基于金属铱(Ⅲ)配合物荧光探针的应用及研究进展

田 甜

(江西科技师范大学有机功能分子研究所，江西 南昌 330013)

1 引言

铱(Ⅲ)配合物结构上是由金属离子中心和多齿配体两部分组成形成具有六配位的畸变八面体构型的金属配合物。与单线态发光的有机荧光分子探针相比，过渡金属配合物分子探针的发光大多为基于三线态的发光，具有良好的光学性能[1，2]。例如，发光寿命较长，可用于时间分辨发光测定以消除短寿命背景荧光的干扰；斯托克斯位移较大，可以避免发射光谱与激发光谱的重叠，有利于发光信号的采集；其光物理与光化学性质受配体所支配，因此可通过配体的修饰来调控配合物的发光性质，实现对待测物的特异性检测[3-5]。此外，配合物配体结构的改变可以影响配合物的发光颜色，比如调节辅助配体使其共轭程度增大，可以使铱(Ⅲ)配合物发光颜色红移；还可以通过引入吸电子或者给电子基团改变铱配合物配体的电子结构，进而实现铱(Ⅲ)配合物发光颜色的调节，发光颜色可以覆盖整个可见光区(从蓝光经过绿光、黄光、橙光直到红光)[6-8]。

近年来开发的基于有机小分子的荧光探针具有选择性好，毒性小，利用率高等特点。但是探针反应时间较长，不适用于一些由于疾病导致的硫醇浓度急剧降低的细胞和活体的可视化检测；而且纯有机荧光分子普遍具有的荧光信号弱、容易受到生物体自发荧光信号干扰等缺点限制了它们在生物体中的应用[9-12]。鉴于此，发光效率高，激发与发射的斯托克斯位移大等优势的金属铱(Ⅲ)配合物得到广泛的关注，并在过去几十年里迅速深入到有机发光器件、生物传感、光动力学等各个领域[13]。相比较于有机小分子荧光探针，过渡金属铱(Ⅲ)配合物探针具有以下优势[14，15]：(1)发光效率高、发光寿命长和光稳定性高；(2)激发和发射的斯托克斯位移大，激发与发射波长易于调控；(3)细胞成像孵育浓度低，对细胞正常活动干扰少。因此设计合成含有有机金属配合物结构的荧光探针是非常必要的。

2 铱配合物的应用

2.1 金属铱配合物用于光动力治疗

恶性肿瘤，即人们所说的癌症，当身体内的细胞发生突变后，会不断分裂，最终不受控制形成癌症。癌症是世界上最难治愈的疾病之一，死亡率常年高居不下，影响着全人类的生活质量。光动力疗法(Photodynamic Therapy，PDT)是一种经批准的光激活和无创的医疗技术。一般情况下，光敏剂在特定的光照射下可以被激活并产生单线态氧、氧自由基等活性氧(reactive oxygen species，ROS)，过量的活性氧(ROS)通过氧化细胞/亚细胞细胞器膜、蛋白质、RNA或DNA来破坏肿瘤细胞和组织，达到治疗的目的[1，16，17]。与传统治疗方法相比，光动力治疗具有更好的空间选择性，低侵入性，可再现性，低毒性，并且对重要的器官有保护作用，目前已经广泛应用于食道癌、胃癌等癌症的治疗。

Lv[18]和同事设计合成了两个具有长寿命的金属铱配合物Ir-P(ph)3、Ir-alkyl，这两个配合物可以分别特异性染色细胞线粒体和溶酶体，在含氧和低氧条件下能有效评价配合物的光细胞毒性。如图1所示，Ir-P(ph)3由于含有具有靶向能力的基团三苯基膦，PDT效果更明显，随着细胞外氧气浓度的降低，线粒体靶向型光敏剂的发光寿命更长，可以达到562 ns-682 ns。同时，Ir-P(ph)3能更好的抑制呼吸作用，当细胞内O2浓度为2 %时，通过计算线粒体内O2浓度可达11 %。对于乏氧环境下的肿瘤细胞，治疗效果更加显著。

图1 Ir-P(ph)3、Ir-alkyl的化学结构式

Yang[19]等人研究以3-(2-吡啶基)苯甲醛为主要配体，1-(2-吡啶基)-β-咔啉为对pH敏感的辅助配体，设计并合成了pH响应型环金属化铱(III)配合物(图2)，其作为选择性杀伤癌细胞的有效光敏剂，与中性溶液相比，在酸性环境下具有更强的光致发光和更高的1O2量子产率，这导致了对癌细胞的显著光毒性，并在10分钟内选择性地杀死癌细胞。

图2 pH敏感的环金属铱配合物化学结构式

2.2 基于金属铱配合物在分子识别方面的应用

一些生理活性小分子在调节生物体的各种生理功能方面挥着重要作用。参与了生物体生长、适应或老化这些必要机制，这促使研究人员充分利用这些活性化学物质来促进医学进步[20]。

硫化氢因其特有的臭鸡蛋气味而闻名，同时也被认为是生物体内重要的气体信号分子，在心血管系统、中枢神经系统、免疫系统、胃肠道系统中调节着各种生物过程。当硫化氢在人体内含量异常时，会引发阿尔兹海默症、唐氏综合症、糖尿病等疾病。因此开发一种用于选择性监测硫化氢含量的方法十分重要[21-23]。电化学发光(Electrochemiluminescence，ECL)是由电极上电化学产生的自由基之间的电子转移反应引起的发光过程[24]。与传统荧光方法相比，电化学发光具有灵敏度高，不需要额外光源，无背景光信号干扰等优点，为H2S的监测提供了简单、便捷、小型化的传感工具。如图3所示，Kim[25]等人设计合成了两个具有ECL性能的金属铱配合物传感器用于对S2-的测定。该探针选择用(piq)2Ir(pic)(piq=1-phen-ylisoquinoline，pic=picolinate)作为荧光团，二硝基苯(DNP)作为光诱导电子转移效应(PET)中的猝灭器以及S2-的反应位点，随着S2-的加入，探针与S2-发生亲核芳香取代反应(SNAr)，两个探针在606 nm和606 nm处的发射强度逐渐增强，ECL强度增加，同时溶液由无色变为黄色；由于探针2存在多个DNP基团，因此对探针的猝灭效果更明显，两个探针的检出限分别为1.9 μm、0.2 mM。

图3 探针1、2的化学结构及识别机理

图4 探针3的作用机理

Park[26]和其同事报告了一组金属铱配合物电化学发光探针，探针3主配体上的偶氮甲基苯甲酸酯基与H2S选择性反应，发生分子内环化/酯裂解反应。随着探针3与H2S作用后结构改变，由于三丙胺(TPA)自由基不利于电子转移，3的本征电化学发光(ECL)显著降低。探针3对各种干扰离子和生物硫醇具有较高的ECL关闭率和较好的选择性。

次氯酸(HOCl)/OCl-是重要的活性氧之一，在各种生物进展中发挥着关键作用。研究表明，当体内次氯酸浓度过高时，会造成生物组织不同程度的损伤，甚至引发多种疾病。因此，能够准确检测次氯酸对揭示其引发的生理和病理疾病有重要意义[27-30]。Zhao[31]等人依据比率发光成像和寿命荧光成像两种成像方法，设计了一种具有核壳结构的纳米探针，实现了细胞内源性和外源性ClO-的高信噪比检测。如图5所示，作者设计合成了两个铱配合物次氯酸探针，其中，探针1不能识别ClO-，作为参比物引入到纳米硅球内部；而探针5能够特异性响应ClO-，作为响应基团被物理吸附在硅球介孔内，从而构成双磷光纳米探针。与ClO-反应后，参比配合物的磷光发射峰强度几乎不变，而响应配合物的发射随着ClO-浓度的增加而增强，从而实现比率型发光成像检测。此外，基于铱(III)配合物长发光寿命的优势，作者通过寿命成像实现了细胞内源性和外源性ClO-的高效检测。

图5 次氯酸铱配合物探针的结构及作用原理

Hou[27]等人报道了一种环金属铱配合物Ir-CN(图6)，加入OCl-后，C=N的异构化效应减弱，在577 nm处有明显的荧光增强，荧光发射强度提高了54倍。探针在较宽的pH(pH=5-12)范围内都能快速(响应时间25秒)的特异性识别OCl-，同时具有较低的检出限(LOD=0.11 μm)。除此之外，Ir-CN在荧光试纸条实验中，试纸的视觉检测限低至2×10-3mM，实现了对OCl-的可视化检测。

图6 基于金属铱配合物的OCl-探针

一氧化氮(NO)，一种无色无味的有毒气体，它与氧气反应之后会形成具有腐蚀性的气体二氧化氮(NO2)，形成的二氧化氮会继续与水反应最终生成硝酸。由于常温下具有脂溶性使它成为人体内的信使分子，使它不需要任何中介就可快速扩散通过生物膜，将细胞产生的信息传递到周围的环境中，在生理过程中起着信号传递、泌尿及肝脏解毒、免疫系统调节等的作用[32-35]。Chao[36]等人制备了一种溶酶体靶向铱配合物探针Ir-BPDA用于NO的特异性识别，探针中引入的吗啉基团不仅可以定位溶酶体，同时与被卞基取代的氨基使探针具有优良的生物相容性，能在pH=4.5-5.0的范围内监测溶酶体内的NO。同时，Ir-BPDA在监测后荧光增强了50倍，荧光寿命从200.1 ns增长至619.6 ns。

图7 Ir-BPDA的响应机理

图8 用于识别GHB的铱配合物长寿命探针

γ-羟基丁酸(GHB)，也被成为4-羟基丁酸，是一种短链脂肪酸，因其价格低廉、容易获得，不仅有强大的镇静和遗忘作用，且比其他药物排出人体更快，被不法分子用于约会强奸药物。因此，开发一种实时检测GHB的方法可以帮助执法机构取证。Wang[37]等人报道了一种长寿命的光化学检测器用于用于GHB的检测。在铱(III)配合物6的水溶液中加入GHB后，在紫外线照射下荧光信号在570 nm处可以观察到显著的发光猝灭。为进一步开发具有优良选择性的GHB探针和快速检验试剂盒提供了设计思路。

2.3 基于金属铱配合物在离子识别方面的应用

随着人们生活水平和经济能力的提高，人们对环境问题的关注度日益提升。近年来，研究发现，金属阳离子以及有害的阴离子会污染环境，甚至对人体造成伤害。

汞在全世界的矿产业中都有产出，被认为是一种危险的全球污染物，即使含量很低，也会导致严重的健康和环境问题。Ru[38]设计合成了一种新型比率型磷光铱配合物用于Hg2+传感，水相中加入Hg2+后在紫外灯的照射下可以观察到该溶液明显的从黄绿色变为橘黄色的发光颜色变化，探针能在较宽pH范围内识别Hg2+，但是这类探针在处理过程中容易造成污染。

图9 探针对Hg2+作用机理

2017年，Yang[39]等人开发了一种用于微量Hg2+的选择性识别探针，在255 nm的激发下，探针(pq)2Ir(cys)在579 nm处有明显的发射峰，随着Hg2+的加入，发射强度逐渐降低，在1.6当量达到饱和，量子产率为0.49，荧光寿命可以达到783 ns。该分子还可以检测pH，在pH<7时，发射强度最大 且能保持恒定，在pH在7-13时，随着pH的增大，发射强度逐渐减弱，在pH=13时完全猝灭。因此，该复合物可以通过一个通道检测Hg2+和pH。更重要的是，其较长的发射寿命有助于利用时间分辨光致发光技术进一步设计优良的抗干扰探针。

图10 (pq)2Ir(cys)的化学结构式

图11 基于铱配合物的氰根离子荧光探针

氰化物的剧毒特性人尽皆知，但由于工业生产的需要，目前依然广泛应用于工业生产当中，如电镀、洗注、油漆、染料、橡胶等行业的处理不当容易导致氰化物泄漏到环境中，造成环境污染[40，41]。Lin[42]等人以2-苯基吡啶作为主配体，5-醛基-1，10-菲咯啉作为C^N辅助配体设计合成了一种环金属磷光铱配合物荧光开启型探针用于特异性识别CN-，利用氰化物的醇化原理，在CH3CN/H2O(95/5，v/v)的检测体系中，CN-与醛基反应后形成氰醇，在570 nm处的发射强度增强15倍，其检出限为1.23 μm，荧光量子产率为0.28。

He[43]等人设计并合成了一种含有两个Zn2+的特异性受体的新型环金属化铱络合物光化学传感器。在含有铱配合物7的的溶液中加入Zn2+之后，发生明显的红移(60 nm)，可以观察到发光颜色由蓝色变为绿色，且荧光强度增加了6倍。这可能是由于配合物7与Zn2+络合后抑制了光诱导电子转移效应。探针的专一性好，并成功观察到斑马鱼中Zn2+的分布。

3 结论与展望

含金属铱的配合物具有优异的光学性质和良好的稳定性，近年来被广泛用于光动力治疗、生物成像、生物分子、阴阳离子的检测，成为医药生化领域研究的热门课题，这类功能化探针有希望为解决环境污染、生物应用等方面等提供更多的方法，相信随着科学技术的发展，会有越来越多具有更加优异性质的金属铱配合物探针将会被研发出来，为金属配合物的发展开辟新的道路和指导方向。