基于萘酰亞胺為母體的熒光探針檢測金屬離子的研究進展及展望

許海燕,肖銀鈴

(江蘇科技大學 環境與化學工程學院,鎮江212100)

熒光探針法由于其選擇性好、靈敏度高、檢測速度快、成本低、操作方便等優點,廣泛用于重金屬離子的實時檢測[1].席夫堿熒光探針是一種常見的熒光傳感器,由于其具有很強的金屬絡合能力和一步合成的綠色工藝而受到越來越多的關注.萘酰亞胺類衍生物因具有良好的光化學和熱穩定性,熒光量子產率高,較長的發射波長和激發波長等優點,被廣泛用作為熒光標記材料和熒光染料.萘酰亞胺類衍生物的核心骨架由4-溴萘酸酐和伯胺縮合而成,由于4-溴-1,8-萘酰亞胺本身熒光很弱,無法成為優良的熒光團,故在其4位上進行改性修飾,當引入的R2為吸電子基時則不發射熒光,當引入的為供電子基團時,則可產生強烈的熒光.因此,基于1,8-萘酰亞胺為母體設計的熒光探針具有以下3個特點:① 基于萘環平面結構,具有較大的共軛體系,故有較高的熒光量子產率;② 分子結構中一端為“酰亞胺”強吸電子基團,而另一端(4-位)有強的供電子基團,因此易于形成分子內電荷轉移(PET)體系,易受光的激發而發射熒光;③ 分子的發光性質易受取代基團影響,可以改變不同的取代基團設計成不同離子的熒光探針[2].目前, 1,8-萘酰亞胺類熒光探針已成功用于Hg2+、Mg2+、Cu2+、Zn2+和Al3+等多種重金屬離子的檢測,是分析化學,材料化學和生物化學等研究領域常用的熒光染料之一.文中總結了近年來基于1,8-萘酰亞胺為母體的席夫堿型熒光探針在重金屬離子檢測方面的研究現狀.

1 基于萘酰亞胺為母體檢測金屬離子熒光探針的研究進展

1.1 檢測Cu2+的熒光探針

羅丹明具有親水性,萘酰亞胺具有親脂性,因此由萘酰亞胺供體和羅丹明受體組成的熒光探針具有合適的兩親性,可以溶解在有機溶劑和水的混合物中.基于兩者有利條件,文獻[3-4]設計了探針1(圖1)和探針2(圖2).探針1,2都對檢測Cu2+表現出高選擇性.在V(乙醇)∶V(水)=1∶9,pH= 7.4緩沖溶液中, 加入Cu2+后,探針1溶液熒光增強,檢測限為250 nM.和探針1相比,探針2還可以檢測H2S,在V(CH3CN)∶V(H2O)=9∶1溶液中,加入Cu2+后,溶液的顏色明顯變紅,隨后,加入H2S,熒光發射峰在528和610 nm處熄滅,溶液從紅色變為無色,表明H2S和配位化合物2- Cu2+相互作用,配合物2- Cu2+可用于實時監測H2S.探針2對Cu2+和H2S的的檢測限分別為170,230 nM.此外,探針1,2都成功地用于細胞內染色的生物成像,在生物醫學領域有巨大的潛力.

圖1 探針1對Cu2+的感知機制

圖2 探針2對Cu2+的感知機制

考慮到水溶性的問題,文獻[5]合成了一種含有二乙醇胺的銅離子熒光探針3 (圖3).加入Cu2+之后,Cu2+和二乙烯乙醇胺部分的N、O原子配位,導致熒光明顯淬滅.其次,探針3對Cu2+離子的檢測限低至49 nM,可以檢測食物和環境中允許的最大銅含量.此外,探針3具有低毒性和細胞滲透能力,可以成功用于MCF-7細胞的成像.

圖3 探針3與Cu2+的反應機理

2018年,文獻[6]設計了一種新型含有吡咯環基團的1,8-萘酰亞胺的比色和熒光探針4 (圖4).加入Cu2+之后,Cu2+和吡咯基團的N原子、萘酰亞胺的4-位胺的N原子配位,抑制了原先電子從吡咯基團轉移到萘酰亞胺基團的PET過程,使熒光團熒光增強.

圖4 探針4與Cu2+的絡合機理

1.2 檢測Zn2+的熒光探針

2020年,文獻[7]發明了熒光探針5(圖5).探針5引入了谷氨酸,大大增加了其在水中的溶解度,并且幫助探針5保留在細胞里.因此在水溶液中加入Zn2+,Zn2+與亞氨基乙氧基乙酸臂和甲氧基的N原子和O原子配位,熒光增強了約5倍,表現出高選擇性,靈敏度和低檢測限772 nM.此外,探針5成功應用于活細胞中痕量Zn2+的檢測.

圖5 探針5與Zn2+的相互作用機制

2019年,文獻[8]利用酰胺基團設計了熒光探針6 (圖6).在DMSO-PBS緩沖溶液中,只有Zn2+使探針6溶液的熒光發射波長發生顯著變化,Zn2+觸發的酰胺互變異構化引起的發射紅移的增強,從450 nm紅移至524 nm,并且其他離子的加入對沒有明顯變化,表明探針6對Zn2+具有最強的親和力.

圖6 探針6與Zn2+的絡合機理

2021年,文獻[9]設計了以萘酰亞胺為熒光團,三聯吡啶(Tpy)為識別基團的熒光探針7(圖7),CH3CN-H2O緩沖溶液中加入Zn2+后,Zn2+和三聯吡啶中N原子發生1∶2配位,抑制了PET過程,熒光強度增強約4.5倍并發出藍色熒光,而且能在較寬的PH(3～11)范圍內快速檢測Zn2+.最重要的是,通過靜電紡絲工藝將醋酸纖維素和探針共紡的ESF-7膜對Zn2+具有選擇識別,有望開發以納米纖維膜為基質的固體探針對鋅離子進行檢測.

圖7 探針7與Zn2+的作用機制

2021年,基于萘酰胺優秀的光譜學性質,文獻[10]設計合成了一種具有簡單一步合成的新型席夫堿熒光探針8. 在DMSO/H2O溶液中,探針8對Zn2+表現出高選擇性和快速響應(30 s).加入Zn2+后,探針8溶液熒光明顯增強,對Zn2+的檢測限低至39 nM.除此之外,對實際水樣中的Zn2+進行了檢測,證實了探針8對Zn2+的良好檢測功能.

1.3 檢測Hg2+的熒光探針

2019年,文獻[11]以亞氨基二乙酸和吡啶甲酸為受體研制了熒光傳感器9 (圖8).酯基的引入增加了傳感器在水中的溶解度.當加入Hg2+之后,探針9溶液熒光增強,并且其余的金屬離子對Hg2+的檢測干擾甚小. 此外,探針9還可以成功用于檢測HeLa細胞中的痕量Hg2+,是一種在水溶液和活細胞中對Hg2+的高選擇性和靈敏度的探針.

圖8 探針9和Hg2+的絡合機理

文獻[12]設計了一種新型熒光探針10(圖9).在V(THF)∶V(H2O)=1∶1,PH=7.4緩沖溶液中,哌嗪氮原子和硫原子的孤電子對位于萘酰亞胺部分附近,誘導了分子內光誘導電子轉移.加入Hg2+后,PET過程被阻斷,熒光顯著增強,熒光強度逐漸增加約10倍,因此探針10對水溶液中Hg2+的檢測具有高度的敏感性和選擇性.

圖9 探針10和Hg2+的反應機理

文獻[13]設計合成了一種水溶性、高效的Hg2+熒光傳感器11(圖10).傳感器11對Hg2+的檢測限為178 nM而且具有很強的抗干擾性.傳感器11具有很強的水溶性和細胞滲透性,可以成功用于檢測生理和環境系統中痕量Hg2+.因此,基于1,8-萘酰亞胺為母體的傳感器11可以作為一種易于獲得、易于使用和可循環的Hg2+傳感器.

圖10 探針11和Hg2+的反應機理

文獻[14]設計了一種檢測Hg2+的基于FRET原理的熒光探針12 (圖11).加入Hg2+后,萘酰亞胺峰強度下降,羅丹明峰處特征熒光迅速出現并逐漸增強,說明探針12可以有效地檢測Hg2+,而且檢測限較低為679 nM.此外,熒光細胞成像結果表明探針12可以成功用于活體細胞中痕量的Hg2+檢測.

圖11 探針12和Hg2+的反應機理

1.4 檢測Al3+的熒光探針

2019年, 文獻[15]合成了一種新型基于萘酰亞胺的比率可逆熒光探針13(圖12). 在V(DMSO)∶V(Tris)=2∶8中,探針13與Al3+配位時,探針13發生藍移,熒光從綠色變為藍色,顯示出較大的斯托克斯位移,有效地避免了熒光檢測錯誤和自動猝滅.探針13對Al3+有高選擇性和靈敏度,檢測限為290 nM.探針13具有細胞滲透性和低毒性,可以成功用于檢測斑馬魚和HeLa細胞中的鋁離子.

圖12 探針13和Al3+的結合模式

2017年,文獻[16]設計并合成了兩種檢測Al3+的基于萘酰亞胺為母體的熒光探針14和15(圖13).14和15有著良好的發光性能,可以作為潛在的熒光發光材料.并且,14和15儲備液隨著Al3+濃度的增加而熒光強度增強,并發出強烈的綠色熒光.不同之處在于,Cu2+,Co2+,Ni2+和Cd2+會對14識別Al3+產生干擾,而15對識別Al3+具有極高的專一性.15-Al3+熒光強度增強在Al3+的量為3.0-10.0 μM時,呈線性增加,說明探針15可以定量檢測實際樣品中的Al3+.

圖13 探針14和15的結構式

2021年,文獻[17-18]合成了兩種新型席夫堿探針16和探針17. 探針16和17都對Al3+有高靈敏度和高選擇性,熒光顯著增強,探針16的檢測限為80 nM,配合物16- Al3+可以用來檢測F-,具有可逆性.探針17的檢測限為52 nM,遠低于世衛組織的標準.探針16和17都已成功應用于活體細胞和真實水樣中痕量Al3+監測.

1.5 檢測Fe3+的熒光探針

2013年,文獻[19]設計并合成了一種基于香豆素和萘酰亞胺的新型Fe3+選擇性“開啟”化學傳感器探針18(圖14).該化學傳感器對Fe3+具有較高的選擇性,并且探針18與Fe3+在THF-H2O溶液中反應后,熒光顯著增強,可能原因是Fe3+和探針18的配位(1∶1)可以增強萘酰亞胺和香豆素的共面性,這可以減少激發態的非輻射衰減.

圖14 探針18和Fe3+的結合模式

2019年,文獻[20]設計了一種基于1,8-萘酰胺為母體的Fe3+熒光探針19(圖15).探針19可以雙通道(吸收和熒光)檢測DMSO溶液中的Fe3+和苦杏仁中的CN-.探針19可以對Fe3+具有很高的選擇性和抗干擾性.

圖15 探針19和Fe3+的響應機制

1.6 檢測Ag+的熒光探針

2011年,文獻[21]合成了一種萘酰亞胺基衍生物作為Ag+的“開關”探針20(圖16).探針20基于PET原理,在水介質中對Ag+具有較高的選擇性和敏感性,對Ag+的檢測限為270 nM,并且在堿性和酸性溶液中都是穩定的.

圖16 探針20和Ag+的反應機理

2011年,文獻[22]設計并合成了一種基于香蘭素和萘酰亞胺的熒光探針21(圖17).

圖17 Ag+與探針21的結合模式

在Ag+離子的存在下,在682 nm處觀察到一個新的熒光發射.熒光強度隨著Ag+濃度的增加而猝滅.Ag+和探針21的配位比為1∶2.對拓展香蘭素和萘酰亞胺在金屬離子熒光探針中的應用有重大幫助.

1.7 檢測其他金屬離子的熒光探針

1.7.1 檢測Pb2+的熒光探針

2014年,文獻[23]設計了一種簡單的基于萘酰亞胺的熒光探針22(圖18).之前已經報道了一系列基于萘酰亞胺的熒光探針23[24]和探針24[25],分別對Ag+和Hg2+表現出高選擇性和高靈敏度.通過簡單地將探針23中的羥基喹啉部分或探針24中的嗎啉部分替換為2-氨基乙氧基乙醇部分,制備了一種新型熒光探針22.探針22在水溶液和活細胞中對Pb2+表現出明顯的熒光開啟反應.在V(CH3CN)∶V(H2O)= 1∶1,pH = 7.4緩沖溶液中,探針22與Pb2+配位后,會發生明顯的藍移,熒光發射波長從411 nm藍移到380 nm.同時,由于順磁效應,Cu2+的加入導致探針22熒光幾乎完全淬滅.實驗結果表明探針22是一種新型的水溶液Pb2+熒光“開啟”探針.值得注意的是,活細胞成像實驗證明了探針22在生物系統中檢測Pb2+具有良好的應用前景.

圖18 探針22和Pb2+的結合模式

1.7.2 檢測Co2+的熒光探針

2019年,文獻[26]制備了一種高選擇性熒光化學傳感器25檢測Co2+(圖19).加入Co2+,N原子和Co2+配位,抑制了分子內電荷轉移ICT和光致電子轉移PET,產生了螯合增強熒光CHEF效應,在450nm處的熒光增強,顏色從粉紅色到無色.探針25的檢測限為260 nM.此外探針具有出色的細胞滲透性和低的細胞毒性,可以用于活細胞HepG2中的Co2+的檢測.

圖19 探針25對Co2+的傳感機理

1.7.3 檢測Cr3+的熒光探針

2013年,文獻[27]合成了一種基于萘酰亞胺的高選擇性、高靈敏度的熒光探針26(圖20).在V(THF)∶V(H2O )=85∶15, 緩沖溶液中,探針26和Cr3+配位,發射帶紅移,熒光增強. 探針26能夠快速檢測Cr3+(10 s),而且,除了Cu2+其他離子對配位化合物26-Cr3+的熒光基本沒有干擾.

圖20 探針26和Cr3+的結合模式

1.7.4 檢測Ho3+的熒光探針

2016年,文獻[28]設計并合成了一種基于1,8-萘酰亞胺的簡單比率熒光探針27(圖21).在V(DMSO)∶V(H2O)=1∶1,PH=7.4緩沖溶液中,隨著Ho3+濃度增加,探針27在512 nm處熒光減弱,在480 nm處熒光增強,同時伴隨著溶液的顏色由亮黃綠色變為藍綠色.探針27的檢測限低至60 nM.探針27是第一個用于Ho3+檢測的比率熒光探針.該探針的成功合成對探索更多的稀土元素感應類探針提供了研究基礎和研究動力.

圖21 探針27對Ho3+的傳感過程

2 結論

1,8-萘酰亞胺是經典染料和熒光團家族的主要成員之一,由于其高熒光量子產率和易修飾性,尤其是4位不同取代基的修飾能力,使其表現出不同的熒光現象,極大地擴展了萘酰亞胺在化學傳感、材料、生物成像等領域應用.近年來,萘酰亞胺探針已經獲得較好的發展,在檢測方面,能夠識別各種各樣的離子,有的甚至可以識別小分子.在機理方面,能夠根據探針的結構利用不同的機理(如 PET、FRET、CHEF)實現高選擇性.然而,從應用的角度來看,有幾個問題需要解決:① 雖然已經設計出在水介質中檢測的探針,但是大部分的化學傳感器依然在有機溶劑、有機溶劑和水的混合體系中進行,在生物化學的研究中(尤其是細胞成像研究),使用有機溶劑通常會破壞生物分子的正常功能,很難廣泛應用.② 生物成像在醫學方面有非常大的前景,取決于細胞膜的通透性,要想讓細胞膜的通透性好,可以改變萘酰亞胺支架,使其在紅色和近紅外(NIR)中激發和發射.③ 大部分探針只能檢測單個離子,多功能探針為少數.多功能熒光探針能通過相同或不同的作用位點與多個分析物作用,不僅可以提高檢測效率,而且可以降低成本.④ 部分熒光探針結構復雜,合成步驟復雜,較為困難.因此,仍需努力研究性能優良、合成簡單、成本低、水溶性好、靈敏度高、檢測限低的新型探針并且完善改進已有探針,使其能夠在環境和生物體系研究系統中發揮更大的應用.