基于苝酰亞胺衍生物熒光探針的研究進(jìn)展*

劉 暢，劉聰聰，鄭 勤，張玉坤，徐 濤，付麗娜

(黃河科技學(xué)院 醫(yī)學(xué)院，河南 鄭州 450063)

熒光分析，這種光致發(fā)光分析方法早在十九世紀(jì)六十年代就已經(jīng)出現(xiàn)，技術(shù)較為成熟，由于它選擇性好、靈敏度高、操作簡(jiǎn)便，目前已經(jīng)在食品行業(yè)、醫(yī)藥衛(wèi)生、環(huán)境檢測(cè)等方面獲得了廣泛的關(guān)注和應(yīng)用[1]。苝酰亞胺衍生物結(jié)構(gòu)中具有π-π共軛體系，電子親和能高、電荷傳導(dǎo)能力優(yōu)異，是一類(lèi)具有強(qiáng)烈熒光的缺電子分子，完整的共軛結(jié)構(gòu)使其光、熱、化學(xué)穩(wěn)定性更加突出，苝酰亞胺衍生物的熒光量子產(chǎn)率接近于100%，且熒光壽命較長(zhǎng)，也是一種較優(yōu)異的n型材料，已經(jīng)在有機(jī)場(chǎng)效應(yīng)晶體管、太陽(yáng)能電池等方面發(fā)揮了重要作用。由于苝酰亞胺衍生物的熒光量子產(chǎn)率較高，對(duì)從可見(jiàn)光區(qū)到紅外光區(qū)均有較強(qiáng)吸收，色彩豐富、熒光強(qiáng)烈。近年來(lái)，苝酰亞胺衍生物在熒光探針?lè)矫骘w速發(fā)展，尤其是在pH熒光開(kāi)關(guān)、金屬離子檢測(cè)、生物分子檢測(cè)和細(xì)胞成像等方面顯示出廣闊的應(yīng)用前景[2]。

1 pH熒光探針

pH熒光探針是常見(jiàn)的一種分子探針，隨著pH值的改變，一些有機(jī)化合物的吸光或熒光性質(zhì)可用來(lái)指示目標(biāo)介質(zhì)中酸堿性的改變。這種基于熒光信號(hào)的變化而建立的pH測(cè)定方法，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)玻璃電極中的一些不足，并受到了廣泛的關(guān)注。pH熒光探針由于具有靈敏度高、靈活度高、操作簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)[3]，已廣泛應(yīng)用于分析化學(xué)、醫(yī)學(xué)、生物分析和細(xì)胞生物學(xué)等領(lǐng)域。pH值的改變會(huì)對(duì)π-π共軛體系的電子效應(yīng)產(chǎn)生影響，并進(jìn)一步導(dǎo)致其可見(jiàn)吸收光譜和熒光發(fā)射光譜發(fā)生顯著變化。基于苝酰亞胺衍生物較大的共軛體系，馬永山等[4]人設(shè)計(jì)并合成了多種苝酰亞胺衍生物，由于結(jié)構(gòu)中具有親水性的羧基基團(tuán)，能夠快速的對(duì)不同的pH溶液進(jìn)行響應(yīng)，使得pH熒光探針得到了實(shí)際應(yīng)用。pH熒光探針對(duì)pH響應(yīng)靈敏度高、操作簡(jiǎn)單，將帶有胺基的苝酰亞胺類(lèi)熒光材料開(kāi)發(fā)作為pH熒光探針具有重要的應(yīng)用價(jià)值和廣闊的發(fā)展前景。

最新醫(yī)學(xué)研究表明，生物體細(xì)胞內(nèi)的pH值是影響生命過(guò)程的一個(gè)重要參數(shù)，適宜的pH是保持人體正常生理活動(dòng)的重要指標(biāo)，對(duì)細(xì)胞的新陳代謝有顯著影響。pH值與機(jī)體內(nèi)細(xì)胞增值和凋亡、細(xì)胞內(nèi)穩(wěn)態(tài)、酶活動(dòng)還有細(xì)胞內(nèi)吞作用等是密切相關(guān)的。正常情況下，機(jī)體組織的細(xì)胞內(nèi)pH值維持在7.2～7.4，機(jī)體內(nèi)pH值的變化通常會(huì)導(dǎo)致酶的活性降低甚至失活。如果機(jī)體細(xì)胞內(nèi)的pH值分布不均勻，溶酶體呈現(xiàn)弱酸性，細(xì)胞質(zhì)則呈現(xiàn)為弱堿性(pH7.2)，健康細(xì)胞質(zhì)和細(xì)胞器內(nèi)pH值的平衡如果被破壞或輕微改變，就會(huì)對(duì)生物體造成巨大的危害，可能還會(huì)誘發(fā)癌癥、神經(jīng)疾病或內(nèi)分泌紊亂等問(wèn)題。據(jù)相關(guān)研究報(bào)道，癌細(xì)胞中的pH會(huì)比正常細(xì)胞更容易發(fā)生明顯的增大或減小，而這種pH的差異可為識(shí)別癌癥提供一種新途徑，可將此變化作為腫瘤細(xì)胞的標(biāo)識(shí)指標(biāo)[5]。因此，設(shè)計(jì)并發(fā)展一種由pH變化進(jìn)行定量和成像分析的方法來(lái)監(jiān)測(cè)細(xì)胞內(nèi)pH值的變化具有重要的意義。

生物體細(xì)胞內(nèi)pH是影響其生命過(guò)程的一個(gè)重要參數(shù)，與細(xì)胞的增值和凋亡、離子傳輸、細(xì)胞內(nèi)穩(wěn)態(tài)、酶活動(dòng)、藥物抗體，以及細(xì)胞內(nèi)吞作用等密切相關(guān)。馬永山研究了帶有羧基取代基的苝酰亞胺衍生物(圖1)[4]，成功構(gòu)建了一種pH熒光“開(kāi)-關(guān)”。該類(lèi)苝酰亞胺衍生物是苝灣骨架和直鏈含有羧基的結(jié)構(gòu)，具有親脂和親水性的特點(diǎn)，更容易滲透到生物體細(xì)胞內(nèi)，具有檢測(cè)生物體組織內(nèi)pH的無(wú)限可能。在對(duì)水溶液中化合物的熒光進(jìn)行研究時(shí)發(fā)現(xiàn)，其熒光強(qiáng)度對(duì)pH有著強(qiáng)烈的依賴(lài)性，隨著pH的降低，熒光強(qiáng)度逐漸降低，特別是pH為6.3～3.8之間，熒光強(qiáng)度前后對(duì)比特別顯著，后者熒光強(qiáng)度是前者的30倍以上，而且該熒光“開(kāi)關(guān)”可通過(guò)在溶液中加入“H+”或“OH-”實(shí)現(xiàn)幾乎瞬間的可逆。苝酰亞胺衍生物還可以更好地檢測(cè)吸收光譜對(duì)熒光光譜的干擾，提高測(cè)試的靈敏度和準(zhǔn)確性。

圖1 苝酰亞胺衍生物1的結(jié)構(gòu)

2 金屬離子熒光探針

隨著我國(guó)工業(yè)生產(chǎn)的迅速發(fā)展，環(huán)境污染問(wèn)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(wèn)題，直接威脅到了人們的生命健康。熒光分析方法已成為一種重要的現(xiàn)代分析技術(shù)，在環(huán)境勘測(cè)、醫(yī)療衛(wèi)生、生物化學(xué)等眾多領(lǐng)域都取得了重大進(jìn)展。苝酰亞胺金屬離子熒光探針是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)，從而對(duì)金屬離子實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確識(shí)別，確定特征金屬離子[6]。此過(guò)程中，可將分子識(shí)別信息轉(zhuǎn)變?yōu)楣庑盘?hào)，將微觀變化轉(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(shí)時(shí)分析等優(yōu)點(diǎn)受到了廣泛的關(guān)注。

2.1 鉛離子熒光探針

很多金屬，特別是重金屬，與人體的生理活動(dòng)、環(huán)境衛(wèi)生、醫(yī)學(xué)疾病等具有密切的關(guān)系。因此，研究選擇性好、靈敏度高、熒光壽命長(zhǎng)的苝酰亞胺類(lèi)金屬離子熒光探針在環(huán)境監(jiān)測(cè)及人類(lèi)健康中具有重要意義。鉛離子是在環(huán)境污染中常見(jiàn)的重金屬，微量的鉛進(jìn)入人體之后就會(huì)對(duì)神經(jīng)系統(tǒng)、腎臟、造血系統(tǒng)等造成極大傷害。因此，尋找簡(jiǎn)便、高效檢測(cè)鉛離子的方法意義重大[7]。目前，常規(guī)檢測(cè)鉛離子有原子吸收法、離子色譜法、電化學(xué)法等，但都存在精密度有限、準(zhǔn)確度低、干擾因素多、儀器設(shè)備復(fù)雜等缺陷。馬永山等人[8]研究了苝酰亞胺衍生物的熒光性能與Pb2+濃度的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)Pb2+與苝酰亞胺衍生物的熒光發(fā)射峰強(qiáng)度之間存在一定的關(guān)系。Pb2+的存在使得苝酰亞胺衍生物的熒光發(fā)射峰強(qiáng)度減弱，出現(xiàn)顯著變化的是最大發(fā)射波長(zhǎng)明顯向短波方向移動(dòng)。Pb2+濃度增加也伴隨著熒光強(qiáng)度急劇減弱直至熒光淬滅。因此，用苝酰亞胺衍生物作為熒光探針可以準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)對(duì)金屬離子Pb2+的識(shí)別。而其他離子如Cu2+、Fe3+等金屬離子與Pb2+一樣，對(duì)苝酰亞胺衍生物的熒光強(qiáng)度存在顯著影響，亦會(huì)出現(xiàn)隨著濃度的增加熒光發(fā)射峰強(qiáng)度發(fā)生改變，最大發(fā)射波長(zhǎng)出現(xiàn)一定程度的移動(dòng)。因此，此類(lèi)化合物可以作為金屬離子熒光探針，準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)溶液中Pb2+的檢測(cè)，靈敏度高、選擇性好、操作簡(jiǎn)便。

2.2 鎘離子熒光探針

鎘是人體的非必需元素，也是世界公認(rèn)的致癌重金屬之一，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)在電池、油漆等成分中，在生活中應(yīng)用較為廣泛[9]。但是鎘的半衰期較長(zhǎng)，在體內(nèi)能蓄積十年左右，并且濃度較低時(shí)也會(huì)對(duì)機(jī)體造成危害，使肺、腎臟、肝等器官造成一定程度的損傷。例如，20世紀(jì)中葉，日本富山縣神通川流域出現(xiàn)了工業(yè)廢水排放不當(dāng)造成的慢性鎘中毒事件，導(dǎo)致當(dāng)?shù)睾铀?、土壤受到一定程度的污染，使得引發(fā)當(dāng)?shù)鼐用袷秤煤k稻米造成鎘中毒。據(jù)報(bào)道，飲用水中的Cd2+含量需低于0.005 mg/L，每周Cd2+的攝入量應(yīng)小于0.007 mg/kg，因此尋找選擇性高、靈敏度強(qiáng)的檢測(cè)方式而準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)對(duì)Cd2+的檢測(cè)意義重大。據(jù)研究發(fā)現(xiàn)，苝酰亞胺衍生物在不同的pH條件下選擇性檢測(cè)不同金屬離子，在pH 9.0時(shí)可以檢測(cè)Cd2+，檢出范圍為0.1～50 μmol/L，最低檢出限為 48 nmol/L。結(jié)果顯示，該檢測(cè)方法選擇性高、靈敏度強(qiáng)、容易操作，非常適合快速檢測(cè)Cd2+。

2.3 鐵離子熒光探針

鐵是構(gòu)成蛋白的重要元素，參與各種細(xì)胞水平的生化過(guò)程，鐵含量失調(diào)會(huì)導(dǎo)致貧血、肝臟、腎臟的損傷及心臟衰竭、帕金森、阿爾茨海默癥等神經(jīng)性系統(tǒng)疾病，鐵在氧代謝、DNA與RNA的電子轉(zhuǎn)移過(guò)程中產(chǎn)生非常重要的作用。尤其是Fe3+在維持紅細(xì)胞代謝中較為關(guān)鍵，與肝臟、脾臟、骨髓等這些部位的造血功能有一定的關(guān)系，是維持正常紅細(xì)胞代謝的關(guān)鍵因素，對(duì)機(jī)體生命過(guò)程產(chǎn)生非常重要的影響。若鐵離子顯著缺乏，經(jīng)常會(huì)造成缺鐵性貧血，每天需正常攝入適量的鐵對(duì)維持骨髓的造血功能具有較好的作用[10-11]。據(jù)研究報(bào)道，苝酰亞胺衍生物能夠使Fe3+引入之后導(dǎo)致熒光顯著增強(qiáng)，靈敏度高、響應(yīng)快速、選擇性好，是很好的鐵離子熒光探針。

3 生物分子熒光探針

脫氧核糖核酸(DeoxyriboNucleic Acid，縮寫(xiě)為DNA)是生物細(xì)胞內(nèi)含有的四種生物大分子之一“核酸”的一種。DNA攜帶有合成RNA和蛋白質(zhì)所必需的遺傳信息，是生物體發(fā)育和正常運(yùn)作不可缺少的生物大分子。DNA是一類(lèi)帶有遺傳信息的生物大分子，能夠控制生物機(jī)體的各種性狀表現(xiàn)，通過(guò)指導(dǎo)蛋白質(zhì)的合成來(lái)表達(dá)自己所攜帶的遺傳信息。若生物體的正常生理機(jī)能受到破壞，如某些部位產(chǎn)生癌變，則會(huì)導(dǎo)致體內(nèi)DNA的含量與理化性質(zhì)都相應(yīng)變化。因此準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)對(duì)DNA的檢測(cè)，對(duì)早期疾病的檢測(cè)以及預(yù)防具有重大作用[12-13]。苝酰亞胺衍生物具有共軛大π鍵的基本結(jié)構(gòu)骨架，表現(xiàn)出很強(qiáng)的電荷轉(zhuǎn)移能力，因而可以作為熒光染料有效地標(biāo)記DNA，用于DNA分子的檢測(cè)。

除此之外，ATP在蛋白質(zhì)和脂質(zhì)等生物大分子進(jìn)出細(xì)胞的運(yùn)輸中起關(guān)鍵作用，是各種生物體、生命現(xiàn)象的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)和功能基礎(chǔ)，在DNA、RNA的合成、細(xì)胞信號(hào)傳導(dǎo)、肌肉收縮、結(jié)構(gòu)維護(hù)等過(guò)程中發(fā)揮著不可替代的重要作用。但如果ATP的濃度過(guò)高，也可能會(huì)產(chǎn)生心血管方面的疾病。因此，可將檢測(cè)ATP濃度的高低作為判斷某個(gè)生命過(guò)程健康與否的一種指標(biāo)，目前該項(xiàng)目的檢測(cè)也受到了社會(huì)的廣泛關(guān)注。苝酰亞胺衍生物具有較高的電子親和能和優(yōu)異的電荷傳導(dǎo)能力，光穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性較高，利用苝酰亞胺衍生物醫(yī)用熒光探針進(jìn)行快速、準(zhǔn)確、靈敏的檢測(cè)這類(lèi)生物分子具有重要的意義。程文玉合成了苝酰亞胺衍生物2與鋅的金屬配合物分子[14](圖2)，顯示苝酰亞胺鋅配合物遇到ATP之后熒光顯著增強(qiáng)。該金屬配合物能夠?qū)崟r(shí)的選擇性的檢測(cè)ATP，而對(duì)其他分子如AMP、ADP、GTP等則無(wú)明顯響應(yīng)，說(shuō)明該苝酰亞胺衍生物熒光探針適合于ATP這種生物分子的實(shí)時(shí)檢測(cè)，并且靈敏度較強(qiáng)。

圖2 苝酰亞胺衍生物2的結(jié)構(gòu)

據(jù)研究顯示，水溶性苝酰亞胺衍生物3與Cu2+形成的配合物的熒光很弱[15](圖3)，但是在HEPES緩沖溶液中與焦磷酸PPi作用后，苝酰亞胺衍生物分子的熒光顯著增強(qiáng)，最低檢出限為 0.2 μmol/L，檢測(cè)限低、靈敏度高、響應(yīng)速度快，可用于PPi的定量檢測(cè)。

圖3 苝酰亞胺衍生物3的結(jié)構(gòu)

4 展望

苝酰亞胺衍生物結(jié)構(gòu)中具有π-π共軛體系，其電子親和能高、電荷傳導(dǎo)能力優(yōu)異，熒光量子產(chǎn)率較高，具有較好的熒光性能。pH熒光探針、金屬離子熒光探針和生物大分子熒光探針等，均顯示出了較好的選擇性，較高的靈敏度，并且響應(yīng)時(shí)間短，檢測(cè)限低。苝酰亞胺衍生物熒光探針在pH檢測(cè)、疾病治療與預(yù)防、細(xì)胞成像等方面的研究對(duì)推進(jìn)其在醫(yī)療衛(wèi)生、環(huán)境檢測(cè)等領(lǐng)域的應(yīng)用具有重大意義，如何更好地發(fā)揮其優(yōu)異性能顯得尤為重要。預(yù)測(cè)大量基于苝酰亞胺衍生物的熒光探針及其工業(yè)化檢測(cè)技術(shù)將在未來(lái)得到更好的發(fā)展。