肖 瑤， 馬 杰*

（上海理工大學(xué) 理學(xué)院，上海 200093）

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，直接威脅到了人體的生命健康。傳統(tǒng)的金屬離子檢測(cè)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(diǎn)，限制其滿足方便快捷、實(shí)時(shí)實(shí)地檢測(cè)的現(xiàn)實(shí)要求。近年來(lái)，隨著熒光光譜測(cè)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(cè)等眾多領(lǐng)域都取得了重大進(jìn)展。熒光分子探針是基于熒光分析和分子識(shí)別的一種新興技術(shù)，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。

目前報(bào)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(duì)檢測(cè)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(duì)其研究現(xiàn)狀進(jìn)行概括分析[4-5]。本綜述則是針對(duì)常見(jiàn)金屬離子，基于熒光響應(yīng)能力、與金屬離子的配位機(jī)制和實(shí)際應(yīng)用幾方面進(jìn)行總結(jié)，報(bào)道了近幾年內(nèi)基于喹啉及其衍生物的熒光探針對(duì)不同金屬離子的檢測(cè)現(xiàn)狀。

1 喹啉類熒光探針的研究進(jìn)展

喹啉及其衍生物是一類良好的熒光基團(tuán)，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(jī)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(guò)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(guò)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(qiáng)[7-9]。因此喹啉類熒光分子探針可通過(guò)金屬離子加入后熒光信號(hào)的改變實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)金屬離子的檢測(cè)，目前已經(jīng)有很多文獻(xiàn)報(bào)道其在金屬離子檢測(cè)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(jìn)展

2.1 檢測(cè)Zn2+的熒光探針

鋅是自然界中含量較高的一種常見(jiàn)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(guò)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(guò)程，對(duì)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(guò)量會(huì)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(duì)環(huán)境中鋅離子的檢測(cè)是十分必要的。

2020 年Gao等[13]報(bào)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(shí)現(xiàn)對(duì)Zn2+、Co2+選擇性檢測(cè)，最低檢出限分別可達(dá)到0.66和0.21 μM。探針1與Zn2+/Co2+之間的絡(luò)合模式也通過(guò)熒光光譜分析和密度泛函理論計(jì)算確認(rèn)為1∶1。通過(guò)細(xì)胞成像實(shí)驗(yàn)也進(jìn)一步證實(shí)了探針可用于細(xì)胞內(nèi)Zn2+的檢測(cè)，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(bào)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(qiáng)，金屬螯合作用使得熒光顯著增強(qiáng)。探針2表現(xiàn)出對(duì)Zn2+的高靈敏度高選擇性響應(yīng)，其他金屬離子幾乎沒(méi)有干擾。通過(guò)熒光滴定實(shí)驗(yàn)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(bào)道了一種基于喹啉-2-羧酸的Zn2+高效熒光探針3，最低檢測(cè)限為2.1×10-8M。該探針在MeOH-HEPES體系中無(wú)熒光，與Zn2+絡(luò)合后阻礙了C=N異構(gòu)化從而產(chǎn)生較強(qiáng)的熒光發(fā)射。同時(shí)通過(guò)細(xì)胞毒性及熒光成像實(shí)驗(yàn)證實(shí)了探針3對(duì)HeLa細(xì)胞毒性小，可以實(shí)現(xiàn)在活細(xì)胞內(nèi)通過(guò)熒光成像實(shí)時(shí)檢測(cè)Zn2+。

2014 年Ma等[16]基于8-氨基喹啉設(shè)計(jì)并合成了一種對(duì)Zn2+高靈敏度高選擇性檢測(cè)的熒光探針4。探針在DMSO-HEPES溶液中可實(shí)現(xiàn)對(duì)Zn2+的專一性檢測(cè)，不受包括Cd2+在內(nèi)的其他金屬離子的干擾?；诜肿觾?nèi)電荷轉(zhuǎn)移（ICT）和熒光共振能量轉(zhuǎn)移（FRET）機(jī)理，探針4與Zn2+絡(luò)合后，原本420 nm處的發(fā)射峰消失，同時(shí)在497 nm處出現(xiàn)新的發(fā)射峰，最低檢測(cè)限達(dá)到33.6 nM。同時(shí)該探針具有一定的細(xì)胞滲透性，可用于檢測(cè)細(xì)胞中Zn2+的檢測(cè)。

同年Liu等[17]報(bào)道了一種基于ICT機(jī)理的新型比率型熒光分子探針5，用于對(duì)斑馬魚幼體內(nèi)Zn2+進(jìn)行熒光成像檢測(cè)。探針5的合成過(guò)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(jiàn)的陽(yáng)離子及其他金屬離子不會(huì)對(duì)其產(chǎn)生干擾，通過(guò)核磁滴定、ESI-MS等分析證實(shí)了探針與Zn2+之間1∶1絡(luò)合。

2.2 檢測(cè)Cd2+的熒光探針

鎘是一種常見(jiàn)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(qiáng)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(hù)膜；還經(jīng)常會(huì)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(zhǎng)，即使?jié)舛群艿鸵矔?huì)在人體內(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(zhǎng)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(guò)0.005 mg/L[21]，食品添加劑聯(lián)合專家委員會(huì)（JECFA）也提出每周的Cd2+攝入量應(yīng)小于0.007 mg/kg BW[22]。因此實(shí)現(xiàn)對(duì)Cd2+的檢測(cè)也是十分必要的。

2017 年Ding等[23]設(shè)計(jì)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(qiáng)，且不受包括 Zn2+在內(nèi)的其他金屬離子干擾，表現(xiàn)出對(duì)Cd2+的高選擇性及高靈敏度。他們還通過(guò)熒光滴定實(shí)驗(yàn)和Job’s曲線推測(cè)了探針與Cd2+的配位比為2∶1，并結(jié)合密度泛函理論計(jì)算證實(shí)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(cè)。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(bào)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(duì)Cd2+的高靈敏度響應(yīng)，且不受其他離子干擾，通過(guò)熒光滴定計(jì)算出對(duì)Cd2+的最低檢測(cè)限為1.18×10-6M。他們通過(guò)Job’s曲線、1H-NMR、Benesi-Hildebrand方程擬合計(jì)算證實(shí)探針與Cd2+1∶1配位。此外，由于探針7幾乎沒(méi)有毒性，并且有一定的細(xì)胞膜滲透性，因此可以用來(lái)監(jiān)測(cè)活細(xì)胞中的Cd2+。

2015 年Shi等[25]設(shè)計(jì)并合成了一種基于喹啉的對(duì)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(jī)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(guò)熒光滴定及密度泛函理論的計(jì)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(cè)。圖3是檢測(cè)Cd2+探針7-8的結(jié)構(gòu)。

圖3 檢測(cè)Cd2+探針的結(jié)構(gòu)

2.3 檢測(cè)其他金屬離子的熒光探針

2020 年，Kajal Mal[26]等報(bào)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(duì)Cu2+的高選擇性。探針9與Cu2+的配位模式通過(guò)熒光滴定實(shí)驗(yàn)、Job’s曲線以及ESI-MS分析證實(shí)為1∶1。此外，該探針不僅可用于精確檢測(cè)自來(lái)水、河水等實(shí)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(jì)合成了對(duì)Cu2+專一性檢測(cè)的熒光分子探針10。在CH3CN-H2O體系中，探針加入Cu2+后肉眼可見(jiàn)從無(wú)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(duì)Cu2+的響應(yīng)是可逆的，可通過(guò)加入EDTA重復(fù)使用，通過(guò)熒光滴定實(shí)驗(yàn)和Job’s曲線推測(cè)探針5與Cu2+以1∶1配位，且經(jīng)ESI-MS分析進(jìn)一步證實(shí)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(jī)理設(shè)計(jì)并合成了一種新型熒光分子探針11。該探針本身熒光較強(qiáng)，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(jì)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(cè)模式，實(shí)現(xiàn)可逆檢測(cè)。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(bào)道了一種基于喹啉和香豆素的FRET型熒光探針，可實(shí)現(xiàn)對(duì)Al3+的高靈敏度檢測(cè)。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(qiáng)度逐漸下降而480 nm處出現(xiàn)新的發(fā)射峰且強(qiáng)度隨著Al3+的增加逐漸增強(qiáng)。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(guò)程，實(shí)現(xiàn)對(duì)Al3+的檢測(cè)。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(lái)基于喹啉及其衍生物的熒光探針在金屬離子檢測(cè)領(lǐng)域的研究進(jìn)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(cè)、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(shí)際應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)方便快捷實(shí)時(shí)檢測(cè)仍存在一些挑戰(zhàn)。因此還需不斷創(chuàng)新，設(shè)計(jì)穩(wěn)定性好、靈敏度高、專一性強(qiáng)、水溶性好、生物毒性低、細(xì)胞相容性好的熒光探針，提高實(shí)際應(yīng)用的有效性。