苝酰亞胺衍生物金屬離子熒光探針的研究進展

金 鑫，李林容，吳 超，郭嘉薇，楚 森，付麗娜

(黃河科技學院 醫(yī)學院，河南 鄭州 450063)

近年來，由重金屬造成的環(huán)境污染現(xiàn)象嚴重，例如，日本由汞污染引起的"水俁病"、由鉻污染引起的“毒大米”事件等，嚴重危害人體健康，由此引發(fā)的環(huán)境污染問題日益突出[1-2]。有些重金屬在濃度極低時就會產(chǎn)生極強的毒性，在某些器官內(nèi)蓄積，造成慢性中毒，對機體生命過程產(chǎn)生非常重要的影響，例如，汞(Hg)、鎘(Cd)、鉛(Pb)等重金屬大部分轉(zhuǎn)化為陽離子被排放而長期殘留于環(huán)境中，長時間接觸Hg2+會對腎臟、中樞神經(jīng)系統(tǒng)、心血管病、內(nèi)分泌系統(tǒng)等造成嚴重損害[3]；Cu2+含量較高時會引起帕金森綜合征、老年癡呆等疾病。因此，發(fā)展高效、快捷的檢測方法對許多重大疾病的診斷具有一定的現(xiàn)實意義[4]，并有望在醫(yī)藥、環(huán)境、食品、生物等領域得到廣泛應用。

1 苝酰亞胺衍生物的結(jié)構(gòu)與熒光的關系

苝酰亞胺衍生物(perlenediimides derivative,PDIs)又稱為苝二酰亞胺衍生物(圖1)，結(jié)構(gòu)中具有π-π共軛體系，是一種很好的光電功能材料，具有較高的電子親和能及優(yōu)異的電荷傳導能力，對從可見區(qū)到紅外區(qū)的光有很強的吸收，產(chǎn)生豐富的色彩和強烈的熒光，成為金屬離子熒光探針研究的熱點。傳統(tǒng)PDIs分子的紫外最大吸收峰為526 nm，最大發(fā)射波長為533 nm，溶液一般為桔紅色，呈現(xiàn)出橙色熒光[5]，可用于制備各種金屬離子熒光探針。

圖1 苝酰亞胺衍生物的結(jié)構(gòu)

苝酰亞胺是以3,4∶9,10-苝四酸酐作為原料，與水合肼在Ar2環(huán)境保護下室溫反應24 h得到，其衍生物一般均具有很好的穩(wěn)定性(化學、熱、光)，最初應用于紅色染料領域[6]，之后被廣泛應用于太陽能電池、熒光探針等方面。苝酰亞胺衍生物具有稠環(huán)共扼體系，使分子間大π鍵相互作用增強，晶格能增大，導致大多數(shù)苝酰亞胺衍生物在有機溶劑中的溶解度較差。以提高苝酰亞胺衍生物溶解性能、改善選擇性能為重點，一般通過在苝灣引入吸電子基、主鏈引入強供電子基來進行結(jié)構(gòu)修飾[7-8]。經(jīng)過結(jié)構(gòu)修飾后的苝酰亞胺衍生物一般具有如下特點：熒光物質(zhì)的剛性和共平面性強，有利于熒光發(fā)射；存在較大吸-供電子共扼體系，利于產(chǎn)生較強熒光。

2 苝酰亞胺衍生物金屬離子熒光探針的應用

2.1 Hg2+離子熒光探針的應用

汞污染可導致汞長期積累在體內(nèi)而引起對中樞神經(jīng)系統(tǒng)、免疫系統(tǒng)和心血管系統(tǒng)的傷害。Ling Zang和Xiangjun Liu等研究小組發(fā)現(xiàn)基于單側(cè)被烷基鏈取代的苝酰亞胺衍生物熒光探針能檢測水溶液中Hg2+，通過熒光強度變化實現(xiàn)對水溶液中Hg2+的實時監(jiān)測；國家納米科學中心魏志祥研究員的研究小組發(fā)現(xiàn)苝酰亞胺衍生物對Hg2+有顯著響應，實現(xiàn)對Hg2+的特異性檢測，檢測范圍為2.5～20 umol/L，最低檢測限為0.6 umol/L，并探索了該項應用在細胞成像中的研究。Aixia Han研究了1.0 μmol/L苝酰亞胺衍生物MSI-1-9與2.0 μmol/L的Hg2+絡合之后的熒光變化，結(jié)果顯示熒光強度快速淬滅直至穩(wěn)定值，反應速度快是對Hg2+進行實時檢測的重要特征[9]，且?guī)缀醪皇芷渌饘匐x子的干擾(圖2)。汞中毒在醫(yī)藥、食品、軍事、化學等領域均會出現(xiàn)，因此，進一步提升苝酰亞胺衍生物金屬離子探針的檢測性能具有重要意義。

圖2 苝酰亞胺衍生物MSI-1-9的結(jié)構(gòu)

2.2 Cu2+離子熒光探針的應用

銅是人體必需的微量元素之一，在腫瘤血管生長因子中有重要調(diào)節(jié)作用，Cu2+的含量檢測對帕金森和老年癡呆等神經(jīng)性疾病的發(fā)生和控制具有重要意義。但也會經(jīng)消化道或皮膚的誤吸或誤用而積累在肝、腎、腦、骨等部位引起中毒，因此防止Cu2+對環(huán)境的污染、嚴格控制環(huán)境及飲用水中Cu2+的含量也尤為重要[10]。閆立偉課題組制備了苝酰亞胺衍生物1[11]，在四氫呋喃/水的混合溶劑中加入多種金屬離子，結(jié)果顯示加入Cu2+的體系發(fā)生熒光淬滅，證明有電子轉(zhuǎn)移的出現(xiàn)，所以此化合物可選擇性檢測Cu2+(圖3)。進一步研究發(fā)現(xiàn)，該化合物可與Zn2+進行配位反應，生成的配合物與ATP產(chǎn)生靜電作用，導致熒光顯著增強，因此可選擇性檢測ATP。這種有趣的熒光"開-關"現(xiàn)象在金屬離子檢測和生物分子檢測中引起了廣大學者的青睞。該苝酰亞胺衍生物熒光探針對Cu2+表現(xiàn)出高度靈敏性，檢測限達0.15 umol/L，因此該化合物可作為檢測Cu2+的熒光探針。

圖3 苝酰亞胺衍生物1的結(jié)構(gòu)

2.3 Pb2+離子熒光探針的應用

Pb2+濃度超標是重金屬污染的典型形式，常以粉塵、煙霧或蒸氣的形式經(jīng)呼吸道吸入，從而引起外周神經(jīng)系統(tǒng)、呼吸系統(tǒng)、心血管系統(tǒng)、免疫系統(tǒng)等急性或慢性毒性損害，因此，發(fā)展選擇性高、操作簡便的Pb2+檢測方法具有重要意義。馬永山課題組[12]制備了苝酰亞胺衍生物PTCDG，并研究了其熒光性能，結(jié)果顯示PTCDG與金屬離子Pb2+絡合后，Pb2+使PTCDG的發(fā)射峰強度降低、最大發(fā)射峰波長藍移，當Pb2+的濃度從0.5×10-5mol/L增至1.0×10-5mol/L時熒光完全淬滅(圖4)。結(jié)果證明Pb2+與PTCDG的四個羧基氧原子及酰胺上的氮原子作用產(chǎn)生了較強的螯合作用，熒光團與Pb2+之間發(fā)生了較強的電子轉(zhuǎn)移(PET)效應，導致PTCDG熒光淬滅。

圖4 苝酰亞胺衍生物PTCDG的結(jié)構(gòu)

2.4 Cd2+離子熒光探針的應用

鎘是人體非必需元素，Cd2+是眾所周知的毒性金屬離子，在自然界中經(jīng)常以化合物形式存在，當環(huán)境受到鎘污染時，通過食物鏈進入體內(nèi)，鎘就會在生物體內(nèi)富集，在體內(nèi)形成鎘硫蛋白，選擇性地蓄積在肝、腎中而引起人體慢性中毒。Cd2+可在體內(nèi)積累10年以上，嚴重時會造成肺、腎臟、肝等器官的損傷。王麗華課題組[13]研究了苝酰亞胺衍生物熒光探針在不同pH下選擇性檢測不同的金屬離子，研究發(fā)現(xiàn)在pH 9.0時可檢測Cd2+，檢出范圍為0.1～50 umol/L，最低檢出限為48 nmol/L；在pH 6.0～7.0范圍內(nèi)檢測Zn2+，檢出范圍為0.1～40 umol/L，最低檢測限達32 nmol/L。結(jié)果證明該檢測方法選擇性高、靈敏度強、容易操作，非常適合快速分別檢測Cd2+和Zn2+。該熒光探針實現(xiàn)了在不同pH下對Cd2+和Zn2+兩種金屬離子的雙重測定，使簡單的調(diào)節(jié)pH值這種方法就可以實現(xiàn)金屬離子的檢測。

3 結(jié)論與展望

苝酰亞胺衍生物熒光材料由于其特有的π-π共軛體系，通過在苝酰亞胺的苝灣處引入吸電子基、主鏈引入供電子基進行結(jié)構(gòu)修飾，修飾后的苝酰亞胺衍生物共平面性強、利于產(chǎn)生較強熒光。而后使之與不同的金屬離子特異性結(jié)合，產(chǎn)生不同的熒光性質(zhì)，確定特征金屬離子，準確實現(xiàn)金屬離子識別。本文綜述了近幾年來國內(nèi)外學者對苝酰亞胺化合物在熒光探針方面的研究，著重介紹了其在Hg2+、Cu2+、Pb2+、Cd2+等金屬離子的檢測，這些金屬離子熒光探針靈敏度高、操作簡便、檢測限低，但是如何更好地優(yōu)化熒光探針的性能，對推進其在醫(yī)療衛(wèi)生、環(huán)境檢測等領域的應用具有重大意義。預測大量基于PDIs的金屬離子熒光探針及其工業(yè)化檢測技術(shù)將在未來得到更好的發(fā)展。