金 鑫，李林容，吳 超，郭嘉薇，楚 森，付麗娜

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

近年來(lái)，由重金屬造成的環(huán)境污染現(xiàn)象嚴(yán)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(yán)重危害人體健康，由此引發(fā)的環(huán)境污染問(wèn)題日益突出[1-2]。有些重金屬在濃度極低時(shí)就會(huì)產(chǎn)生極強(qiáng)的毒性，在某些器官內(nèi)蓄積，造成慢性中毒，對(duì)機(jī)體生命過(guò)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(yáng)離子被排放而長(zhǎng)期殘留于環(huán)境中，長(zhǎng)時(shí)間接觸Hg2+會(huì)對(duì)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(yán)重?fù)p害[3]；Cu2+含量較高時(shí)會(huì)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(cè)方法對(duì)許多重大疾病的診斷具有一定的現(xiàn)實(shí)意義[4]，并有望在醫(yī)藥、環(huán)境、食品、生物等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

1 苝酰亞胺衍生物的結(jié)構(gòu)與熒光的關(guān)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(dǎo)能力，對(duì)從可見(jiàn)區(qū)到紅外區(qū)的光有很強(qiáng)的吸收，產(chǎn)生豐富的色彩和強(qiáng)烈的熒光，成為金屬離子熒光探針研究的熱點(diǎn)。傳統(tǒng)PDIs分子的紫外最大吸收峰為526 nm，最大發(fā)射波長(zhǎng)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(hù)下室溫反應(yīng)24 h得到，其衍生物一般均具有很好的穩(wěn)定性(化學(xué)、熱、光)，最初應(yīng)用于紅色染料領(lǐng)域[6]，之后被廣泛應(yīng)用于太陽(yáng)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(qiáng)，晶格能增大，導(dǎo)致大多數(shù)苝酰亞胺衍生物在有機(jī)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(diǎn)，一般通過(guò)在苝灣引入吸電子基、主鏈引入強(qiáng)供電子基來(lái)進(jìn)行結(jié)構(gòu)修飾[7-8]。經(jīng)過(guò)結(jié)構(gòu)修飾后的苝酰亞胺衍生物一般具有如下特點(diǎn)：熒光物質(zhì)的剛性和共平面性強(qiáng)，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(qiáng)熒光。

2 苝酰亞胺衍生物金屬離子熒光探針的應(yīng)用

2.1 Hg2+離子熒光探針的應(yīng)用

汞污染可導(dǎo)致汞長(zhǎng)期積累在體內(nèi)而引起對(duì)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(cè)水溶液中Hg2+，通過(guò)熒光強(qiáng)度變化實(shí)現(xiàn)對(duì)水溶液中Hg2+的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；國(guó)家納米科學(xué)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(duì)Hg2+有顯著響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)Hg2+的特異性檢測(cè)，檢測(cè)范圍為2.5～20 umol/L，最低檢測(cè)限為0.6 umol/L，并探索了該項(xiàng)應(yīng)用在細(xì)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(luò)合之后的熒光變化，結(jié)果顯示熒光強(qiáng)度快速淬滅直至穩(wěn)定值，反應(yīng)速度快是對(duì)Hg2+進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)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(xué)等領(lǐng)域均會(huì)出現(xiàn)，因此，進(jìn)一步提升苝酰亞胺衍生物金屬離子探針的檢測(cè)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(yīng)用

銅是人體必需的微量元素之一，在腫瘤血管生長(zhǎng)因子中有重要調(diào)節(jié)作用，Cu2+的含量檢測(cè)對(duì)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(huì)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(duì)環(huán)境的污染、嚴(yán)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(cè)Cu2+(圖3)。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，該化合物可與Zn2+進(jìn)行配位反應(yīng)，生成的配合物與ATP產(chǎn)生靜電作用，導(dǎo)致熒光顯著增強(qiáng)，因此可選擇性檢測(cè)ATP。這種有趣的熒光"開(kāi)-關(guān)"現(xiàn)象在金屬離子檢測(cè)和生物分子檢測(cè)中引起了廣大學(xué)者的青睞。該苝酰亞胺衍生物熒光探針對(duì)Cu2+表現(xiàn)出高度靈敏性，檢測(cè)限達(dá)0.15 umol/L，因此該化合物可作為檢測(cè)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(yīng)用

Pb2+濃度超標(biāo)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(jiǎn)便的Pb2+檢測(cè)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(luò)合后，Pb2+使PTCDG的發(fā)射峰強(qiáng)度降低、最大發(fā)射峰波長(zhǎng)藍(lán)移，當(dāng)Pb2+的濃度從0.5×10-5mol/L增至1.0×10-5mol/L時(shí)熒光完全淬滅(圖4)。結(jié)果證明Pb2+與PTCDG的四個(gè)羧基氧原子及酰胺上的氮原子作用產(chǎn)生了較強(qiáng)的螯合作用，熒光團(tuán)與Pb2+之間發(fā)生了較強(qiáng)的電子轉(zhuǎn)移(PET)效應(yīng)，導(dǎo)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(yīng)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(dāng)環(huán)境受到鎘污染時(shí)，通過(guò)食物鏈進(jìn)入體內(nèi)，鎘就會(huì)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(yán)重時(shí)會(huì)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(cè)不同的金屬離子，研究發(fā)現(xiàn)在pH 9.0時(shí)可檢測(cè)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(cè)Zn2+，檢出范圍為0.1～40 umol/L，最低檢測(cè)限達(dá)32 nmol/L。結(jié)果證明該檢測(cè)方法選擇性高、靈敏度強(qiáng)、容易操作，非常適合快速分別檢測(cè)Cd2+和Zn2+。該熒光探針實(shí)現(xiàn)了在不同pH下對(duì)Cd2+和Zn2+兩種金屬離子的雙重測(cè)定，使簡(jiǎn)單的調(diào)節(jié)pH值這種方法就可以實(shí)現(xiàn)金屬離子的檢測(cè)。

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(guò)在苝酰亞胺的苝灣處引入吸電子基、主鏈引入供電子基進(jìn)行結(jié)構(gòu)修飾，修飾后的苝酰亞胺衍生物共平面性強(qiáng)、利于產(chǎn)生較強(qiáng)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(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)金屬離子識(shí)別。本文綜述了近幾年來(lái)國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)苝酰亞胺化合物在熒光探針?lè)矫娴难芯?，著重介紹了其在Hg2+、Cu2+、Pb2+、Cd2+等金屬離子的檢測(cè)，這些金屬離子熒光探針靈敏度高、操作簡(jiǎn)便、檢測(cè)限低，但是如何更好地優(yōu)化熒光探針的性能，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。預(yù)測(cè)大量基于PDIs的金屬離子熒光探針及其工業(yè)化檢測(cè)技術(shù)將在未來(lái)得到更好的發(fā)展。