2.2　熒光探針的一般模型及其設(shè)計原理

熒光探針有以下幾種模型。

（1）結(jié)合型熒光探針

如圖2.1所示，結(jié)合型熒光探針是較常見的一類熒光探針。工作原理是識別基團(tuán)與被測物結(jié)合時引起信號基團(tuán)的結(jié)構(gòu)特征及所處的化學(xué)環(huán)境發(fā)生一定的變化，例如溶液的顏色在加入被測物前后發(fā)生改變、探針的光譜強(qiáng)度及其位置發(fā)生變化等，這些變化可通過儀器檢測出來或者直接通過裸眼識別，這是目前在設(shè)計熒光探針中最常用的方法。在這類熒光探針的設(shè)計中，必須充分考慮幾方面的因素。①探針分子信號基團(tuán)的選擇、設(shè)計或者合成，通常要求信號團(tuán)有較強(qiáng)的熒光（熒光量子產(chǎn)率要大，有助于提高靈敏度）、有較長的發(fā)射波長（尤其在生物檢測體內(nèi)的成像檢測中避免與短波長區(qū)的背景熒光的干擾）、有較大的Stokes位移。②受體分子的識別基團(tuán)通常選擇一些含有容易與客體之間發(fā)生配位或者易于和被測物形成氫鍵的氧、氮、硫等原子的化合物。③識別基團(tuán)要通過間隔連接基團(tuán)和信號基團(tuán)連接在一起，在連接時要充分考慮連接后能將對識別對象的識別信息及時靈敏地傳遞出去。

如圖2.2所示，Yin等^［1］設(shè)計并合成的以熒光素為信號基團(tuán)和以5-硝基-2-羥基-苯甲醛作為識別基團(tuán)的分子探針，該探針以共價鍵相連，Cu²⁺加入后與5-硝基-2-羥基-苯甲醛羥基氧原子、氮原子及熒光素上的氧原子配位，使得熒光素閉環(huán)結(jié)構(gòu)打開，從而發(fā)生光譜和顏色的變化。

（2）置換型熒光探針

如圖2.3所示，置換型熒光探針主要是利用識別基團(tuán)分別與信號基團(tuán)和底物之間結(jié)合能力的不同來實現(xiàn)對被分析物的檢測。這種原理通常用于陰離子熒光探針的設(shè)計。這種熒光探針的設(shè)計要求相對較高，不僅要求識別基團(tuán)對被分析物是特異型識別而且信號基團(tuán)和識別基團(tuán)之間的結(jié)合能力又不能比被分析物和識別基團(tuán)的結(jié)合能力強(qiáng)。如圖2.4所示，Choi等^［2］設(shè)計了化合物2用于硫離子的檢測。該體系中先加入Cu²⁺與化合物2形成絡(luò)合物，導(dǎo)致熒光素衍生物熒光猝滅，當(dāng)有硫離子存在時，由于Cu²⁺與硫離子的結(jié)合能力較強(qiáng)，所以硫離子可以把熒光素衍生物從絡(luò)合狀態(tài)中置換出來，恢復(fù)其自身的熒光，從而實現(xiàn)對硫離子的檢測。

（3）化學(xué)計量型熒光探針

化學(xué)計量型熒光探針是指探針分子和客體分子之間可以按照一定的計量關(guān)系發(fā)生特異的不可逆化學(xué)反應(yīng)從而引起顏色或熒光發(fā)射的差異。主要包括兩種類型（如圖2.5所示）：一類是探針分子和目標(biāo)分子或離子發(fā)生反應(yīng)后，目標(biāo)分子或離子和探針分子之間仍然通過共價鍵相互結(jié)合；另一類是目標(biāo)分子或離子僅是作為催化劑來使用，在它的催化下發(fā)生不可逆的化學(xué)反應(yīng)生成新的化合物，新化合物在化學(xué)性能上和分子探針之間完全不同，以此來實現(xiàn)對目標(biāo)分子或者離子的檢測，該不可逆體系利用選擇反應(yīng)的優(yōu)勢對特定的目標(biāo)底物分子進(jìn)行識別，通常具有較好的選擇性。

如圖2.6所示，Kim和Hong等^［3］設(shè)計合成的對高半胱氨酸和半胱氨酸進(jìn)行識別的熒光探針，屬于第一種類型。探針的醛基部位與半胱氨酸及高半胱氨酸生成五元噻唑環(huán)或者六元噻唑環(huán)，導(dǎo)致反應(yīng)前后的熒光性質(zhì)具有顯著差異，據(jù)此實現(xiàn)了對半胱氨酸及高半胱氨酸的高選擇性檢測。

Ahn等^［4］設(shè)計合成了羅丹明化合物用來檢測Au⁺/Au³⁺，Au⁺/Au³⁺催化羅丹明炔經(jīng)由含乙烯基結(jié)構(gòu)的中間體轉(zhuǎn)變成含醛基的新化合物，導(dǎo)致羅丹明內(nèi)酯螺環(huán)結(jié)構(gòu)開環(huán)，體系熒光大大增強(qiáng)，如圖2.7所示。