基于大环分子的主客体超分子荧光探针

近年来，由于环境污染严重影响人类健康，同时对生物体等也带来许多新问题。因此，人们保护环境的意识越来越强烈，对环境污染物的早期检测也越来越重视。生物体中特定物质的出现或含量的变化能直接反映其健康状况，对这些物质进行早期检测有利于疾病的预防与治疗。此外，在生物体中对病变细胞、特定化学成分在细胞中的分布等进行选择性荧光标记对于特定疾病的诊断至关重要[1-6]。在农业上，人们通常通过喷洒农药来实现对病虫害的预防，但是过度使用农药会造成环境污染。采用荧光纳米载体携带生物分子，通过基因控制可以实现农业害虫的绿色防治，这一新的设计思想与理念将有利于环境保护[7-8]。对环境有害物的检测，科研工作者已开发出许多检测手段[9-11]。在众多检测手段中，荧光探针技术由于具有方便、灵敏、可视化等优点，成为近年来研究的热点之一[12-13]。大环主体分子的空腔可嵌套尺寸匹配的客体分子形成超分子复合物，此外，大环分子还具有易修饰，溶解性和电子结构等物理性能可调节等优点。因此，以大环分子为主体的主客体超分子荧光探针受到了科学家的广泛关注。目前，在设计大环主体的超分子荧光探针时，较常用的大环主要包括冠醚(crown[n]ether)[14-15]、环糊精(cyclodextrin，CD)[16]、杯芳烃(calix[n]arene)[17]、葫芦脲(cucurbit[n]uril或CB[n])[18]以及柱芳烃(pillar[n]arene)[19]。随着合成技术的发展，大环分子同系物的报道也逐渐增多，这意味着每一类大环分子的化学结构越来越多样化，为设计基于大环主体的主客体超分子荧光探针提供了更多选择。大环分子荧光探针通常由大环分子与荧光发色团(fluorophore)构成。在设计基于大环的超分子荧光探针时，根据不同的需求要综合考虑多种因素，如溶解性、可修饰性、空腔大小和特异性识别基团等。大环超分子荧光探针检测物质的种类极其多样化，例如：阳离子、阴离子、生物大分子如蛋白质、有机小分子如氨基酸、爆炸物等。这类荧光探针的检测机理主要有客体分子竞争、光诱导电子转移(photo-induced electron transfer，PET)、能量转移(energy transfer, ET)、电子转移等。本篇综述主要从主客体相互作用机理角度阐述大环主客体超分子荧光探针的设计策略。

大环分子荧光探针的构成主要包括大环分子和荧光发色团。了解大环分子和荧光发色团性质对超分子荧光探针的设计是有益与必要的。与此同时，如何巧妙运用二者进行大环超分子荧光探针的构建也是一个有意义且值得探讨的问题。因此，下文将对大环分子、荧光发色团的性能与作用以及大环分子荧光探针的构建方式进行详细介绍。

大环分子是一类具有空腔的主体分子。大环分子按照其被发现或合成的时间顺序依次为：冠醚、环糊精、杯芳烃、葫芦脲和柱芳烃。以下将重点对这几种大环分子的结构和性质进行介绍。

1) 冠醚(crown[n]ether)由其分子形状类似于冠状而得名，其化学结构如图 1a所示。冠醚是一类具有柔性环状结构的化合物，易溶于多种溶剂。其环形结构由多个结构单元(—CH2CH2O—)连接而成，这种结构可以有效地配合碱金属离子[20-21]。

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2) 环糊精(cyclodextrin，CD)是一类具有良好生物相容性的大环主体，它是由淀粉经酶降解得到的，其化学结构如图 1b所示。环糊精分子具有圆锥形的不对称几何结构和尺寸稳定的疏水空腔。根据空腔尺寸的大小环糊精可分为3种类型，分别为α-、β-和γ-CD。环糊精分子结构较刚性并且易溶于多种高极性溶剂[16, 22-23]。

3) 杯芳烃(calix[n]arene)是继冠醚以及环糊精之后的第三代大环分子。杯芳烃由于其分子几何结构类似希腊圣杯而得名，其化学结构如图 1c所示。杯芳烃由甲氧基连接烷基酚构成，具有疏水空腔，分子较柔软，易溶于非极性溶剂。根据重复结构单元个数的多少，n的取值范围为4~20。杯芳烃是一类富电子大环分子，易与缺电子的客体分子形成主客体超分子[24-26]。

4) 葫芦脲(cucurbit[n]uril或CB[n])是由甘脲和甲醛在酸催化下缩合得到的一类大环分子，其化学结构如图 1d所示。葫芦脲的分子结构类似于南瓜状(pumpkin-shaped)，根据重复单元个数的不同，其同系物主要包括CB[5-8]以及CB[10]。葫芦脲是一类较刚性的对称分子，具有疏水空腔，其在水中的溶解度较低[27-28]。

5) 柱芳烃(pillar[n]arene)，是一类新型的柔性主体分子，其化学结构如图 1e所示。柱芳烃的重复单元由亚甲基连接对位的烷基酚而成，具有高度对称的空间结构。柱芳烃疏水空腔具有富电子性质。根据分子结构中重复单元个数的多少，目前报道的n取值范围为5~10。在柱芳烃众多的同系物中，柱[5]与柱[6]芳烃由于产率较高而被广泛应用于超分子荧光探针的构建[29-31]。

总之，各类大环分子都具有各自的特点与优势。从分子结构的柔软度分类，冠醚、杯芳烃和柱芳烃属于较柔性的大环分子；环糊精和葫芦脲属于较刚性的大环分子。在进行大环超分子荧光探针构建时，可以根据需求，对大环分子进行化学修饰，如将柱芳烃修饰为全修饰或者单修饰的结构，从而获得具有不同物理性质的柱芳烃主体分子。

大环超分子荧光探针由大环分子和荧光发色团共同构成。荧光发色团在整个荧光探针体系中起指示作用。在构建大环超分子荧光探针时，荧光发色团的选取对检测结果至关重要。较常使用的荧光发色团既包括有机荧光发色团也包括无机荧光发色团如量子点等[5-6, 32-33]。有机荧光发色团由于其易于修饰的特点，应用范围更为广泛，因此也是本综述的重点。

首先，荧光发色团自身需具备良好的稳定性以及合适的光谱性质。再者，荧光发色团需要具有特异性的识别能力。这里的识别能力主要是指两方面。一方面是：荧光发色团对待检测物质具有特异性识别能力；另一方面是：荧光发色团可以与大环主体分子特异性识别。此外，在对荧光发色团进行选取时，还需要考虑整个大环超分子荧光探针在检测环境中的状态。不同的检测环境(有机溶剂、水溶液或更加复杂的生物体环境等)对荧光发色团的要求有所不同。图 2列举了几个常见的荧光发色团以及大环分子的特异性识别基团。

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构建大环分子荧光探针的方式主要分为以下几类：1)荧光发色团与大环主体分子通过主客体识别作用嵌套到主体分子的大环空腔内形成主客体超分子。此超分子整体作为荧光探针可实现对特定物质的定性或定量检测。当荧光探针检测该物质时，待检测物与荧光发色团上的特异性识别位点进行结合致使该荧光发色团的荧光信号产生变化，从而实现对该物质的特异性检测[34]；2)第二类荧光探针的构建方式与第一种相同，但是被检物与荧光探针的结合部位不同。具体来说，被检测物质与大环空腔的配合能力强于荧光发色团与大环空腔的配合能力。当被检物质出现在检测环境中时，荧光发色团将会被待测物从大环空腔中置换出来。由于荧光发色团所处的化学环境发生变化，荧光探针的荧光性质也会发生相应的改变，从而实现定性或定量的检测[35]；3)荧光发色团与大环主体分子通过共价键连接得到带有空腔的荧光分子。该带有空腔的分子作为荧光探针来实现对特定物质的检测。通常，待检物与大环分子空腔能够进行特异性结合，而引起荧光发色团的荧光性质发生改变，实现对该物质的检测[36]。随着对这类超分子荧光探针的深入研究，科研工作者将这几类简单的构建方式相结合并开发出许多更为复杂的构建方式。

基于大环主体的超分子荧光探针的设计机理主要有：客体分子竞争、PET、ET和电子转移等。不同的机理对大环主体分子和荧光发色团的结构有不同要求。了解各种机理过程以及其对大环主体和荧光发色团结构的要求对设计大环分子荧光探针具有理论指导意义。因此，下文对各机理的发生过程及需要满足的条件进行详细阐述。

基于客体间相互竞争机理的大环分子荧光探针主要是利用大环分子对不同客体分子配合能力的不同而实现。首先，荧光发色团通过结合位点与大环分子非共价结合形成大环分子/荧光发色团复合物。当荧光发色团与大环分子结合形成大环分子/荧光发色团超分子后，该超分子的荧光性质一般会发生变化[37]。对于环糊精和葫芦脲这类大环分子，当荧光发色团与这类大环分子形成超分子时，荧光发色团会进入到一个更加疏水并且可以避免溶剂影响的环境中，此时，被装入空腔的荧光发色团的荧光会增强；对于杯芳烃和柱芳烃这类富电子大环分子体系，荧光发色团与大环分子之间会发生电子转移过程，这一过程会造成被复合荧光发色团的荧光猝灭[38]。当被检物加入到大环分子/荧光发色团这一体系中之后，由于被检物与大环分子的结合力比荧光发色团与大环分子的结合能力更强，于是被检物将荧光发色团从大环分子的空腔中置换出来。被置换出来的荧光发色团将处于不同于大环空腔的化学环境中，化学环境的改变最终会导致荧光发色团的荧光变化，从而起到指示作用[39]。这一机理在检测酶作用下底物与酶解产物中应用很广[40-43]，其检测机理如图 3所示[44]。

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除了将这一机理应用于检测酶与底物的相互作用外，近年来客体竞争机理用于检测危害人体健康物质的报道也日益增多。Yao等[35]报道了基于水溶性柱芳烃与多联苯类荧光分子构筑的大环超分子荧光探针。首先通过主客体作用多联苯类荧光分子与柱芳烃构成超分子体系。由于荧光分子的聚集程度减弱，体系的荧光较强。百草枯分子与柱芳烃的结合能力比荧光分子与柱芳烃的结合能力强。当百草枯分子加入到超分子体系后，百草枯将荧光分子从柱芳烃的空腔中置换出来，染料分子的聚集程度增加，整个体系的荧光减弱。因此，通过主客体竞争机理实现了对百草枯的检测。检测机理示意图见图 4。

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光诱导电子转移(PET)是一个猝灭荧光的物理过程。在大环超分子荧光探针中，PET发生的过程为：电子从大环分子传递到处于激发态的荧光发色团，或者从处于激发态的荧光发色团向大环分子转移，电子转移的结果使得荧光发色团的荧光发生猝灭。这一过程发生的条件是：受体(receptor)的HOMO能级需要介于荧光发色团的LUMO与HOMO能级之间。当大环分子荧光探针受到光的激发时，体系会发生电子转移，引发电子重组过程。这一过程会阻止荧光发色团荧光的发射[45-47]，此时整个大环分子荧光探针无法表现出荧光性质。当受体通过一定的作用力，如主客体识别作用，与待检测物质结合后，受体的HOMO能级会发生移动，导致其不再处于荧光发色团的LUMO与HOMO能级之间。此时，由于能级的限制，二者之间的PET过程将不会发生，即阻断了受体与荧光发色团之间的PET过程。由于PET过程的阻断，荧光发色团的荧光重新出现，从而实现对该物质的检测[48]。基于PET机理的大环超分子荧光探针发生过程示意图如图 5所示。

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PET是设计大环超分子荧光探针时常用的候选机理。近年来，关于利用这一机理来设计大环超分子荧光探针的报道层出不穷。基于PET机理检测的物质种类涵盖范围非常广泛，如金属阳离子[49-50]、阴离子[51-52]和爆炸物等[53]。其中由于金属阳离子可以有效阻断受体与荧光发色团之间PET过程，对其研究也是最广泛与深入的。

本课题组[54]报道了由水溶性柱芳烃(WP5)与苝酰亚胺类荧光染料(G)通过主客体识别作用，构筑得到的超分子荧光探针(WP5⊃G)。由于柱芳烃是一类富电子的大环分子，苝酰亚胺分子是一类缺电子的荧光分子，将苝酰亚胺分子进行化学修饰后，柱芳烃与苝酰亚胺分子的HOMO和LUMO能够匹配进而发生PET。当将二者通过主客体识别作用构建超分子体系(WP5⊃G)时，由于PET，苝酰亚胺客体分子的荧光被猝灭。当向WP5⊃G体系中加入Fe3+时，Fe3+阻断了WP5⊃G超分子体系的PET，体系的荧光得以恢复。因此，WP5⊃G作为一大环超分子荧光探针实现了对Fe3+的特异性检测。检测过程示意图如图 6所示。

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除了利用有机发色团构筑PET体系外，基于大环分子与无机发色团构筑的大环超分子荧光探针也多有报道。Dhenadhayalan等[55]报道了通过冠醚共价修饰连接硅量子点而实现对Mg2+、Ca2+和Mn2+的特异性检测，其最低检测限分别为1.81×10-6、3.15×10-6和0.47×10-6 mol/L。这一体系对金属离子的检测过程可详细阐述为：当光激发时，硅量子点与冠醚之间发生PET过程，此时整个体系的荧光为off状态。当加入特定金属离子时，金属离子通过静电作用力进入到冠醚空腔内从而阻断整个体系的PET过程，使整个体系的荧光“turn-on”。整个体系通过荧光信号的重新出现而实现对金属离子的检测(如图 7所示)。

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能量转移(ET)依据能量给体与能量受体之间有效发生ET时二者的距离不同可以分为两种。一种是：电子能量转移(electronic ET，EET)；另一种是：荧光能量共振转移(fluorescence resonance ET，FRET)。EET又可以被称为Dexter electron transfer，要使其有效发生则要求能量给体和能量受体之间的距离在1.0 nm以内；FRET则要求能量给体和能量受体之间的距离在1.0 nm到10.0 nm之间。与此同时，高效发生FRET还要求能量给体的发射光谱与能量受体的吸收光谱有部分重叠。因此，基于ET机理的大环超分子荧光探针在设计过程中能量受体与能量给体之间的距离是一个非常重要的考虑因素。FRET机理相对于EET机理而言，能量给体与能量受体之间的距离较易实现，所以FRET机理在大环分子荧光探针的设计中更为常见。此外，基于FRET机理设计的大环分子荧光探针具有许多优势。例如：这类荧光探针不会直接产生氧化还原离子，因此不会导致光损伤等一些副反应的发生；再者，利用FRET机理很容易实现比率型检测，并且可以有效避免外界因素干扰。所以FRET成为设计大环超分子荧光探针时一个较常用的机理[56-60]。

Xu等[61]设计并且合成了一种水溶性环糊精/荧光染料复合物。该复合物作为大环分子荧光探针，对Fe3+进行选择性定量检测。这一体系由两部分构成，一部分为：丹酰共价修饰的环糊精(β-CD-DNS)分子；另一部分为：金刚烷共价修饰的罗丹明分子(AD-SRhB)。丹酰部分作为能量供体，罗丹明部分作为对Fe3+敏感且有选择性的传感器。当罗丹明分子选择性地配合Fe3+之后，罗丹明分子发生开环反应，其荧光发射峰出现红移，此时开环状态的罗丹明分子便可以作为能量受体。与此同时，金刚烷部分与环糊精形成稳定的主客体复合物，而且金刚烷与罗丹明分子是通过共价键连接的，可以保证能量供体与能量受体之间的距离在FRET发生的有效距离之内。图 8为该体系检测Fe3+机理示意图。

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电荷转移(Charge transfer，CT)包括分子内电荷转移(intramolecular CT，ICT)、金属-配体电荷转移(metal-ligand CT，MLCT)和分子内扭转电荷转移(twisted ICT，TICT)。对于ICT荧光探针，放大或者抑制ICT过程会导致荧光发射光谱产生红移或者蓝移，最终会产生比率型的荧光信号。利用这类机理的荧光探针可以实现复杂环境中对物质的检测。例如，对细胞或组织中物质的定量检测等。MLCT的发生过程是：电荷通常从配体转移到过渡金属，所以这一过程在金属复合物中观察到的较多。TICT过程是一类非常强的ICT过程。TICT过程发生时，分子处于激发态并且整个过程需要溶剂的参与。TICT的发生过程为：分子周围溶剂的逐渐释放使电子给体与电子受体之间持续转动直至其扭转约90°[62-63]。

Sutariya等[64]设计并合成了一种turn on/off型大环分子荧光探针，并且这一大环分子荧光探针可以实现对Zn2+和F-的双重检测。当这一体系检测Zn2+时，整个体系为“turn-on”型；当这一体系检测F-离子时，整个体系为“turn-off”型。此外，设计的大环分子荧光探针可以实现在血清中对于Zn2+和F-的检测，最低检测限分别为8.7×10-6 以及22×10-9 mol/L。检测机理如图 9所示。

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除以上介绍的几种检测机理外，还有许多其它机理。利用被检物与大环分子之间的尺寸匹配程度来实现对某些物质的特异性检测。实例有：利用杯芳烃构筑大环分子荧光探针来对爆炸性物质进行检测[65]。再者，利用被检测物质与大环分子荧光探针的结合位点结合之后，分子间排列或构象发生变化而引起荧光信号的变化，从而实现检测的目的[66]。

基于大环分子的主客体超分子荧光探针在环境污染物及健康危害物的早期检测领域受到了科研工作者的广泛关注。这类荧光探针的大环主体分子主要有冠醚、环糊精、杯芳烃、葫芦脲和柱芳烃。本综述主要阐述了大环主体的结构和性能以及大环超分子荧光探针的构建和检测机理。大环分子荧光探针设计的机理主要有：客体分子竞争、电子转移及ET等。近年来，对于这些机理的探究也越来越完善。大环分子荧光探针不仅可以利用共价键进行构建，还可以利用非共价键来构建，这为大环分子荧光探针的设计开拓了思路。与此同时，这类荧光探针在设计时可以充分利用到大环空腔的优势，这是其它荧光探针所不具有的。总之，由于大环分子独具的优势，基于大环分子的主客体超分子荧光探针无论是在体外环境还是在生物环境中都具有广阔的应用前景。

虽然对大环分子荧光探针的研究越来越深入，但仍然存在许多问题，例如：选择性不高、灵敏度较差等。如何有效地解决这些问题仍是以后科研工作者研究的重点。针对这类荧光探针存在的不足之处，科研工作者在设计体系时应当从各个方面充分考虑。为克服选择性不高，灵敏度较差的问题，可在荧光发色团上修饰特异性识别待检物的基团，或设计合成能与大环分子空腔具有更强识别能力的客体分子。

今后，具有高灵敏度、高选择性、光稳定性好、溶解性可调、可循环使用的超分子荧光探针的设计及应用研究仍是化学家、环境学家和生物学家关注的方向。此外，纳米技术、生物技术与超分子化学的交叉融合也将给开发新型环境污染物及健康危害物的荧光探针带来新的启示。此类新型探针的开发还将对重大疾病的诊断和治疗，医学及环境治理等方面具有重要的科学意义和应用前景。