钌配合物离子探针的性质及研究进展

夏晓丽

(江西科技师范大学有机功能分子研究所，江西 南昌 330013)

0 引言

环境问题已经成为各行各业关注的焦点，如何定性以及定量测量环境中的污染物成为解决环境问题的首要问题。一些重金属离子以及有害离子经过各种方式被排放到环境中造成环境污染，同时，这些离子可经过生物循环发生转化，最终在人体内累积进而使人患上各种疾病，因此，越来越多的科研工作者将离子探针作为研究新方向。

与有机荧光离子探针的寿命(<10ns)相比，钌配合物荧光探针具有以下优势：荧光寿命较长，可利用时间分辨技术，减少一些背景荧光的干扰[1]；激发以及发射波长可进行调节，利用可见光波长激发可减少对细胞的伤害，有利于细胞成像研究[2]；钌具有光热稳定性、较大的斯托克斯位移、低毒性等。开发具有高灵敏度与高选择性的离子识别的钌配合物探针已经受到越来越多的科研者的关注[3，4]。设计探针的理念常常是将有特异性识别的结构或者分子引入金属钌配合物，加以修饰，以达到选择性识别的目的。

1 基于金属钌金属配合物的阳离子探针

基于金属钌配合物的荧光探针用于阳离子的检测，其机理主要在于将金属钌配合物作为荧光团，引入与某一金属离子具有特异性识别功能的基团或者络合的基团，使金属离子与探针某一部分进行络合，使其荧光/磷光强度或发射波长发生明显的变化，以达到识别的效果。

Zhang[5]等人开发了一种用于水溶液中选择性络合Cu2+的荧光猝灭型钌配合物探针RuHPIP。Cu2+可以与探针结构中的2-羟基苯基咪唑的配体特异性结合，并在生理环境下瞬间使探针发光猝灭。同时，该探针能够以7.23×10-8M的检测限对Cu2+进行快速和可逆的检测，并且可以对活豌豆蚜虫中的Cu2+进行成像。

Cui[6]等人通过引入亲水性膦酸基团设计并合成了一种可以在100%的水溶液中识别Hg2+与Cys的比色钌配合物探针，其检测的检测限(LOD)分别为15nM和200nM，有趣的是在100%水溶液中交替添加Hg2+和Cys时，溶液的颜色也会发生相应的变化。

图1 RuHPIP的结构式

近年来，时间分辨技术利用探针的荧光/磷光寿命较长，消除短寿命的荧光干扰，使得该技术很受欢迎。刘伟生课题组[7]设计了一种基于钌配合物的高敏感、高选择性的Hg2+磷光探针Rubpy-1。该探针具有较低的细胞毒性和对活细胞的优异膜通透性，其发射波长611nm，激发波长为467nm，通过共聚焦发光成像已成功应用于有效监测细胞内Hg2+。值得注意的是该探针的磷光寿命为215ns，通过利用时间分辨技术，用罗丹明B作为典型的荧光干扰物，实验结果表明该探针可以有效消除复杂介质中短时背景荧光的信号干扰，同时信噪比和检测精确度也得到了显着提高。此外，探针具有较低的细胞毒性和对活细胞优异的膜通透性，通过共聚焦发光成像已成功应用于有效监测细胞内Hg2+。

2 基于钌金属配合物的阴离子探针

用于阴离子的检测的金属钌配合物的荧光探针，其机理主要是引入一些强吸电子基团到钌金属配合物中，阴离子与探针发生亲核加成反应或亲核取代，结构发生变化，以达到发光强度的明显变化的目的。

Zhang[8]等开发了基于钌配合物的发光探针Ru-CHO，由于强吸电子醛基团导致分子内电荷转移，Ru-CHO的发光较弱。在亚硫酸氢盐存在下，Ru-CHO中的醛基与亚硫酸氢盐发生亲核加成反应，分子内的电荷转移(ICT)被破坏，发光显著增强。该探针可以快速(识别反应可以在几秒钟完成)，高灵敏和选择性地识别亚硫酸氢盐，其检测限为0.52μM。Ru-CHO已成功应用于葡萄酒和糖样品中亚硫酸氢盐的定量检测，验证了Ru-CHO作为发光探针检测食品样品中亚硫酸氢盐的实用性。

图2 Rubpy-1的合成路线及识别机理

图3 Ru-CHO的结构式以及与HSO3-反应后的产物

Zhu[9]等设计了一种磷光与比色双通道识别CN-的钌配合物探针P1。该探针在60%的水溶液中，用肉眼可以观察到CN-的加入使溶液的颜色从橘色变为黄色。同时，随着CN-的滴加，在700nm处磷光谱带逐渐消失，在618nm处出现了新谱带并磷光增强，发生了蓝移(<100nm)。识别机理是CN-与钌金属配合物探针上的醛基发生亲核加成反应。除此之外，该探针成功应用于试纸条实验，拓展了该探针的实际应用。

图4 P1的结构式以及合成路线

3 阴离子与阳离子双识别的钌金属配合物探针

Ramachandran[10]等合成了基于双核钌Ru2L的超分子，并使用疏水的对叔丁基杯[4]芳烃和双钌聚吡啶基配合物通过三唑连接，转化为水溶性探针，在CH3CN/10mM HEPES(pH=7.4)(8/2，v/v)缓冲液介质中，该探针对Cu2+离子识别，根据EPR(电子顺磁共振)分析，由于铜离子的顺磁性使其荧光猝灭，具有高灵敏度和选择性，检出限为4.11mM。集合体(Ru2L-Cu2+)进行了进一步研究，结果表明只有硫化物阴离子可以使Ru2L-Cu2+发光强度增强。集成体通过金属离子置换方法形成稳定的CuS，使其荧光增强。估算S2-的检测极限为0.35mM，这对于在水性介质中基于超分子平台的传感器而言，这是极好的结果。此外Ru2L还显示出对人肺癌细胞A549的低细胞毒性，可用于细胞成像。

图5 Ru2L的合成路线

4 结论

钌配合物作为离子探针具有以下优点：一、钌配合物良好的水溶性，使钌配合物能够在水溶性介质甚至纯水溶液中检测离子；二、钌配合物的光热稳定性与低毒性使探针能够在细胞甚至活体中实时监测离子的含量；三、钌配合物的荧光寿命较长，可以利用时间分辨技术使其在复杂的环境中，消除短寿命的荧光背景干扰。时间分辨技术的实现，单光子显微镜与双光子显微镜设备的完善，钌配合物可以实现在活细胞甚至生物体内监测离子的动态变化，将会为研究由重金属离子及有毒离子引起的疾病提供新的方法，进一步促进医学的发展。