基于喹啉的金屬離子熒光探針的研究進展

肖 瑤， 馬 杰*

（上海理工大學(xué) 理學(xué)院，上海 200093）

隨著我國工業(yè)生產(chǎn)的迅速發(fā)展，環(huán)境污染問題也愈發(fā)嚴(yán)重，尤其是工業(yè)生產(chǎn)導(dǎo)致的金屬離子污染問題，直接威脅到了人體的生命健康。傳統(tǒng)的金屬離子檢測方法，例如原子吸收光譜法（AAS）[1]、X-射線吸收光譜法（XAS）[2]和電感耦合等離子體質(zhì)譜法（ICP-MS）[3]等均存在儀器復(fù)雜、分析成本高、樣品預(yù)處理復(fù)雜等缺點，限制其滿足方便快捷、實時實地檢測的現(xiàn)實要求。近年來，隨著熒光光譜測定等科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，熒光分析方法已成為一種重要的現(xiàn)代分析技術(shù)，在生物化學(xué)、醫(yī)療衛(wèi)生、環(huán)境勘測等眾多領(lǐng)域都取得了重大進展。熒光分子探針是基于熒光分析和分子識別的一種新興技術(shù)，可將分子識別信息轉(zhuǎn)變?yōu)楣庑盘枺瑢⑽⒂^變化轉(zhuǎn)化為宏觀現(xiàn)象，因其成本低廉、靈敏度高、選擇性高、響應(yīng)快、實時分析等優(yōu)點受到了廣泛的關(guān)注。

目前報道的基于喹啉的金屬離子熒光探針的相關(guān)綜述較少，大多是針對檢測某一種金屬離子，或基于所有喹啉類熒光探針，側(cè)重于從熒光傳感性能方面對其研究現(xiàn)狀進行概括分析[4-5]。本綜述則是針對常見金屬離子，基于熒光響應(yīng)能力、與金屬離子的配位機制和實際應(yīng)用幾方面進行總結(jié)，報道了近幾年內(nèi)基于喹啉及其衍生物的熒光探針對不同金屬離子的檢測現(xiàn)狀。

1 喹啉類熒光探針的研究進展

喹啉及其衍生物是一類良好的熒光基團，一般都具有生物活性，也通常作為良好的醫(yī)藥中間體[6]。由于是由苯環(huán)和吡啶環(huán)稠和成，因此喹啉的化學(xué)性質(zhì)與吡啶相似，難溶于水，易溶于大部分有機溶劑。另外，喹啉屬于N取代萘化合物，也被稱為氮雜萘，具有弱堿性，可通過苯環(huán)發(fā)生親電反應(yīng)或吡啶環(huán)發(fā)生親核反應(yīng)，從而生成多種衍生物。喹啉具有較大的共軛體系，易發(fā)生電子從π到π*的躍遷過程，且喹啉環(huán)上的 N原子在極性溶劑中易形成氫鍵，因此基于喹啉的熒光分子探針大多在溶液中熒光很弱，而與金屬離子作用后熒光顯著增強[7-9]。因此喹啉類熒光分子探針可通過金屬離子加入后熒光信號的改變實現(xiàn)對目標(biāo)金屬離子的檢測，目前已經(jīng)有很多文獻報道其在金屬離子檢測方面的應(yīng)用。

2 基于喹啉衍生物的金屬離子熒光探針的研究進展

2.1 檢測Zn2+的熒光探針

鋅是自然界中含量較高的一種常見金屬，在合金制造、電池制備等各類制造業(yè)中被廣泛應(yīng)用。Zn2+是人體第二豐富的過渡金屬離子，是人體內(nèi)部分酶和轉(zhuǎn)錄因子的核心組成成分，參與核酸及蛋白質(zhì)合成過程，對免疫功能、腦功能、病理和基因轉(zhuǎn)錄都有著重要作用[10]。但攝入過量會導(dǎo)致免疫系統(tǒng)紊亂，引發(fā)多種嚴(yán)重的神經(jīng)系統(tǒng)疾病，包括阿爾茨海默病和帕金森病等[11-12]，因此對環(huán)境中鋅離子的檢測是十分必要的。

2020 年Gao等[13]報道了一種基于喹啉的熒光探針1，該探針在MeOH/H2O（6/4，V/V）體系中可實現(xiàn)對Zn2+、Co2+選擇性檢測，最低檢出限分別可達到0.66和0.21 μM。探針1與Zn2+/Co2+之間的絡(luò)合模式也通過熒光光譜分析和密度泛函理論計算確認(rèn)為1∶1。通過細(xì)胞成像實驗也進一步證實了探針可用于細(xì)胞內(nèi)Zn2+的檢測，具有生物應(yīng)用潛力。圖1是探針1-5的結(jié)構(gòu)及與Zn2+的配位模式。

圖1 探針的結(jié)構(gòu)及與Zn2+的配位模式

2016年P(guān)onnuvel等[14]報道了一種基于8-羥基喹啉的熒光分子探針2，在THF-H2O體系中，探針2由于激發(fā)態(tài)的C=N異構(gòu)化表現(xiàn)出微弱的熒光。與Zn2+結(jié)合后，抑制了C=N異構(gòu)化且絡(luò)合物剛性增強，金屬螯合作用使得熒光顯著增強。探針2表現(xiàn)出對Zn2+的高靈敏度高選擇性響應(yīng)，其他金屬離子幾乎沒有干擾。通過熒光滴定實驗及Job’s曲線推斷出探針2與Zn2+的配位比為1∶1。

同年Liu等[15]報道了一種基于喹啉-2-羧酸的Zn2+高效熒光探針3，最低檢測限為2.1×10-8M。該探針在MeOH-HEPES體系中無熒光，與Zn2+絡(luò)合后阻礙了C=N異構(gòu)化從而產(chǎn)生較強的熒光發(fā)射。同時通過細(xì)胞毒性及熒光成像實驗證實了探針3對HeLa細(xì)胞毒性小，可以實現(xiàn)在活細(xì)胞內(nèi)通過熒光成像實時檢測Zn2+。

2014 年Ma等[16]基于8-氨基喹啉設(shè)計并合成了一種對Zn2+高靈敏度高選擇性檢測的熒光探針4。探針在DMSO-HEPES溶液中可實現(xiàn)對Zn2+的專一性檢測，不受包括Cd2+在內(nèi)的其他金屬離子的干擾。基于分子內(nèi)電荷轉(zhuǎn)移（ICT）和熒光共振能量轉(zhuǎn)移（FRET）機理，探針4與Zn2+絡(luò)合后，原本420 nm處的發(fā)射峰消失，同時在497 nm處出現(xiàn)新的發(fā)射峰，最低檢測限達到33.6 nM。同時該探針具有一定的細(xì)胞滲透性，可用于檢測細(xì)胞中Zn2+的檢測。

同年Liu等[17]報道了一種基于ICT機理的新型比率型熒光分子探針5，用于對斑馬魚幼體內(nèi)Zn2+進行熒光成像檢測。探針5的合成過程及與Zn2+的結(jié)合模式如圖1所示。他們研究發(fā)現(xiàn)細(xì)胞中常見的陽離子及其他金屬離子不會對其產(chǎn)生干擾，通過核磁滴定、ESI-MS等分析證實了探針與Zn2+之間1∶1絡(luò)合。

2.2 檢測Cd2+的熒光探針

鎘是一種常見的工業(yè)原料，具有良好的耐堿性及耐腐蝕性，常用于制造合金從而增加金屬的強度及耐磨性能；由于不易被氧化，鎘也常被用作其他金屬的保護膜；還經(jīng)常會出現(xiàn)在油漆、充電電池等的成分中，在生產(chǎn)生活中應(yīng)用廣泛[18-19]。但鎘也是公認(rèn)的致癌重金屬污染物之一，是一種人體非必需元素，半衰期較長，即使?jié)舛群艿鸵矔谌梭w內(nèi)積累從而導(dǎo)致嚴(yán)重的疾病，如鈣代謝異常、腎功能不全、增加癌癥和心臟病發(fā)病率等[20]。1955年-1977年發(fā)生在日本富山縣神通川流域的痛病事件就是慢性鎘中毒的代表，由于工業(yè)廢水排放不當(dāng)，導(dǎo)致江河土壤受到污染，當(dāng)?shù)鼐用耖L期飲用受鎘污染的河水并且食用含鎘稻米，致使鎘在體內(nèi)蓄積而中毒致病。根據(jù)世界衛(wèi)生組織（WHO）的建議，飲用水中的Cd2+含量不宜超過0.005 mg/L[21]，食品添加劑聯(lián)合專家委員會（JECFA）也提出每周的Cd2+攝入量應(yīng)小于0.007 mg/kg BW[22]。因此實現(xiàn)對Cd2+的檢測也是十分必要的。

2017 年Ding等[23]設(shè)計并合成了一種基于喹啉的Cd2+熒光探針6，該探針在CH3CN-H2O的混合溶液中表現(xiàn)出微弱的熒光，加入 Cd2+后熒光明顯增強，且不受包括 Zn2+在內(nèi)的其他金屬離子干擾，表現(xiàn)出對Cd2+的高選擇性及高靈敏度。他們還通過熒光滴定實驗和Job’s曲線推測了探針與Cd2+的配位比為2∶1，并結(jié)合密度泛函理論計算證實了這一配位模式。此外，該探針已成功用于活細(xì)胞中的Cd2+檢測。圖2 是探針6的結(jié)構(gòu)及與Cd2+的配位模式

圖2 探針6的結(jié)構(gòu)及與Cd2+的配位模式

同年 Dai等[24]報道了一種基于 8-羥基喹哪啶的 Cd2+熒光探針 7，該探針在幾乎純水溶液中表現(xiàn)出對Cd2+的高靈敏度響應(yīng)，且不受其他離子干擾，通過熒光滴定計算出對Cd2+的最低檢測限為1.18×10-6M。他們通過Job’s曲線、1H-NMR、Benesi-Hildebrand方程擬合計算證實探針與Cd2+1∶1配位。此外，由于探針7幾乎沒有毒性，并且有一定的細(xì)胞膜滲透性，因此可以用來監(jiān)測活細(xì)胞中的Cd2+。

2015 年Shi等[25]設(shè)計并合成了一種基于喹啉的對Cd2+高靈敏度響應(yīng)的熒光探針8，基于分子內(nèi)電荷轉(zhuǎn)移機理（ICT），探針8與Cd2+結(jié)合后，發(fā)射峰出現(xiàn)明顯紅移，隨著Cd2+的加入，發(fā)射峰由407 nm紅移至500 nm，是一種性能優(yōu)良的比率型熒光分子探針。通過熒光滴定及密度泛函理論的計算確定了探針 8與Cd2+的結(jié)合比為2∶1，且同樣可用作活細(xì)胞中的檢測。圖3是檢測Cd2+探針7-8的結(jié)構(gòu)。

圖3 檢測Cd2+探針的結(jié)構(gòu)

2.3 檢測其他金屬離子的熒光探針

2020 年，Kajal Mal[26]等報道了一種基于喹啉的新型Cu2+熒光探針9，在DMSO/H2O（2：8 V/V）HEPES緩沖液體系中不受其他離子干擾表現(xiàn)出對Cu2+的高選擇性。探針9與Cu2+的配位模式通過熒光滴定實驗、Job’s曲線以及ESI-MS分析證實為1∶1。此外，該探針不僅可用于精確檢測自來水、河水等實際水樣中的Cu2+，由于具有較低的細(xì)胞毒性和良好的生物相容性，在生物應(yīng)用領(lǐng)域也有很好的應(yīng)用前景。

2017 年P(guān)riyanka等[27]以苯并咪唑和喹啉為母體設(shè)計合成了對Cu2+專一性檢測的熒光分子探針10。在CH3CN-H2O體系中，探針加入Cu2+后肉眼可見從無色變?yōu)辄S色，且在443 nm處的熒光發(fā)生淬滅。此外，探針10對Cu2+的響應(yīng)是可逆的，可通過加入EDTA重復(fù)使用，通過熒光滴定實驗和Job’s曲線推測探針5與Cu2+以1∶1配位，且經(jīng)ESI-MS分析進一步證實了其配位模式。圖4是探針9-10的結(jié)構(gòu)及與Cu2+的配位模式。

圖4 探針的結(jié)構(gòu)及與Cu2+的配位模式

2017年Ramesh C.Gupta等[28]以蒽和喹啉為母體基于ICT和FRET機理設(shè)計并合成了一種新型熒光分子探針11。該探針本身熒光較強，與Hg2+接觸后形成絡(luò)合物使得熒光淬滅。根據(jù)Job’s曲線、核磁滴定、ESI-MS光譜以及密度泛函理論計算（DFT）確定了探針11與Hg2+的絡(luò)合比為1∶1。此外，他們提出CN-可以使得Hg2+存在下的探針熒光恢復(fù)，從而形成探針與Hg2+、CN-“On-Off-On”的檢測模式，實現(xiàn)可逆檢測。圖5 是探針11的結(jié)構(gòu)及與Hg2+的配位模式。

圖5 探針11的結(jié)構(gòu)及與Hg2+的配位模式

2016 年Zhu等[29]報道了一種基于喹啉和香豆素的FRET型熒光探針，可實現(xiàn)對Al3+的高靈敏度檢測。在253 nm光的激發(fā)下，在探針的EtOH-H2O溶液中加入Al3+后，390 nm處的發(fā)射峰強度逐漸下降而480 nm處出現(xiàn)新的發(fā)射峰且強度隨著Al3+的增加逐漸增強。喹啉作為能量供體，香豆素作為能量受體，與Al3+結(jié)合后，喹啉部分的能量轉(zhuǎn)移到香豆素從而發(fā)生FRET過程，實現(xiàn)對Al3+的檢測。圖6是探針12的結(jié)構(gòu)及與Al3+的配位模式。

圖6 探針12的結(jié)構(gòu)及與Al3+的配位模式

3 總結(jié)與展望

本文總結(jié)了近幾年來基于喹啉及其衍生物的熒光探針在金屬離子檢測領(lǐng)域的研究進展。迄今為止，熒光分析法已發(fā)展成為一種受到廣泛認(rèn)可的現(xiàn)代分析方法，在環(huán)境檢測、生物、醫(yī)藥等領(lǐng)域展現(xiàn)出潛在的應(yīng)用前景。但要投入實際應(yīng)用，實現(xiàn)方便快捷實時檢測仍存在一些挑戰(zhàn)。因此還需不斷創(chuàng)新，設(shè)計穩(wěn)定性好、靈敏度高、專一性強、水溶性好、生物毒性低、細(xì)胞相容性好的熒光探針，提高實際應(yīng)用的有效性。