荧光（fluorescence）是一种光致发光的冷发光现象。当某些物质受到光、电、磁、化学等能量激发后，电子吸收能量从基态跃迁到激发态，而处于激发态的电子不稳定，会通过辐射跃迁和非辐射跃迁两种衰变方式返回到基态。辐射跃迁的衰变过程伴随着光子的发射，即产生了荧光和磷光；非辐射跃迁包括振动弛豫（vibrational
relaxation）、内转化（internal conversion）和系间窜越（intersystem
crossing），由于非辐射跃迁会造成能量损失，因此发射光子的能量一般小于吸收光子的能量，故而荧光物质的发射光谱波长通常要大于吸收光谱波长。电子由第一激发单重态（又称单重激发态、S1单线态）的最低振动能级回到基态时，会以发光的形式释放出能量，所发出的光为荧光；电子由第一激发三重态（又称三重激发态、T1三线态）的最低振动能级回到基态时所发出的光称为磷光。
一、荧光探针需满足的条件
1.
易于合成纯化，产率高，安全无毒；
2.
较好的稳定性和溶解性，尤其是透膜的脂溶性；
3.
能与被标记物通过物理或化学作用特异性结合，标记条件温和，残余物及副产物易于除去；
4.
较高的荧光量子产率，摩尔消光系数大，有较强的抗漂白能力，荧光与背景对比明显，激发、发射波长能有效避免细胞自发荧光的背景干扰。
二、近红外（NIR）荧光探针的优势
1.
近红外光检测样品穿透性强、成像分辨率高、检测灵敏度高、信噪比高
2.
在可见光区，生物组织的某些成分会自激发产生自发荧光，同时样本的散射光强度较大，严重干扰荧光检测及成像示踪。近红外荧光自发荧光背景低。
三、细胞内活性小分子（RSM）的NIR检测方法
细胞内RSMs往往寿命短、反应活性大、浓度极低（多为纳摩尔及以下）、对环境敏感、自身无荧光。因此必须借助荧光探针的特异性捕获标记，使之具有近红外荧光性质。
四、荧光探针广泛应用于生物大分子研究的原因
分子荧光探针被广泛地应用在研究蛋白质等生物大分子接触面发生的表面诱导的构象变化。在直接分析法中，荧光分析法应用广泛且优于间接分析法，因它没有破坏结合的平衡，最接近反应的真实存在。
五、荧光探针作光敏剂药物能量给体的优缺点
荧光纳米探针不仅可以作为药物载体与光敏剂药物分子结合以形成多功能纳米材料，还可以作为光敏剂药物分子的能量给体以提高其单线态氧产生效率。光敏剂与荧光染料的吸收和荧光发射光谱较少重叠，从而有效避免了分子间因能量转移导致的荧光猝灭、单线态氧产生效率降低、荧光成像同时因光敏剂被迫激发而导致的组织损伤等后果。但在荧光成像的同时，光敏剂因被迫激发而产生的单线态氧也可能会与激发态的荧光探针发生光化学反应并导致荧光猝灭，且成像时可能暴露量子点潜在的毒副作用。因此，设计合适的纳米载体构型，将光敏剂药物分子与荧光探针物理隔离，是避免发生此类光化学反应的有效途径。
六、荧光分子探针的组成及功能
1.
识别结合基团（Receptor）：选择性地与客体（待测物）结合，并引起探针所处的化学或生物微环境发生改变。
2.
信号发射基团（Fluorophore）：把识别基团与待测物结合所引起的化学或生物微环境变化转变为人易感知（颜色变化）或仪器易检测的信号（荧光等）。小分子荧光探针一般使用有机小分子荧光团，常见的包括：葱（Anthracene）、香豆素（Coumarin）、荧光素（Fluorescein）、氟硼类染料（BODIPY）、萘酰亚胺（Naphthalimide）、苯丙噁二唑（NBD）、罗丹明（Rhodamine）、川菁类染料（Cyanine）等。它们的衍生物发射波长范围几乎包含所有可见光区域（400-800
nm），通过对这些荧光团进行适当修饰可实现从蓝光、绿光到红光、近红外光（650-900
nm）区域的覆盖。另外，发光量子点、上转换纳米材料、高分子聚合物荧光材料、荧光蛋白等也可以作为荧光探针中的信号基团。
3.
连接基团（Spacer）：将荧光团和识别基团连接起来，使识别信息有效地转化为荧光信号（如荧光强度的变化、荧光光谱的移动、荧光寿命的改变等），从而实现对待测物的有效检测。并不是所有探针都有连接基团。
七、荧光探针可以检测的生物体内物质
1.
质子（H+）
2.
自由基等活性氮、氧物种（ROS, RNS）
3.
气体信号分子（NO, CO, H2S等）
4.
重金属污染（Cd2+. Hg2+.Pb2+等）
5. 阴离子（Cl-,
HCO3-,H2PO4- ,HPO42-等）
6.
过渡金属离子（Fe2+/Fe3+,Zn2+, Cu+/Cu2+等）
7.
碱金属及碱土金属离子（K+, Na+, Ca2+,Mg2+）
8.
DNA、RNA和蛋白质等生物大分子
9.
多肽、葡萄糖、麦芽糖等有机小分子
八、荧光探针的种类
根据与客体作用后荧光信号的变化，可分为强度变化型荧光探针和比例计量型荧光探针，其中强度变化型探针又分为猝灭型（ON-OFF）和增强型（OFF-ON）荧光探针。
强度变化型荧光探针根据荧光强度的变化来实现对客体物种的检测。由于荧光强度还会受到探针浓度、激发光源效率、探针所处环境等其他因素的影响，这类探针在对客体物种进行定量检测方面也有明显的局限性。猝灭型（ON-OFF）荧光探针自身具有较强的荧光，与被测物发生作用后，荧光减弱或者消失，在检测一些能猝灭荧光的物种（Cu2+,
Hg2+等）时有一定的应用价值。但是，由于氧气等其他因素也可能引起荧光猝灭而发生误检。增强型（OFF-ON）荧光探针本身没有荧光或只发出很弱的荧光，在与客体作用之后荧光增强。相对于猝灭，荧光增强的信号变化更易有效检测，而且探针自身的荧光弱，可以降低背景信号，提高探针的灵敏度。目前大多数的荧光探针都属于增强型荧光探针。
比例计量型荧光探针自身也发出一定波长的荧光。与强度变化型荧光探针不同的是，在与被测物种作用之后，探针的发射波长发生移动（红移或蓝移）。其明显优势在于可通过两个波长下荧光强度的比值来消除大部分环境因素的干扰（即自校正），从而在探针浓度未知的情况下实现对被测物种的定量检测。这类探针设计的难点在于缺乏有效实现波长移动的设计策略。同时，如何使响应前后两个发射峰之间的距离尽可能的大，减少发射光谱之间的重叠，以提高探针响应的灵敏度，也是该类探针设计的重点。
根据识别基团与客体的响应类型，荧光探针可分为配位型（又称鳌合型）荧光探针和反应型荧光探针（Chemodosimeter）。除此之外，还有专用荧光探针，如离子通道荧光探针、受体荧光探针、线粒体标记探针等。
配位型荧光探针与客体物种通过配位作用结合，使得结合前后探针的荧光性质发生改变。由于配位作用一般是可逆的快速过程，这种类型的探针的突出优势是可以实现对被分析物的可逆检测，实时跟踪被分析物种在生物样品中的微小的变化，特别适用于对生物体内各种金属离子的检测。此外，可以通过增减配位原子的个数等途径，调节探针与被测物的配位能力，便于根据实际需要设计不同线性响应范围的荧光探针。由于生物体内同时存在不同浓度的多种金属离子，会与目标金属离子发生竞争配位作用，这就需要对配位基团进行精巧的设计来排除性质相似的其他金属离子的干扰。
反应型的荧光探针是通过与被测物种发生的不可逆化学反应，改变探针的荧光性质，从而实现对被测物种的响应。这类探针的优势在于，有许多特异性的化学反应可以用于探针的设计，因此基于这些特异的化学反应的荧光探针通常具有较好的选择性。另外，一些具有猝灭效应的物种（Cu2+,
Hg2+等）与这类探针发生反应后，一般会脱离探针，探针从无荧光的分子变为荧光分子。这就克服了配位型荧光探针荧光易猝灭的缺点。此类探针还被广泛运用于生物体内活性物种（ROS,
RNS等）的检测。设计这类探针的难点在于如何提高探针的选择性。
九、荧光探针的设计机制
传统的分子探针设计原理包括光致电子转移（Photoinduced Electron
Transfer,PET）、分子内电荷转移（Intramolecular ChargeTransfer,
ICT）、扭曲的分子内电荷转移（Twisted IntramolecularCharge Transfer,
TICT)，金属一配体电荷转移（Metal to Ligand ChargeTransfer,
MLCT），电子能量转移（Electron EnergyTransfer, EET）、荧光共振能量转移（Fluorescence
ResonanceEnergy Transfer,
FRET）、激发态分子内质子转移（Excited-StateIntramolecular Proton Transfer,
ESIPT）、激发态缔合物/激发态复合体的形成（Excimer/Exciplex
Formation）等。新兴机理包括聚集诱导发光（Aggregation InducedEmission,
AIE）、上转换发光（Upconversion Luminescence,UCL）等。
十、光致电子转移（PET）
一般而言，光诱导电子转移（PET）过程分为两种类型。一种是电子从电子给体转移到激发态的荧光团（电子受体），激发态荧光团被还原导致荧光猝灭，此即a-PET（a指acceptor）或reductive-PET；另一种是电子从激发态的荧光团（电子给体）转移到电子受体，激发态荧光团被氧化导致荧光猝灭，此即d-PET（d指donor）或oxidative-PET。没有结合客体时，荧光团和受体之间的PET将荧光猝灭；结合客体后，PET过程受到抑制，荧光团发射荧光。
前线分子轨道理论可以用来解释PET过程。荧光探针分子的受体部分（Receptor）在结合客体之前，其HOMO
轨道上的电子会向激发态荧光团HOMO轨道上转移，使荧光团LUMO轨道上的激发态电子不能返回基态而导致荧光猝灭，此即a-PET；当受体上有可以接受电子的空轨道时，荧光团被激发到LUMO轨道上的激发态电子可直接转移到受体的空轨道上，然后经过再次电子转移恢复到荧光团被激发前的状态，同样导致荧光猝灭，此即d-PET。受体结合客体之后，其轨道能级发生变化，受体HOMO轨道上的电子无法转移到荧光团的HOMO轨道上，或者荧光团LUMO轨道上的电子无法转移到受体的空轨道上，PET过程受阻，此时，荧光团的激发态电子可以返回基态，产生荧光。
PET机理通常用于设计增强型荧光探针，其识别基团通常含有N、O等有孤对电子的原子，通常通过配位作用与被测物（大多为金属离子）结合。因此PET荧光增强又称作配位增强荧光（Chelation-Enhanced
Fluorescence,CHEF）。但是PET探针只能检测Zn2+、Cu+（均是3d104s0）等闭壳层结构的离子，因其不存在单电子顺磁性，不会猝灭荧光；Cu2+、Fe2+、Fe3+等离子因存在单电子而表现出顺磁性；Hg2+存在重原子效应，四者与荧光团配位后均将导致荧光猝灭。因此检测这些离子的PET探针非常少见。
二茂铁（Ferrocene,Fc）具有很好的可逆氧化还原性质及稳定性，因此常被用作电子中介体跟荧光团共价连接。富电子的Fc单元以PET原理猝灭荧光团的荧光，当被氧化失去电子后PET过程被打断，荧光团的荧光恢复，被还原之后荧光又被猝灭，此过程可以循环进行。
十一、分子内电荷转移（ICT）
分子内电荷转移又叫做光致电荷转移（Photo-induced Charge Transfer,
PCT），也是设计比例计量型荧光探针的重要手段。这类荧光探针的识别基团与荧光团直接相连，也可以理解为组成荧光团的某些原子或基团直接参与对客体的识别。这些探针的荧光团骨架两端分别连接相互偶合的给电子基团（Donor,
记作D）和吸电子基团（Acceptor,
记作A），因此分子内部存在着由给电子基团向吸电子基团的电荷转移过程，这个过程就叫分子内电荷转移。ICT效应诱导的荧光也叫做ICT发射。
探针分子中给电子基团的给电子能力或者吸电子基团的吸电子能力越强，ICT效应就越强，ICT峰的波长就越长，通常情况下荧光强度也会增强。相反，探针中给电子基团的给电子能力或者吸电子基团的吸电子能力越弱，
ICT效应就越弱，ICT发射峰的波长越短，荧光强度越弱。
当被测物与探针的吸电子基团（A）结合时，金属离子配位作用增强了吸电子基团的吸电子能力，ICT加强，基态和激发态的能级差减小，波长红移。当被测物与探针的给电子基团（D）结合时，金属离子的配位作用减弱了给电子基团的给电子能力，ICT减弱，基态与激发态之间的能级差增大，波长蓝移。
ICT机理的荧光探针弥补了PET机制在设计比例计量型探针方面的不足，但基于ICT机理的比例计量型探针存在一些亟待解决的问题。为实现理想的比例计量效果，客体分子诱导ICT探针的发射峰需要足够大的移动距离，尽可能减小与自由探针发射峰的重叠，这意味着响应前后ICT效应须有较大变化。然而在实际操作中，ICT发射峰常较宽，响应前后两发射峰重叠严重。其二，由于识别基团通常含有多个带有孤对电子的原子（如N,
O,
S等），它们会产生PET效应猝灭荧光。与客体配位后，它们的PET效应会减弱或消失，致使荧光红移或蓝移的同时伴随荧光增强，即新发射峰将完全覆盖旧发射峰，无法实现比例计量检测。其三，ICT变化过大又会引起荧光强度的显著变化，只能得到强度变化型的荧光探针。因此，并不是所有的ICT机制的荧光探针都能实现对客体的比例计量响应。解决这个难题需要对探针的荧光团和识别基团进行精细的选择和设计，但目前还没有十分成熟的设计策略。
十二、荧光共振能量转移（FRET）
荧光共振能量转移（FRET）是能量转移（ET）的一种。能量转移是指分子内能量从供体生色团转移到受体生色团的过程。可根据能量供受体间相互作用的距离将ET分为电子能量转移（EET）和荧光共振能量转移（FRET）。EET又叫Dexter电子转移，它需要供体与受体之间的距离小于10Å。FRET又叫Forster共振能量转移，它的发生需要满足三个条件：供体的发射光谱与受体的吸收光谱有一定程度的重叠；能量供受体之间必须足够接近，约10-100Å；供体与受体的偶极矩取向满足一定的条件（即按一定方式排列）。FRET效率常通过调节光谱重叠度和供受体间距改变。
FRET对供受体间距有很强的依赖性，它不仅可以用来设计增强型荧光探针，而更大的优势在于可以方便地设计比例计量型荧光探针。基于FRET机制的荧光探针同时含有两个生色团，它们通过一定长度的隔离基团相连成为一个整体，而两个生色团和隔离基团都可以作为与客体作用的识别基团，实现对体系中FRET效率的调节，改变两个发射峰强度的比例。
对增强型荧光探针而言，由于隔离基团是盘曲折叠的长链（如DNA单链），能量受体与荧光团相互接近，发生FERT，荧光猝灭。探针与客体作用之后，通过改变受体的吸收光谱（客体与受体作用）或者增加供体与受体之间的距离（客体与间隔基团作用，如间隔DNA与客体DNA结合形成刚性双链，不再盘曲折叠），可以降低甚至消除体系内的FRET过程，供体受到激发后能量不再转移给受体，而以荧光的形式发射出来，致使体系与被测物作用后荧光显著增强。
对比例计量荧光探针而言，作为能量受体的生色团也是荧光团，它的吸收光谱与供体的发射光谱有较好的重叠，且与供体的距离合适，体系内的FRET效率较高，供体受到激发后将能量转移给受体，使受体激发而发出受体的荧光。当探针与被测物作用后，使得体系中供体与受体的光谱重叠降低或两者距离增大时，FRET效率降低或者被完全阻断，供体受到激发后能量不能传递给受体，发出供体自身的荧光。由于供体和受体的发射光谱不同，就可以实现探针在与客体作用前后两个发射峰比例的明显改变。利用FRET机制设计的比例计量荧光探针可以通过合理选择供体和受体荧光团，保持响应前后两发射峰的较大间距，使其不存在明显重叠，有利于比例计量检测。因此，FRET机制可有效弥补ICT机制在设计比例计量型荧光探针中的不足。
十三、激发态分子内质子转移（ESIPT）
ESIPT
现象是指化合物分子由基态跃迁到激发态后，分子内某一基团上的氢核（即质子）通过分子内氢键转移到分子中邻近的N、S、O等杂原子上，形成相应的互变异构体的过程。相比于一般的有机发光化合物，ESIPT化合物具有其独特的E-E*,
E*-K*, K*-K,
K-E四能级跃迁。其中E和E*分别代表醇式（enol）结构的基态与激发态，K和K*则分别代表酮式（keto）结构的基态与激发态。通常，ESIPT化合物在基态下以醇式结构稳定存在（E），而在激发态时则以酮式结构（K*）稳定存在。
在ESIPT体系中，激发态的活性质子以不同的速度离开或与一个处于基态的分子相结合。相对于电子转移，ESIPT是一个快速的过程，约在几分之一皮秒到几十皮秒之间。由于ESIPT分子中分别存在两个异构体的基态和激发态，构成4个能级循环，可以形成两个不同的发射带，因而受到了广泛关注。最为典型的例子是2’-羟基苯基-2-苯并噁唑。
ESIPT过程很容易从荧光光谱上区别出来：。ESIPT染料的吸收光谱与母体发色团类似，而荧光光谱却发生显著红移，即吸收光谱和发射光谱几乎不重叠，斯托克斯位移很大，这使ESIPT染料常通过与金属结合、羟基的保护与去保护等原理分别设计成检测阳离子与阴离子的比例计量型荧光探针。
十四、激发态缔合物/激发态复合物的形成（Excimer/ExciplexFormation）
激发态缔合物（Excimer,简称Er）可以被定义为由一个激发态的荧光团和相同结构的基态荧光团相互作用形成的缔合物。类似的，如果处于激发态的荧光团与处于基态的结构不同的荧光团形成复合物，就叫做激发态复合物（Exicplex,
简称Ex）。与单体分子相比，Er（或Ex）的发射光谱发生红移，而且常能同时观察到来自单体和Er（或Ex）的发射峰。
蒽（anthracene）和芘（pyrene）等荧光团容易形成Er。当某有机小分子含有两个这样的荧光团，且相互之间的距离可以被某个金属离子的配位作用调节时，此有机小分子就有可能对这个金属离子进行比例荧光识别。也就是说，金属离子可诱导荧光探针中的Er（或Ex）的形成或解离，因此可用单体与Er（或Ex）的发射峰强度比值的变化来检测该金属离子。识别基团通常包括冠醚、环糊精、杯芳烃等含有多个配位原子的基团。与金属离子配位之后，这些集团的构型常发生较大变化。
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(2017-05-20 23:44:34)