卟啉类化合物光化学特性的应用及研究进展

张卫军

（湖南科技学院 生命科学与化学工程系，湖南 永州 425100）

卟啉类化合物光化学特性的应用及研究进展

张卫军

（湖南科技学院 生命科学与化学工程系，湖南 永州 425100）

卟啉化合物具有非常好的光学性质，其光化学性质已广泛地用于化学、光学、催化、仿生、生命科学、医学科学等方面的研究, 部分研究成果已获得实际应用。文章就卟啉化合物光学性质方面的应用状况及研究进展作一简要概述。

卟啉化合物；荧光；应用

0 引 言

卟啉是卟吩(Porphine)外环带有取代基的同系物和衍生物的总称。卟吩是由4个吡咯环和4个次甲基桥联起来的18π电子的大共轭体系，其衍生物种类繁多且具有自身的特殊结构特点：(1)卟啉化合物具有π-电子共轭的平面结构，很适合作为设计立体结构分子的框架，对轴向配体周围的空间容积和相互作用方向的控制余地较大； (2) 拥有生色基，可以在光谱上感应卟啉与环绕分子间相互作用的微小变化；（3）卟啉是两性化合物，其中两个吡咯环上的氮原子可接受质子，又可以给出质子；（4）属大分子杂环化合物,卟啉环非常稳定, 且具有芳香性, 许多金属离子都能与之形成稳定的络合物。卟啉化合物广泛存在于自然界的生命体中，具有特殊生理活性，如血红素、叶绿素、维生素B12、细胞色素P-450等，在生命过程中起着十分重要的作用。卟啉由于其分子具有刚性、电子缓冲性、光电磁性、生物相容性和高度的化学稳定性，因而卟啉化合物具有丰富的电化学、光化学、仿生等性能。早在20世纪30年代就有人从事卟啉化学的研究，它们现已广泛用于生物化学、仿生化学、药学、临床医学、环境科学、太阳能利用和材料科学等领域。本文概述了卟啉化合物光学性质方面的应用状况及研究进展。

1 在生物医学方面的应用

卟啉化合物是构成血红蛋白、细胞色素等生物大分子的核心部分，参与生物体内一系列重要的化学生理过程，对一些增殖异常的组织细胞有特殊的亲和力，使其在组织细胞中具有选择性滞留、富集作用，而且它对光敏感，在可见光区有较强的吸收，因此，卟啉化合物在生命科学领域有很好的应用前景。

1.1 肿瘤的检测诊断[1]

利用卟啉化合物对一些组织的特殊亲和力，可将其注入肿瘤患者体内，一段时间后卟啉化合物聚集在病变部位，再采用特殊的技术，就可以确定病变的情况及部位。例如血卟啉对恶性肿瘤组织亲和性强，肿瘤组织常滞留有一定量的血卟啉，在特定的电磁辐射下，卟啉可以产生特征荧光，而正常组织内几乎不发荧光。通过对肿瘤与正常组织抽提物进行荧光特性的研究，根据所收集到发射荧光光谱形状上的差异，或荧光峰值出现的位置不同可以区分正常组织和肿瘤组织。根据这些性质可以进行肿瘤定位诊断[2]。最近研究表明[3]，用丙酮提取正常组织和癌组织中的原卟啉，用荧光光谱检测其荧光强度。利用荧光的强弱可以用来检测癌细胞的增长。同时也为癌症的治疗提供了新方法。

1.2 光动力学疗法的光敏剂

光动力疗法[4](photodynamic therapy，PDT)是近20年新发展起来的一种治疗恶性肿瘤的方法，且疗效显著。它是利用特定的光敏剂在肿瘤组织中的选择性富集和光动力杀伤作用，在不影响正常组织功能的前提下，造成肿瘤组织的定向损伤。卟啉是一种良好的光敏剂[5]，在有氧的情况下，卟啉经一定波长的光照后可吸收能量并激发出单线态氧而杀死病灶部位的癌细胞，从而达到治疗的目的。血卟啉衍生物(HPD)是第一个被批准上市的光敏剂，临床用来治疗皮肤癌、支气管癌、食道癌、膀胱癌等[6]。我国的血卟啉衍生物研究也相当迅速，不仅在治疗上紧跟国际水平，而且有所发展。如解放军总医院的顾瑛教授等首先对血卟啉单甲醚进行了临床前研究，结果表明该衍生物具有良好的临床应用前景[7,8]。现临床使用的光敏素(photofrin II)系HPD的纯化产物，它的主要优点在于能选择性地消灭局部浅表性的原发和复发肿瘤，与放、化疗存在协同作用。但由于其在红光区吸收弱，为达到治疗效果需要较大剂量，增大了毒副作用，对皮肤产生较长的光过敏期。

近几年来，在第二、三代光敏剂研究中，合成、开发单态氧产率高、在红光区或近红光区有强吸收、靶向性强的光敏剂已成为研究的热点[9,10]。第三军医大学李东红等[11]设计合成了新型替加氟卟啉化合物及其金属络合物，并评价其金属络合物的抗肿瘤活性是替加氟的两倍，金属络合物体内肿瘤抑制率达70.4%，结论通过金属卟啉结构单元的引入可明显提高替加氟的抗肿瘤活性。天津医科大学李迎新研究小组[12]报道了光动力疗法对游离病毒和病毒感染诱导的膜融合有显著抑制作用,有望为艾滋病的防治提供一种新的方法。

2 卟啉类化合物应用于光化学分析

2.1 卟啉类化合物用于光度分析的显色剂

卟啉及其衍生物具有丰富的光化学性质，是很大的平面共轭分子，颜色较深，在400-500nm之间有很强的吸收带—Soret带，摩尔吸光系数一般在2-5×105之间。卟啉类试剂早在20世纪50年代就作为贵金属银的光度分析显色剂而得到应用。Dorough研究了四苯基卟啉及其一些金属离子形成金属卟啉的吸收光谱[13]。Banks用四苯基卟啉光度法测定锌[14]。20世纪70年代由于卟啉化合物与金属离子络合物Soret谱带的选用及表面活性剂引入，试剂可溶性及其测定金属离子的灵敏度大大改善，卟啉试剂被广泛应用于光度法测定许多过渡金属离子。我国于1979年由童沈阳首次介绍了卟啉这种超高灵敏度试剂在分析化学中的应用，此后，卟啉试剂的研究在国内得到了较大的发展，发表了许多测定贵金属的研究论文。同时，此分析方法也应用于实际生活中。1999年Li等人合成了（3,5-二溴-4-羟基苯基）卟啉并将其用于光度分析测定铅离子，该法具有很高的灵敏度及较好的选择性[15]。2005年吴继魁等报道了[16]新合成显色剂meso一四[3，5-二(三氟甲基)苯基]卟啉[T(3，5一DTFP)P]光度法测定痕量镉(II)的方法与应用，实验表明显色体系不经掩蔽可直接测定烟草中的痕量Cd(II)，选择性高。高焕君等[17]报道了用新合成的水溶性吡啶卟啉季铵盐溴化5-[4-(N-十六烷基)吡啶基]10，15，20-(吡啶基)卟啉与水中痕量铜离子显色，用此法灵敏度高，选择性好，适用于环境水样分析。2009年夏爱清等[18]报道了新合成的显色剂 Meso-四( 4-羟基-3-乙氧基苯基)卟啉成功用于测定人发标准物质中的微量元素铅的含量，并可用于实际头发中Pb的检测。总之，卟啉己成为分析化学中一类很重要的有机试剂。

2.2 卟啉类化合物用作光化学传感的敏感试剂

从传感材料的光化学性看，以荧光为输出信号的化学传感器颇受人们欢迎[19]。研究人员发现：不管是在溶液中还是在界面上,荧光信号比较容易观测，荧光信号非常灵敏,其传感器检测的下限浓度往往较低，可达10-9甚至10-12数量级，同时选择性好，能够实现开关操作，对亚微粒具有可视的亚纳米空间分辨能力和亚毫秒时间分辨能力、原位检测(荧光成像技术)等众多优点，荧光传感器已在短时间内迅速发展成为光化学传感器领域中最重要的前沿研究领域之一。

卟啉及其衍生物是一种理想的荧光物质，具有高的荧光量子产率、大的Stokes位移、相对长的激发(＞400 nm)和发射(＞600 nm)波长（相对长的激发和发射波长能够减少背景荧光的干扰），且卟啉化合物易于修饰。从二十世纪八十年代起到近十年，卟啉类化合物在光化学传感器研究中的应用取得了较大发展。1975年，Smith K．M[20]就开始对卟啉类化合物的荧光性能进行研究。Czolk等[21]利用四(对磺酸基)卟啉制备了对Cd2+有选择性响应的光化学传感器。1994年Kobayashi等人首次设计并合成了一种杯芳烃取代卟啉用于荧光法识别对苯醌，结果表明，对苯醌对该卟啉的荧光熄灭程度是普通卟啉的3.5倍[22]。1998年Kopelman等人分别以八乙基铟卟啉、VB2为载体制备出Cl-、NO2-荧光化学传感器[23]。王柯敏研究小组在此领域也做了大量工作，羊小海等人将TPPH2与钠离子中性载体（四乙基特丁基杯[4]芳烃四乙酸）和一种吸收型亲脂型pH指示剂ETH5294共同结合于增塑的PVC膜中，研制成功基于荧光内滤效应的荧光增强型钠离子传感器[24]；杨荣华等[24]人以TPPH2为荧光载体研制了基于荧光增强的Tween-60光化学传感器，除Tween-80外，其它表面活性剂及离子对测量无干扰；他们研究了蒽与TPPH2之间的荧光能量转移熄灭现象，制备出高灵敏的单质碘光化学传感器，该传感器比传统传感器的灵敏度提高近一倍，其后他们又研究了卟啉分子间及分子内的光诱导电子转移作用并分别用于血清蛋白及氨基酸的荧光识别[25]。最近龙立平等人[26]研制了基于Meso一5，10，15，20一四(4一甲氧基苯基)卟啉(TMOPP)的聚氯乙烯的敏感膜，研究了该敏感膜与铅的反应，实验表明TMOPP与铅离子能形成不发荧光的稳定络合物，建立了测定铅的新方法，该法可用于环境水样中铅含量的测定。2009年在第十届中国化学会分析化学年会上张晓兵研究小组报道了采用新的双荧光敏感团策略设计合成了基于卟啉-萘酰亚胺杂交体的比率型荧光探针用于水相中Hg2+的可逆检测及活细胞中Hg2+的荧光成像研究，已取得了初步进展。

3 卟啉在荧光分子成像（即双光子荧光显微成像）材料方面的应用

随着生物医学的深入发展，科学家迫切想知道生物大分子以及其它活性因子如何调节细胞的生命活动，同时既希望可以连续监测细胞微小结构的变化，又不影响生物体系的活性，而传统光学显微镜由于分辨极限的限制，已无能为力。荧光分子成像方法具有对人体无害、非侵入、高灵敏和可进行在体多目标成像的优点，因而满足了这一要求。特别自1990年美国康奈尔大学Denk等人[27]首次结合双光子过程和扫描共焦显微成像系统获得生物样品体内的荧光像以来，开辟了双光子荧光显微成像这个崭新的领域。

用于双光子荧光显微成像的化合物的基本要求是：大双光子吸收截面，高荧光量子产率、足够的化学稳定性以及对某些官能团或者离子有特殊的分子间作用，以用于分子或者离子识别与探测。研究还表明[28]，分子有效的电子离域共轭将导致大的多光子吸收截面，而具有较大多光子吸收截面的分子体系主要包括偶极、四极、八极以及多分支、树枝状等有机共轭分子等。近年来，双光子吸收材料的研究主要包括含氰基的基团、吡啶、苯并噻唑类、芴、咪唑、联苯、萘等结构化合物,但是这类材料生物相容性差，有的对细胞有较大的毒性。寻找大的双光子吸收截面、高荧光量子产率、生物相容性的双光子吸收材料成为研究的热点。

卟啉衍生物具有大的共轭平面和丰富的物种，是极具希望的多光子吸收材料之一。自1985 年首次报道卟啉具有非线性光学性质以来,受到研究者的特别关注，然而由于卟啉单体的双光子吸收(two-photon absorption 以下简称TPA)截面小于100GM, 其双光子吸收的实际应用受到限制[30,31]。随着卟啉超分子化学发展, 科学家们发现卟啉分子经过修饰组装成超分子后会大大提高TPA 截面[32]。如：Kobuke 小组[33,34]合成了一系列含咪唑基的卟啉二聚体线形超分子，当加入联炔基团后, 这种线形二聚卟啉超分子具有很强的双光子吸收, 用飞秒开孔Z 扫描方法测得873 nm 下双光子吸收截面(two-photon absorption cross section values)ó(2)≈4.4×105 GM, 用毫微秒脉冲扫描时ó(2)≈2.2×107 GM。Dy等[35]研究了卟啉- 周萘硫靛(G)其双光子吸收截面约为2 000 GM和700 GM。最近Seo 等[36]报道了以三苯胺为中心,卟啉衍生物作为侧翼的螺旋桨状三支化合物，该化合物的双光子吸收性能较相应的单体明显提高,双光子吸收截面达到了11800GM ,是相应单体的20 倍。特别是Osuka 小组[37]总结出卟啉超分子外围基团及分子间弱相互作用对其TPA 性质的影响因素, 提出了许多行之有效的设计及合成策略。按这些方法设计合成双光子吸收截面大、转换荧光强的卟啉超分子将大大促进双光子荧光显微成像在生物系统中的应用[38]。

4 结语与展望

1912 年卟啉(Porphyrin) 结构首次由Kuster提出，直到1929年由Fisher和ZeiIe合成了氯高铁卟啉(haemin)，其结构才被证实。人类对卟啉化合物经过近70年的探索，特别是近十年的研究，对卟啉的结构、性质及其应用才有较深入和丰富的认识。卟啉化合物广泛存在于自然界的生命体中，其作为一类特殊的、结构可进行化学修饰的大环共轭芳香体系，现已广泛地用于化学、光学、催化、仿生、生命科学、医学科学等方面的研究, 部分研究成果已获得实际应用。但是，仍存在着许多有待解决的问题，科学家正试图通过对卟啉化合物的更进一步的研究，了解这些化合物的生物功能、产生机理、作用条件及模拟各种反应、合成类似化合物，以期解决更多的实际问题。如：对卟啉衍生物——叶绿素的研究，科学家了解到是它天然光合作用中将太阳能转化成化学能的主要反应中心,据此化学家们利用卟啉超分子组装体来设计模拟人工光合成天线独特的纳米尺度三维结构, 以期应用在光伏电池、场效应晶体管等分子器件中[39]，以展现卟啉超分子在太阳能利用研制中潜在的应用前景；研究卟啉衍生物与氨基酸、多肽、核酸等生物功能分子的相互作用机理，对疾病进行预警，防患于未然，拟开发出分子靶向性药物，提高治疗效果；对卟啉类化合物双光子、三光子吸收性能的深入研究，将促进双光子荧光显微镜应用的发展，促进医学、药物分析、生命分析及细胞生物学等领域的快速发展，从而使活体内单个细胞多层面实时观测、动态研究的无损伤分析成为可能。当然所有这些研究工作均需要物理、化学、生命科学、医学家的长期共同努力，才能实现。

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(责任编校：刘志壮)

O626.1

B

1673-2219（2010）08-0036-04

2010－06－18

湖南省科技厅基础研究支持项目（07FJ30 93）；湖南省教育厅研究支持项目（09C441）。

张卫军（1969－），男，湖南冷水滩人，高级实验师，从事有机合成及分析化学方面的研究。