由于在化學分析、環境監測、生命科學和生物醫學等諸多領域的廣泛應用，熒光探針的設計、合成與應用研究已經成為當前非?；钴S的研究領域之一[1 ~9].熒光探針用于金屬離子和陰離子的檢測，具有方法簡單、靈敏度高、選擇性好及響應速度快等優點。此外，很多熒光探針還可以用于活細胞和生物體內的金屬離子或陰離子的顯影跟蹤。至今已有種類繁多、數量龐大的基于各種識別機制而設計合成的熒光探針被報道。絕大多數已經報道的熒光探針都是針對某一特定離子的高選擇性識別而設計的，在滿足專一性識別功能的同時，這種熒光探針和被檢測離子“一對一”的定制合成方式也大大增加了合成研究的工作量。為了深度開發利用熒光探針分子的功能，很多國內外研究者把目光轉向了多功能熒光探針，即利用一個熒光探針分子通過多種信號通道響應（ 如熒光光譜、紫外-可見光譜、氧化還原電位等）[10 ~14]或調控溶劑體系[15 ~17]等方法實現其多離子識別功能?？墒?，已報道的多功能熒光探針在識別不同的目標離子時，通常需要大量摸索測試的溶劑條件或綜合運用不同類型的檢測信號模式才能達到多功能識別的目的，因此造成檢測過程復雜，也為實際應用帶來一定的困難。

接力識別是熒光探針分子功能強化的一個新方向。所謂接力識別是指探針分子在一定條件下對某一離子進行選擇性識別后，利用原位生成的中間產物（ 新的中間體或者是配合物） 與新的離子物種間的特殊作用直接在原測試條件下繼續進行新的離子識別。顯然，接力識別型熒光探針能夠使得兩種離子的識別操作可在同一測試條件下連續進行，具有操作簡單的顯著優點，并能降低探針合成的工作量，有利于節能減排。

按照接力識別過程中的離子類型，已報道的接力識別研究可以分為四種類型： 金屬離子和陰離子的接力識別、陰離子和金屬離子的接力識別、金屬離子和金屬離子的接力識別及陰離子和陰離子的接力識別。本文將對以上四種類型接力識別研究的主要進展加以介紹。

1 金屬離子和陰離子的接力識別

由于金屬離子和陰離子電荷互補，某些“熒光探針-金屬離子”絡合物又可以作為間接識別陰離子的熒光探針，并具有實時響應的優點，所以設計合成對特定金屬離子和陰離子具有接力識別功能的熒光探針備受關注，并已經成為當前接力識別熒光探針研究的主要方向。

1. 1 Zn2 +和陰離子的接力識別

2011 年，Ghosh 等[18]設計合成了基于喹啉衍生物的熒光分子探針 1,其在 100% 水溶液（ pH =7. 4） 中可以通過螯合增強熒光機制選擇性地識別 Zn2 +,原位生成的 1-Zn2 +絡合物可以接力識別焦磷酸根（ PPi） ,1-Zn2 +與 PPi 繼續絡合后造成熒光猝滅。

2011 年，Yamato 等[19]設計合成了含芘的熒光探針 2.在乙腈/二氯甲烷（ 1000∶ 1,此處及下文的混合溶劑比例均為體積比） 中，探針 2 與Zn2 +結合后破壞了原有的激基締合物（ excimer）的形成，使長波長熒光猝滅，芘單體的熒光得以增強。原位生成的 2-Zn2 +與 H2PO4-結合后，又能重新形成部分 excimer,引起熒光增強。通過excimer 的破壞與形成實現了 Zn2 +和 H2PO4-的接力識別。

Zn2 +的結合比由最初的 2∶ 1變為 1∶ 1,熒光發射發生了紅移，并且發射強度先增強后降低。當向1∶ 1的3-Zn2 +絡合物中進一步加入 PPi 時，熒光發射發生藍移并增強。紫外吸收光譜和熒光光譜研究結果表明其他磷酸類陰離子如磷酸根和三磷酸核苷酸等不能誘導產生類似 PPi 引起的熒光發射變化，體現了探針 3-Zn2 +和 PPi 之間獨特的結合作用。

2013 年，Singh 等[21]合成了一種席夫堿類的多重響應型熒光探針 4.在 N,N-二甲基甲酰胺/H2O （ 7∶ 3） 溶液中，探針 4 與 Zn2 +結合后熒光顯著增強，該過程是通過抑制激發態分子內質子轉移（ ESIPT） 和電荷轉移（ CT） 過程而引起的。原位生成的 4-Zn2 +的絡合物可以通過金屬離子取代途徑用于識別磷酸根，表現為熒光猝滅。磷酸化的生物分子如 ATP、ADP、AMP、NADP 及 NAD等也可以引起類似的熒光光譜變化。

2013 年，Das 等[22]報道了由 8-氨基喹啉縮合而得 的 雙 席 夫 堿 型 熒 光 探 針 5.在 甲 醇/水（ 3∶ 2,HEPES 1mmol/L,pH 7. 4） 中，5 對 Zn2 +具有高度選擇性，結合比為 2∶ 1,5 與 Zn2 +結合后抑制了 C = N 鍵的異構化，導致熒光增強。原位生成 5-Zn2 +絡合物對 PPi 具有選擇性識別作用，PPi先與5-Zn2 +結合，然后奪取 Zn2 +釋放出5,熒光被猝滅。

2013 年，Kumar等[23]報道了一種基于萘二酰亞胺結構的比率型熒光探針 6,該探針在水/乙腈（ 2∶ 8） 中可以比率型識別 Zn2 +.原位生成的 6-Zn2 +能接力識別 PPi 和 H2O2.PPi 與 Zn2 +結合后，降低了 6 與 Zn2 +的結合作用，引起 6 的熒光恢復，而 H2O2與 Zn2 +的結合作用較弱，盡管可引起熒光猝滅和藍移，卻不能使 6 的發射得以恢復。此外，6 還可用于活細胞內 Zn2 +的成像。

2013 年，Tang 等[24]報道了一種含二-（ 吡啶亞甲基） 胺的苯并咪唑衍生物 7 作為比率型 Zn2 +熒光探針。在乙腈/水 （ 2∶ 8,HEPES 10mmol/L,pH = 7. 4） 溶液中，探針 7 具有典型的 ESIPT 熒光團的雙發射性質。7 與 Zn2 +結合后，ESIPT 過程受到抑制，產生一個新的發射峰。當向原位生成的 7-Zn2 +絡合物中加入 S2 -時，Zn2 +被奪取出來釋放出自由的探針 7,其熒光性質得到恢復。通過 ESIPT 的調控（ 先抑制后恢復） 實現了 Zn2 +和S2 -的比率信號接力識別。與 7 具有相似結構的化合物 8,可用于在純水溶液中對 Zn2 +和 S2 -的比率信號接力識別[25].

2014 年，Jiang 等[26]基于光誘導電子轉移（ PET） 和 C = N 異構化機制設計合成了熒光探針9.在甲醇溶液中該探針與 Zn2 +結合，抑制了PET 過程及 C = N 的異構化，引起熒光增強，但是該探針對其他金屬離子的抗干擾能力稍差。原位生成的 9-Zn2 +絡合物可通過金屬離子取代途徑識別 H2PO4-,發生熒光猝滅。

1. 2 Cu2 +和陰離子的接力識別

近年來，筆者課題組報道了一系列 Cu2 +和陰離子的接力識別能力的探針化合物（ 10 ~ 17） .化合物 10 是含苯并咪唑結構的席夫堿型熒光探針，其 在 甲 醇/水 （ 1/1, HEPES 10mmol/L,pH = 7. 0） 溶液中能高選擇性識別 Cu2 +并發生熒光猝滅。原位生成的 10-Cu2 +絡合物與 CN-作用后，通過 CN-奪取 Cu2 +釋放出探針 10,使其熒光恢復。探針 10 對 Cu2 +及 10-Cu2 +絡合物對 CN-的檢測限分別為1. 82 ×10- 8mol / L 和 1. 62 × 10- 6mol /L.探針 10 對 Cu2 +和 CN-接力識別的功能使其在實際樣品中 Cu2 +和 CN-的檢測方面具有潛在的應用價值[27].

化合物 11 是一種喹唑啉類熒光探針，該探針在甲醇/水（ 1∶ 1,pH =7. 0） 溶液中對 Cu2 +具有高度選擇性，由于銅離子的順磁性造成熒光猝滅。原位生成 11-Cu2 +絡合物可以接力識別 CN-,CN-可以將 Cu2 +從配合物中奪取出來，11 的熒光信號得到恢復[28].

2013 年，我們報道了熒光探針 12[29].有趣的是，12 對 Cu2 +和 CN-具有熒光信號連續增強的接力識別功能。在水溶液中（ pH =7. 0） 中該探針與 Cu2 +以 2∶ 1的比例相結合，絡合后增強了熒光團 的 剛 性 導 致 其 熒 光 增 強。原 位 生 成 的12-Cu2 +絡合物能繼續與 CN-結合（ Cu2 +未被奪?。?,CN-向中心 Cu2 +的供電子效應削弱了喹唑啉結構向 Cu2 +的 PET 效應，從而引起熒光發射繼續增強。這種在金屬離子和陰離子的相繼作用下熒光信號連續增強的接力識別目前還鮮見報道。

圖式 1 推測的 12-Cu2 +及 12-Cu2 +-CN-的結合模式Scheme 1 Proposed binding modes of 12-Cu2 +and12-Cu2 +-CN-complex近兩年，筆者課題組還相繼報道了幾個可在100% 水溶液中對 Cu2 +和 S2 -進行接力識別的熒光探針?；衔?13 是一種新的熒光和比色雙通道響應的探針。13 在 100% 水溶液（ pH = 7. 4）中，通過顯著的顏色和熒光變化表現出對 Cu2 +的高選擇性、高靈敏度識別。原位生成的 13-Cu2 +絡合物通過熒光猝滅對 S2 -顯示出高度選擇性，而其他陰離子和含巰基的氨基酸對熒光信號沒有明顯影響。探針 13 對 Cu2 +和 S2 -的接力識別過程均可快速響應。

隨后，我們使用一個簡單的苯并咪唑類熒光探針 14 也實現了 Cu2 +和 S2 -的高選擇性接力識別[31].在 100%水溶液（ pH =6. 0） 中，14 與 Cu2 +結合后發生熒光猝滅。原位生成的 14-Cu2 +絡合物通過 S2 -對 Cu2 +置換，熒光恢復。14 對 Cu2 +及14-Cu2 +絡合物對 S2 -的檢測限分別為 3. 5 ×10- 7mol / L 和 1. 35 × 10- 6mol / L.實驗結果表明，熒光分子探針 14 在實際水樣中對 Cu2 +和 S2 -的檢測具有潛在的應用價值。此外，筆者課題組報道的熒光探針 15[32]、16[33]和 17[34]都實現了在100% 水溶液中通過熒光信號的“開-關-開”變化對 Cu2 +和 S2 -的接力識別。

2011 年，Zhu 等[35]報道了一種新型的手性熒光探針 18.它作為一種“開-關”熒光探針在水溶液（ pH =7. 3） 中與 Cu2 +結合后，熒光猝滅。盡管18 沒有直接顯示出對映選擇性，但其結合 Cu2 +后，原位生成的 18-Cu2 +絡合物對 α-氨基酸表現出顯著的熒光增強和較好的對映選擇性。

2012 年，Shao 等[36]合 成 一 種 新 的 基 于BODIPY 熒光團的探針 19,可作為“開-關 ”型Cu2 +熒光探針，并具有高度選擇性和靈敏度。探針 19 與 Cu2 +結合后熒光猝滅，這是由于發生了配體向金屬離子的電荷轉移（ LMCT） 過程而造成的。19-Cu2 +可作為一種有效的“關-開”型熒光探針高效識別高半胱氨酸（ Hcy） 及半胱氨酸（ Cys） .

2012 年，Jang 等[37]報道了熒光探針 20,可在乙腈溶液中選擇性識別 Cu2 +,熒光發射由弱變強，二者的結合比為 1∶ 1.在乙腈/水 （ 8∶ 2） 中原位生成的 20-Cu2 +絡合物能夠通過 Cu2 +置換途徑選擇性識別 I-.20-Cu2 +與 I-作用后，I-奪取Cu2 +造成熒光猝滅。

2013 年，Feng 等[38]直接使用 1,1'-聯二萘酚作為 Cu2 +熒光探針。在乙腈/水 （ 1∶ 1） 溶液中，被測試的金屬離子中只有 Cu2 +能夠引起 1,1'-聯二萘酚在 360nm 處的熒光完全猝滅，這是由于 1,1'-聯二萘酚被 Cu2 +氧化成了化合物 21,并形成了一個 Cu-21 絡合物。繼續向該體系中加入含有巰基的氨基酸如 Cys、Hcy 及谷胱甘肽（ GSH） 后，在 482nm 處出現一個新的發射峰，這是由于含有巰基的氨基酸可將銅離子從 Cu-21 絡合物中奪取出來，使溶液表現為 21 的熒光發射。而其他天然氨基酸不能引起類似的熒光光譜變化。

2013 年，筆者課題組[39]利用“點擊”反應合成了喹啉衍生物 22 并將其用作熒光探針。在二甲基亞砜/水（ 1/1,HEPES 20mmol/L,pH = 7. 4）中22 能接力識別 Cu2 +和 PPi.探針22 與 Cu2 +結合后，熒光被猝滅，顯示出探針 22 對 Cu2 +具有高選擇性。原位生成的 22-Cu2 +對 PPi 具有高度選擇性識別作用，加入 PPi 能引起熒光恢復。Cu2 +和 PPi 的識別過程均具有良好的抗干擾能力。

2013 年，Pitchumani 等[40]報道了一種環糊精接枝黃酮的熒光分子探針 23.核歐佛豪瑟效應頻譜（ NOESY） 以及發射光譜研究表明黃酮部分的苯環被嵌入環糊精空腔中。探針 23 與 Cu2 +結合后發生熒光猝滅，當繼續加入 L-組氨酸時熒光恢復。L-組氨酸將 Cu2 +從 23-Cu2 +絡合物中奪出并釋放出 23,導致其熒光信號恢復。由此可見，探針 23 可以特異性識別 Cu2 +和 L-組氨酸。

1. 3 Hg2 +和陰離子的接力識別

2012 年，Wu 等[41]合成了一種若丹明衍生物24 官能化的硅納米粒子 RFSNP,并將其用作識別多種離子的熒光探針。RFSNP 與 Hg2 +結合后在578nm 處 的 熒 光 顯 著 增 強，RFSNP-Hg2 +與H2PO4-結合后，熒光繼續增強并發生 19nm 的藍移，實驗證明 H2PO4-是以氫鍵形式繼續與 24 中的仲胺側鏈結合而不是與 Hg2 +離子絡合。向RFSNP-Hg2 +中 加 入 S2 -后，熒 光 信 號 恢 復 至RFSNP 的發射光譜。RFSNP 具有低毒性和良好的細胞膜滲透性，可用于活細胞成像。

2013 年 Singh 等[42]采用化合物 25 在水溶液中聚集成的熒光有機納米顆粒作為熒光探針。所得的熒光有機納米顆粒在水溶液（ pH =7. 4） 中對Hg2 +表現出良好的選擇性和靈敏度，與 Hg2 +結合后熒光猝滅，可實現 nmol 級的 Hg2 +檢測。原位生成的絡合物可通過紫外-可見光譜變化實現對Cl-的識別，檢測限可達 μmol 級。

隨后，他們[43]又利用含有芘熒光團的熒光分子探針 26 實現了 Hg2 +和 Cl-的接力識別。26 在水溶液中與 Hg2 +結合后，引發了芘 excimer 的形成，在 460nm 處出現新的寬發射峰，證明探針 26對 Hg2 +具有良好的選擇性，使得 26 在水溶液中可比率識別 Hg2 +,檢測限為 0. 2μmol/L.原位生成 26-Hg2 +絡合物與 Cl-結合后，在 375nm 處及392nm 處熒光增強。

2014 年，Chattopadhyay 等[44]設計合成了一種識別 Hg2 +的探針 27.27 在水溶液（ pH =7. 4）中對 Hg2 +具有高度選擇性，只是達到平衡的響應時間稍長（ 1h） .結合 Hg2 +后（ 330nm 激發） ,通過熒光共振能量轉移機制（ FRET） 導致 575nm 處的熒光增強，喹啉熒光團在 440nm 的熒光減弱，檢測限低至 0. 45μmol/L.進一步研究表明，所得的27-Hg2 +絡合物與 S2 -作用后能釋放出探針27,其熒光信號得到恢復。

2014 年，Fang 等[45]使用探針 28 首次實現基于 J-聚集及解聚的機制識別 Hg2 +和 Cys.探針28 與 Hg2 +結合后發生 J-聚集引起熒光猝滅。原位生成的 28-Hg2 +聚集體與 Cys 作用后，Hg2 +被Cys 奪出，28 的熒光信號得到恢復。探針 28 對Hg2 +和 Cys 檢測限分別為 36. 6 和 91. 3nmol/L.

1. 4 其他金屬離子-陰離子的接力識別

除了前述的幾種報道較多的 Zn2 +、Cu2 +、Hg2 +幾種重要的金屬離子與陰離子的接力識別外，近年來還出現了許多其他金屬離子與陰離子的接力識別報道，如 Al3 +和 HSO4-[46]、Al3 +和ClO4-[47]、Al3 +和 F-[48]、Fe3 +和 Cys[49]、Fe3 +和F-[50]、Cd2 +和 H2S[51]、La3 +和 F-[52]、Cr3 +和HSO4-、F-[53]以及 Ag+和 I-[54]的接力識別。

2 陰離子和金屬離子的接力識別

2010 年 Yin 等[55]報道了一種色烯衍生物 29對 Cys 和 Hg2 +的 接 力 識 別。29 在 Tris-HCl（ 10mmol/L,pH =8. 0） 緩沖液中于 550nm 處具有強熒光發射，與 Cys 作用后發生開環反應得到產物 30,熒光發生猝滅。向原位生成的產物 30 中加入 Hg2 +后，可引起脫硫及分子內邁克爾加成兩個連續反應，重新生成 29,使其熒光信號得以恢復。

2012 年 Peng 等[56]利用探針 31 首次實現了基于熒光“開-關-開”機制的 F-和 Cu2 +的接力識別。探針 31 對 F-具有高選擇性、高靈敏度的識別作用。由于 F-對硅原子具有很強的親和力，能將酚羥基上的 TBS 保護基團脫去，所得的酚氧負離子進而發生對氰基的加成反應得到環化產物32,這一過程使得 31 在乙醇 /水（ 1 ∶ 1） 溶液中的熒光發射急劇增強，溶液顏色由黃變綠。31 與F-作用后，在乙醇溶液中熒光增強 833 倍； 在水溶液中熒光增強 164 倍?，F場生成的環化產物32 可選擇性識別 Cu2 +,與 Cu2 +結合后其熒光迅速猝滅，二者的結合比為 1∶ 1.

2013 年，Bhalla 等[57]利用五苯醌骨架合成了探針 33,其在 DMSO 溶液中與 F-作用后發生酰胺的去質子化，造成其熒光猝滅。原位生成的去質子化產物可通過熒光增強識別 Cu2 +.這種對F-和 Cu2 +具有接力識別功能的熒光探針尚不多見。

最近 Yin 等[58]巧妙地使用一種商品化的有機顏料中間體 3,4,9,10-苝四甲酸二酐（ 34） 成功實現了 HS-和 Hg2 +的接力識別。在水/二甲基亞砜（ 1/1,pH = 7. 4） 溶液中，34 可高選擇性識別HS-,在 499nm 處引起顯著的熒光增強。這是由于 HS-先對酸酐發生親核進攻導致 34 發生水解開環并發生取代反應生成相應的硫羥酸而引起的。所生成的產物能通過熒光猝滅接力識別Hg2 +,這是由于 Hg2 +與硫的強親和性，硫羥酸產物發生了脫硫及環化反應重新生成了 34.

3 金屬離子和金屬離子的接力識別

利用兩種金屬離子與探針分子的結合常數差異而進行的金屬離子間置換是較早出現的接力識別，但是這種金屬離子間置換過程容易導致競爭離子間相互干擾的缺陷。

2006 年，Yang 等[59]設計合成了熒光探針增強，結合比為 1∶ 1.原位生成的 39-Zn2 +絡合物與 Cu2 +作用后熒光猝滅，這表明 39-Zn2 +可以通過金屬離子置換識別 Cu2 +.這種熒光信號“關-開-關”形式的接力識別，為使用弱熒光強度的分子探針識別對熒光具有猝滅作用的金屬離子提供了一個較為簡便的方法。

4 陰離子和陰離子的接力識別兩種離子的接力識別

具有高度的挑戰性，目前相關報道極少。2012 年，Wang 等[64]報道了一種具有兩種特異性反應位點的探針 40,并用于接力識別 F-和 CN-,具有快速響應和獨特的三重輸出模式（ 熒光顏色、熒光強度和紫外吸收譜圖） ,同時也實現了通過熒光及紫外吸收比率型識別 F-和 CN-.探針40 與 F-作用后，脫去2 個TBS 基團并發生分子內環化反應生成 41,熒光增強； 當 41 繼續與 CN-反應時發生親核取代反應生成產物 42,熒光繼續增強。

5 結語

由于在實現熒光探針分子功能強化方面的獨特優勢，具有接力識別功能的熒光探針研究已經受到越來越多的關注?；趦煞N離子對探針分子的連續性專一型反應而設計的接力識別功能熒光探針目前仍然稀少，但已經引起了研究者的重視。在探針分子設計的源頭上著重關注其連續使用的潛力，合成出具有接力識別功能的探針分子，對于減少合成工作量，實現節能減排都具有重要意義。

此外，通過預設接力識別的離子對于某些特定熒光響應機制的（ 如 ESIPT） 的調控，是實現比率熒光信號輸出接力識別的有效方法。設計合成可在純水介質中實現重要離子或分子的專一性接力識別的熒光探針，并應用于生命體系中的成像與示蹤，將是未來接力識別研究工作中重點領域?？梢灶A見，具有接力識別功能的熒光探針研究將會吸引越來越多的研究者的興趣，在識別機制的綜合運用、探針分子功能強化等方面將會有更廣闊的應用前景。

參 考 文 獻

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