基于喹啉的鋅離子熒光探針的研究進(jìn)展

胡女丹，馬小彥，盧永仲

（貴州理工學(xué)院 制藥工程學(xué)院，貴州 貴陽 550003）

基于喹啉的鋅離子熒光探針的研究進(jìn)展

胡女丹，馬小彥，盧永仲

（貴州理工學(xué)院 制藥工程學(xué)院，貴州 貴陽 550003）

鋅離子（Zn2＋）在人體內(nèi)新陳代謝過程中起著重要的作用，但很多常規(guī)分析方法都不適用于鋅離子的測定，應(yīng)用熒光法檢測胞內(nèi)Zn2＋是近年來研究熱點(diǎn)之一。文章綜述了近年來基于喹啉的鋅離子熒光分子探針的研究現(xiàn)狀，并總結(jié)熒光探針結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及官能團(tuán)修飾對探針性能的影響，最后提出鋅離子熒光探針的研究方向。

鋅離子；熒光探針；喹啉

江華等［3］通過改變喹啉8位支鏈得到一系列親和力可調(diào)的水溶性熒光探針3a-3e，實(shí)驗(yàn)說明可以通過分子設(shè)計(jì)即修飾輔助配位基團(tuán)而不是識別基團(tuán)來實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)探針的親和力。2012年該研究組［4］以二甲基乙氨基為溶酶體的識別基團(tuán)合成Zn2＋熒光探針4。4能夠定量可逆地檢測Zn2＋在溶酶體中的變化，不受其他金屬離子和pH的影響。

孟祥明等［5］報(bào)道了2個(gè)基于ICT原理的比率型Zn2＋熒光探針5a和5b，探針增加了共軛結(jié)構(gòu)，所以具有雙光子性質(zhì)。在甲醇／水的混合液中，5a和5b與Zn2＋配合后熒光發(fā)射波長分別紅移72 nm和81 nm。

Lin Xue等［6-7］以DPA為受體合成了熒光探針6和7，6不僅基于CHEF和ICT機(jī)理形成比率型熒光探針檢測Zn2＋也能夠通過CHEF來檢測微摩爾級的Cd2＋。探針7通過不同感應(yīng)機(jī)理也能夠區(qū)分 Zn2＋（ICT）和 Cd2＋（PET），且能夠?qū)崿F(xiàn)肉眼識別。

2 喹啉類含酰胺基的鋅離子熒光探針

與第一代Zn2＋熒光探針磺酰胺基喹啉相比，酰胺基喹啉可以有效改善化合物的水溶性，實(shí)驗(yàn)表明Zn2＋能夠誘導(dǎo)酰胺基團(tuán)發(fā)生去質(zhì)子化，所形成的N負(fù)離子能夠增大8位胺基N原子向喹啉基團(tuán)的給電子能力，加劇ICT過程。Jianjun Du等［8］合成了比率熒光探針8，由于ICT作用和酰胺結(jié)構(gòu)的去質(zhì)子化，在乙醇／水（1∶1）混合液中，8形成配合物后熒光量子產(chǎn)率增加及熒光波長紅移。與8不同的是Yu lei Cai等［9］設(shè)計(jì)的9是將DPA連接到喹啉的6位，實(shí)驗(yàn)證明探針與Zn2＋或Cd2＋配合時(shí)由于酰胺的互變異構(gòu)作用從而表現(xiàn)不同的熒光信號。在4-羥乙基哌嗪乙磺酸 ｛2-［4-（2-hydroxyethyl）-1-piperazinyl］ethanesulfonic acid，HEPES｝緩沖液中9-Zn2＋和9-Cd2＋分別呈現(xiàn)灰綠色和明亮的藍(lán)色，可以實(shí)現(xiàn)肉眼識別。

Zhang等［10］根據(jù)酰胺基喹啉的去質(zhì)子化和ICT原理設(shè)計(jì)了酰胺基喹啉衍生物10，10形成配合物后熒光紅移了45 nm，熒光增強(qiáng)了21倍，10具有很好的水溶性（HEPES緩沖液溶）及可逆性，用探針進(jìn)行海拉細(xì)胞的活體細(xì)胞成像實(shí)驗(yàn)效果很好。

Zhengping Dong等［11］合成了水溶性探針11，可以靈敏地檢測2×10-8M的Zn2＋。在Tris-HCl緩沖液（pH7.21）中，化合物與Zn2＋1∶1配合后熒光紅移86 nm，此探針具有分子邏輯門性質(zhì)。

磺酰胺基喹啉衍生物與Zn2＋配合后熒光會(huì)大大增強(qiáng)，但是不能溶于水使其有一定局限性，為了提高水溶性，張宇等［12］用羧酰胺基取代磺酰胺基得到了比率熒光探針12，由于酰胺基喹啉的去質(zhì)子化和ICT原理，此探針在甲醇／水混合液（1∶9，pH＝7.22）中，配合后熒光增強(qiáng)8倍，熒光發(fā)射紅移75 nm。溶液發(fā)出藍(lán)色熒光易于肉眼識別。12能應(yīng)用于活體組織和細(xì)胞成像。2012年，張宇等［13］通過改變喹啉環(huán)上取代基得到了一系列水溶性（甲醇／水＝1∶9）熒光探針13a-13b，實(shí)驗(yàn)證明通過改變喹啉環(huán)上取代基和取代位置可以實(shí)現(xiàn)熒光信號的調(diào)節(jié)，從比率型變?yōu)閠urn on型熒光探針。喹啉環(huán)上取代基和取代位置的改變只影響其靈敏性，并不會(huì)改變其親和力。

JiantaiMa等［14］用多功能的二氧化硅納米顆粒修飾含有喹啉的探針，得到了高磁化強(qiáng)度、選擇性好、敏感性強(qiáng)（0.1μM）的納米探針14，這說明有機(jī)配體能夠嫁接到磁性的二氧化硅納米顆粒上，形成無機(jī)-有機(jī)雜化的熒光探針。這有利于熒光探針在生物和環(huán)境中的進(jìn)一步應(yīng)用。Zhou等［15］通過烷化反應(yīng)將酰胺基喹啉連接到1，2-二氨基環(huán)己烷上，得到了比率型熒光探針15。在50%的甲醇溶液中（pH＝7.4），形成配合物后熒光從410 nm移至490 nm，熒光增強(qiáng)12倍。

Ma［16］等2013年設(shè)計(jì)了比率型的酰胺基喹啉探針16，通過連接羧基增加探針的水溶性。在乙醇／水1∶1的溶液中結(jié)合Zn2＋后熒光增強(qiáng)13倍，熒光紅移82 nm。能夠?qū)崿F(xiàn)定量檢測。Xiaoyan Zhou等［17］將 8AQ（8-氨基喹啉）和 8HQ（8-羥基喹啉）連接合成得到探針17，因?yàn)椴煌臋C(jī)理（PET：Cd2＋，CET：Zn2＋）可以區(qū)分 Cd2＋和 Zn2＋。

3 喹啉類含TPEN骨架的鋅離子熒光探針

N，N，N’，N’-四（2-吡啶甲基）乙二胺［N，N，N’，N’-tetrakis（2-pyridylmethyl）ethane-1，2-diamine，TPEN］是一種中性螯合劑，與Zn2＋有很好的親和性。YujiMikata等［18-20］首先用喹啉取代吡啶設(shè)計(jì)了 N，N，N’，N’-四（2-羥乙基）乙二胺［tetrakis（2-quinolinylmethyl）ethylenediamine，TQEN］（18b），并對含 TPEN骨架的熒光探針做了大量研究工作。實(shí)驗(yàn)表明用異喹啉代替喹啉，配合物中喹啉環(huán)之間的斥力減小，親和力會(huì)有所提高。6-甲氧基取代對探針的穩(wěn)定常數(shù)的影響較小，但是降低了探針抗Cd2＋干擾力。雙喹啉衍生物分子內(nèi)喹啉環(huán)間的空間位阻小，減小了分子內(nèi)喹啉生色團(tuán)之間的淬滅作用從而產(chǎn)生更強(qiáng)的熒光。說明可以通過烷基修飾來控制金屬結(jié)合親和力從而調(diào)節(jié)Zn2＋誘導(dǎo)化合物熒光反應(yīng)。實(shí)驗(yàn)還表明用葡萄糖修飾對配合物的熒光強(qiáng)度和金屬選擇性基本沒有影響，卻能增強(qiáng)細(xì)胞的滲透性。

4 喹啉類含Schiff堿的鋅離子熒光探針

因?yàn)镾chiff堿C＝N雙鍵異構(gòu)化效應(yīng)為實(shí)現(xiàn)金屬離子的熒光檢測提供了可能性，近年來 Schiff堿被用作識別基團(tuán)。Mi-hui Yan等［21］通過喹啉和香豆素合成的Schiff堿化合物19在四氫呋喃（tetrahydrofuran，THF）溶液中能夠識別 Zn2＋，與 Zn2＋作用熒光強(qiáng)度增強(qiáng)19.5倍，而與Cd2＋作用只增強(qiáng)2.2倍。

Zeng-chen Liu等［22］設(shè)計(jì)的對稱型 Schiff堿探針20對 Zn2＋進(jìn)行高選擇性識別，作者研究了溶劑對探針性質(zhì)的影響，結(jié)果顯示在0.1 nM乙腈溶液中與Zn2＋形成配合物后熒光增強(qiáng)20倍，但其他溶劑都沒有這樣的效果。

Xiaoyan Zhou等［23］一步合成的基于8-氨基喹啉探針為比率熒光探針21，此探針與Zn2＋結(jié)合后紅移40 nm，熒光強(qiáng)度增加了14倍，溶液由無色變?yōu)辄S色，可以實(shí)現(xiàn)肉眼識別，但是此探針的水溶性小。

5 喹啉類含大環(huán)多胺鋅離子熒光探針

Marta Mameli［24］以［9］aneN3（1，4，7-三氮雜環(huán)壬烷）和［9］aneN2S（1-硫-4，7-二氮雜環(huán)任烷）作為受體，合成了具有不同數(shù)目側(cè)鏈的3個(gè)熒光探針22a-22c，在乙腈／水（1∶1）體系中由于空間位阻效應(yīng)這3個(gè)探針與Zn2＋配合的CHEF效應(yīng)強(qiáng)于它們與Cd2＋配合。

2008年Shin Aoki［25］選擇苯磺?；M(jìn)行酯化修飾，首次得到喹啉上連有苯磺?；幕\鎖分子23，配合Zn2＋后熒光增強(qiáng)明顯。細(xì)胞滲透性明顯增強(qiáng)但不能提高離子選擇性。2010年Shin Aoki［26］在其7位連接1個(gè)-SO2NMe2基團(tuán)，合成24a及其籠鎖分子24c，離子選擇性得到提高。

6 結(jié)論與展望

綜上所述，近年來報(bào)道識別鋅離子的基于喹啉的熒光探針很多，其中部分探針有望用于生物體和環(huán)境中鋅離子的檢測。但是很多熒光探針存在不足，比如一般都需要紫外光激發(fā)，而在選擇性方面大部分探針受到Cd2＋的干擾。配體與Zn2＋親和力的調(diào)節(jié)可以考慮修飾輔助配位基團(tuán)，空間位阻效應(yīng)及分子結(jié)構(gòu)的剛性程度等也影響探針的親和力，探針的水溶性可以通過引入親水基團(tuán)而改善，另外通過不同機(jī)理或分子結(jié)構(gòu)互變分別檢測Zn2＋／Cd2＋的熒光分子探針值得科學(xué)家們關(guān)注，從上述報(bào)道來看，研究者普遍比較關(guān)注探針的選擇性、pH敏感性、水溶性、細(xì)胞滲透性，而忽略探針的細(xì)胞毒性，事實(shí)上具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的探針應(yīng)是在不傷害活體細(xì)胞的情況下發(fā)熒光。開發(fā)更好的識別基團(tuán)，結(jié)合生物技術(shù)、納米技術(shù)探索新型或雙光子Zn2＋熒光探針是該領(lǐng)域科研工作者努力的方向。

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（編校：李璐璐，王儼儼）

Progress of fluorescent probes on the basis of quinoline group for zinc ions

HU Nv-Dan，MA Xiao-yan，LU Yong-zhong

（Department of Pharmaceutical Engineering，Guizhou Institute of Technology，Guiyang 550003，China）

Zinc ions（Zn2＋）plays an essential role in metabolism of organism，but a lot of common analysis methods are not suitable for the determination of zinc ions，thus fluorescence detection of zinc ions has been given more attention.The progress of fluorescent probes on the basis of quinoline group for zinc ions was reviewed.The effects of the design of probe structure and the modification of functional group are discussed and summarized.Finally，research directions of the fluorescent probe for zinc ions are put forward.

zinc ions；fluorescent probe；quinoline

O614.24＋1

A

1005－1678（2014）05－0178－05

熒光法具有操作簡便、靈敏度高、選擇性好等優(yōu)點(diǎn)，與顯微鏡聯(lián)用可實(shí)現(xiàn)對細(xì)胞內(nèi)外金屬離子的高時(shí)空分辨率成像。1987年 N-（6-甲氧基-8-喹啉基）對甲苯磺酰胺［N-（6-methoxy-8-quinolyl）-p-toluene-sulfonamide，TSQ］首次用于活體細(xì)胞 Zn2＋成像，此后以喹啉為母核的Zn2＋熒光探針發(fā)展迅速。喹啉是一個(gè)大的共軛體系，可以很容易地產(chǎn)生π到π*的電子躍遷，喹啉基衍生物不僅具有較強(qiáng)的熒光，而且其雜環(huán)氮原子能參與配位，即同時(shí)具有識別和熒光功能。本文按照喹啉類Zn2＋熒光探針分子中起主要識別作用的基團(tuán)分類，主要綜述近年來基于喹啉Zn2＋熒光探針的最新進(jìn)展。

1 喹啉類含DPA的鋅離子熒光探針

自1996年第一次接在熒光素上以來，N，N-二（2-吡啶甲基）胺（N，N-di-2-picolylamine，DPA）基團(tuán)在鋅離子熒光探針的設(shè)計(jì)中得到廣泛應(yīng)用。DPA能提供3個(gè)氮原子，是明確的中性Zn2＋配體。Yi Ming Li［1］等人報(bào)道基于分子內(nèi)電荷轉(zhuǎn)移（intramolecular charge transfer，ICT）原理的 Zn2＋熒光探針 1，與Zn2＋結(jié)合后熒光增強(qiáng)13倍，熒光量子產(chǎn)率由0.035增大至0.610。該研究組［2］在2012年又合成了2-甲基喹啉Zn2＋探針2，螯合促進(jìn)熒光增強(qiáng)（chelation-enhanced fluorescence，CHEF）和抑制光誘導(dǎo)電子轉(zhuǎn)移（photoinduced electron transfer，PET）共同導(dǎo)致化合物熒光增強(qiáng)。2的熒光性質(zhì)與1相似。

貴州理工學(xué)院科學(xué)基金項(xiàng)目（XJZK20130804）

胡女丹，碩士，講師，研究方向：主要從事光功能化合物研究，E-mail：hunvdan111＠163.com。