荧光染料的分类与分子结构解析

# 荧光染料的分类与分子结构解析 ## 1. 荧光素类染料 ### 1.1 内酯化反应 内酯化是一个重要的效应，某些单阴离子氧杂蒽衍生物（如荧光素、若丹醇和巯基荧光素）的内酯（闭环形式）在可见光谱范围内基本无吸收和荧光。图 4.17 展示了其中一种离子物种（单阴离子）内酯化的电子机制。这种现象不仅出现在荧光素、巯基荧光素、若丹醇和若丹明中，当存在磺酸基而非羧基时，磺基荧光素、巯基磺基荧光素、磺基若丹醇和磺基若丹明也会发生。例如，富硫类染料巯基磺基硫代荧光素，其酚基被硫醇取代，邻羧基被磺酸基取代，氧杂蒽核心的杂原子（O）被硫原子（硫杂氧杂蒽）取代。 ### 1.2 非卤代荧光素 非卤代荧光素衍生物的光稳定性为中等到低，其 pKa 值接近中性 pH，且更易发生内酯化，这使得它们不太适合作为荧光标记。不过，一些衍生物在细胞内 pH 指示剂和单线态氧传感器等应用中表现出一定的价值。例如： - DY - 495 - 5(6) - 羧基荧光素（FAM） - 5 - 羧基荧光素（S - H 2） - NX、DMAX - EP 和 4 - 苯甲酰胺基荧光素 - 1,2,7,8 - 二苯并荧光素 - BCPCF - 高电荷荧光素衍生物 BCECF 此外，文献中还报道了许多氨基荧光素和硝基荧光素，但它们在水溶液中的荧光量子产率较低。氨基荧光素可用于荧光引导的神经胶质瘤手术、糖类和寡糖等分析物的标记和分离。 ### 1.3 卤代荧光素 卤代荧光素的光物理性质在中性 pH 范围内对 pH 的敏感性较低。常见的卤代荧光素有： - Oregon Green 488 - Oregon Green 514 - 6 - 羧基 - 2′,7′ - 二氯荧光素 - 氟化荧光素 S - H 17、18、19 和 20 - 氟化羧基荧光素 14a、14b、15a、15b、16a 和 16b - HEX、JOE 和 TET - Yakima Yellow - 2′,7′ - Cl - 4,5,6,7 - F - 荧光素和 6 - CA - MeThio - 4,5,7 - F - 荧光素 - 6 - 叠氮基 - 4,5,7 - 三氟荧光素 - 1,2,7,8 - 二苯并 - 4,5 - Br - 荧光素 而伊红 Y、伊红 B、赤藓红和玫瑰红等卤代荧光素在水溶液中的亮度较低，未被纳入数据库。 ### 1.4 巯基荧光素 巯基荧光素用硫醇取代了荧光素的酚基，如 MK - 43、ML - 69、MK - 61、MK - 67 和 MK - 75 等。需要注意的是，不要将其与硫代荧光素混淆，硫代荧光素是杂原子取代荧光素（HAS - 荧光素），其氧杂蒽核心结构的 10 位氧被硫取代。巯基荧光素的显著特性是光稳定性高，比荧光素和 2′,7′ - 二氯荧光素更稳定。 ### 1.5 荧光素类似物 萘并荧光素和 4,10 - 二溴萘并荧光素属于荧光素类似物。它们的 π 电子系统显著扩展，观察到较大的红移和斯托克斯位移，但摩尔吸收系数和量子产率适中。 ## 2. 杂原子取代荧光素（HAS - 荧光素） ### 2.1 C - 荧光素（碳荧光素） 碳荧光素中，氧杂蒽的氧被碳原子取代，例如常见的 C(CH₃)₂ - 荧光素（二甲基碳荧光素）。碳荧光素酚基的 pKa 通常约为 7.4，接近生理 pH，而荧光素的 pKa 约为 6.4，这在标记和染色等实际应用中具有重要意义。2′,7′ - 二氟碳荧光素（弗吉尼亚橙）也是 C(CH₃)₂ - 荧光素的一种。 ### 2.2 Si - 荧光素（硅荧光素） Si - 荧光素是 HAS - 荧光素中数量最多的一类，如 Si(CH₃)₂ - 荧光素（二甲基硅烷荧光素）。具体例子包括： - Si - 荧光素（化合物 1） - 2′,7′ - 二氟 - Si - 荧光素（化合物 24） - 2′,4′,5′,7′ - 四氟 - Si - 荧光素（马里兰红） - 3′,4′,5′,6′ - 四氟 - Si - 荧光素（化合物 26） - 2,3ʹ,4ʹ,5ʹ,6ʹ,7 - 六氟 - Si - 荧光素（化合物 27） ## 3. 磺基荧光素 磺基荧光素在苯环部分用磺酸基取代了邻羧基，与羧基对应物相比，预计具有更高的水溶性。该类最简单的成员是磺基荧光素，亮度为 71.1 м⁻¹cm⁻¹。卤代磺基荧光素如 2,4,5,7 - 四氟磺基荧光素和 2,4,5,7 - 四溴磺基荧光素也具有水溶性，且酚基的 pKa 值低于磺基荧光素。1,2,7,8 - 二苯并磺基荧光素尽管在氧杂蒽核心结构上融合了两个额外的苯环，但仍可溶于水，亮度约为磺基荧光素的 2/3。Vita blue 是一种磺基荧光素类似物，由于其延长的 π 电子系统而产生较大的红移。 ## 4. 荧烷类染料 ### 4.1 荧烷 荧光素、若丹明和若丹醇在其明亮的荧光醌型（荧光素和若丹醇）或两性离子型（若丹明）形式与无色内酯形式（闭环形式）之间存在平衡。荧烷与荧光素类似，但在侧链芳基的 2′ 位碳原子上没有羧基，该位置的取代基（若存在）可能是甲基、甲氧基等小脂肪族基团，因此这类染料不会形成非荧光的内酯形式。例如： - 2 - Me TokyoGreen - 2,4 - DiMe TokyoGreen - 2,5 - DiMe TokyoGreen - 2 - Me - 4 - OMe TokyoGreen - 2 - OMe TokyoGreen - 2 - OMe - 5 - Me TokyoGreen - 宾夕法尼亚绿和 4 - 羧基宾夕法尼亚绿 ### 4.2 HAS - 荧烷 HAS - 荧烷与荧烷类似，不会形成内酯形式，但其氧杂蒽结构的杂原子氧被其他原子取代，会产生显著的红移，且红移程度取决于杂原子的取代情况。例如： - NR 600 和 NR 604 - POF - 2 - Me Tokyo Magenta（2 - Me TM） - 2 - Me DCTM ## 5. 花菁类染料 ### 5.1 花菁的结构与特性 花菁由两个含氮杂环（通常是两个吡咯环）通过聚次甲基桥连接而成。两个吡咯实际上