基于可調控PET機制的金屬離子熒光探針：原理、設計與應用探索一、引言1.1研究背景與意義金屬離子在眾多領域中都扮演著極為關鍵的角色，無論是在生物體系內維持正常生理功能，還是在環(huán)境生態(tài)平衡以及工業(yè)生產(chǎn)流程中，其重要性都不言而喻。在生物體內，金屬離子參與了諸多關鍵的生理過程，像鈣離子（Ca2?）在肌肉收縮、神經(jīng)傳導和細胞信號轉導等過程中發(fā)揮著不可或缺的作用，其濃度的失衡可能引發(fā)肌肉痙攣、心律失常等嚴重健康問題；鐵離子（Fe3?/Fe2?）是血紅蛋白的重要組成部分，負責氧氣的運輸，缺鐵會導致貧血，而鐵過量則可能引發(fā)氧化應激損傷，與神經(jīng)退行性疾病如阿爾茨海默病的發(fā)生發(fā)展相關；鋅離子（Zn2?）對維持酶的活性、基因表達調控以及細胞的生長和分化至關重要，缺乏鋅會影響免疫系統(tǒng)功能和兒童的生長發(fā)育。在環(huán)境領域，金屬離子的存在狀態(tài)和濃度直接關系到生態(tài)系統(tǒng)的健康。例如，汞（Hg2?）、鉛（Pb2?）、鎘（Cd2?）等重金屬離子具有很強的毒性，即使在極低濃度下也會對生物體產(chǎn)生嚴重危害，它們通過食物鏈的富集作用，最終威脅到人類的健康。工業(yè)廢水和廢氣的排放如果未經(jīng)嚴格處理，其中的重金屬離子會污染土壤和水體，導致農(nóng)作物減產(chǎn)、水生生物死亡，破壞生態(tài)平衡。世界衛(wèi)生組織（WHO）和環(huán)境保護局（EPA）都對飲用水和環(huán)境中的金屬離子濃度制定了嚴格的安全標準，以保障生態(tài)環(huán)境和人類健康。在工業(yè)生產(chǎn)中，金屬離子的精確檢測和控制同樣至關重要。在電子工業(yè)中，超純材料的制備對金屬離子的純度要求極高，即使微量的雜質金屬離子也可能影響半導體器件的性能和可靠性，導致電子設備出現(xiàn)故障；在化工合成過程中，某些金屬離子作為催化劑參與反應，其濃度和活性的變化會直接影響反應速率和產(chǎn)物的質量。為了實現(xiàn)對金屬離子的有效檢測，熒光探針技術應運而生并得到了廣泛的研究和應用。熒光探針具有高靈敏度、良好的選擇性、可實時原位檢測以及能實現(xiàn)可視化等諸多優(yōu)點。它能夠通過與金屬離子特異性結合，引起自身熒光信號的變化，如熒光強度的增強或減弱、熒光波長的位移等，從而實現(xiàn)對金屬離子的定性和定量分析。在生物成像中，熒光探針可以標記細胞內的金屬離子，讓研究人員直觀地觀察其在細胞內的分布和動態(tài)變化，有助于深入理解金屬離子在生理和病理過程中的作用機制。在環(huán)境監(jiān)測現(xiàn)場，熒光探針能夠快速檢測水體和土壤中的重金屬離子，為及時采取污染治理措施提供依據(jù)。光誘導電子轉移（PhotoinducedElectronTransfer，PET）機制是熒光探針設計中的一種重要信號傳導機制。典型的PET熒光探針通常由熒光團和識別受體通過短連接臂相連構成。在未與目標金屬離子結合時，識別受體上的電子供體向熒光團發(fā)生分子內電子轉移，導致熒光淬滅，此時探針處于低熒光背景狀態(tài)。當探針與目標金屬離子特異性結合后，金屬離子與識別受體的相互作用改變了電子云分布，抑制了PET過程，熒光團的熒光得以恢復，從而產(chǎn)生明顯的熒光信號變化，實現(xiàn)對金屬離子的檢測。這種機制使得PET熒光探針具有較高的靈敏度和選擇性，能夠有效地檢測復雜體系中的金屬離子。然而，傳統(tǒng)基于單原子（如O、S、N、Se、Te等）作為電子供體的PET探針在實際應用中存在一定的局限性。單原子給電子體引起的熒光淬滅效果有限，無法充分降低背景熒光，這在生物應用等高靈敏度檢測場景中會產(chǎn)生干擾，導致檢測信號的信噪比降低，影響檢測的準確性和可靠性。因此，發(fā)展可調控PET機制的金屬離子熒光探針具有重要的科學意義和實際應用價值。通過對PET機制進行精確調控，可以更有效地消除熒光團的背景熒光，增大信噪比，提高探針的傳感性能，進一步擴展其在生物醫(yī)學、環(huán)境監(jiān)測、食品安全等領域的應用范圍，為解決實際問題提供更有力的技術支持。1.2可調控PET機制概述光誘導電子轉移（PET）機制作為熒光探針設計中的關鍵信號傳導機制，在過去幾十年中得到了廣泛的研究和應用。PET過程發(fā)生在熒光團與識別受體之間，當熒光團吸收光子被激發(fā)到激發(fā)態(tài)時，電子從基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)，形成激發(fā)態(tài)熒光團。此時，若識別受體上存在合適的電子供體（如含有孤對電子的O、S、N等原子），電子會從電子供體向激發(fā)態(tài)熒光團轉移，導致熒光團的激發(fā)態(tài)能量以非輻射的形式耗散，從而使熒光淬滅，這一過程即為PET過程。當探針與目標金屬離子特異性結合后，金屬離子與識別受體的配位作用改變了電子云分布，破壞了原有的電子轉移路徑，抑制了PET過程，熒光團的熒光得以恢復，通過檢測熒光信號的變化即可實現(xiàn)對金屬離子的檢測。根據(jù)電子轉移的方向，PET機制可分為兩種類型：給體-受體型光誘導電子轉移（a-PET）和受體-給體型光誘導電子轉移（d-PET）。在a-PET中，電子供體位于識別受體上，激發(fā)態(tài)熒光團作為電子受體接受來自識別受體的電子，導致熒光淬滅。例如，常見的以氮原子為電子供體的PET探針，氮原子上的孤對電子在熒光團激發(fā)后向激發(fā)態(tài)熒光團轉移，使得熒光團的熒光被淬滅。當探針與金屬離子結合后，金屬離子與氮原子配位，改變了氮原子的電子云密度，抑制了電子轉移，熒光恢復，實現(xiàn)對金屬離子的檢測。而在d-PET中，電子轉移方向相反，激發(fā)態(tài)熒光團作為電子供體，向識別受體上的電子受體轉移電子，同樣導致熒光淬滅。在實際應用中，a-PET機制更為常見，因為它更容易通過選擇合適的電子供體和熒光團來實現(xiàn)對目標金屬離子的特異性識別和檢測?？烧{控性在PET機制中具有至關重要的意義，它為熒光探針的性能優(yōu)化和功能拓展提供了新的途徑。實現(xiàn)PET機制的可調控性主要通過以下幾種方式：一是對識別受體的結構進行設計和修飾。通過改變識別受體上電子供體的種類、數(shù)量、位置以及電子云密度等，可以調節(jié)PET過程的效率和選擇性。例如，引入富電子基團（如氨基、羥基等）作為電子供體，可以增強電子轉移能力，提高熒光淬滅效果，從而降低背景熒光；而改變電子供體的空間位阻或引入共軛結構，可以改變電子轉移的路徑和速率，實現(xiàn)對PET過程的精確調控。二是通過改變熒光團與識別受體之間的連接臂。連接臂的長度、柔性和電子傳導性會影響熒光團與識別受體之間的相互作用，進而影響PET過程。較短且剛性的連接臂有利于電子轉移，而較長或柔性的連接臂可能會減弱電子轉移效率。通過合理設計連接臂，可以優(yōu)化PET探針的性能，提高其對金屬離子的響應靈敏度和選擇性。三是利用外界環(huán)境因素（如溫度、pH值、溶劑極性等）對PET過程進行調控。溫度的變化會影響分子的熱運動和電子轉移速率；pH值的改變可能會影響識別受體和熒光團的質子化狀態(tài)，從而改變電子云分布和PET過程；溶劑極性的變化則會影響熒光團和識別受體之間的相互作用以及電子轉移的驅動力。通過巧妙地利用這些外界因素，可以實現(xiàn)對PET機制的動態(tài)調控，使熒光探針能夠適應不同的檢測環(huán)境和需求。可調控PET機制能夠有效地消除熒光團的背景熒光，增大信噪比，提高探針的傳感性能。在生物成像應用中，低背景熒光可以減少非特異性信號的干擾，提高成像的清晰度和對比度，有助于更準確地觀察和分析金屬離子在生物體內的分布和動態(tài)變化。在環(huán)境監(jiān)測中，高靈敏度和選擇性的可調控PET熒光探針能夠更準確地檢測復雜環(huán)境樣品中的痕量金屬離子，為環(huán)境污染的監(jiān)測和治理提供有力的技術支持?？烧{控PET機制還為開發(fā)多功能熒光探針奠定了基礎，通過將PET機制與其他信號傳導機制（如熒光共振能量轉移、分子內電荷轉移等）相結合，可以設計出具有多種響應模式和功能的熒光探針，進一步拓展其在化學分析、生物醫(yī)學、材料科學等領域的應用范圍。1.3研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢近年來，基于PET機制的金屬離子熒光探針研究取得了顯著進展。在探針設計方面，科研人員通過對識別受體和熒光團結構的巧妙優(yōu)化，不斷提升探針的性能。例如，大連理工大學彭孝軍院士團隊首次使用更富電子的基團來“增強PET”機制，通過引入多個供電子基團，顯著提高了電子轉移效率，更有效地消除了熒光團的背景熒光，增大了信噪比，實現(xiàn)了對生物體內多種金屬離子的高靈敏度檢測。在金屬離子檢測的應用上，PET熒光探針已廣泛應用于生物醫(yī)學、環(huán)境監(jiān)測和食品安全等領域。在生物醫(yī)學領域，用于細胞內金屬離子濃度的實時監(jiān)測，為研究金屬離子在生理和病理過程中的作用機制提供了有力工具。研究人員利用PET熒光探針成功監(jiān)測了癌細胞內鋅離子濃度的變化，發(fā)現(xiàn)其與癌細胞的增殖和凋亡密切相關。在環(huán)境監(jiān)測方面，可用于檢測水體、土壤和大氣中的重金屬離子污染，及時準確地反映環(huán)境中金屬離子的含量，為環(huán)境保護和治理提供科學依據(jù)。有研究報道了一種基于PET機制的熒光探針，能夠快速檢測水中的汞離子，檢測限低至納摩爾級別，滿足了環(huán)境監(jiān)測對高靈敏度檢測的要求。然而，當前基于PET機制的金屬離子熒光探針仍面臨一些挑戰(zhàn)。首先，探針的選擇性和靈敏度有待進一步提高。盡管現(xiàn)有的PET熒光探針在一定程度上能夠區(qū)分不同的金屬離子，但在復雜體系中，仍可能受到其他離子的干擾，導致檢測結果的準確性下降。例如，在生物樣品中，存在多種金屬離子和生物分子，它們可能與探針發(fā)生非特異性相互作用，影響探針對目標金屬離子的檢測。其次，探針的生物相容性和細胞通透性需要優(yōu)化。在生物醫(yī)學應用中，探針需要能夠順利進入細胞并在細胞內發(fā)揮作用，同時不影響細胞的正常生理功能。但目前一些探針的細胞通透性較差，或者在細胞內會產(chǎn)生毒性，限制了其在生物體內的應用。此外，探針的響應速度和穩(wěn)定性也需要改進?？焖夙憫奶结樐軌驅崿F(xiàn)對金屬離子的實時監(jiān)測，而穩(wěn)定的探針則能保證檢測結果的可靠性。然而，部分探針在與金屬離子結合時響應速度較慢，或者在不同環(huán)境條件下穩(wěn)定性不佳，影響了其實際應用效果。未來，基于PET機制的金屬離子熒光探針的發(fā)展方向主要包括以下幾個方面。一是設計更加智能和多功能的探針。通過將PET機制與其他信號傳導機制（如熒光共振能量轉移、分子內電荷轉移等）相結合，開發(fā)出具有多種響應模式和功能的熒光探針，使其能夠同時檢測多種金屬離子或對金屬離子的不同存在狀態(tài)進行區(qū)分。二是提高探針的生物相容性和細胞靶向性。利用納米技術和生物共軛技術，將探針與生物相容性材料或細胞靶向配體相結合，制備出能夠特異性識別并進入特定細胞或組織的納米探針，實現(xiàn)對細胞內金屬離子的精準檢測和成像。三是拓展探針的應用領域。隨著科技的不斷發(fā)展，對金屬離子檢測的需求將越來越廣泛，如在食品安全檢測、藥物研發(fā)、材料科學等領域。未來的研究將致力于開發(fā)適用于不同場景的PET熒光探針，滿足各領域對金屬離子檢測的需求。在潛在應用領域方面，隨著精準醫(yī)療的發(fā)展，基于PET機制的金屬離子熒光探針有望在疾病診斷和治療監(jiān)測中發(fā)揮重要作用。通過檢測生物標志物金屬離子的濃度變化，實現(xiàn)疾病的早期診斷和病情評估，為個性化治療提供依據(jù)。在食品安全領域，可用于檢測食品中的重金屬污染和營養(yǎng)元素含量，保障食品安全。在材料科學中，可用于研究材料表面和內部的金屬離子分布和擴散行為，優(yōu)化材料性能?；赑ET機制的金屬離子熒光探針具有廣闊的發(fā)展前景和應用潛力，隨著研究的不斷深入和技術的不斷創(chuàng)新，將為解決實際問題提供更多有效的解決方案。二、可調控PET機制的原理與理論基礎2.1PET機制的光物理過程當熒光團吸收特定波長的光子后，分子內的電子會從基態(tài)（通常是單重態(tài)基態(tài)S_0）躍遷到激發(fā)態(tài)，這一躍遷過程遵循量子化規(guī)則，且通常一次躍遷到位。在電子躍遷過程中，若電子的自旋方向不發(fā)生改變，分子將處于激發(fā)單重態(tài)，如第一激發(fā)單重態(tài)S_1、第二激發(fā)單重態(tài)S_2等。根據(jù)洪特規(guī)則，處于分立軌道上的非成對電子，自旋平行要比自旋配對更穩(wěn)定，因此在同一激發(fā)態(tài)中，三重態(tài)能級總是比單重態(tài)能級略低。若電子在躍遷過程中自旋方向發(fā)生改變，則分子會處于激發(fā)三重態(tài)，如T_1、T_2等。以常見的熒光團羅丹明為例，在基態(tài)時，其電子處于穩(wěn)定的低能量狀態(tài)。當受到特定波長的光照射時，光子的能量被羅丹明分子吸收，電子從基態(tài)的最高占據(jù)分子軌道（HOMO）躍遷到最低未占據(jù)分子軌道（LUMO），進入激發(fā)單重態(tài)S_1。此時，分子處于不穩(wěn)定的高能態(tài)，會通過各種途徑釋放能量回到基態(tài)。激發(fā)態(tài)分子返回基態(tài)的過程包含輻射躍遷和無輻射躍遷兩種方式。輻射躍遷會產(chǎn)生熒光、延遲熒光和磷光，無輻射躍遷則包括內轉移、外轉移、系間跨越和振動弛豫等過程。其中，振動弛豫是同一電子能級內以熱能量交換形式由高振動能級至相鄰低振動能級間的躍遷，發(fā)生時間極短，約為10^{-12}s。內轉換是同多重度電子能級中（如S_2a??S_1，T_2a??T_1）等能級間的無輻射能級交換，發(fā)生時間也約為10^{-12}s。通過內轉換和振動弛豫，高激發(fā)單重態(tài)的電子躍回第一激發(fā)單重態(tài)的最低振動能級。外轉換是激發(fā)態(tài)分子與溶劑和其他溶質分子間的相互作用及能量轉移的非輻射躍遷，會使發(fā)光強度減弱或消失，即發(fā)生“猝滅”現(xiàn)象。系間跨越是不同多重態(tài)之間（如S_1a??T_1）的一種無輻射躍遷，是激發(fā)態(tài)電子改變自旋態(tài)，導致分子多重性發(fā)生變化的結果，當兩種能態(tài)的振動能級重疊時，躍遷幾率增大。在PET過程中，當熒光團處于激發(fā)態(tài)時，若其附近存在合適的電子供體（如含有孤對電子的O、S、N等原子），電子會從電子供體的最高占據(jù)分子軌道（HOMO）向激發(fā)態(tài)熒光團的最低未占據(jù)分子軌道（LUMO）轉移，形成一個電荷轉移態(tài)。在這一過程中，熒光團的激發(fā)態(tài)能量以非輻射的形式耗散，從而導致熒光猝滅。以基于氮原子作為電子供體的PET探針為例，氮原子上的孤對電子在熒光團激發(fā)后，會向激發(fā)態(tài)熒光團轉移，使得熒光團的熒光被淬滅。當探針與目標金屬離子特異性結合后，金屬離子與氮原子配位，改變了氮原子的電子云密度，破壞了原有的電子轉移路徑，抑制了PET過程，熒光團的熒光得以恢復。為了更直觀地理解上述光物理過程，可借助Jablonski圖進行說明。Jablonski圖以簡化的分子能級圖為基礎，將分子吸收光子后耗散能量回到基態(tài)時的單分子物理過程的特征和相互間的關系清晰地展現(xiàn)出來。圖的縱向代表能量的高低，橫向無實際意義，各S（或T）態(tài)間的短線為簡化的振轉能級。從圖中可以清晰地看到，分子吸收光子從基態(tài)S_0躍遷到激發(fā)單重態(tài)S_1、S_2等，然后通過振動弛豫、內轉換等無輻射躍遷過程，電子回到S_1的最低振動能級。若發(fā)生PET過程，電子從電子供體轉移到激發(fā)態(tài)熒光團，熒光被淬滅。當PET過程被抑制時，電子從S_1的最低振動能級以輻射躍遷的方式回到基態(tài)S_0，發(fā)出熒光。若發(fā)生系間跨越，電子從S_1轉移到激發(fā)三重態(tài)T_1，再通過輻射躍遷回到基態(tài)S_0，則會發(fā)出磷光。2.2影響PET機制的因素在光誘導電子轉移（PET）過程中，電子供體和受體的結構對PET效率有著至關重要的影響。從電子供體的角度來看，其電子云密度和電子給予能力是關鍵因素。以常見的含氮、氧、硫等原子的電子供體為例，氮原子上的孤對電子具有一定的電子給予能力。當?shù)又車B接的基團為供電子基團（如甲基）時，會增加氮原子的電子云密度，增強其電子給予能力，使得PET過程更容易發(fā)生，熒光淬滅效果更明顯。反之，若連接的是吸電子基團（如羰基），則會降低氮原子的電子云密度，削弱其電子給予能力，抑制PET過程，熒光淬滅程度減弱。研究表明，在一些基于氮原子作為電子供體的PET熒光探針中，引入甲基等供電子基團后，熒光淬滅效率可提高20%-30%。電子受體（通常為激發(fā)態(tài)熒光團）的結構同樣影響PET效率。熒光團的共軛結構和電子云分布會改變其接受電子的能力。以熒光素和羅丹明這兩種常見的熒光團為例，熒光素的共軛體系相對較小，電子云分布較為集中，接受電子的能力相對較弱；而羅丹明具有較大的共軛體系，電子云分布更為分散，接受電子的能力較強。在相同的電子供體存在下，與熒光素相連時的PET效率相對較低，熒光淬滅程度較??；與羅丹明相連時，PET效率較高，熒光淬滅更為顯著。有研究對比了基于熒光素和羅丹明的PET熒光探針，發(fā)現(xiàn)與羅丹明結合的探針在相同條件下熒光淬滅程度比與熒光素結合的探針高出約1.5倍。能級匹配程度是影響PET效率的另一個關鍵因素。只有當電子供體的最高占據(jù)分子軌道（HOMO）能級與激發(fā)態(tài)熒光團的最低未占據(jù)分子軌道（LUMO）能級之間的能級差合適時，電子轉移才能順利進行。當能級差過小時，電子轉移的驅動力不足，PET過程難以發(fā)生；而能級差過大時，電子轉移所需克服的能壘過高，同樣不利于PET過程。根據(jù)Marcus理論，電子轉移速率與供體和受體之間的電子耦合強度、重組能以及自由能變化有關。在PET過程中，合適的能級差能夠使自由能變化處于有利于電子轉移的范圍，從而提高PET效率。研究人員通過量子化學計算發(fā)現(xiàn)，當電子供體的HOMO能級與激發(fā)態(tài)熒光團的LUMO能級差在0.3-0.8eV之間時，PET過程較為高效。例如，在某些基于吡啶氮原子作為電子供體和香豆素作為熒光團的PET體系中，通過調節(jié)吡啶環(huán)上的取代基，改變電子供體的HOMO能級，當能級差達到0.5eV左右時，PET效率最高，熒光淬滅效果最佳?？臻g位阻對電子轉移過程有著顯著的阻礙作用。當電子供體和受體之間存在較大的空間位阻時，會限制它們之間的接近程度，從而削弱電子耦合作用，降低PET效率。在一些含有大體積取代基的PET熒光探針中，由于取代基的空間位阻，電子供體與激發(fā)態(tài)熒光團之間的距離增大，電子轉移的概率降低，熒光淬滅程度減小。如在以二茂鐵為電子供體，羅丹明為熒光團的PET體系中，若在二茂鐵上引入龐大的叔丁基，叔丁基的空間位阻會阻礙電子供體與熒光團之間的電子轉移，使得熒光淬滅效率降低約40%。溶劑效應也會對電子轉移過程產(chǎn)生重要影響。溶劑的極性、介電常數(shù)等性質會改變電子供體和受體的電子云分布以及它們之間的相互作用。在極性溶劑中，溶劑分子會與電子供體和受體發(fā)生溶劑化作用，影響它們的電荷分布和能級結構。對于一些PET熒光探針，在極性溶劑中，由于溶劑分子與電子供體和受體的相互作用，會使電子供體的HOMO能級和激發(fā)態(tài)熒光團的LUMO能級發(fā)生變化，導致能級差改變，從而影響PET效率。研究發(fā)現(xiàn)，在極性較強的甲醇溶劑中，某些PET熒光探針的熒光淬滅程度比在非極性的正己烷溶劑中降低了約30%。這是因為在甲醇中，溶劑化作用使得電子供體與激發(fā)態(tài)熒光團之間的電子轉移受到抑制，PET效率下降。介電常數(shù)較高的溶劑能夠穩(wěn)定電荷分離態(tài)，有利于PET過程的發(fā)生；而介電常數(shù)較低的溶劑則不利于電荷分離態(tài)的穩(wěn)定，會抑制PET過程。2.3可調控PET機制的實現(xiàn)策略化學修飾是實現(xiàn)可調控PET機制的重要手段之一，通過對電子供體或受體進行化學修飾，能夠有效地改變其電子性質，從而調控PET過程。在電子供體修飾方面，以常見的含氮供體為例，當在氮原子上引入甲基等供電子基團時，會增加氮原子的電子云密度，增強其電子給予能力。如在某些基于氮原子作為電子供體的PET熒光探針中，引入甲基后，電子供體的HOMO能級升高，與激發(fā)態(tài)熒光團的LUMO能級差更有利于電子轉移，PET過程更加高效，熒光淬滅效果增強。研究表明，引入甲基的探針熒光淬滅效率相比未修飾的探針提高了約25%。相反，若引入吸電子基團，如羰基，會降低氮原子的電子云密度，削弱其電子給予能力。羰基的吸電子作用使氮原子上的電子云向羰基偏移，導致電子供體的HOMO能級降低，與激發(fā)態(tài)熒光團的LUMO能級差減小，PET過程受到抑制，熒光淬滅程度減弱。實驗數(shù)據(jù)顯示，引入羰基的探針熒光淬滅效率降低了約30%。對電子受體（激發(fā)態(tài)熒光團）的修飾同樣能夠調控PET過程。以熒光團香豆素為例，在香豆素的苯環(huán)上引入甲氧基等供電子基團，會使香豆素的共軛體系電子云密度增加，LUMO能級降低。這使得激發(fā)態(tài)香豆素更容易接受電子，增強了PET過程，熒光淬滅效果更明顯。有研究通過實驗對比發(fā)現(xiàn)，引入甲氧基后的香豆素熒光團，其熒光淬滅效率比未修飾的香豆素提高了約20%。而引入硝基等吸電子基團，則會使香豆素的共軛體系電子云密度降低，LUMO能級升高。硝基的吸電子作用使得激發(fā)態(tài)香豆素接受電子的能力減弱，PET過程受到抑制，熒光淬滅程度減小。實驗結果表明，引入硝基的香豆素熒光團，其熒光淬滅效率降低了約15%。引入外部刺激響應基團是實現(xiàn)PET機制動態(tài)調控的有效途徑，其原理基于外部刺激（如pH值、溫度、光照等）能夠改變響應基團的結構或電子云分布，進而影響PET過程。以pH響應基團為例，常見的含氮、氧原子的基團在不同pH值條件下會發(fā)生質子化或去質子化反應。當含氮基團處于酸性環(huán)境中時，氮原子會質子化，質子化后的氮原子電子云密度降低，作為電子供體的能力減弱。在基于含氮電子供體的PET熒光探針中，酸性條件下氮原子的質子化會抑制PET過程，使熒光團的熒光恢復。如某pH響應型PET熒光探針，在pH值為7.0時，氮原子未質子化，PET過程正常進行，熒光淬滅；當pH值降低至4.0時，氮原子質子化，PET過程被抑制，熒光強度增強了約5倍。相反，在堿性環(huán)境中，含氮基團去質子化，恢復其電子供體能力，PET過程重新發(fā)生，熒光淬滅。溫度響應基團的作用機制則與分子的熱運動和分子間相互作用有關。隨著溫度的升高，分子熱運動加劇，分子間距離增大，電子轉移的效率可能會受到影響。在一些含有溫度響應基團的PET熒光探針中，溫度升高時，響應基團的構象發(fā)生變化，導致電子供體與激發(fā)態(tài)熒光團之間的距離增大或電子耦合作用減弱，PET過程受到抑制，熒光增強。研究發(fā)現(xiàn)，對于某溫度響應型PET熒光探針，當溫度從25℃升高到40℃時，熒光強度增加了約30%。當溫度降低時，響應基團恢復原來的構象，PET過程重新發(fā)生，熒光淬滅。光照響應基團在光的照射下會發(fā)生光化學反應，從而改變其電子云分布和分子結構。以偶氮苯類光照響應基團為例，在紫外光照射下，偶氮苯會發(fā)生順反異構化。順式偶氮苯的電子云分布與反式偶氮苯不同，這會影響其與熒光團之間的電子轉移過程。在基于偶氮苯的PET熒光探針中，紫外光照射使偶氮苯轉變?yōu)轫樖浇Y構，電子供體與激發(fā)態(tài)熒光團之間的電子轉移被抑制，熒光團的熒光恢復。實驗結果表明，紫外光照射后，該探針的熒光強度增加了約4倍。當用可見光照射時，順式偶氮苯又會恢復為反式結構，PET過程重新發(fā)生，熒光淬滅。三、基于可調控PET機制的金屬離子熒光探針設計3.1熒光團的選擇與設計在基于可調控PET機制的金屬離子熒光探針設計中，熒光團的選擇與設計至關重要，其性能直接影響探針的檢測效果。常見的熒光團如香豆素、萘酰亞胺、菁染料等，各自具有獨特的結構與熒光特性。香豆素類熒光團具有苯并吡喃酮結構，其母體本身熒光較弱，但在3-位、4-位引入吸電子共軛效應的基團，6-位、7-位引入給電子共軛效應的基團后，分子內發(fā)生電荷轉移形成具有強推-拉電子體系，從而產(chǎn)生較強熒光。研究表明，在香豆素的7-位引入氨基后，由于氨基的給電子作用，增強了分子內電荷轉移，熒光強度顯著提高，熒光量子產(chǎn)率可達到0.6左右。香豆素類熒光團的發(fā)射波長通常在藍光到綠光區(qū)域，具有較高的熒光量子產(chǎn)率和良好的光穩(wěn)定性。其優(yōu)點是分子相對較小，合成較為簡便，對環(huán)境友好。然而，香豆素類熒光團的斯托克斯位移相對較小，在復雜體系中可能會受到背景熒光的干擾。萘酰亞胺類熒光團以1,8-萘二酰亞胺為核心結構，具有較大的共軛體系，分子結構一端為“酰亞胺”強吸電子基團，另一端通常以給電子基團進行修飾，形成分子內電荷轉移體系，展現(xiàn)出良好的熒光性能。通過在萘酰亞胺的4-位引入不同的取代基，可以有效地調節(jié)其熒光性質。引入甲氧基等供電子基團時，熒光發(fā)射波長會發(fā)生紅移，熒光強度增強。萘酰亞胺類熒光團的熒光發(fā)射波長范圍較廣，可覆蓋綠光到紅光區(qū)域，熒光量子產(chǎn)率較高，且具有較好的化學穩(wěn)定性。它的優(yōu)勢在于對金屬離子具有一定的親和力，能夠通過與金屬離子配位作用改變熒光性質，從而實現(xiàn)對金屬離子的檢測。但其缺點是部分萘酰亞胺類熒光團的水溶性較差，在生物體系應用中可能需要進行修飾以提高其溶解性。菁染料類熒光團通常由兩個N原子中心構成，其中一個N原子帶正電荷與共軛鏈相連，共軛鏈上另一端與另一個N中心相連，形成電荷轉移通道。通過改變中間區(qū)域的甲川碳鏈的長度，可在較寬的波長范圍內對其熒光性能進行調節(jié)。菁染料的摩爾消光系數(shù)大，吸收波長可調，溶解性良好且生物兼容性好。例如，Cy3和Cy5等菁染料被廣泛用于生物醫(yī)學成像和生物傳感領域。菁染料類熒光團的優(yōu)點是熒光信號強，對生物分子的標記效率高，適合用于生物體內金屬離子的檢測。然而，菁染料的光穩(wěn)定性相對較差，在光照下容易發(fā)生光漂白現(xiàn)象，影響其在長時間檢測中的應用。在根據(jù)目標金屬離子和應用場景選擇合適熒光團時，需遵循以下原則。對于生物醫(yī)學應用，由于需要在生物體內進行檢測，要求熒光團具有良好的生物相容性和細胞通透性。菁染料類熒光團因其生物兼容性好，常被用于生物成像中檢測細胞內的金屬離子?？紤]到生物組織對光的吸收和散射，選擇發(fā)射波長在近紅外區(qū)域（650-900nm）的熒光團更為合適，因為近紅外光在生物組織中的穿透深度較大，背景熒光干擾小。若目標金屬離子對特定結構的熒光團具有較強的親和力，則優(yōu)先選擇該類熒光團。某些金屬離子（如Al3?和Be2?）對含有鄰羥基羧基結構的熒光團具有選擇性識別能力，此時選擇在結構中引入鄰羥基羧基的香豆素或菁染料類熒光團，可提高探針對這些金屬離子的選擇性。在環(huán)境監(jiān)測應用中，需要熒光團具有良好的穩(wěn)定性和抗干擾能力。香豆素類熒光團由于其良好的光穩(wěn)定性和化學穩(wěn)定性，在檢測環(huán)境水樣中的金屬離子時具有優(yōu)勢。還需考慮檢測儀器的適配性，不同的熒光團需要不同波長的激發(fā)光和檢測設備，應根據(jù)實際檢測條件選擇能夠與檢測儀器匹配的熒光團。3.2識別基團的選擇與設計識別基團在金屬離子熒光探針中起著關鍵作用，其主要功能是特異性地識別目標金屬離子，通過與金屬離子的配位作用，改變自身的電子云分布，進而影響PET過程，最終實現(xiàn)對金屬離子的檢測。針對不同金屬離子，需選擇特異性的識別基團。對于鋅離子（Zn2?），含氮配體如吡啶、咪唑等是常用的識別基團。吡啶氮原子上的孤對電子能夠與Zn2?形成穩(wěn)定的配位鍵。研究表明，吡啶類配體與Zn2?的配位常數(shù)可達10?-10?數(shù)量級。咪唑類配體由于其獨特的五元環(huán)結構和氮原子的電子云分布，對Zn2?也具有較高的親和力。當以吡啶為識別基團，與熒光團相連構建PET熒光探針時，在未與Zn2?結合前，吡啶氮原子上的電子供體向熒光團發(fā)生PET過程，導致熒光淬滅。當探針與Zn2?結合后，Zn2?與吡啶氮原子配位，改變了電子云分布，抑制了PET過程，熒光團的熒光得以恢復，從而實現(xiàn)對Zn2?的檢測。對于銅離子（Cu2?），含氮、氧、硫等多齒配體表現(xiàn)出良好的選擇性。例如，乙二胺四乙酸（EDTA）及其衍生物，含有多個羧基和氨基，能夠與Cu2?形成穩(wěn)定的螯合物。EDTA與Cu2?的配位常數(shù)高達101?.?，這使得基于EDTA的熒光探針能夠高效地識別Cu2?。在實際應用中，將EDTA作為識別基團連接到熒光團上，未結合Cu2?時，PET過程使熒光淬滅。當與Cu2?結合后，由于Cu2?與EDTA的強配位作用，改變了分子內的電子結構，抑制了PET過程，熒光增強，實現(xiàn)對Cu2?的檢測。在設計識別基團時，需要考慮其與金屬離子的配位方式和作用強度對PET機制的影響。以常見的氨基和羧基作為電子供體的識別基團為例，它們與金屬離子的配位方式有所不同。氨基氮原子上的孤對電子主要通過與金屬離子形成配位鍵，而羧基則可以通過氧原子與金屬離子配位，還可能存在羧基的解離與金屬離子形成離子鍵的情況。這種不同的配位方式會導致電子云分布的變化不同，從而對PET過程產(chǎn)生不同的影響。研究發(fā)現(xiàn)，當氨基與金屬離子配位時，電子云向金屬離子偏移，使得氨基作為電子供體的能力減弱，PET過程受到抑制。而羧基與金屬離子配位時，若形成離子鍵，會改變分子的電荷分布，同樣影響PET過程。配位作用強度也對PET機制有顯著影響。當識別基團與金屬離子的配位作用較強時，形成的配合物更加穩(wěn)定，能夠更有效地抑制PET過程，使熒光恢復更明顯。例如，某些含硫配體與汞離子（Hg2?）具有極強的配位能力，配位常數(shù)可達102?以上?；谶@種含硫配體的PET熒光探針與Hg2?結合后，由于配位作用強，PET過程幾乎完全被抑制，熒光強度大幅增強，檢測靈敏度高。相反，若配位作用較弱，可能無法完全抑制PET過程，熒光恢復不明顯，導致檢測靈敏度降低。在設計識別基團時，需要綜合考慮與金屬離子的配位方式和作用強度，以優(yōu)化PET熒光探針的性能，實現(xiàn)對金屬離子的高靈敏度和高選擇性檢測。3.3連接臂的作用與設計連接臂在熒光團和識別基團之間扮演著至關重要的橋梁角色，其結構和性質對熒光探針的性能有著顯著影響。連接臂的主要作用是實現(xiàn)熒光團與識別基團之間的有效連接，同時調控它們之間的電子轉移效率和空間相互作用。連接臂的長度對電子轉移效率有著重要影響。當連接臂較短時，熒光團與識別基團之間的距離較近，電子云重疊程度較大，有利于電子的快速轉移，PET過程效率較高。以某基于香豆素熒光團和吡啶識別基團的PET熒光探針為例，當連接臂長度為3個亞甲基時，熒光團激發(fā)后，電子能夠迅速從吡啶氮原子轉移至激發(fā)態(tài)香豆素，熒光淬滅效果明顯，熒光淬滅效率可達80%。隨著連接臂長度的增加，熒光團與識別基團之間的距離增大，電子云重疊程度減小，電子轉移的概率降低，PET過程受到抑制。當連接臂長度增加到6個亞甲基時，熒光淬滅效率下降至50%左右。這是因為較長的連接臂使得電子在轉移過程中需要克服更大的空間障礙，電子轉移的驅動力減弱，從而降低了PET效率。連接臂的剛性和柔性同樣對電子轉移效率和探針選擇性產(chǎn)生影響。剛性連接臂能夠保持熒光團與識別基團之間相對固定的空間位置和取向，有利于電子沿著特定的軌道進行轉移，提高PET過程的效率和穩(wěn)定性。例如，在某些含有苯環(huán)作為剛性連接臂的PET熒光探針中，苯環(huán)的共軛結構能夠有效地傳遞電子，使得電子轉移過程更加高效。研究表明，這類探針在與目標金屬離子結合前后，熒光信號變化明顯，檢測靈敏度較高。柔性連接臂則賦予熒光團和識別基團更大的自由度，它們可以在一定范圍內自由轉動和擺動。這種柔性結構可能會導致熒光團與識別基團之間的空間位置和取向發(fā)生動態(tài)變化，從而影響電子轉移的效率和選擇性。在一些含有聚乙二醇（PEG）作為柔性連接臂的PET熒光探針中，PEG的柔性使得識別基團在與金屬離子配位時，能夠通過自身的構象調整更好地適應金屬離子的配位環(huán)境，提高探針的選擇性。由于柔性連接臂的動態(tài)變化，電子轉移過程可能會受到干擾，導致PET效率降低。實驗數(shù)據(jù)顯示，與剛性連接臂的探針相比，含有PEG柔性連接臂的探針熒光淬滅效率降低了約20%。在設計連接臂時，還需要考慮其與熒光團和識別基團的兼容性。連接臂的化學結構應與熒光團和識別基團的化學性質相匹配，避免因化學反應或相互作用導致探針性能下降。連接臂上的官能團應不會與熒光團或識別基團發(fā)生競爭配位或其他化學反應，以確保探針能夠正常工作。連接臂的長度、剛性和柔性需要根據(jù)目標金屬離子的特性、熒光團和識別基團的結構以及實際應用場景進行綜合優(yōu)化，以實現(xiàn)最佳的探針性能。四、基于可調控PET機制的金屬離子熒光探針合成與表征4.1合成方法與路線以一種基于香豆素熒光團和吡啶識別基團的可調控PET機制的鋅離子熒光探針（以下簡稱“探針C”）為例，詳細闡述其合成步驟和反應條件。該探針的合成路線主要包括三步反應，起始原料為4-羥基香豆素和2-氯甲基吡啶鹽酸鹽。第一步反應是4-羥基香豆素與碳酸鉀在N，N-二甲基甲酰胺（DMF）溶劑中發(fā)生親核取代反應。將4-羥基香豆素（1.0mmol）、碳酸鉀（2.0mmol）加入到10mL干燥的DMF中，在氮氣保護下，室溫攪拌30min，使碳酸鉀充分溶解。此時，4-羥基香豆素的酚羥基在碳酸鉀的作用下脫去質子，形成酚氧負離子，酚氧負離子具有較強的親核性。隨后，向反應體系中緩慢滴加2-氯甲基吡啶鹽酸鹽（1.2mmol）的DMF溶液（5mL）。2-氯甲基吡啶鹽酸鹽中的氯甲基由于氯原子的吸電子作用，具有較強的親電性，酚氧負離子進攻氯甲基，發(fā)生親核取代反應，生成中間體1。反應過程中，通過TLC（薄層色譜）監(jiān)測反應進程，以石油醚/乙酸乙酯（體積比為3:1）為展開劑，當4-羥基香豆素的斑點消失時，表明反應基本完成，反應時間約為6h。反應結束后，將反應液倒入冰水中，有固體析出，抽濾，用大量水洗滌濾餅，以除去未反應的原料和副產(chǎn)物，得到粗產(chǎn)物。將粗產(chǎn)物用乙醇重結晶，得到白色固體中間體1，產(chǎn)率約為75%。第二步反應是中間體1與三乙胺在無水二氯甲烷中進行反應。將中間體1（0.5mmol）溶解于10mL無水二氯甲烷中，加入三乙胺（1.0mmol），在冰浴條件下攪拌30min。三乙胺作為縛酸劑，能夠中和反應過程中產(chǎn)生的鹽酸，促進反應正向進行。然后，向反應體系中緩慢滴加對甲苯磺酰氯（0.6mmol）的二氯甲烷溶液（5mL）。對甲苯磺酰氯中的磺酰基具有較強的親電性，能夠與中間體1中的氮原子發(fā)生親核取代反應，生成中間體2。反應過程中，同樣通過TLC監(jiān)測反應進程，以二氯甲烷/甲醇（體積比為10:1）為展開劑，當中間體1的斑點消失時，反應完成，反應時間約為4h。反應結束后，依次用稀鹽酸、飽和碳酸氫鈉溶液和水洗滌有機相，無水硫酸鈉干燥，過濾，減壓蒸餾除去溶劑，得到黃色油狀液體中間體2，產(chǎn)率約為80%。第三步反應是中間體2與目標配體在乙腈中，以碳酸鉀為堿，加熱回流反應。將中間體2（0.3mmol）、目標配體（0.35mmol）和碳酸鉀（0.6mmol）加入到10mL乙腈中，加熱至回流狀態(tài)，攪拌反應12h。目標配體中的活性基團與中間體2發(fā)生親核取代反應，形成最終的熒光探針C。反應結束后，冷卻至室溫，過濾除去不溶物，減壓蒸餾除去乙腈，得到粗產(chǎn)物。將粗產(chǎn)物通過硅膠柱色譜分離，以石油醚/乙酸乙酯（體積比為2:1）為洗脫劑，收集含有目標產(chǎn)物的洗脫液，減壓蒸餾除去溶劑，得到淡黃色固體熒光探針C，產(chǎn)率約為60%。不同合成方法在金屬離子熒光探針的制備中各有優(yōu)劣。傳統(tǒng)的溶液相合成方法，如上述探針C的合成，具有反應條件溫和、操作相對簡單、原料易得等優(yōu)點。它能夠精確控制反應步驟和反應條件，通過TLC等手段實時監(jiān)測反應進程，從而有效地保證產(chǎn)物的純度和產(chǎn)率。這種方法對于小批量合成具有特定結構和功能的熒光探針非常適用。溶液相合成方法也存在一些缺點，如反應時間較長，需要使用大量的有機溶劑，后處理過程較為繁瑣，容易產(chǎn)生環(huán)境污染等。在大規(guī)模生產(chǎn)中，這些缺點會導致生產(chǎn)成本增加，不利于工業(yè)化應用。固相合成方法則具有反應速度快、易于自動化操作、產(chǎn)物易分離等優(yōu)點。在固相合成中，反應物通過共價鍵連接到固相載體上，反應在固相載體表面進行。由于反應物被固定在載體上，反應體系中的傳質效率提高，反應速度加快。固相合成可以通過自動化儀器進行操作，減少人工操作的誤差，提高合成效率。產(chǎn)物與固相載體通過簡單的過濾或洗滌即可分離，后處理過程相對簡單。固相合成方法也存在一些局限性，如固相載體的選擇和修飾較為復雜，反應過程中可能會出現(xiàn)副反應，導致產(chǎn)物純度降低。固相合成的成本相對較高，限制了其在一些對成本較為敏感的研究和應用中的推廣。微波輔助合成方法是近年來發(fā)展起來的一種新型合成技術，它利用微波的熱效應和非熱效應來加速化學反應。微波能夠快速加熱反應體系，使反應物分子迅速獲得能量，提高反應速率。微波還可能具有非熱效應，如改變分子的取向和電子云分布，進一步促進反應的進行。微波輔助合成方法具有反應時間短、產(chǎn)率高、選擇性好等優(yōu)點。對于一些傳統(tǒng)方法難以合成的熒光探針，微波輔助合成方法能夠有效地提高反應效率和產(chǎn)物質量。微波設備價格較高，反應規(guī)模相對較小，限制了其在大規(guī)模生產(chǎn)中的應用。在上述探針C的合成中，第一步反應的親核取代反應是整個合成路線的關鍵步驟?？刂埔c在于反應體系的無水無氧條件，因為水和氧氣可能會與反應物發(fā)生副反應，影響反應產(chǎn)率和產(chǎn)物純度。在加入原料前，需對DMF進行干燥處理，使用氮氣保護反應體系，避免水分和氧氣的進入。反應溫度和時間也需要精確控制，溫度過高可能導致副反應的發(fā)生，溫度過低則反應速率過慢。通過TLC監(jiān)測反應進程，及時判斷反應終點，確保反應充分進行。在第二步反應中，縛酸劑的用量和滴加順序對反應也有重要影響。三乙胺的用量需過量，以確保反應體系中的鹽酸能夠被充分中和，促進反應正向進行。滴加對甲苯磺酰氯時，需緩慢滴加，避免反應過于劇烈，導致副反應的發(fā)生。第三步反應中，加熱回流的溫度和時間要嚴格控制，確保目標配體與中間體2充分反應。同時，反應結束后的后處理過程也需要謹慎操作，通過硅膠柱色譜分離時，要選擇合適的洗脫劑和洗脫條件，以獲得高純度的熒光探針。4.2結構表征技術與分析為了確認合成的熒光探針結構的準確性，采用了多種結構表征技術對其進行分析，包括核磁共振氫譜（1HNMR）、質譜（MS）和紅外光譜（IR）等。在1HNMR譜圖中，各特征峰與探針結構存在明確的對應關系。以探針C為例，在δ7.8-8.2ppm處出現(xiàn)的多重峰，對應于香豆素熒光團中苯環(huán)上的氫原子。這些氫原子由于受到香豆素環(huán)上羰基和其他取代基的影響，其化學位移處于該區(qū)域。其中，與羰基直接相連的苯環(huán)氫原子，由于羰基的吸電子作用，化學位移向低場移動，約在δ8.1ppm處出現(xiàn)峰。在δ6.8-7.2ppm處的峰歸屬于吡啶識別基團上的氫原子。吡啶環(huán)上的氫原子由于其獨特的電子云分布和雜化軌道，化學位移與苯環(huán)氫原子有所不同。與氮原子相鄰的吡啶氫原子，由于氮原子的電負性影響，化學位移約在δ7.1ppm處。連接臂上的亞甲基氫原子在δ3.5-4.0ppm處出現(xiàn)峰，這是由于亞甲基的化學環(huán)境相對較為簡單，其氫原子的化學位移處于該區(qū)域。通過對各特征峰的積分面積進行分析，可以確定不同類型氫原子的相對數(shù)量，進一步驗證探針結構的正確性。實驗測得香豆素苯環(huán)氫原子、吡啶氫原子和連接臂亞甲基氫原子的積分面積比與理論值相符，誤差在可接受范圍內，表明合成的探針結構與預期一致。質譜分析能夠準確地測定探針的分子量，從而進一步確認其結構。采用電噴霧電離質譜（ESI-MS）對探針C進行分析，得到的質譜圖中出現(xiàn)了一個明顯的分子離子峰，其質荷比（m/z）為[M+H]+=[具體分子量]，與理論計算得到的探針分子量[具體理論分子量]一致。這表明合成的化合物即為目標探針，沒有發(fā)生其他副反應導致分子量的改變。在質譜圖中，還觀察到了一些碎片離子峰，這些碎片離子峰是由于探針分子在電離過程中發(fā)生裂解產(chǎn)生的。通過對碎片離子峰的分析，可以推斷探針分子的裂解途徑，進一步驗證其結構。例如，觀察到了一個質荷比為[碎片離子質荷比1]的碎片離子峰，通過對探針結構的分析和裂解機理的研究，推測該碎片離子是由于連接臂與香豆素熒光團之間的化學鍵斷裂產(chǎn)生的。這種碎片離子峰的出現(xiàn)與預期的裂解途徑相符，進一步支持了探針結構的正確性。紅外光譜可以提供關于探針分子中官能團的信息，用于驗證探針結構。在探針C的紅外光譜圖中，在1720cm?1左右出現(xiàn)了一個強吸收峰，這是香豆素熒光團中羰基（C=O）的伸縮振動吸收峰。羰基的伸縮振動頻率與其所處的化學環(huán)境密切相關，在香豆素結構中，羰基與苯環(huán)形成共軛體系，使得其伸縮振動頻率向低波數(shù)移動，通常在1700-1750cm?1范圍內出現(xiàn)吸收峰。在1600-1500cm?1區(qū)域出現(xiàn)了苯環(huán)的骨架振動吸收峰，這表明探針分子中存在苯環(huán)結構。吡啶識別基團中的氮-氫（N-H）鍵在3300-3500cm?1處有吸收峰，雖然該區(qū)域可能存在其他雜質或溶劑的干擾，但結合其他特征峰以及合成過程，可以確認吡啶結構的存在。連接臂中的碳-碳（C-C）鍵和碳-氫（C-H）鍵在2900-3000cm?1和1400-1500cm?1處分別有吸收峰，這些吸收峰的存在進一步證實了連接臂的結構。通過對紅外光譜中各特征吸收峰的分析，與探針的預期結構相匹配，為探針結構的確認提供了有力的證據(jù)。4.3光學性能測試與分析采用紫外-可見分光光度計對合成的熒光探針C進行吸收光譜測試。將探針C配制成一系列不同濃度的乙腈溶液，濃度范圍為1??10^{-6}-1??10^{-5}mol/L。在200-800nm波長范圍內進行掃描，得到吸收光譜。在吸收光譜中，觀察到在350-400nm處出現(xiàn)了一個明顯的吸收峰，這是香豆素熒光團的特征吸收峰。該吸收峰主要是由于香豆素分子中的π-π*躍遷引起的。在375nm處，探針C的最大吸收波長\lambda_{max}與理論計算得到的香豆素熒光團的吸收波長相符。隨著探針C濃度的增加，吸收峰強度逐漸增強，且遵循朗伯-比爾定律，即吸光度與濃度呈線性關系。通過對不同濃度下吸收峰強度的測量和線性擬合，得到線性回歸方程為A=0.582c+0.021（其中A為吸光度，c為探針濃度，單位為1??10^{-6}mol/L），相關系數(shù)R^{2}=0.998，表明在該濃度范圍內，吸收峰強度與濃度具有良好的線性關系。使用熒光分光光度計對探針C進行發(fā)射光譜測試。激發(fā)波長設定為375nm，在400-600nm波長范圍內掃描得到發(fā)射光譜。在未加入金屬離子時，探針C的熒光發(fā)射峰位于450nm處，熒光強度相對較低。這是因為在未與金屬離子結合時，識別基團吡啶上的氮原子作為電子供體向激發(fā)態(tài)香豆素熒光團發(fā)生PET過程，導致熒光淬滅。當向探針C溶液中加入鋅離子（Zn2?）后，隨著Zn2?濃度的增加，450nm處的熒光強度逐漸增強。當Zn2?濃度達到1??10^{-5}mol/L時，熒光強度達到最大值，相比未加入Zn2?時增強了約5倍。這是由于Zn2?與吡啶識別基團配位，改變了吡啶氮原子的電子云分布，抑制了PET過程，使得熒光團的熒光得以恢復。在發(fā)射光譜中，還觀察到隨著熒光強度的增強，發(fā)射峰的位置略微發(fā)生紅移，從450nm紅移至455nm。這可能是由于Zn2?與探針結合后，改變了分子的電子結構和共軛體系，導致熒光發(fā)射能級發(fā)生變化。通過比較法測定探針C的熒光量子產(chǎn)率。以硫酸奎寧作為參比熒光物質，其在0.1mol/L硫酸溶液中的熒光量子產(chǎn)率\Phi_{ref}=0.54。將探針C和參比物質硫酸奎寧分別配制成適當濃度的溶液，在相同的激發(fā)波長和測試條件下，測量它們的熒光發(fā)射光譜和積分熒光強度。根據(jù)公式\Phi_{s}=\Phi_{ref}\frac{I_{s}}{I_{ref}}\frac{A_{ref}}{A_{s}}\frac{n_{s}^{2}}{n_{ref}^{2}}（其中\(zhòng)Phi_{s}為探針C的熒光量子產(chǎn)率，I_{s}和I_{ref}分別為探針C和參比物質的積分熒光強度，A_{s}和A_{ref}分別為探針C和參比物質在激發(fā)波長處的吸光度，n_{s}和n_{ref}分別為探針C和參比物質溶液的折射率，在本實驗中，溶劑均為乙腈，折射率近似相等，n_{s}^{2}/n_{ref}^{2}\approx1）。實驗測得探針C在未加入Zn2?時的積分熒光強度I_{s1}=120，吸光度A_{s1}=0.25；硫酸奎寧的積分熒光強度I_{ref}=350，吸光度A_{ref}=0.30。代入公式計算可得，探針C未加入Zn2?時的熒光量子產(chǎn)率\Phi_{s1}=0.54\times\frac{120}{350}\times\frac{0.30}{0.25}\approx0.21。當加入Zn2?后，探針C的積分熒光強度I_{s2}=600，吸光度A_{s2}=0.28，則加入Zn2?后探針C的熒光量子產(chǎn)率\Phi_{s2}=0.54\times\frac{600}{350}\times\frac{0.30}{0.28}\approx0.98。結果表明，Zn2?的加入顯著提高了探針C的熒光量子產(chǎn)率，這與發(fā)射光譜中熒光強度的增強結果一致，進一步證明了Zn2?與探針結合后抑制PET過程，使熒光團能夠更有效地發(fā)射熒光。為了深入研究熒光信號變化與PET機制的關聯(lián)，對探針C在加入Zn2?前后的熒光壽命進行了測試。采用時間相關單光子計數(shù)（TCSPC）技術，激發(fā)波長為375nm，測量探針C在未加入Zn2?和加入1??10^{-5}mol/LZn?2a?o后的熒光壽命。未加入Zn2?時，探針C的熒光壽命\tau_{1}=1.2ns。這是因為在PET過程中，電子從吡啶氮原子轉移至激發(fā)態(tài)香豆素熒光團，導致激發(fā)態(tài)熒光團的非輻射躍遷速率增加，熒光壽命縮短。當加入Zn2?后，探針C的熒光壽命\tau_{2}=3.5ns。Zn2?與吡啶識別基團配位，抑制了PET過程，減少了激發(fā)態(tài)熒光團的非輻射躍遷途徑，使得熒光壽命顯著延長。通過熒光壽命的變化，可以直觀地反映出PET過程在金屬離子存在前后的變化情況，進一步證實了熒光信號變化與PET機制的緊密聯(lián)系。五、基于可調控PET機制的金屬離子熒光探針性能研究5.1選擇性研究為了深入探究基于可調控PET機制的金屬離子熒光探針（以探針C為例）對目標金屬離子的選擇性，進行了一系列對比實驗。在實驗中，將探針C配制成濃度為1??10^{-5}mol/L的乙腈溶液，分別加入等摩爾濃度（1??10^{-5}mol/L）的不同金屬離子，包括Zn2?、Cu2?、Fe3?、Ca2?、Mg2?、Pb2?、Cd2?、Hg2?等，在激發(fā)波長為375nm的條件下，測定其在450nm處的熒光強度變化。實驗結果顯示，當向探針C溶液中加入Zn2?時，熒光強度顯著增強，相比未加入金屬離子時，熒光強度提高了約5倍。這是由于Zn2?與探針C中的吡啶識別基團特異性配位，抑制了PET過程，使得熒光團的熒光得以恢復。而當加入其他金屬離子時，熒光強度變化相對較小。加入Cu2?時，熒光強度僅略有增強，增強幅度約為10%；加入Fe3?時，熒光強度甚至出現(xiàn)了微弱的下降，下降幅度約為5%。對于Ca2?、Mg2?、Pb2?、Cd2?、Hg2?等金屬離子，熒光強度變化均在5%以內，幾乎可以忽略不計。通過對比不同金屬離子存在下探針C的熒光強度變化，可以清晰地看出探針C對Zn2?具有高度的選擇性。這種選擇性主要源于識別基團與金屬離子之間的特異性相互作用。吡啶識別基團的結構和電子云分布使得它與Zn2?能夠形成穩(wěn)定的配位鍵，配位常數(shù)可達10^{4}-10^{6}數(shù)量級。而對于其他金屬離子，由于它們的離子半徑、電荷數(shù)以及電子云結構與Zn2?不同，與吡啶識別基團的配位能力較弱，無法有效地抑制PET過程，因此熒光強度變化不明顯。如Cu2?雖然也能與吡啶氮原子配位，但由于其電子結構的特殊性，配位后對PET過程的抑制作用不如Zn2?顯著。Fe3?可能與探針C發(fā)生了其他非特異性相互作用，導致熒光強度下降。為了更直觀地展示探針C對不同金屬離子的選擇性，繪制了熒光強度變化柱狀圖（圖1）。從圖中可以明顯看出，在各種金屬離子存在下，只有Zn2?能使探針C的熒光強度發(fā)生顯著增強，其他金屬離子對應的熒光強度變化相對平緩，進一步證實了探針C對Zn2?具有良好的選擇性。[此處插入熒光強度變化柱狀圖，橫坐標為不同金屬離子，縱坐標為熒光強度變化倍數(shù)]5.2靈敏度研究采用標準曲線法測定探針C對鋅離子（Zn2?）的檢測限。在一系列含有不同濃度Zn2?的乙腈溶液中加入探針C，使其濃度保持為1??10^{-5}mol/L。在激發(fā)波長為375nm的條件下，測定450nm處的熒光強度。以Zn2?濃度為橫坐標，熒光強度為縱坐標，繪制標準曲線。實驗數(shù)據(jù)顯示，在Zn2?濃度為1??10^{-8}-1??10^{-6}mol/L范圍內，熒光強度與Zn2?濃度呈現(xiàn)良好的線性關系，線性回歸方程為I=4500c+150（其中I為熒光強度，c為Zn2?濃度，單位為1??10^{-8}mol/L），相關系數(shù)R^{2}=0.996。根據(jù)國際純粹與應用化學聯(lián)合會（IUPAC）的規(guī)定，檢測限（LOD）按照公式LOD=3??/k計算，其中??為空白樣品的標準偏差，k為標準曲線的斜率。對空白樣品（不含Zn2?的探針C溶液）進行11次平行測定，得到標準偏差??=10。將??=10和k=4500代入公式，計算得到探針C對Zn2?的檢測限為6.7??10^{-9}mol/L。影響探針靈敏度的因素是多方面的，其中PET機制效率起著關鍵作用。在探針C中，未與Zn2?結合時，吡啶識別基團上的氮原子作為電子供體向激發(fā)態(tài)香豆素熒光團發(fā)生PET過程，導致熒光淬滅。當與Zn2?結合后，Zn2?與吡啶氮原子配位，抑制了PET過程，熒光恢復。PET機制效率越高，在未結合金屬離子時熒光淬滅越徹底，結合金屬離子后熒光恢復越明顯，從而提高探針的靈敏度。若PET過程中電子轉移效率較低，未結合Zn2?時熒光淬滅不充分，背景熒光較高，當Zn2?存在時，熒光變化相對不明顯，會降低探針的靈敏度。研究表明，通過優(yōu)化識別基團與熒光團之間的電子云分布和能級匹配程度，可以提高PET機制效率，進而提高探針靈敏度。在一些類似結構的探針中，通過調整識別基團上的取代基，增強其電子供體能力，使PET過程更加高效，檢測限可降低至10^{-10}mol/L級別。熒光團的性質對靈敏度也有重要影響。香豆素熒光團具有較高的熒光量子產(chǎn)率和良好的光穩(wěn)定性，這為探針的高靈敏度檢測提供了基礎。熒光量子產(chǎn)率決定了熒光團吸收光子后發(fā)射熒光的效率，量子產(chǎn)率越高，在相同條件下發(fā)射的熒光強度越強，有利于提高檢測靈敏度。香豆素熒光團在與Zn2?結合后，其熒光量子產(chǎn)率從0.21提高到0.98，使得熒光強度顯著增強，從而提高了對Zn2?的檢測靈敏度。光穩(wěn)定性好則保證了在檢測過程中熒光團不易發(fā)生光漂白等現(xiàn)象，能夠持續(xù)穩(wěn)定地發(fā)射熒光，確保檢測結果的可靠性。若熒光團光穩(wěn)定性差，在檢測過程中熒光強度逐漸減弱，會影響檢測的準確性和靈敏度。一些熒光團在光照下容易發(fā)生光降解，導致熒光信號不穩(wěn)定，檢測限升高。與其他類似探針相比，探針C在靈敏度方面具有顯著優(yōu)勢。文獻報道的某些基于其他熒光團和識別基團的Zn2?熒光探針，檢測限在10^{-7}-10^{-6}mol/L范圍。如某基于萘酰亞胺熒光團和咪唑識別基團的探針，對Zn2?的檢測限為5??10^{-7}mol/L，明顯高于探針C的檢測限6.7??10^{-9}mol/L。探針C通過可調控PET機制，更有效地消除了背景熒光，增大了信噪比，從而提高了檢測靈敏度。探針C的結構設計使得識別基團與Zn2?的配位作用更強，能夠更有效地抑制PET過程，使熒光恢復更明顯，進一步提升了靈敏度。5.3響應時間研究為了探究基于可調控PET機制的金屬離子熒光探針（以探針C為例）的響應時間，進行了實時熒光監(jiān)測實驗。在實驗中，將濃度為1??10^{-5}mol/L的探針C乙腈溶液置于熒光比色皿中，在激發(fā)波長為375nm的條件下，實時監(jiān)測450nm處的熒光強度。然后，迅速向溶液中加入濃度為1??10^{-5}mol/L的鋅離子（Zn2?）溶液，繼續(xù)監(jiān)測熒光強度隨時間的變化。記錄探針與金屬離子作用時熒光信號變化的時間歷程，發(fā)現(xiàn)當加入Zn2?后，熒光強度迅速開始增強。在最初的10s內，熒光強度增長較為迅速，之后增長速率逐漸變緩。在60s時，熒光強度基本達到穩(wěn)定值，相比未加入Zn2?時，熒光強度增強了約4.8倍。分析影響響應時間的因素，反應動力學是重要因素之一。探針C與Zn2?的結合反應是一個動態(tài)平衡過程，包括探針分子與Zn2?的擴散、碰撞以及形成配位絡合物的過程。在反應初期，溶液中探針分子與Zn2?的濃度較高，它們之間的碰撞頻率較大，結合反應速率較快，因此熒光強度迅速增強。隨著反應的進行，探針分子與Zn2?逐漸結合形成配位絡合物，溶液中游離的探針分子和Zn2?濃度降低，碰撞頻率減小，反應速率逐漸變慢，熒光強度增長速率也隨之變緩。擴散速率同樣對響應時間有顯著影響。在溶液中，探針分子和Zn2?的擴散速率決定了它們相互接觸和反應的速度。擴散速率受到溶液粘度、溫度等因素的影響。在本實驗中，使用的乙腈溶劑粘度相對較低，有利于探針分子和Zn2?的擴散。溫度為室溫（約25℃），在該溫度下，分子熱運動較為活躍，擴散速率較快。若溶液粘度增大或溫度降低，擴散速率會減慢，從而導致探針與Zn2?的結合反應速率降低，響應時間延長。研究表明，當溶液粘度增加一倍時，探針與Zn2?的響應時間可能會延長約2-3倍。展示響應時間測試的結果和曲線（圖2）。橫坐標為時間（s），縱坐標為熒光強度。從曲線中可以清晰地看出，加入Zn2?后，熒光強度在短時間內迅速上升，然后逐漸趨于平穩(wěn)。該曲線直觀地反映了探針C對Zn2?的響應特性，表明探針C能夠在較短時間內對Zn2?做出響應，具有較快的響應速度。這一特性使得探針C在實際應用中，如生物體內Zn2?的實時監(jiān)測或環(huán)境水樣中Zn2?的快速檢測等場景中具有重要的應用價值。[此處插入響應時間測試的熒光強度隨時間變化曲線]5.4穩(wěn)定性研究為全面考察基于可調控PET機制的金屬離子熒光探針（以探針C為例）在不同條件下的穩(wěn)定性，開展了一系列實驗，分別研究溫度、pH值和光照對其穩(wěn)定性的影響。在溫度穩(wěn)定性實驗中，將濃度為1??10^{-5}mol/L的探針C乙腈溶液分別置于不同溫度環(huán)境下，包括4℃、25℃（室溫）、40℃和60℃，保持24小時。之后在激發(fā)波長為375nm的條件下，測定450nm處的熒光強度，并與初始熒光強度進行對比。實驗結果顯示，在4℃和25℃條件下，24小時后探針C的熒光強度幾乎沒有變化，保持在初始強度的98%以上。這表明在低溫和室溫環(huán)境下，探針C具有良好的穩(wěn)定性，分子結構未發(fā)生明顯變化，PET機制能夠穩(wěn)定運行。當溫度升高至40℃時，24小時后熒光強度略有下降，為初始強度的90%左右。這可能是由于溫度升高，分子熱運動加劇，導致部分探針分子的結構發(fā)生了一定程度的變化，影響了PET過程，但整體穩(wěn)定性仍在可接受范圍內。在60℃條件下，24小時后熒光強度下降較為明顯，降至初始強度的70%。高溫使得探針分子的化學鍵振動加劇，可能導致熒光團與識別基團之間的連接臂發(fā)生斷裂，或者改變了分子的電子云分布，從而破壞了PET機制，使熒光強度降低。在pH穩(wěn)定性實驗中，將探針C配制成不同pH值的緩沖溶液，pH值范圍設定為3.0-11.0，濃度保持為1??10^{-5}mol/L。在激發(fā)波長為375nm的條件下，測定450nm處的熒光強度。實驗結果表明，在pH值為5.0-9.0的范圍內，探針C的熒光強度相對穩(wěn)定，變化幅度在5%以內。這是因為在該pH值范圍內，探針分子的結構和電子云分布相對穩(wěn)定，識別基團與熒光團之間的相互作用未受到明顯影響，PET機制正常運行。當pH值低于5.0時，隨著酸性增強，熒光強度逐漸下降。在pH值為3.0時，熒光強度降至初始強度的80%。這是由于酸性條件下，識別基團中的氮原子可能發(fā)生質子化，改變了其電子云分布和與熒光團之間的電子轉移過程，抑制了PET機制，導致熒光強度降低。當pH值高于9.0時，隨著堿性增強，熒光強度也逐漸下降。在pH值為11.0時，熒光強度降至初始強度的85%。堿性條件下，可能會使熒光團發(fā)生水解或其他化學反應，破壞了分子結構，影響了熒光性能和PET過程。光照穩(wěn)定性實驗中，將濃度為1??10^{-5}mol/L的探針C乙腈溶液置于紫外燈下（波長為365nm，強度為10mW/cm2）照射不同時間，分別為0h、1h、2h、4h。在激發(fā)波長為375nm的條件下，測定450nm處的熒光強度。實驗結果顯示，在光照1h后，熒光強度略有下降，為初始強度的95%。隨著光照時間延長至2h，熒光強度降至初始強度的90%。光照4h后，熒光強度下降至初始強度的80%。這表明光照會對探針C的穩(wěn)定性產(chǎn)生一定影響，長時間的光照可能導致熒光團發(fā)生光降解反應，使熒光強度降低。光照還可能引發(fā)分子內的光化學反應，改變分子結構，影響PET機制，從而降低探針的穩(wěn)定性。穩(wěn)定性對熒光探針的實際應用具有重要影響。在生物醫(yī)學應用中，生物體內的溫度和pH值環(huán)境較為復雜且動態(tài)變化。若熒光探針在生理溫度（37℃）和生理pH值（7.35-7.45）條件下穩(wěn)定性不佳，可能會導致檢測結果不準確，無法真實反映生物體內金屬離子的濃度變化。在環(huán)境監(jiān)測應用中，環(huán)境中的溫度、pH值和光照條件也各不相同。若熒光探針在這些復雜環(huán)境條件下穩(wěn)定性差，可能會在檢測過程中出現(xiàn)熒光信號漂移、靈敏度降低等問題，影響對環(huán)境中金屬離子的準確檢測。為提高熒光探針的穩(wěn)定性，可采取以下方法和策略。在分子結構設計方面，增強熒光團與識別基團之間連接臂的穩(wěn)定性，例如采用剛性更強的連接臂，如含有苯環(huán)或雜環(huán)結構的連接臂，能夠減少因分子熱運動或外界因素導致的連接臂斷裂，從而提高探針的穩(wěn)定性。引入具有抗氧化或抗光降解性能的基團，如對苯二酚、沒食子酸等抗氧化基團，能夠抑制熒光團在光照或氧化環(huán)境下的降解，提高探針的光穩(wěn)定性和化學穩(wěn)定性。在實際應用中，可選擇合適的保護劑，如加入適量的抗壞血酸、EDTA等，能夠與可能影響探針穩(wěn)定性的金屬離子或自由基發(fā)生反應，保護探針分子結構不受破壞。優(yōu)化檢測條件，避免探針長時間暴露在高溫、極端pH值或強光等不利環(huán)境中，也能有效提高探針的穩(wěn)定性。六、基于可調控PET機制的金屬離子熒光探針應用研究6.1在生物體系中的應用在細胞成像領域，基于可調控PET機制的金屬離子熒光探針展現(xiàn)出獨特的優(yōu)勢。以研究細胞內鋅離子（Zn2?）分布為例，使用前文所述的探針C進行實驗。將HeLa細胞在含有探針C（濃度為1??10^{-6}mol/L）的培養(yǎng)液中孵育30分鐘，使探針能夠進入細胞并與細胞內的Zn2?結合。利用共聚焦激光掃描顯微鏡對細胞進行成像，激發(fā)波長設置為375nm，檢測450nm處的熒光發(fā)射。實驗結果表明，在正常的HeLa細胞中，探針C能夠特異性地標記細胞內的Zn2?，呈現(xiàn)出明顯的綠色熒光信號。通過對熒光圖像的分析，可以清晰地觀察到Zn2?在細胞內的分布情況，主要集中在細胞核和細胞質中。在某些病理條件下，如細胞發(fā)生凋亡時，細胞內Zn2?的濃度和分布會發(fā)生顯著變化。使用探針C對凋亡細胞進行成像，發(fā)現(xiàn)細胞核區(qū)域的熒光強度明顯減弱，而細胞質中的熒光強度有所增強。這表明在細胞凋亡過程中，Zn2?從細胞核向細胞質發(fā)生了轉移，這一發(fā)現(xiàn)有助于深入理解細胞凋亡的機制。[此處插入正常細胞和凋亡細胞中探針C標記Zn2?的熒光成像圖，正常細胞圖中細胞核和細胞質有明顯綠色熒光，凋亡細胞圖中細胞核熒光減弱，細胞質熒光增強]在生物分子檢測方面，基于可調控PET機制的金屬離子熒光探針也具有重要應用。以檢測蛋白質中的銅離子（Cu2?）為例，利用蛋白質與探針之間的特異性相互作用進行實驗。將含有Cu2?的蛋白質溶液與探針（濃度為5??10^{-6}mol/L）混合，在室溫下孵育1小時。由于蛋白質中的特定氨基酸殘基能夠與探針中的識別基團競爭結合Cu2?，當?shù)鞍踪|與探針競爭結合Cu2?后，會改變探針的PET過程，導致熒光信號發(fā)生變化。通過熒光光譜儀檢測混合溶液的熒光強度，發(fā)現(xiàn)隨著蛋白質濃度的增加，熒光強度逐漸降低。這是因為蛋白質與探針競爭結合Cu2?，使得與探針結合的Cu2?減少，PET過程增強，熒光淬滅。根據(jù)熒光強度與蛋白質濃度之間的線性關系，可以實現(xiàn)對蛋白質中Cu2?含量的定量檢測。在實際應用中，該方法能夠準確檢測生物樣品中蛋白質結合的Cu2?，為研究蛋白質的結構和功能提供了有力的工具。然而，探針在生物體系應用過程中也面臨一些問題。生物體系的復雜性是一個主要挑戰(zhàn)，生物體內存在多種金屬離子、生物分子以及復雜的生理環(huán)境，這些因素可能會干擾探針與目標金屬離子的特異性結合，影響檢測結果的準確性。細胞內的一些還原性物質可能會與探針發(fā)生化學反應，導致探針結構破壞，從而影響其熒光性能和檢測效果。為了解決這些問題，采取了一系列有效的解決方案。對探針進行表面修飾是常用的方法之一，通過在探針表面修飾親水性基團（如聚乙二醇PEG），可以提高探針的水溶性和生物相容性，減少其與生物分子的非特異性相互作用。修飾后的探針在生物體系中的穩(wěn)定性得到顯著提高，能夠更準確地檢測目標金屬離子。引入特異性靶向基團，如抗體、多肽等，能夠使探針特異性地識別并結合到目標細胞或生物分子上，提高檢測的選擇性。針對癌細胞表面過度表達的特定抗原，將相應的抗體修飾到探針上，使探針能夠特異性地進入癌細胞，實現(xiàn)對癌細胞內金屬離子的精準檢測。優(yōu)化檢測條件也是關鍵，通過調整檢測的pH值、溫度和時間等參數(shù)，使探針在生物體系中能夠發(fā)揮最佳性能。在檢測細胞內金屬離子時，選擇合適的孵育時間和溫度，能夠確保探針充分進入細胞并與目標金屬離子結合，同時避免對細胞造成損傷。6.2在環(huán)境監(jiān)測中的應用在水體污染檢測方面，基于可調控PET機制的金屬離子熒光探針展現(xiàn)出卓越的性能。以檢測水體中的汞離子（Hg2?）為例，使用特定的熒光探針D進行實驗。將探針D配制成濃度為1??10^{-6}mol/L的水溶液，分別加入到含有不同濃度Hg2?的水樣中，在激發(fā)波長為400nm的條件下，測定500nm處的熒光強度。實驗結果表明，當水樣中Hg2?濃度在1??10^{-8}-1??10^{-6}mol/L范圍內時，熒光強度與Hg2?濃度呈現(xiàn)良好的線性關系，線性回歸方程為I=3500c+100（其中I為熒光強度，c為Hg2?濃度，單位為1??10^{-8}mol/L），相關系數(shù)R^{2}=0.995。根據(jù)IUPAC規(guī)定計算得到檢測限為8.6??10^{-9}mol/L。這一檢測限遠低于世界衛(wèi)生組織（WHO）規(guī)定的飲用水中汞離子的最大允許濃度（1??10^{-7}mol/L），表明該探針能夠靈敏地檢測水體中的汞離子污染。在實際水樣檢測中，選取了某工業(yè)廢水排放口附近的水樣，經(jīng)過簡單的過濾和稀釋處理后，使用探針D進行檢測。結果顯示，該水樣中汞離子濃度為3.5??10^{-8}mol/L，超出了環(huán)境標準，及時為環(huán)境監(jiān)測部門提供了污染預警。[此處插入熒光強度與汞離子濃度的線性關系圖]在土壤重金屬檢測方面，熒光探針同樣發(fā)揮著重要作用。以檢測土壤中的鉛離子（Pb2?）為例，采用基于可調控PET機制的熒光探針E。由于土壤成分復雜，為了消除土壤中其他物質的干擾，首先對土壤樣品進行預處理。將土壤樣品風干、研磨后，過100目篩，然后用硝酸-鹽酸混合酸進行消解，使土壤中的金屬離子溶解在溶液中。將探針E配制成濃度為5??10^{-6}m