peroxidation in mercury miners. J Trace Elem Med Bio, 2004, 17(4): 261-274.

[7] Chen Q Y, Chen C F. A new Hg2 selective fluorescent sensor based on a dansyl amide-armed calyx[4]-aza- crown. Tetrahedron Lett, 2005, 46(1): 165-168.

[8] Knut R, Matthias K, Ute R G, et al. A Selective and Sensitive Fluoroionophorefor HgII, AgI, and CuII with Virtually Decoupled Fluorophore and Receptor Units. J Am Chem Soc, 2000, 122(5): 968-969.

[9] Yoon J Y, Norman E O, David H V, et al. A fluorescent chemosensor signalling only Hg(II) and Cu(II) in water. Tetrahedron Lett, 1997, 38(22): 3845-3848.

[10] Galina G T, Nazar S A E, Vladimir S T, et al. A Calixarene-Based Fluorogenic Reagent for Selective Mercury(II) Recognition. Anal Chem, 1999, 71(15): 3106-3109.

[10] Cosme G. Franeiseo, Concepcion C.Gonzalez,Emesto Suarez,et al. A Mild Oxidative Decarboxylation of Carbohydrate Acids.Tetrahedron Lett, 1997, 38:4141-4144.

[11]朱维平,徐玉芳,钱旭红.具有重要生物学意义的重金属及过渡金属离子荧光分子探针[J].化学进展,2007, 19(7) :1229-1238.

[12]钱丽丽,徐冬梅,张可达等.一种1, 8-萘酰亚胺Cr"离子荧光探针的研究[J].化学研究与应用,2010, 22(5) :539543.

[13]刘育,尤长城,张衡益.超分子化学-合成受体的分子识别和组装[M].南开大学出版社.2001.

[14]Cao L W, Wang H, Zhang H S. Determination of Phosphoamino Acids by 6-0xy-(N-succiniinidyl acetate)-9-(2' -raethoxycarbonyl) fluorescein and MEKC with LIF Detection [J]. Chromatographia, 2006, 11, 571-578.

[15]Li W R, Wang H, Zhang H S, et al. Direct spectrometric determination of proteins in body fluids using a near-infrared cyanine dye [J]. Anal Bioanal Chem, 2003. 2,350355.

[16]王红,张华山.分离检测生物活性物质的荧光标记试剂与分子探针及其应用[J].化学进展.2007, 19(5) :633-642.

[17]李林书，王瑞芬，杨燕生等，稀土－罗丹明配合物的合成和性质的研究，中山大学学报(自然科学版)，1991, 30(2): 12～18.

[18]庄会荣，冯尚彩，平梅，罗丹明类染料在分析化学中的应用进展，理化检验-化学手册，2001, 37(3): 143～145.

[19]Maciej Adamczyk, Jonathan Grote, Efficient synthesis of rhodamine conjugatesthrough the 2`-position[J],Bioorganic ＆ Medcinal Chem. Lett, 2000, 10(14):1539～1541.

[20]Jose J.B., Ferreira, Silvia M.B., Solvent effects on the vibronic structure of S1←S0 transition of rhodamine 3B[J] .J Mol Struct, 2001, 565/566: 35～38.

[21] Maciej A, Jonathan G. Synthesis of Probes with Broad pH Range Fluorescence. Bioolg Med Chem Lett, 2003, 13(14): 23272330.