Citation: Zhang Chunyan, Luo Jianxin, Yu Guipeng, Pan Chunyue. Progress in Fluorescent Sensing Materials for Ferric Ion Detection[J]. Chemistry, 2019, 82(9): 771-778.
用于铁离子检测的荧光传感材料研究进展
English
Progress in Fluorescent Sensing Materials for Ferric Ion Detection
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Key words:
- Fluorescent sensing
- / Ferric ion
- / Metal-organic frameworks
- / Quantum dots
- / Metal nanoclusters
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铁(Fe)作为生物体不可缺少的痕量金属元素之一,在氧摄取、氧代谢和电子转移等过程中发挥重要作用[1, 2]。Fe超标会引起胰腺、心脏、肺部等功能器官障碍[3];Fe缺乏会引起贫血症。还有研究表明,阿尔兹海默疾病和帕金森症与Fe有着密切关系[4~6]。美国环境保护署(UEPA)和世界卫生组织(WHO)限制饮用水中Fe含量不超过5.4μmol/L,所以准确、定量检测Fe3+具有重要意义[7]。目前,已有多种检测方法可以实现金属离子检测,如原子光谱法、电化学分析法、电感耦合等离子质谱法等。但是,这些传统检测方法一般操作较复杂、耗时长,需要昂贵的仪器设备,并且选择性差、稳定性差、样品制备相当繁杂且不可循环利用[8~12]。与之相比,荧光传感分析法操作简单、分析迅速,具有较高的稳定性和选择性,且样品处理简单、测试响应时间短,受到越来越多的关注。
荧光传感分析法是利用荧光传感器与被测离子接触后发生荧光增强、猝灭或波长改变而进行检测一种分析方法。作用原理主要包括基于荧光共振能量转移(FRET)、光诱导电子转移(PET)、分子内共轭电荷转移(ICT)、扭曲的分子内电荷转移(TICT)和激基缔合物(Excimer)等[13, 14]。ICT和FRET通常会导致荧光波长发生变化,而另三种通常会出现荧光增强或猝灭。目前,用于Fe3+检测的荧光传感材料主要有金属有机骨架(MOFs)、荧光量子点(QDs)、金属纳米簇、荧光小分子和聚合物等。
1. 金属有机骨架
MOFs是由金属阳离子(或金属簇)和多齿有机配体通过自组装形成的周期性一维、二维或三维网络结构的晶体材料[15, 16]。其中,发光MOFs具有多孔性,孔道可以吸附分析物,导致分析物在传感材料上富集并大大提高传感性能[17];而且,孔的尺寸和化学环境(亲水性/疏水性,极化率等)变化可以用来控制荧光传感相互作用的选择性[18]。由此可见,发光MOFs的多孔特性为其在荧光传感方面的应用带来了多重优势。
发光MOFs可以用于阴离子、阳离子和芳香族硝基化合物的荧光传感检测;其中,作为Fe3+荧光传感材料在近几年也有所报道。Yang等[19]制备了以Al为金属核心的MOFs材料MIL-53(Al),当加入Fe3+后,可与MIL-53(Al)中心Al3+进行离子交换,出现荧光猝灭现象。Lv等[20]通过溶剂热法制备了一种新型Cd-MOFs材料,对Fe3+的检测限(LOD)可达到0.3μmol/L。Xiang等[21]制备了含氨基的MOF(UMCM-1-NH2),其氮原子可将孤对电子供给Fe3+,形成缺电子部分;而荧光团在光激发下形成电子供体,其电子一旦转移到受体上,就会发生能量转移,导致荧光猝灭。Xu等[22]制备了发光二维MOF纳米片NTU-9-NS,该纳米片分散性好,表面活性位点易于与目标金属离子接触,因而可以快速、高灵敏地检测Fe3+,LOD可达到0.45μmol/L。
镧系元素具有独特的光学性质,已被选作MOFs的中心。2016年,Pal等[23]制备了一种基于Tb(Ⅲ)的3D多孔MOF材料Tb-PMOF,其发光是基于“天线效应”,即大π共轭体系吸收光能后转移到Tb,敏化后的Tb发射特征荧光。Fe3+的加入,阻断了从大π共轭体系向Tb的能量转移,导致荧光猝灭,如图 1所示。Sun等[24]制备了一种含有大量空隙2D网络结构、双层拓展的含Tb MOFs材料(TbMOF-COOH);体系中含有大量未配对的活性羰基,能与铁离子相互作用导致荧光猝灭。Dong等[25]制备了一种3D多孔Tb-DSOA,可高选择性地检测Fe3+,其机理是Fe3+与孔中Lewis碱性位点作用导致了发光猝灭。
图 1
Xu等[26]通过水热反应制备了一种富含-OH的比率型荧光探针(Eu2(OH-BDC)3,OH-BDC表示2-羟基对苯二甲酸),其羟基既可以通过键合作用将Fe3+结合到Eu2(OH-BDC)3上,又起到PET作用,对Fe3+的LOD达到1.17μmol/L。Zhou等[27]报道了一个柔性的Eu-MOF{[Eu2(MFDA)2(HCOO)2(H2O)6]·H2O}n,在水分子部分/完全释放时,其孔道收缩得到狭长孔道或膨胀得到大孔化合物;随着Fe3+的加入,大孔化合物在DMF中的发光强度随之降低;当加入乙酰丙酮后,其发光强度又随之增强。Zheng等也用Eu-MOFs([Eu(btpca) (H2O)]·nDMF)作为铁离子探针[28]。Zhao等制备了Tb-MOFs {[Tb(BTB) (DMF)]·1.5DMF·2.5H2O}n,Fe3+可以通过扩散进入Tb-MOFs孔道,使MOFs的荧光猝灭,并且结合后的Fe3+可方便、快速地除去,MOFs的荧光得到恢复[29]。
MOFs对Fe3+检测的适应浓度范围较宽,从微摩尔级至几十毫摩尔;荧光响应与Fe3+浓度均具有较好的线性相关性。此外,MOFs对Fe3+的检测限在1μmol/L左右[19~26]。目前使用MOFs进行荧光传感检测具有简单、直观、方便的特点,但是该方法具有化学选择性较差和信号损失等缺陷。
2. 荧光量子点
QDs是粒径在1~10 nm内的半导体纳米粒子,用一定波长的光激发能发出荧光[30~32]。由于QDs的发光是由电子和空穴的复合形成激子所致,因此,QDs表面状态的变化或QDs配体组份的改变将影响电子-空穴复合效率,从而影响光致发光效率。研究者们在QDs表面修饰有机分子或官能团,当金属离子与表面官能团作用,导致QDs在被激发时电子转移发生改变,引起荧光猝灭或增强。
相比于传统的石墨烯量子点(GQDs),氮-石墨烯量子点(N-GQDs)对Fe3+检测具有较高的灵敏度;并且,当溶液中存在Cu2+和Hg2+等干扰离子时,加入EDTA和Cys作为掩蔽剂,可消除干扰,从而实现对Fe3+的选择性检测[33]。Li等[34]通过电化学方法制备硫-石墨烯量子点S-GQDs,Fe3+易与S-GQDs表面的酚羟基结合,导致S-GQDs激发态的电子转移至Fe3+的3d轨道,促进电子-空穴的复合,进而发生显著的荧光猝灭。Xu等[35]制备了木质素磺酸盐/石墨烯量子点(SL/GQDs),木质素磺酸盐可以作为螯合剂与Fe3+络合;而石墨烯富含π电子,增强了体系荧光。SL/GQDs与待测Fe3+形成复配物,电荷从SL/GQDs转移至Fe3+上,导致荧光猝灭;因此,其对Fe3+具有优异的选择性响应能力。Xu等[36]利用谷胱甘肽(GSH)为碳源、乙二醇为溶剂,通过溶剂热法制备可发射蓝绿光的石墨烯量子点N-GQDs(图 2)。其表面-OH、-NH2和-COOH等有机基团增强了对Fe3+的亲和性,并且Fe3+有3个正电荷,可以让更多的电子跃迁到3d轨道,导致荧光猝灭。Gao等[37]利用丙三醇和硅烷分子通过溶剂热法制备的“on-of-on”型碳量子点(CDs),其表面也含有氨基,基于类似的原理,可应用于细胞内Fe3+检测。进一步研究发现,通过静脉注射将CDs/Fe3+混合物注射到小鼠体内,其对肿瘤细胞有高度的识别能力,由于癌细胞环境中谷胱甘肽GSH含量增加,Fe3+还原能力增强,CDs荧光探针的荧光恢复并强度增强(图 3)。2019年,Yan等[38]制备了基于内过滤效应的CDs-姜黄素体系荧光材料,其对溶液中Fe3+的LOD低至18.11nmol/L,在H1299细胞成像、荧光标记和抑制肿瘤生长等领域有重要应用,并且基于该体系进一步制备聚偏氟乙烯膜,可用于废水处理中铁絮凝剂的研究。
图 2
图 2. 石墨烯量子点检测Fe3+的机理[36]图 3
上述QDs对Fe3+的荧光传感检测适用浓度范围较宽,从低于1μmol/L至大于1mmol/L,甚至可以低至0.005μmol/L。荧光量子点的荧光响应与Fe3+浓度具有较好的线性相关性。此外,荧光量子点对Fe3+的检测限在纳摩尔级。
3. 金属纳米簇
金属的物理和化学性质强烈地依赖于其尺寸大小,当尺寸减小至纳米级别,成为金属纳米颗粒;当尺寸进一步减小至2nm或更小甚至几个原子时,其表面等离子共振效应消失,表现出量子效应[39, 40],此时的粒子称为金属纳米簇。纳米簇含有的金属原子个数通常在20~100之间,由于量子效应表现出不连续的能级结构;并且,在这个尺寸范围内,金属纳米簇展现出分子属性及尺寸依赖的荧光特性,具有双光子吸收、电致化学发光、溶致变色效应等性能。荧光特性是金属纳米簇区别于纳米颗粒的一个重要性质,基于金属纳米簇的荧光特性建立起来的荧光分析方法已成功应用于金属离子、小分子、生物大分子及环境污染物等的分析测定[41, 42]。
Zhao等[43]构建了一种基于金纳米簇(AuNCs)的具有高选择性的检测Fe3+、Cu2+和Hg2+的传感器。Fe3+与AuNCs中-COOH和-NH2相互作用,导致荧光猝灭;加入NH4F后,形成FeF3复合物,AuNCs荧光部分恢复。Jiang等[44]利用2-巯基-4-甲基-1, 3-噻唑-5-乙酸(MMTA)作还原剂和保护剂,通过一步加热法合成了MMTA-AuNCs(图 4)。MMTA-AuNCs在波长为365nm的紫外灯照射下发射蓝光,Fe3+与MMTA中的-COOH基团相互作用后,吸附在MMTA-AuNCs表面,引起金簇发生聚集,从而使荧光猝灭。因此,该纳米簇可在紫外灯下通过溶液颜色变化快速灵敏地检测湖水和人血清样品中的Fe3+,并且不受其他离子干扰。Li等[45]利用GHRP-6作还原剂和保护配体,制备了GHRP-6-AuNCs, 加入Fe3+,其与GHRP-6中的-NH2相互作用,吸附在GHRP-6-AuNCs表面,引起GHRP-6-AuNCs的荧光猝灭;再加入络合剂EDTA或NaF时,通过络合作用将Fe3+从GHRP-6-AuNCs表面解离出来,荧光重新恢复;再次加入Fe3+,荧光再次猝灭,从而实现GHRP-6-AuNCs检测Fe3+的“on-off-on-off”型原理。2018年,Halawa等[46]利用肌醇(INOS)作还原剂和保护配体,合成了INOS@AuNCs, Fe3+与INOS@AuNCs中的—COOH、C=O、—OH相互作用,吸附在金簇表面上,引起金簇发生聚集(粒径可达25nm),该体系能够快速灵敏地检测Fe3+,并且不受其他离子干扰。Baral等[47]制备了具有蓝光发射的金量子簇(AuQC),在Fe3+存在下,其荧光可被猝灭,其他金属离子对其干扰较小,选择性较好。在Fe3+-AuQC溶液中加入硫化钠,用硫离子捕获铁离子形成不溶性的硫化铁,离心分离后得到荧光恢复的AuQC。
图 4
由此可见,金属纳米簇对Fe3+的荧光传感检测原理是基于Fe3+与纳米簇表面的有机官能团相互作用,引起纳米簇的聚集,从而导致荧光猝灭。加入络合剂EDTA、氟化物或硫化物等,一般可将Fe3+解离出来,荧光恢复。由表 1可见,金属纳米簇对Fe3+的荧光传感检测适用浓度范围较宽,从不到几nmol/L至上千μmol/L,金属纳米簇对Fe3+的荧光响应与Fe3+浓度具有较好的线性相关性。与传统的有机分子相比,金属纳米簇尤其是AuNCs具有较低的细胞毒性、非常好的生物相容性及抗光漂白能力,在环境监测、生物分析、生物成像和疾病诊断等领域有重要的应用前景。
表 1
NCs Regression coefficient (R or R2) Concentration of Fe3+/(μmol/L) LOD/(nmol/L) References AuNCs - 0.128~1.27 20 43 MMTA-AuNCs 0.998 0.0099~3.0 3.0 44 0.987 3.0~1100 GHRP-6-AuNCs 0.9675 2~80 1400 45 0.9995 80~1000 INOS@AuNCs 0.996 1.0~1100 540 46 AuQC - - 4700 47 4. 荧光小分子
具有荧光特性的有机小分子作为探针分子,具有操作简便、选择性高、可重复性强、能原位检测等优点,在生物分析及环境监测等领域得到广泛应用。Bozkurt等[48]以香豆素衍生物(C120)作为电子供体,荧光素(FL)作为能量受体,制备一种基于FRET的荧光探针。加入不同种类的金属离子,只有Fe3+使C120和FL之间的FRET过程受阻,出现荧光猝灭现象。Bishnoi等[49]合成了一种基于PET的苯并咪唑盐荧光猝灭型探针。Maniyazagan等[50]利用间苯二酚(DHB)和α-环糊精(α-CD)通过共沉淀法成功制备了turn-on型荧光探针DHB:α-CD。该探针在乙腈/水溶剂体系和生理pH环境下,与Fe3+和Hg2+分别以1:1络合,引起电子转移,从而使荧光增强。特别是,通过细胞存活率实验发现,当细胞暴露于浓度30μmol/L的DHB:α-CD探针中48h,细胞存活率仍在80%以上,表明该探针无细胞毒性,在活细胞成像研究方面有重要的应用前景。2018年,Lu等[51]设计了一种基于PET机理的荧光增强型探针NapTp(图式 1)。该探针溶于水,对水环境中Fe3+和Hg2+有优异的荧光响应性。其机理为NapTp上哌嗪和吡啶基团的N与金属离子1:1络合,PET猝灭过程受阻,使荧光增强。络合物NapTp+Fe3+体系再加F-后,荧光强度恢复为初始强度,而NapTp+Hg2+体系对外加F-无响应。
图式 1
Gai等[52]将给体-受体(D-A)型染料4-甲酰基三苯胺(FTA)包裹在二氧化硅交联胶束纳米粒子(SCMNPs)中,设计合成了水溶性的Fe3+荧光传感器FTA-SCMNPs。FTA的TICT和ICT过程使其能量转移较容易,导致其对Fe3+的检测限较低;并且,其检测限可通过粒子表面的电荷来加以调控。2019年,Song等[53]制备两种新型吡啶型若丹明B共轭衍生物化学传感器(RBPO和RBPF),在RBPO和RBPF探针的乙醇/水(3:1,体积比)溶液中分别加入5倍量和10倍量Fe3+,582nm处荧光辐射均增强100倍左右,溶液逐渐由无色变为粉红色。其机理为Fe3+分别与探针RBPO和RBPF形成1:1和1:2络合物(结合常数分别为2.70×104L·mol-1和1.97×104 L·mol-1),Fe3+与氮、氧原子配位诱导相邻内酰胺开环而导致荧光增强(图 5)。进一步研究发现,当活人乳腺癌细胞MCF-7暴露于10μmol/L探针中24h,细胞存活率均在90%以上,可知该两种探针细胞毒性低,可用于水样中Fe3+的定量分析(自来水和实际泥浆水样)和MCF-7细胞分布成像研究。
图 5
5. 荧光聚合物
荧光聚合物是指将荧光物质或基团引入高分子主链、侧基或端基的功能聚合物材料。高分子链结构赋予了荧光聚合物良好的机械性能、易成膜性、易修饰性和易加工性;特别是具有良好水溶性的荧光聚合物在生命科学和医学等领域备受关注。自1960年以来,已有很多文献报道了其在荧光化学传感、荧光造影、药物载体和荧光探针等诸多领域的应用。
2015年,Zheng等[54]利用琼脂糖和镧系金属配位聚合物制备杂化膜,Fe3+可在体系中渗透,导致琼脂糖和Tb配位聚合物的分解。加入EDTA荧光不会出现增强,表明猝灭过程不可逆,并且可通过肉眼或紫外灯观察到聚合物颜色变化。该方法简单、快速、灵敏,可应用在环境监测和生物传感等重要领域。2016年,Ding等[55]通过Suzuki反应制备了超支化共轭聚合物纳米粒子(FT-HBCPNs)。在FT-HBCPNs的四氢呋喃溶液及其薄膜中加入Fe3+均会引起选择性猝灭,再加入EDTA,可以使猝灭的荧光恢复,表明猝灭机理可能为动态猝灭,并且该探针可以重复检测Fe3+。
2017年,徐立超[56]设计并合成了两种有机硅聚合物双(二苯基荧蒽官能化马来酰亚胺基)聚硅氧烷(PMDF)和双(四苯基苯官能化马来酰亚胺基)聚硅氧烷(PMTPB)。在四氢呋喃稀溶液中,其对Fe3+检测表现出选择性和“超级放大猝灭效应”。当Fe3+浓度达到500μmol/L时,PMDF和PMTPB的荧光猝灭效率分别为90%和66%,并且竞争金属离子的存在对Fe3+的猝灭效率无太大影响。荧光猝灭机理可能为Fe3+与聚合物两端羰基形成不发光结合体。同年,Bogale等[57]通过溶剂热法成功制备含Tb配位聚合物[Tb(BTEC)0.5(HCOO)(H2O)2],其在固态器件和有机溶剂中表现出绿光发射,在Fe3+存在下出现荧光猝灭,可肉眼观察到颜色的变化。其猝灭机理为Fe3+与配位聚合物中含氧官能团的强相互作用导致Fe3+与Tb3+交换,影响了Tb3+的配位。Deng等[58]合成了由8-甲氧基喹啉和苯基组成的π共轭聚合物PBMQ。该聚合物在325和430 nm分别出现最大吸收峰和发射峰。在氯仿溶液中其荧光量子产率可达0.74,并且对Fe3+检测表现出高的选择性和灵敏度。2018年,Chen等[59]通过溶剂热法成功制备了具有3D超分子结构和水溶性良好的含Eu配位聚合物[EuL(CH3COO)Cl]n,Fe3+存在下其可出现明显的荧光猝灭现象。当Fe3+浓度为1.14×10-3mol/L时,荧光猝灭效率可达94.2%。其猝灭机理为配位聚合物中CH3COO-的氧原子与溶液中Fe3+的相互作用降低了链节中单重激发态和三重激发态的能量向Eu3+转移,导致荧光显著猝灭。
2018年,笔者课题组[60]首次采用一步无皂乳液聚合制备了含咔唑的荧光多孔共聚物微球,其荧光可以被痕量Fe3+高效、高选择性的猝灭(LOD为1.3μmol/L)。加入还原剂NaBH4,体系被Fe3+猝灭的荧光仍然可以恢复,荧光猝灭-恢复至少可以循环3次。为了研究Fe3+对共聚物微球的荧光猝灭机理,将共聚物微球分别与AgNO3、H2O2和NaClO溶液混合,发现前两者溶液荧光猝灭效率低于15%,在NaClO溶液荧光几乎完全猝灭,进一步证实了含咔唑共聚物微球的荧光猝灭是基于咔唑基团的氧化作用。随后,我们[61, 62]采用一步无皂乳液聚合制备了可发射可见光的键合型含Eu或Tb配合物的共聚物荧光微球。两种微球对水介质中Fe3+的检测极限分别低至2.6和2.1 μmol/L,尤其含Tb配合物共聚物微球对Fe3+的检测浓度上限可高达1.5mmol/L。其猝灭机理为Fe3+与配体的氮原子和氧原子结合,改变了微球中稀土配合物的配位结构,从而影响了配体向稀土离子的能量转移。该含稀土配合物多孔共聚物微球的纳米尺度、多孔性质和水分散性使其非常适合应用于生物、医学和环境领域中的荧光传感。
6. 结语
迄今为止,科研工作者对新型荧光传感材料的设计、合成及应用进行了广泛和深入的研究,陆续报道了对包含Fe3+在内的各种金属离子的检测方法。相比于传统检测方法,荧光传感分析操作简单、分析迅速,且一些传感材料经过简单处理后可循环使用,这些又进一步推动荧光传感材料的发展。然而,在实际应用中荧光传感材料仍存在一些问题:(1)MOFs材料虽具有可调的孔道、大的比表面积、不饱和的金属位点等优点,但MOFs材料稳定性较差,检测结果误差较大;(2)荧光量子点具有优异的光学性质,但目前大多数量子点含有重金属元素,存在潜在的环境污染问题;(3)金属纳米簇虽具有较低的细胞毒性、较好的生物相容性及耐光漂白能力,但检测结果容易受荧光探针浓度、激发效率、选择性差等因素影响;(4)荧光小分子虽具有设计简单、操作便捷等优点,但单一选择性差,抗干扰能力弱;(5)荧光聚合物虽具有良好的机械性能、易成膜性、易修饰和易加工等优点,但其耐光性较差。
在荧光传感分析法中,荧光传感材料的设计和合成决定了该方法的选择性和检测能力。首先,针对环境体系中分析物的特点,应选择含不同官能团的分子或有机配体,对荧光传感材料进行功能化修饰,从而构建对特定分析物有荧光传感功能的荧光传感材料。其次,要进一步理解荧光方法对金属离子检测的传感机理及材料与性能之间关系,结合理论研究和模拟计算,从源头上设计合理的荧光传感材料,如提供空轨道的过渡元素,可促进电子跃迁到空轨道,导致荧光猝灭。第三,传感材料在实际应用中应满足经济、高效、环保、稳定等几个因素,研究者们利用静电纺丝技术制备荧光纳米纤维薄膜材料[63, 64]或在有机溶剂中形成凝胶,自组装成纳米纤维[65~67],纤维进一步缠绕成三维网络结构,用于检测爆炸物或酸性、碱性等有毒气体,有较高的灵敏度以及良好的选择性。因此,开发新型的、低成本的、环境友好、性能稳定、结构可控的传感材料是进一步推动荧光传感检测技术发展的关键。
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图 2 石墨烯量子点检测Fe3+的机理[36]
表 1 金属纳米簇对Fe3+的荧光传感性能
Table 1. Fluorescence sensing properties of fluorescent quantum dots for Fe3+
NCs Regression coefficient (R or R2) Concentration of Fe3+/(μmol/L) LOD/(nmol/L) References AuNCs - 0.128~1.27 20 43 MMTA-AuNCs 0.998 0.0099~3.0 3.0 44 0.987 3.0~1100 GHRP-6-AuNCs 0.9675 2~80 1400 45 0.9995 80~1000 INOS@AuNCs 0.996 1.0~1100 540 46 AuQC - - 4700 47 -
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