香豆素类氰离子荧光探针研究进展

安国策

(中国刑事警察学院法化学系，辽宁 沈阳 110854)

氰离子有很大的毒性，在很低的浓度下就可以对有机体造成很大的损害，造成人体组织中毒性缺氧和死亡。世界卫生组织规定，饮用水中的氰离子含量最大浓度为1.9×10-6M，血液中氰离子浓度达到2.0×10-5M会产生中毒。尽管氰离子具有很大毒性，但仍然在环境及自然界中广泛存在。氰离子被大量用于电镀、造纸、纺织、采金、合成树脂等工业生产中。青豆、杏仁、木薯等天然物质以及桃子、苹果等水果的种子在腐败的过程中也会释放氰离子。因此，开发一种快速、灵敏的氰离子检测技术具有重要的意义。氰离子的传统检测方法有色谱分析法、电位测定法、伏安法等，但这些方法具有仪器昂贵、操作复杂等缺点。香豆素是一种具有优良光学物理性质的荧光染料。香豆素染料分子中电荷转移的变化可以使荧光从紫外可见区到近红外光谱区的宽区间内产生明显变化。香豆素类荧光探针具有方法简单、成本低、灵敏度高、响应快速、现象变化明显等优点。近年来，越来越多的科学家设计开发香豆素类荧光探针来实现对环境及细胞组织中氰离子的快速、痕量检测[1]。

氰离子具有自身独特的物理化学性质：氰离子中的氮原子具有大电负性，可以与羟基、亚氨基等形成分子内氢键；氰离子具有强亲核性，可以对不饱和双键发生亲核加成；氰离子可以与二价铜离子、镍离子形成金属络合物，取代某些荧光分子中的金属阳离子[2]。根据氰离子的性质，文章将香豆素类氰离子荧光探针分为基于氢键的香豆素类氰离子荧光探针、基于加成反应的香豆素类氰离子荧光探针、基于取代反应的香豆素类氰离子荧光探针三个部分对近几年的文献进行了综述。

1 基于氢键的香豆素类氰离子荧光探针

图1 基于氢键的荧光探针1

2016年Hongwei Wu等[3]合成了一种香豆素类荧光探针1，该探针分子可以与氰离子发生氢键作用，从而识别氰离子。向探针分子的四氢呋喃溶液中加入氰离子，溶液由无色变为深蓝色。350 nm激发光下，氰离子：探针分子≤3时，随着氰离子浓度的逐渐增加，448 nm下的荧光强度明显减弱；3<氰离子：探针分子≤5时，随着氰离子浓度的逐渐增加，探针分子在435 nm下的荧光强度明显增强。作者进行了探针分子与氰离子的核磁滴定实验，实验表明，探针分子的NH和CH与氰离子产生了氢键。探针分子检测氰离子的酸度范围是pH 4～10，检出限为6.91×10-6M。

2017年Jing-Han Hu等[4]合成了一种基于分子内氢键的香豆素类氰离子荧光探针2。在二甲基亚砜/水=3∶7(V/V)的溶液中，探针分子无色、375 nm激发光下呈现极弱的荧光，向探针分子中加入氰离子，溶液立刻由无色变为浅黄色、447 nm下产生强荧光发射峰，产生明亮的蓝色荧光。核磁、质谱、红外光谱等实验表明，探针分子内的羟基与相邻的氮原子存在着分子内氢键，氰离子通过拔氢反应破坏了探针分子的分子内氢键，产生了荧光变化。该探针分子合成简单、低廉、选择性强、水溶液好，对氰离子的检出限为1.69×10-7M。作者还成功将探针分子做成试纸条的形式用以实际需求中氰离子的快速检测。

图2 基于氢键的荧光探针2

2 基于加成反应的香豆素类氰离子荧光探针

2018年T Sheshashena Reddy等[5]利用Knoevenagel缩合反应设计合成了一种带有两个氰基的香豆素类氰离子荧光探针3。向探针分子的四氢呋喃溶液中逐渐加入氰离子，450 nm处的荧光发射强度逐渐减弱，386 nm处出现新的强荧光发射峰，443 nm处出现一个等消光点。氰离子的加入使探针分子的最大荧光发射峰蓝移，荧光强度增加。核磁实验表明，氰离子对探针分子的碳碳双键发生了亲核加成，破坏了荧光分子本身的分子内电荷转移，导致了荧光的变化。探针分子具有好的选择性和灵敏度，对氰离子的检出限为1.14×10-8M。

图3 基于加成反应的荧光探针3

2019年Yilin Zhu等[6]合成了一种基于加成反应的香豆素类氰离子荧光探针。pH 7.4、磷酸盐缓冲液/四氢呋喃=1∶4(V/V)作溶剂，向探针分子中加入1.8倍的氰离子，溶液颜色由红色变为无色，荧光强度增强266倍，由红色荧光变为蓝色荧光。探针对氰离子的识别机理是，氰离子对探针分子香豆素部分与吡啶部分之间的碳碳双键发生亲核加成，阻断了原有的分子内电荷转移。探针分子的适用酸度范围是pH 4～10，斯托克斯位移是164 nm，检出限为1.7×10-10M。该探针还可以用于HeLa 细胞和A549细胞中氰离子的荧光成像，木薯根植物组织及PC12 细胞中内源性氰离子的检测。基于以上特征，该探针可以作为一种有效的分子来检测环境及生物系统中的氰离子。

图4 基于加成反应的荧光探针4

2019年Cheng Siyao等[7]设计合成了一种香豆素类氰离子荧光探针4。作者在探针分子吲哚部分连接上羧酸用以提高了探针分子的水溶性。实验结果表明，探针分子具有很好的水溶性，可以在pH 7.2的纯水介质中对氰离子进行选择性识别。检出限为4.44×10-7M。向探针分子的水溶液中加入氰离子，氰离子对探针分子吲哚部位的碳氮双键发生亲核加成，探针分子的分子内电荷转移效应受阻，产生荧光淬灭，可见光下溶液颜色由蓝色变为无色。细胞实验还表明，该探针分子具有高细胞膜渗透性和低细胞毒性，可以用于生物体系中氰离子的检测。

图5 基于加成反应的荧光探针5

3 基于取代反应的香豆素类氰离子荧光探针

图6 基于取代反应的荧光探针6

2015年Kangnan Wang等[8]以7-N,N-二乙胺香豆素-3-甲酰氯、2-氨-氮-甲基-苯并噻唑啉为起始原料，二甲基亚砜作溶剂，-4 ℃氮气保护下，制得了一种可以通过取代反应识别氰离子的香豆素类荧光探针6。探针的乙腈溶液在472 nm下有蓝色强荧光，单独向探针中加入氰离子，探针的紫外吸收及荧光强度无变化，说明探针没有与氰离子产生氢键作用及加成反应。向探针中加入铜离子，472 nm下，荧光强度明显变弱，再加入氰离子，荧光增强回到原始强度。说明氰离子通过取代探针6与铜离子反应产生的络合物中的铜离子从而被探针分子所识别。探针分子对氰离子的检出限是1.93×10-9M。

2019年Kai Wang等[9]设计合成了一种基于取代反应的可逆的香豆素类氰离子荧光探针7。探针分子的荧光发射峰位于680 nm，斯托克斯位移高达145 nm，对氰离子的检出限是1.29×10-6M。pH 7.4、含有50%乙腈的磷酸盐缓冲液中，探针分子为玫瑰红色，有荧光，探针分子可以与二价镍离子以2∶1的比例反应，反应后变为深褐色，发生荧光淬灭。向络合物中加入氰离子，氰离子与络合物中的二价镍离子发生取代反应，形成配合物，探针的颜色和荧光强度回到原始状态，从而实现对氰离子的可逆性识别。

图7 基于取代反应的荧光探针7

4 结 语

香豆素染料具有优良的光学物理性质，近几年来科技工作者们根据氰离子的强亲核性、与金属阳离子络合、氰离子中氮原子的大电负性这些独特的化学性质设计分子反应位点，将反应位点与香豆素连接，设计合成新型的荧光探针分子，实现对氰离子的快速检测。开发的香豆素类氰离子荧光探针灵敏度高、选择性好、操作简单。随着科研工作的不断深入，兼备具有优良水溶性、大pH适用范围、细胞膜渗透性、低细胞毒性的氰离子荧光探针亟待科学家们进一步开发，以提高探针分子在环境检测、细胞成像等领域的实际应用。