常见的荧光染料有哪些？

常见的荧光染料

有机荧光染料是一类具有发光性质的有机化合物，其分子结构和共轭体系决定了其特定的发光颜色和光学性质。在生物医学中，有机荧光染料被广泛应用于细胞成像、分子探针和药物输送系统等领域。目前较为常见的有机发光分子包括香豆素类、荧光素类、罗丹明类、二酷亚胺类衍生物、氟硼类衍生物、花菁类以及卟咻类衍生物等 (图2-1)，广泛应用于荧光探针、光氧化剂、有机电致发光、药物示踪以及太阳能电池等领域。不同类型的有机荧光染料简介

1. 香豆素类染料

香豆素 (Coumarin) 具有苯并吡喃酮结构，它是一大类存在于植物界中的香豆素类化合物的母核。荧光是香豆素一个特有的物理性质，在紫外光下，常显蓝色荧光。在7-位引入推电子基团 (比如氨基) 后，可使荧光加强；在3- or 4-位引入拉电子基团 (比如羧酸基) 后也能增强荧光。香豆素本身荧光较弱，引入这些基团后增加了分子内电荷转移 (intranolecular charge transfer,ICT) 机率，荧光增强，即使在可见光下，也能观察到荧光。另外，在3- or 4-位引入官能团也可以控制香豆素荧光的激发波长和发射波长，调节荧光颜色，比如，Coumarin 6和Coumarin 545可以发出绿色荧光。香豆素类荧光染料分子量很小，可紫外激发，一般发蓝色荧光 (emission range ~410 to 470 nm)，常常作为多色荧光检测实验中的蓝光染料。由于价格便宜，分子小，香豆素类染料常常用于标记酶底物，从而可在细胞中，溶液中检测酶活性。

（香豆素母核）

目前已报道的香豆素衍生物在激光染料、有机发光二*管、光动力*疗、生物成像和荧光探针等领域有着广泛的应用。

 荧光素基本结构

2. 荧光素类衍生物

荧光素类 (Fluorescein) 是人类合成的光染料，研究得非常充分，1871年Adolf von Baeyer就化学合成制备出了荧光素。（荧光素基本结构）荧光素又称为荧光黄，是一种分子结构可发生互变异构的荧光染料，即开环的醌式结构 (I) 和闭环的内酯式结构 (II) (图2-3)。荧光素9位苯环无是在醌式还是内酯式结构中均与氧杂蒽环垂直，因此不参与共轭。醌式结构的荧光素在可见光区有着很强的吸收和荧光，而内酯式的荧光素由于分子共轭性较差，因此只在紫外区有一定的吸收和荧光，通常很难观测到。荧光素虽然具有很强的荧光和鲜艳的颜色，但是用其作为纺织染色剂是不合适的，因为其在水中的溶解性很好，难以牢固地吸附在纤维上。但是在分析领域，荧光素是一种重要的荧光试剂。这是由于荧光素虽然易溶于水，但是与细胞膜脂也有很好的亲和性，易于渗透到细胞中，用于生物成像。同时可通过分子设计在荧光素上连接对某种检测物有特异性响应的接受体，利用不同存在形式的荧光素发光性质不同，可以达到对检测物有效识别的目的，因此荧光素在荧光探针领域有着广泛的应用。当荧光素作为荧光探针连接到蛋白质上时，蛋白质构象的变化将引起荧光素所处微环境的变化，从而使得其光谱性质发生变化，因此可利用荧光素光谱位置、强度和荧光寿命的变化来检测蛋白质的构型变化。

3. 罗丹明类染料

罗丹明类染料有着和荧光素类相同的荧光母核，罗丹明是3’，6’双胺化的呫吨类 (Xanthene) 荧光染料。相对于荧光素染料 (羟化呫吨)，罗丹明 (胺化呫吨) 的荧光具有更好的pH稳定性，并且胺化染料更容易结构多样化，从而得到更多不同激发/发射波长的荧光染料，因此罗丹明类染料有更多的选择，很多染料有比荧光素波长更长的荧光，是荧光素类染料的有力补充。和荧光素类似，罗丹明在水溶液中具有较高的荧光量子产率，结构易于修饰，可制备合成多种类型的荧光探针，用于检测离子、生物小分子和酶等。罗丹明的吸收和发射波长均在 530nm 以上，通过分子修饰可将吸收和发射光谱进一步红移至近红外区，并且水溶性和生物兼容性较好，广泛应用于生物成像。例如罗丹明 123 可以快速通过细胞膜进入细胞，选择性地与活细胞中的线粒体相结合，用于检测线粒体膜电位和监测细胞凋亡情况，并且毒性较低。此外，罗丹明合成相对简单，很多衍生物都已经实现了商品化。例如罗丹明 B已被广泛应用于有色玻璃、特色烟花爆竹、化妆品等行业。

4. 花菁类染料

花菁染料 (Cyanine，简写Cy) 是一类常见的荧光染料，花菁的核心结构是两个含氮杂环通过奇数的次甲基连接形成，其通常是由芳香季铵盐与相应的缩合试剂制备得到。

花菁染料存在一个强的共振结构，电荷位于发色团的尾端，改变两个氮原子之间共轭链的长度可以显著改变花菁的吸收和光射光谱。研究表明，每增加一个乙烯基团，会使得光谱红移约 100nm，例如 Cy3 呈现黄绿色荧光，发射波长在570nm，而Cy5 发射波长则红移至670nm，到达近红外区域。根据次甲基链两端相连的杂环性质以及次甲基链中一个或几个次甲基被氮原子取代的情况，可分为 (1) 碳菁；(2) 氮杂菁；(3) 半菁；(4) 苯乙烯菁；(5) 偶氮型二氮杂半菁五大结构类型，下面列举了一些典型的结构：桥链长度和两端的发色团直接控制着染料的吸收峰和发射峰值，从而让Cy系列染料可以覆盖从紫外到远红外的几乎所有常用荧光谱带。常用的花菁染料是吲哚菁绿 (ICG)，该染料具有近红外吸收和发射的性质。虽然该类染料的光稳定性较差，而且受溶剂酸碱性影响较大，但仍在荧光探针和生物成像等领域有着广泛的应用。

5.卟啉类染料

卟啉是一类含有四个吡咯环的芳香环化合物，当其骨架中不含任何取代基时，又称为卟吩 (图 2-7)。当卟吩中吡咯质子被金属取代后，成为金属卟啉，卟啉环因为金属配位作用而发生一定的扭曲 。卟啉和金属卟啉 (镁卟啉、铁卟啉和钴卟啉等) 是叶绿素、血红素和细胞色素等生物大分子的重要组成部分。卟啉类化合物具有大的刚性芳香环结构，发光通常位于红光区域，半宽峰较窄，有利于得到饱和的红色发光，是一种重要的红光材料 。卟啉还是一种常用的三线态敏化剂，具有*强的磷光性质，能与环境中的基态氧发生能量传递作用使得氧气到达激发态，自身磷光被猝灭，因此常用来作为检测氧气的探针分子，敏化得到的单线态氧 (O2) 够杀死增殖活跃的癌细胞和组织，达到光动力*疗癌症的目的。

6.二酰亚胺类衍生物

在所有的萘嵌苯二酰亚胺衍生物中，萘二酰亚胺(NDI)和苝二酰亚胺(PDI)是重要的两类分子 (图 2-5)，其色泽鲜艳，发光强烈。NDI和PDI分子结构中酰氨基具有吸电子作用，使得芳香环骨架环上缺电子，因此NDI和PDI具有高的电子亲和力和良好的电荷迁移率，广泛应用于光伏器件和柔性显示等领域。NDI和PDI母核通常由前体酸酐和相应的伯胺化合物反应得到，分子平面性良好。值得注意的是，酰胺取代基并不会显著改变NDI和PDI的光物理性质，但是通过功能化修饰，在NDI的萘环或者 PDI苝的α位引入取代基会对分子的吸收和发射光谱有着显著的影响，并且取代基的引人会使得平面构型的母体分子发生一定程度的扭曲，改善其溶解性。结构修饰的多样性以及丰富的光物理性质，使得NDI和PDI在荧光探针和超分子组装等领域也有着重要的应用。

7. 氟硼类染料

在众多有机荧光化合物中，含氟硼荧光分子是一类性能**的染料，受到了广泛重视。目前研究比较多的氟硼类染料分为两种：氟化硼二吡咯甲川 (borondipyrrolemethene，BODIPY) 类染料、氟化硼-β-二羰基化合物 ( difluoboronbeta-diketonate compounds，BF2dbks)类染料。BODIPY系列是以硼二吡咯 (boron-dipyrromethene) 为荧光结构母核的染料，是一种有机单键和双键化合物。BODIPY 由与二取代硼中心 (通常为 BF2) 络合的二吡咯亚甲基组成。（BODIPY结构）大多数 BODIPY 具备如下特点：染料斯托克斯位移小，光谱窄，染料间干扰小，与环境无关的较高的荧光量子产率；BODIPY染料分子不带电荷，在许多有机溶剂中具有很高的溶解度，易透膜，因此在透膜性探针标记上应用较多。BODIPY染料分子在不同*性的溶剂中，由于偶*矩和跃迁电偶*矩相互正交，吸收带和发射带的位置几乎保持不变。目前BODIPY类染料主要应用于激光染料、荧光传感器、生物成像、光动力*疗等领域。