2.2　荧光探针的一般模型及其设计原理

荧光探针有以下几种模型。

（1）结合型荧光探针

如图2.1所示，结合型荧光探针是较常见的一类荧光探针。工作原理是识别基团与被测物结合时引起信号基团的结构特征及所处的化学环境发生一定的变化，例如溶液的颜色在加入被测物前后发生改变、探针的光谱强度及其位置发生变化等，这些变化可通过仪器检测出来或者直接通过裸眼识别，这是目前在设计荧光探针中最常用的方法。在这类荧光探针的设计中，必须充分考虑几方面的因素。①探针分子信号基团的选择、设计或者合成，通常要求信号团有较强的荧光（荧光量子产率要大，有助于提高灵敏度）、有较长的发射波长（尤其在生物检测体内的成像检测中避免与短波长区的背景荧光的干扰）、有较大的Stokes位移。②受体分子的识别基团通常选择一些含有容易与客体之间发生配位或者易于和被测物形成氢键的氧、氮、硫等原子的化合物。③识别基团要通过间隔连接基团和信号基团连接在一起，在连接时要充分考虑连接后能将对识别对象的识别信息及时灵敏地传递出去。

图2.1　结合型荧光探针模型

如图2.2所示，Yin等^［1］设计并合成的以荧光素为信号基团和以5-硝基-2-羟基-苯甲醛作为识别基团的分子探针，该探针以共价键相连，Cu²⁺加入后与5-硝基-2-羟基-苯甲醛羟基氧原子、氮原子及荧光素上的氧原子配位，使得荧光素闭环结构打开，从而发生光谱和颜色的变化。

图2.2　荧光素类Cu²⁺荧光探针识别机理

（2）置换型荧光探针

如图2.3所示，置换型荧光探针主要是利用识别基团分别与信号基团和底物之间结合能力的不同来实现对被分析物的检测。这种原理通常用于阴离子荧光探针的设计。这种荧光探针的设计要求相对较高，不仅要求识别基团对被分析物是特异型识别而且信号基团和识别基团之间的结合能力又不能比被分析物和识别基团的结合能力强。如图2.4所示，Choi等^［2］设计了化合物2用于硫离子的检测。该体系中先加入Cu²⁺与化合物2形成络合物，导致荧光素衍生物荧光猝灭，当有硫离子存在时，由于Cu²⁺与硫离子的结合能力较强，所以硫离子可以把荧光素衍生物从络合状态中置换出来，恢复其自身的荧光，从而实现对硫离子的检测。

图2.3　置换型荧光探针模型

图2.4　硫离子荧光探针的识别机理

（3）化学计量型荧光探针

化学计量型荧光探针是指探针分子和客体分子之间可以按照一定的计量关系发生特异的不可逆化学反应从而引起颜色或荧光发射的差异。主要包括两种类型（如图2.5所示）：一类是探针分子和目标分子或离子发生反应后，目标分子或离子和探针分子之间仍然通过共价键相互结合；另一类是目标分子或离子仅是作为催化剂来使用，在它的催化下发生不可逆的化学反应生成新的化合物，新化合物在化学性能上和分子探针之间完全不同，以此来实现对目标分子或者离子的检测，该不可逆体系利用选择反应的优势对特定的目标底物分子进行识别，通常具有较好的选择性。

图2.5　化学计量型荧光探针模型

如图2.6所示，Kim和Hong等^［3］设计合成的对高半胱氨酸和半胱氨酸进行识别的荧光探针，属于第一种类型。探针的醛基部位与半胱氨酸及高半胱氨酸生成五元噻唑环或者六元噻唑环，导致反应前后的荧光性质具有显著差异，据此实现了对半胱氨酸及高半胱氨酸的高选择性检测。

图2.6　半胱氨酸和高半胱氨酸的荧光识别探针

Ahn等^［4］设计合成了罗丹明化合物用来检测Au⁺/Au³⁺，Au⁺/Au³⁺催化罗丹明炔经由含乙烯基结构的中间体转变成含醛基的新化合物，导致罗丹明内酯螺环结构开环，体系荧光大大增强，如图2.7所示。

图2.7　Au⁺/Au³⁺催化的罗丹明类荧光探针