引 言

陰離子在很多化學和生物進程中扮演著重要的角色，因此，近來年陰離子的識別和檢測受到了極大的關注。其中，氟離子的識別和檢測尤為重要。

氟是人體所必需的微量元素，適量的氟化物攝入可以預防齲齒，治療骨質疏松癥。但是高濃度的氟化物攝入對人體的危害很大，輕則會影響牙齒和骨骼的生長發育，出現氟化骨癥、氟斑牙等慢性氟中毒癥狀，重則引起心律不齊、惡心、嘔吐等急性氟中毒。過量的氟離子對蛋白質和 DNA 的合成都有抑制作用，使得免疫系統代謝紊亂，最終使機體免疫能力下降。過量的氟還會導致動物血壓下降甚至貧血，影響動物的生長發育。細胞內的高氟暴露會導致線粒體氧化性損傷，降低線粒體呼吸鏈速率，從而導致線粒體功能紊亂。

傳統的氟離子分析方法有離子色譜法、選擇電極法、氟試劑比色法和熒光探針法。氟離子熒光探針由于具有選擇性、靈敏度高，方便快捷，成本低廉等的優點，被化學研究者大量的設計合成。目前所報道的氟離子熒光探針根據識別機理的不同主要被劃分為三種：1）氫鍵型（Hydrogen bond）；2）路易斯酸受體型（Lewis acid）；3）氫鍵和路易斯酸混合型（Hybrid Lewis acid/Hydrogen-bond）。

本文綜述了不同類型氟離子熒光探針的研究進展。

1 氫鍵型

由于氟的電負性最強，氟與質子結合形成的氫鍵最強，甚至可以將質子去掉（即去質子化）。[1, 2]最常見的氫鍵供體有 N-H 和 O-H 基團，比較典型的氫鍵結合位點有脲、硫脲[3-5],氨基、酰胺[6-9],吡咯、咪唑及含氮五元雜環化合物[10-17],酚類化合物[18-20]等。這類熒光探針的識別機理是氟離子與探針分子的結合位點質子酸中心形成強烈的氫鍵或將質子去除，從而使探針分子的光物理性質發生變化，通過熒光信號或者顏色變化表達出來。

1.1 脲、硫脲類

彭孝軍課題組在 2006 年設計合成了一例以脲為氟離子識別位點，苯并惡唑為熒光母體的氟離子熒光探針 1[3]（如圖 1.1）。加入氟離子后，探針的脲結合位點先與一倍當量的氟離子形成氫鍵，隨著氟離子濃度的增加，進一步奪取 N-H 的氫質子，形成氮負離子和 FHF-,抑制了激發態分子內質子轉移（ESIPT）過程。探針顏色從無色變成黃色，熒光從橘黃色變成綠色，實現了對氟離子的裸眼以及熒光比率識別。該探針加入醋酸根離子后，熒光從橘黃色變成藍色，能夠很好的區分氟離子和醋酸根離子。Gunnlaugsson 等人報道了一例以萘酰亞胺為母體，在 3 位上引入尿素作為識別基團的氟離子熒光探針 2[5]（如圖 1.2）。在純 DMSO 體系中，隨著加入氟離子濃度的增加，紫外吸收在波長為 327nm 處的強度迅速增加，272 nm 處的強度降低，在495 nm 處出現一個新的吸收峰，吸收光譜的這些變化使得探針的顏色從淺黃色變成紅色，實現了對氟離子的裸眼識別。與此同時，探針的熒光強度隨著氟離子濃度的增加而降低，當加入 50 倍當量的氟離子時，熒光基本被完全淬滅。這是由于加入氟離子后，氟離子與尿素的 N-H 形成氫鍵，進而發生去質子化作用，使得探針發生分子內電荷轉移（ICT）過程，從而探針熒光被淬滅。

Ramamurthy 等人設計合成了一例以硫脲和亞胺基為雙重識別基團，吖啶二酮衍生物為熒光母體的氟離子比色熒光探針 3[4]（如圖 1.2）。在乙腈體系中，加入的氟離子濃度小于 0.4 mM 時，氟離子與硫脲的 N-H 形成氫鍵然后去質子化，此時探針發生光誘導電子轉移（PET）進程，熒光被淬滅，顏色無變化。當加入氟離子濃度大于 0.4 mM 時，氟離子與吖啶二酮衍生物上的亞氨基 N-H 形成氫鍵然后去質子，探針的 PET 進程阻斷，分子內形成一個強的電子拖拉體系，發生分子內電子轉移（ICT）進程。這些變化表現在光譜上為最大吸收波長從 370 nm 紅移至 460 nm,最大熒光發射波長從 420 nm 紅移至 500 nm,且從熒光淬滅變成了熒光增強。

1.2 氨基、酰胺類

Wang 等人報道了一例近紅外可視化比率識別氟離子的熒光探針 4[9]（如圖 1.3）。該探針以二苯亞胺上的 N-H 作為氟離子的識別基團，分子本身存在著激發態分子內質子轉移（ESIPT）現象，在波長為 671 nm 處有較弱的熒光。在 DMSO 體系中，加入氟離子，與亞氨基 N-H 形成氫鍵，發生去質子化作用，抑制了探針分子的 ESIPT 進程。

探針在 671 nm 處的熒光強度降低，在 478 nm 處出現一個很強的熒光發射峰，實現對氟離子的比率檢測，同時紫外吸收光譜上在 709 nm 處出現一個新的吸收峰，探針顏色從橘紅色變成深藍色，實現對氟離子的近紅外可視化識別。探針 4 對氟離子的最低檢測限可以達到微摩爾級別。Prasad 課題組設計合成了一例低分子量熒光有機凝膠氟離子探針 5[6]（如圖 1.4）。該探針是AB3型樹枝石低分子量有機凝膠苯乙酰腙和蒽在氯仿和甲醇（v/v = 1:1）混合溶液中常溫攪拌 1 個小時而制成的及時凝膠，酰腙的 N-H 作為氟離子的識別位點，蒽是熒光發色團。加入氟離子之前，探針成黃色凝膠狀態。而加入氟離子后，氟離子與酰腙的 N-H 形成氫鍵，發生去質子化作用，探針經歷一個從凝膠到溶液轉變的過程，顏色從黃色變為亮紅色，可裸眼識別 0.1 倍當量（相比于凝膠濃度）的氟離子。在紅色溶液中加入適量的水，探針又可從紅色溶液狀態轉變為黃色的凝膠狀態，因此，探針 5 對氟離子的響應是個可逆的過程，可循環使用。

1.3 含氮的五元環化合物類

彭孝軍課題組 2005 年報道了一組比色和比率識別氟離子的熒光探針 6、7 和 8[14]（如圖 1.5）。

該組探針均以 1,2-咪唑蒽醌為熒光母體，咪唑的N-H 為氟離子的結合位點。在乙腈溶液中，探針 6和 8 對氟離子具有很好的響應，吸收和熒光發射光譜均有 100 nm 的紅移，且都有非常明顯的熒光比率變化（Rmax/Rmin= 88 和 548），而 7 僅吸收有變化，熒光無響應。在基態時，加入氟離子發生了兩個過程，先是氟離子和 N-H 形成氫鍵，然后再發生去質子化作用。在激發態時，分子內的質子轉移（ESIPT）也促進了去質子化過程的發生。探針對氟離子的選擇性主要被分子內的電子推拉體系所控制，探針 6 對氟離子的選擇性最好，可以把氟離子和醋酸根、磷酸二氫根區別開，因為探針 6 的N-H 基團酸度比較適宜。Ravikanth 課題組報道了一例以 BODIPY 為熒光母體，可逆再循環使用的高選擇性氟離子化學探針 9[15]（如圖 1.6）。探針分子內部的 N-H 可以和BODIPY 上的兩個氟原子之間形成氫鍵，使得苯并咪唑與 BODIPY 處于同一個平面上，PET 過程被抑制，具有很強的橘黃色熒光。在乙腈體系中，加入氟離子后，氟離子可競爭性的與 N-H 形成氫鍵，進而誘導去質子化作用，使得苯并咪唑負離子與BODIPY 不在同一平面上，從苯并咪唑到 BODIPY的光誘導電子轉移（PET）過程得以發生，從而探針本身很強的熒光被淬滅，探針的顏色也從粉紅色變成藍色。如果在加入氟離子的探針溶液中滴加少量的酸，探針的熒光會逐漸得到恢復，且探針顏色也從藍色變回粉紅色，說明該探針檢測氟離子是一個可逆的過程，可以進行循環使用檢測氟離子。該探針對氟離子的最低檢測限為 93 nM.

1.4 酚類化合物

四川大學 Lu 等人報道了一例高選擇性的氟離子熒光探針 12[18]（如圖 1.8）。該探針以萘酰亞胺為熒光母體，酚羥基 O-H 為氟離子識別位點。

在純 DMSO 體系中，加入氟離子，氟離子與酚羥基形成氫鍵，并發生去質子化過程，探針的最大吸收波長紅移了 214 nm,到了近紅外區域，溶液從黃色變成藍色，同時熒光被很快淬滅，從橘紅色熒光變為無熒光。探針對氟離子具有較快響應速度，熒光強度在加入氟離子 15 秒內被基本淬滅，對氟離子的最低檢測限為 14.2 μM.由于在細胞內探針的熒光強度不能被氟離子淬滅，因此不能用來檢測細胞內的氟離子，但可用作溶酶體的標記染料。

南方醫科大學的 Liu 等人報道了一例基于 6-羥基萘-2-氰基丙烯酸聚乙二醇酯的氟離子熒光探針 13[20]

（如圖 1.9）。在 PBS（pH 7.4,10 mM,包含 1 % DMSO）緩沖溶液體系中，加入氟離子，探針在 490 nm 處的熒光強度降低，450 nm 處的熒光強度增加，熒光從綠色變成藍紫色。與此同時，在波長 382 nm 處的紫外吸收降低，548 nm 處出現一個新的吸收帶，紅移了 166 nm,顏色從無色變為粉紅色。13 對氟離子具有高選擇性，不受其他離子干擾，可檢測無機氟離子（即 NaF），最低檢測限為 8.54 μM.13 具有較好的水溶性和細胞滲透性，且細胞毒性很小，可用于識別細胞內的氟離子。

2 路易斯酸受體型

路易斯酸（Lewis acid）是指能作為電子對接受體（Electron pair acceptor）的原子，分子，離子或原子團，有機化學反應中作為親電試劑。路易斯酸具有低能量的 LUMO 空軌道（最低未占軌道），會與路易斯堿的 HOMO（最高占有軌道）反應。常見的路易斯酸配位中心有金屬原子（如 Sb,Zn,Cu,Zr,Al 等），非金屬原子 B、Si 等。氟離子是一個典型的路易斯堿，因此，可以利用路易斯酸堿反應原理來設計合成一系列的氟離子熒光探針。目前所報道的路易斯酸受體型氟離子熒光探針主要以下幾類：有機硼化合物類[21-24]、硅氧鍵類[25-34]、硅碳鍵類[35-39]、硅氧鍵斷裂誘導分子內成環反應類[40-48]以及金屬絡合物類[49-51].

2.1 有機硼化合物類

Yoon 等人在 2006 年報道了第一例以熒光素為熒光母體，硼酸作為識別位點的氟離子熒光探針14[22]（如圖 1.10）。探針 14 的硼原子可與酚羥基上的氧進行配位，形成硼酸鹽化合物。探針分子發生從硼酸鹽到熒光素的 PET 過程，熒光被淬滅。

在乙腈與甲醇體積比為 9:1 的混合體系中，加入氟離子后，氟離子迅速與硼原子進行配位，硼原子上的羥基離去，熒光素上的酚羥基與氟離子，臨近的氮原子之間形成氫鍵，此時探針分子的 PET 進程被抑制，熒光恢復。2009 年 Yoon 課題組又設計合成了一例比率熒光識別氟離子的熒光探針 15[24]（如圖 1.11）。

該探針包含一個不對稱雙配位基團，即一個硼酸基團和一個咪唑鎓鹽基團。在乙腈溶液中，探針 15有一個很寬的熒光發射帶，最大發射波長在 440nm.加入氟離子后，440 nm 的發射峰有明顯的下降，在 372 nm 處出現一個很強的新發射峰，等發射點在 406 nm.這是由于氟離子與硼酸基團的硼原子發生路易斯酸堿反應形成配位鍵，同時氟離子還與咪唑鎓鹽上的 C-H 形成氫鍵。

2.2 硅氧鍵類

朱為宏課題組 2012 年報道了第一例能夠同時比色和比率識別氟離子的近紅外熒光探針 16[25]（如圖 1.12）。該探針以 BODIPY 衍生物為熒光母體，硅氧鍵為氟離子識別基團。在二氯甲烷體系中，加入氟離子，探針的顏色從粉紅色變成靛藍色，可實現對氟離子的裸眼比色識別。探針本身在 573nm 處發射黃色熒光，加入氟離子后，573 nm 處的發射強度降低，在 676 nm 處出現新的熒光發射峰，實現了對氟離子的比率熒光識別。同年，該課題組又報道了一例以苯并吡喃腈衍生物為熒光母體的近紅外氟離子熒光探針17[26]（如圖1.12）。在DMSO和水（體積比為 95:5）的混合體系中，探針為黃色溶液，無熒光，加入氟離子后，探針顏色變為藍色，并在波長為 718 nm 處發射出熒光。加入其它陰離子，均不會發生一系列的光譜變化，探針對氟離子具有較好的選擇性，最低檢測限為 8.5×10-8M.北京大學的 Tang 課題組 2014 年報道了一例能夠檢測水溶液和細胞內氟離子的超靈敏度熒光探針 18[28]（如圖 1.14）。該探針中包含著一個四級胺結構，既能增加探針的水溶性，又能通過電荷相互吸引將氟離子鎖在探針分子周圍，大大提高了探針對氟離子的選擇性和靈敏度，還能增加探針的細胞滲透能力。探針能快速響應純 PBS 緩沖溶液中的無機和有機的氟離子（NaF、TBAF），在 2 分鐘內熒光強度基本達到穩定，最低檢測限為 0.57ppm.另外，探針 18 還能比率識別 Hela 細胞中的氟離子。臺北國立科技大學的Huang 等人2015年報道了一例超靈敏的“off - on”型氟離子熒光探針 19[31]（如圖 1.15）。該探針以香豆素為熒光母體，叔丁基二苯基硅為氟離子識別位點。探針本身熒光被淬滅，加入氟離子（NaF），氟離子誘導硅氧鍵斷裂，形成羥基，進而分子內部發生一系列的電子重排反應，釋放出一個醌甲基結構，同時分子中二氟甲基的兩個氟離子也相繼離去，最終形成 7-羥基-8-醛基香豆素，熒光恢復。而離去的兩個氟離子會繼續進攻探針，誘發分子內的重排反應。在堿性蛋白胨水（APW）溶液中，探針對氟離子的最低檢測限為 0.5 pM,是目前所報道的氟離子探針中檢測限最低的。但是由于加氟后要發生一系列的化學反應，導致了探針對氟離子的響應時間較長，文章中的各項測試實驗響應時間均在 1 h 以上。

2.3 硅碳鍵類

Ravikanth 等人設計合成了一例以 BODIPY 為熒光母體，基于硅碳鍵斷裂反應的氟離子熒光探針20[33]（如圖 1.16）。在二氯甲烷體系中，加入氟離子，氟離子誘導 斷裂，形成終端炔烴。在光譜上表現為最大吸收波長蘭移 20 nm,顏色從紅色變成紫色，即吸收光譜波長 571 nm 處的吸收強度減弱，在波長 551 nm 處出現一個新的吸收峰；最大發射波長也藍移 20 nm,熒光從橘黃色變成了綠色，即波長 584 nm 處的熒光發射峰強度逐漸減弱，在波長 564 nm 處出現一個新的發射峰。

探針對氟離子的響應較快，在 5 分鐘內達到平衡。

因此，該探針可實現對氟離子的比色裸眼和比率熒光識別。

武漢大學的 Liu 課題組也報道了一例非常類似的氟離子熒光探針 21[38]（如圖 1.17）。在丙酮體系中，加入氟離子后，探針的最大吸收波長從 555nm 藍移到 538 nm,而最大發射波長也從 571 nm藍移至 554 nm.探針對氟離子具有很好的選擇性，基本不受其他陰離子的干擾，對氟離子的最低檢測限為 67.4 nM.但是探針 20、21 都只能檢測純有機溶劑中的氟離子，在有機溶劑中稍微加水溶液對氟離子都沒有響應。2.4 硅氧鍵斷裂誘導分子內成環反應類Ahn 等人報道了一例可用于體內雙光子熒光成像的氟離子熒光探針 22[40]（如圖 1.18）。在HEPES 的緩沖溶液中（包含 20%的乙腈），探針 22的最大吸收波長在 460 nm,本身沒有熒光，加氟離子后，10 分鐘即可觀察到在波長 595 nm 處出現一個強的熒光發射峰，1 小時后熒光強度基本達到飽和，對氟離子的最低檢測限為 4 ppm.探針 22具有很好的雙光子性質，可用來進行單、雙光子細胞熒光共聚焦顯微成像。作者將該探針應用于活的斑馬魚組織雙光子熒光成像，第一次實現了對脊柱動物組織內的氟離子識別。彭孝軍課題組 2014 年報道了一例點亮細胞線粒體中氟離子的熒光探針 23[48]（如圖 1.19）。在乙腈體系中，探針對氟離子具有很好的選擇性和很高的靈敏度，響應時間較快（10 分鐘內達到飽和），具有很高的熒光量子產率（Φ = 0.8396），容易制成試紙用于識別純水中的氟離子，最低可檢測到19 ppb.23 首次點亮了活細胞線粒體中的氟離子，最低能識別細胞內 10 μM 的氟離子，而不受到其他陰離子的干擾。2.5 金屬絡合物類Gabbai 課題組在 2012 年報道了一例含有過渡金屬銻絡合物的氟離子熒光探針24[49]（如圖1.20）。

由于過渡金屬 Sb 具有接受外來電子對的空軌道，是一個很好的路易斯酸配位中心，前人工作發現[Ph4Sb]+對氟離子具有很高的親和力。因此，該文作者基于此設計合成了一例包含 [Ph4Sb]+結構的氟離子熒光探針，探針中蒽作為熒光發色團，Sb作為氟離子的識別位點。在水（10 mM,CTAB/吡啶緩沖液）和 DMSO（體積比 9:1）混合溶液中，探針本身沒有熒光，加入氟離子，氟與 Sb 配位，形成[Ph4Sb]F,發射出藍紫色熒光。2014 年 Gabbai 課題組在探針 24 的基礎上又報道了一例包含過渡金屬銻 Sb 絡合物的氟離子熒光探針 25[50]（如圖 1.21），該探針可檢測到飲用水中 ppm 級別的氟離子濃度。在二氯甲烷中，探針的最大吸收波長在 430 nm,無熒光發射，加入氟離子后，最大吸收波長紅移至 482 nm,并在波長616 nm 處出現一個很強的熒光發射峰，探針顏色從黃色變成了橘紅色，從沒有熒光變成發射很強的橘紅色熒光。該探針可裸眼檢測到 mM 級別的氟離子濃度，在二氯甲烷中加入相轉移催化劑TPABr,可用于識別飲用水中的氟離子，能夠識別到飲用水中 1.9 ppm 的氟離子。

3 氫鍵和路易斯酸混合型

有的氟離子熒光探針分子中同時存在兩個不同類型的氟離子識別位點，即既有氫鍵類型的氟離子結合位點，又有路易斯酸氟離子配位中心，統一將這一類探針稱為氫鍵型和路易斯酸混合型氟離子熒光探針。

James 等人設計合成了一例以 1,8-萘酰亞胺為熒光母體的氟離子熒光探針 26[52]（如圖 1.22）。該探針包含兩個氟離子識別位點，一個是氨基的N-H,另一個是硼酸酯基團。在探針的乙腈溶液中，加入氟離子，探針在 448 nm 處的最大吸收峰減弱紅移至 470 nm,同時在波長 590 nm 處出現一個強的新吸收峰，探針顏色從黃綠色變成了藍紫色。隨著氟離子濃度的增加，探針的熒光逐漸被淬滅。作者通過 Job's plot 實驗證明了探針與氟離子之間的配比關系為 1:5,分別是 3 個氟離子和硼（B）原子形成配位鍵，2 個氟離子和氨基上的 N-H 形成氫鍵，進而發生去質子化作用。由于醋酸根和磷酸氫根也可以和 N-H 形成氫鍵，探針對這兩種陰離子也具有一定的響應。

4 總結與展望

目前所報道的氟離子熒光探針主要有兩種類型，即氫鍵型和路易斯酸型。大部分的氫鍵型氟離子熒光探針由于氟離子與水分子之間能夠形成氫鍵，限制了其在水溶液中的應用，而且容易受到醋酸根和磷酸氫根的干擾。而路易斯酸型的氟離子熒光探針是利用路易斯酸堿反應原理來檢測氟離子，對氟離子具有專一選擇性，其中很多都具有較好的生物相容性，可以應用于檢測生物體內及細胞內的氟離子。由于造成體內氟中毒的主要原因是長期處于高氟環境中或是長期飲用高氟水，所以當前和未來研究氟離子熒光探針的聚焦點應該在于開發能識別水溶液和細胞內氟離子的新型熒光探針。從熒光探針的類型來看，路易斯酸型氟離子熒光探針將成為未來氟離子熒光探針的主要發展方向。