基于喹啉的金属离子荧光探针的研究进展

肖 瑶， 马 杰*

（上海理工大学 理学院，上海 200093）

随着我国工业生产的迅速发展，环境污染问题也愈发严重，尤其是工业生产导致的金属离子污染问题，直接威胁到了人体的生命健康。传统的金属离子检测方法，例如原子吸收光谱法（AAS）[1]、X-射线吸收光谱法（XAS）[2]和电感耦合等离子体质谱法（ICP-MS）[3]等均存在仪器复杂、分析成本高、样品预处理复杂等缺点，限制其满足方便快捷、实时实地检测的现实要求。近年来，随着荧光光谱测定等科学技术的快速发展，荧光分析方法已成为一种重要的现代分析技术，在生物化学、医疗卫生、环境勘测等众多领域都取得了重大进展。荧光分子探针是基于荧光分析和分子识别的一种新兴技术，可将分子识别信息转变为光信号，将微观变化转化为宏观现象，因其成本低廉、灵敏度高、选择性高、响应快、实时分析等优点受到了广泛的关注。

目前报道的基于喹啉的金属离子荧光探针的相关综述较少，大多是针对检测某一种金属离子，或基于所有喹啉类荧光探针，侧重于从荧光传感性能方面对其研究现状进行概括分析[4-5]。本综述则是针对常见金属离子，基于荧光响应能力、与金属离子的配位机制和实际应用几方面进行总结，报道了近几年内基于喹啉及其衍生物的荧光探针对不同金属离子的检测现状。

1 喹啉类荧光探针的研究进展

喹啉及其衍生物是一类良好的荧光基团，一般都具有生物活性，也通常作为良好的医药中间体[6]。由于是由苯环和吡啶环稠和成，因此喹啉的化学性质与吡啶相似，难溶于水，易溶于大部分有机溶剂。另外，喹啉属于N取代萘化合物，也被称为氮杂萘，具有弱碱性，可通过苯环发生亲电反应或吡啶环发生亲核反应，从而生成多种衍生物。喹啉具有较大的共轭体系，易发生电子从π到π*的跃迁过程，且喹啉环上的 N原子在极性溶剂中易形成氢键，因此基于喹啉的荧光分子探针大多在溶液中荧光很弱，而与金属离子作用后荧光显著增强[7-9]。因此喹啉类荧光分子探针可通过金属离子加入后荧光信号的改变实现对目标金属离子的检测，目前已经有很多文献报道其在金属离子检测方面的应用。

2 基于喹啉衍生物的金属离子荧光探针的研究进展

2.1 检测Zn2+的荧光探针

锌是自然界中含量较高的一种常见金属，在合金制造、电池制备等各类制造业中被广泛应用。Zn2+是人体第二丰富的过渡金属离子，是人体内部分酶和转录因子的核心组成成分，参与核酸及蛋白质合成过程，对免疫功能、脑功能、病理和基因转录都有着重要作用[10]。但摄入过量会导致免疫系统紊乱，引发多种严重的神经系统疾病，包括阿尔茨海默病和帕金森病等[11-12]，因此对环境中锌离子的检测是十分必要的。

2020 年Gao等[13]报道了一种基于喹啉的荧光探针1，该探针在MeOH/H2O（6/4，V/V）体系中可实现对Zn2+、Co2+选择性检测，最低检出限分别可达到0.66和0.21 μM。探针1与Zn2+/Co2+之间的络合模式也通过荧光光谱分析和密度泛函理论计算确认为1∶1。通过细胞成像实验也进一步证实了探针可用于细胞内Zn2+的检测，具有生物应用潜力。图1是探针1-5的结构及与Zn2+的配位模式。

图1 探针的结构及与Zn2+的配位模式

2016年Ponnuvel等[14]报道了一种基于8-羟基喹啉的荧光分子探针2，在THF-H2O体系中，探针2由于激发态的C=N异构化表现出微弱的荧光。与Zn2+结合后，抑制了C=N异构化且络合物刚性增强，金属螯合作用使得荧光显著增强。探针2表现出对Zn2+的高灵敏度高选择性响应，其他金属离子几乎没有干扰。通过荧光滴定实验及Job’s曲线推断出探针2与Zn2+的配位比为1∶1。

同年Liu等[15]报道了一种基于喹啉-2-羧酸的Zn2+高效荧光探针3，最低检测限为2.1×10-8M。该探针在MeOH-HEPES体系中无荧光，与Zn2+络合后阻碍了C=N异构化从而产生较强的荧光发射。同时通过细胞毒性及荧光成像实验证实了探针3对HeLa细胞毒性小，可以实现在活细胞内通过荧光成像实时检测Zn2+。

2014 年Ma等[16]基于8-氨基喹啉设计并合成了一种对Zn2+高灵敏度高选择性检测的荧光探针4。探针在DMSO-HEPES溶液中可实现对Zn2+的专一性检测，不受包括Cd2+在内的其他金属离子的干扰。基于分子内电荷转移（ICT）和荧光共振能量转移（FRET）机理，探针4与Zn2+络合后，原本420 nm处的发射峰消失，同时在497 nm处出现新的发射峰，最低检测限达到33.6 nM。同时该探针具有一定的细胞渗透性，可用于检测细胞中Zn2+的检测。

同年Liu等[17]报道了一种基于ICT机理的新型比率型荧光分子探针5，用于对斑马鱼幼体内Zn2+进行荧光成像检测。探针5的合成过程及与Zn2+的结合模式如图1所示。他们研究发现细胞中常见的阳离子及其他金属离子不会对其产生干扰，通过核磁滴定、ESI-MS等分析证实了探针与Zn2+之间1∶1络合。

2.2 检测Cd2+的荧光探针

镉是一种常见的工业原料，具有良好的耐碱性及耐腐蚀性，常用于制造合金从而增加金属的强度及耐磨性能；由于不易被氧化，镉也常被用作其他金属的保护膜；还经常会出现在油漆、充电电池等的成分中，在生产生活中应用广泛[18-19]。但镉也是公认的致癌重金属污染物之一，是一种人体非必需元素，半衰期较长，即使浓度很低也会在人体内积累从而导致严重的疾病，如钙代谢异常、肾功能不全、增加癌症和心脏病发病率等[20]。1955年-1977年发生在日本富山县神通川流域的痛病事件就是慢性镉中毒的代表，由于工业废水排放不当，导致江河土壤受到污染，当地居民长期饮用受镉污染的河水并且食用含镉稻米，致使镉在体内蓄积而中毒致病。根据世界卫生组织（WHO）的建议，饮用水中的Cd2+含量不宜超过0.005 mg/L[21]，食品添加剂联合专家委员会（JECFA）也提出每周的Cd2+摄入量应小于0.007 mg/kg BW[22]。因此实现对Cd2+的检测也是十分必要的。

2017 年Ding等[23]设计并合成了一种基于喹啉的Cd2+荧光探针6，该探针在CH3CN-H2O的混合溶液中表现出微弱的荧光，加入 Cd2+后荧光明显增强，且不受包括 Zn2+在内的其他金属离子干扰，表现出对Cd2+的高选择性及高灵敏度。他们还通过荧光滴定实验和Job’s曲线推测了探针与Cd2+的配位比为2∶1，并结合密度泛函理论计算证实了这一配位模式。此外，该探针已成功用于活细胞中的Cd2+检测。图2 是探针6的结构及与Cd2+的配位模式

图2 探针6的结构及与Cd2+的配位模式

同年 Dai等[24]报道了一种基于 8-羟基喹哪啶的 Cd2+荧光探针 7，该探针在几乎纯水溶液中表现出对Cd2+的高灵敏度响应，且不受其他离子干扰，通过荧光滴定计算出对Cd2+的最低检测限为1.18×10-6M。他们通过Job’s曲线、1H-NMR、Benesi-Hildebrand方程拟合计算证实探针与Cd2+1∶1配位。此外，由于探针7几乎没有毒性，并且有一定的细胞膜渗透性，因此可以用来监测活细胞中的Cd2+。

2015 年Shi等[25]设计并合成了一种基于喹啉的对Cd2+高灵敏度响应的荧光探针8，基于分子内电荷转移机理（ICT），探针8与Cd2+结合后，发射峰出现明显红移，随着Cd2+的加入，发射峰由407 nm红移至500 nm，是一种性能优良的比率型荧光分子探针。通过荧光滴定及密度泛函理论的计算确定了探针 8与Cd2+的结合比为2∶1，且同样可用作活细胞中的检测。图3是检测Cd2+探针7-8的结构。

图3 检测Cd2+探针的结构

2.3 检测其他金属离子的荧光探针

2020 年，Kajal Mal[26]等报道了一种基于喹啉的新型Cu2+荧光探针9，在DMSO/H2O（2：8 V/V）HEPES缓冲液体系中不受其他离子干扰表现出对Cu2+的高选择性。探针9与Cu2+的配位模式通过荧光滴定实验、Job’s曲线以及ESI-MS分析证实为1∶1。此外，该探针不仅可用于精确检测自来水、河水等实际水样中的Cu2+，由于具有较低的细胞毒性和良好的生物相容性，在生物应用领域也有很好的应用前景。

2017 年Priyanka等[27]以苯并咪唑和喹啉为母体设计合成了对Cu2+专一性检测的荧光分子探针10。在CH3CN-H2O体系中，探针加入Cu2+后肉眼可见从无色变为黄色，且在443 nm处的荧光发生淬灭。此外，探针10对Cu2+的响应是可逆的，可通过加入EDTA重复使用，通过荧光滴定实验和Job’s曲线推测探针5与Cu2+以1∶1配位，且经ESI-MS分析进一步证实了其配位模式。图4是探针9-10的结构及与Cu2+的配位模式。

图4 探针的结构及与Cu2+的配位模式

2017年Ramesh C.Gupta等[28]以蒽和喹啉为母体基于ICT和FRET机理设计并合成了一种新型荧光分子探针11。该探针本身荧光较强，与Hg2+接触后形成络合物使得荧光淬灭。根据Job’s曲线、核磁滴定、ESI-MS光谱以及密度泛函理论计算（DFT）确定了探针11与Hg2+的络合比为1∶1。此外，他们提出CN-可以使得Hg2+存在下的探针荧光恢复，从而形成探针与Hg2+、CN-“On-Off-On”的检测模式，实现可逆检测。图5 是探针11的结构及与Hg2+的配位模式。

图5 探针11的结构及与Hg2+的配位模式

2016 年Zhu等[29]报道了一种基于喹啉和香豆素的FRET型荧光探针，可实现对Al3+的高灵敏度检测。在253 nm光的激发下，在探针的EtOH-H2O溶液中加入Al3+后，390 nm处的发射峰强度逐渐下降而480 nm处出现新的发射峰且强度随着Al3+的增加逐渐增强。喹啉作为能量供体，香豆素作为能量受体，与Al3+结合后，喹啉部分的能量转移到香豆素从而发生FRET过程，实现对Al3+的检测。图6是探针12的结构及与Al3+的配位模式。

图6 探针12的结构及与Al3+的配位模式

3 总结与展望

本文总结了近几年来基于喹啉及其衍生物的荧光探针在金属离子检测领域的研究进展。迄今为止，荧光分析法已发展成为一种受到广泛认可的现代分析方法，在环境检测、生物、医药等领域展现出潜在的应用前景。但要投入实际应用，实现方便快捷实时检测仍存在一些挑战。因此还需不断创新，设计稳定性好、灵敏度高、专一性强、水溶性好、生物毒性低、细胞相容性好的荧光探针，提高实际应用的有效性。