荧光探针分子的奥妙

20世纪初，科学家们利用生物组织及细胞的自发荧光来观察和研究原生动物。会发光的细胞就像人群中穿着不同颜色服装的个人，一眼望去很容易识别。但是，天然荧光的生物分子种类有限，强度较弱，而大多数分子是不发光的。于是，科学家们研究出了荧光探针技术，给那些原本不发光的生物分子标记上荧光分子，使得它们在周围的组织和细胞中间像黑暗里的星星那样闪闪发光，可以轻易被人们的视线捕捉到。

那么，人造的荧光从何而来呢？故事要从我们“衣食住行”中的“衣”讲起。人类在发明纺织的同时，也发展了染色技术。刚开始的时候，人们只是应用天然染料，例如植物的花、叶、树皮，矿物中的朱砂、雄黄等。直到19世纪，英国人发现苯胺紫能将丝织品染成紫红色，继而开创了化学合成染料的工业纪元。我们不是要讲大脑的荧光吗？怎么会扯到纺织业呢？其实对于看似无关的领域，科学家是可以触类旁通的：既然染料可以染纺织品，为什么不能用来染生物体呢？20世纪30年代起，这些有机小分子染料开始被用于活体细胞和组织的荧光显微成像染色。

仅有光是不够的。我们不需要照亮所有的区域，我们要的是只照亮感兴趣的区域，这就要求荧光探针具有特异性。如何做到呢？除了有荧光基团，荧光探针分子还有识别基团和连接体。识别基团是探针的“向导”，决定探针分子的选择性和特异性，负责找到感兴趣的基团。连接体负责连接识别基团与荧光基团。这样的结构，起到了在识别基团找到感兴趣分子的同时，荧光基团就被一起“绑”在上面的作用。研究中感兴趣的分子于是跟黑暗分开了。有机小分子具有强大的可塑性和应用潜力，通过对其结构进行巧妙的设计与改造，能够设计合成出满足各种需要的荧光探针。当下，已经有细胞活性探针、膜荧光探针、细胞器探针、电位敏感探针、活性氧探针等功能各异的探针。它们被用于研究大脑结构和功能的方方面面。

有机小分子荧光探针的几种机制(https://www.daowen.com)

例如，锌是重要的神经化学因子，与大脑发育及智力有关。当锌含量过高或过低时，会导致多种疾病，而直接检测离子含量并不容易。可是，用荧光探针处理易如反掌，它可以将离子浓度转化为荧光强度，通过显微镜成像就可以间接检测出锌离子的含量。那是如何实现的呢？首先，荧光探针的识别基团——邻氨基苯硫醚可以和锌离子结合，荧光基团是香豆素，两者以席夫碱相连，席夫碱抑制了香豆素的发光。所以，这个探针平时是不发光的，但是当锌离子存在时则可以跟识别基团上的硫原子、连接体上的氮原子和荧光基团上的氧原子配位，整个荧光探针分子的构象发生变化，香豆素回到可以发光的构象，让荧光从无到有。发光表示了锌离子的存在。

锌离子荧光探针

虽然有机小分子可塑性良好，但是一些有机小分子荧光探针由于非水溶性及毒副作用、光漂白性等缺点，在生命科学和医学等领域中的应用受到了限制。