基于苝酰亚胺衍生物荧光探针的研究进展*

刘 畅，刘聪聪，郑 勤，张玉坤，徐 涛，付丽娜

(黄河科技学院 医学院，河南 郑州 450063)

荧光分析，这种光致发光分析方法早在十九世纪六十年代就已经出现，技术较为成熟，由于它选择性好、灵敏度高、操作简便，目前已经在食品行业、医药卫生、环境检测等方面获得了广泛的关注和应用[1]。苝酰亚胺衍生物结构中具有π-π共轭体系，电子亲和能高、电荷传导能力优异，是一类具有强烈荧光的缺电子分子，完整的共轭结构使其光、热、化学稳定性更加突出，苝酰亚胺衍生物的荧光量子产率接近于100%，且荧光寿命较长，也是一种较优异的n型材料，已经在有机场效应晶体管、太阳能电池等方面发挥了重要作用。由于苝酰亚胺衍生物的荧光量子产率较高，对从可见光区到红外光区均有较强吸收，色彩丰富、荧光强烈。近年来，苝酰亚胺衍生物在荧光探针方面飞速发展，尤其是在pH荧光开关、金属离子检测、生物分子检测和细胞成像等方面显示出广阔的应用前景[2]。

1 pH荧光探针

pH荧光探针是常见的一种分子探针，随着pH值的改变，一些有机化合物的吸光或荧光性质可用来指示目标介质中酸碱性的改变。这种基于荧光信号的变化而建立的pH测定方法，弥补了传统玻璃电极中的一些不足，并受到了广泛的关注。pH荧光探针由于具有灵敏度高、灵活度高、操作简便等优点[3]，已广泛应用于分析化学、医学、生物分析和细胞生物学等领域。pH值的改变会对π-π共轭体系的电子效应产生影响，并进一步导致其可见吸收光谱和荧光发射光谱发生显著变化。基于苝酰亚胺衍生物较大的共轭体系，马永山等[4]人设计并合成了多种苝酰亚胺衍生物，由于结构中具有亲水性的羧基基团，能够快速的对不同的pH溶液进行响应，使得pH荧光探针得到了实际应用。pH荧光探针对pH响应灵敏度高、操作简单，将带有胺基的苝酰亚胺类荧光材料开发作为pH荧光探针具有重要的应用价值和广阔的发展前景。

最新医学研究表明，生物体细胞内的pH值是影响生命过程的一个重要参数，适宜的pH是保持人体正常生理活动的重要指标，对细胞的新陈代谢有显著影响。pH值与机体内细胞增值和凋亡、细胞内稳态、酶活动还有细胞内吞作用等是密切相关的。正常情况下，机体组织的细胞内pH值维持在7.2～7.4，机体内pH值的变化通常会导致酶的活性降低甚至失活。如果机体细胞内的pH值分布不均匀，溶酶体呈现弱酸性，细胞质则呈现为弱碱性(pH7.2)，健康细胞质和细胞器内pH值的平衡如果被破坏或轻微改变，就会对生物体造成巨大的危害，可能还会诱发癌症、神经疾病或内分泌紊乱等问题。据相关研究报道，癌细胞中的pH会比正常细胞更容易发生明显的增大或减小，而这种pH的差异可为识别癌症提供一种新途径，可将此变化作为肿瘤细胞的标识指标[5]。因此，设计并发展一种由pH变化进行定量和成像分析的方法来监测细胞内pH值的变化具有重要的意义。

生物体细胞内pH是影响其生命过程的一个重要参数，与细胞的增值和凋亡、离子传输、细胞内稳态、酶活动、药物抗体，以及细胞内吞作用等密切相关。马永山研究了带有羧基取代基的苝酰亚胺衍生物(图1)[4]，成功构建了一种pH荧光“开-关”。该类苝酰亚胺衍生物是苝湾骨架和直链含有羧基的结构，具有亲脂和亲水性的特点，更容易渗透到生物体细胞内，具有检测生物体组织内pH的无限可能。在对水溶液中化合物的荧光进行研究时发现，其荧光强度对pH有着强烈的依赖性，随着pH的降低，荧光强度逐渐降低，特别是pH为6.3～3.8之间，荧光强度前后对比特别显著，后者荧光强度是前者的30倍以上，而且该荧光“开关”可通过在溶液中加入“H+”或“OH-”实现几乎瞬间的可逆。苝酰亚胺衍生物还可以更好地检测吸收光谱对荧光光谱的干扰，提高测试的灵敏度和准确性。

图1 苝酰亚胺衍生物1的结构

2 金属离子荧光探针

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，直接威胁到了人们的生命健康。荧光分析方法已成为一种重要的现代分析技术，在环境勘测、医疗卫生、生物化学等众多领域都取得了重大进展。苝酰亚胺金属离子荧光探针是使之与不同的金属离子特异性结合，产生不同的荧光性质，从而对金属离子实现准确识别，确定特征金属离子[6]。此过程中，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。

2.1 铅离子荧光探针

很多金属，特别是重金属，与人体的生理活动、环境卫生、医学疾病等具有密切的关系。因此，研究选择性好、灵敏度高、荧光寿命长的苝酰亚胺类金属离子荧光探针在环境监测及人类健康中具有重要意义。铅离子是在环境污染中常见的重金属，微量的铅进入人体之后就会对神经系统、肾脏、造血系统等造成极大伤害。因此，寻找简便、高效检测铅离子的方法意义重大[7]。目前，常规检测铅离子有原子吸收法、离子色谱法、电化学法等，但都存在精密度有限、准确度低、干扰因素多、仪器设备复杂等缺陷。马永山等人[8]研究了苝酰亚胺衍生物的荧光性能与Pb2+浓度的关系，发现Pb2+与苝酰亚胺衍生物的荧光发射峰强度之间存在一定的关系。Pb2+的存在使得苝酰亚胺衍生物的荧光发射峰强度减弱，出现显著变化的是最大发射波长明显向短波方向移动。Pb2+浓度增加也伴随着荧光强度急剧减弱直至荧光淬灭。因此，用苝酰亚胺衍生物作为荧光探针可以准确地实现对金属离子Pb2+的识别。而其他离子如Cu2+、Fe3+等金属离子与Pb2+一样，对苝酰亚胺衍生物的荧光强度存在显著影响，亦会出现随着浓度的增加荧光发射峰强度发生改变，最大发射波长出现一定程度的移动。因此，此类化合物可以作为金属离子荧光探针，准确实现溶液中Pb2+的检测，灵敏度高、选择性好、操作简便。

2.2 镉离子荧光探针

镉是人体的非必需元素，也是世界公认的致癌重金属之一，经常会出现在电池、油漆等成分中，在生活中应用较为广泛[9]。但是镉的半衰期较长，在体内能蓄积十年左右，并且浓度较低时也会对机体造成危害，使肺、肾脏、肝等器官造成一定程度的损伤。例如，20世纪中叶，日本富山县神通川流域出现了工业废水排放不当造成的慢性镉中毒事件，导致当地河水、土壤受到一定程度的污染，使得引发当地居民食用含镉稻米造成镉中毒。据报道，饮用水中的Cd2+含量需低于0.005 mg/L，每周Cd2+的摄入量应小于0.007 mg/kg，因此寻找选择性高、灵敏度强的检测方式而准确实现对Cd2+的检测意义重大。据研究发现，苝酰亚胺衍生物在不同的pH条件下选择性检测不同金属离子，在pH 9.0时可以检测Cd2+，检出范围为0.1～50 μmol/L，最低检出限为 48 nmol/L。结果显示，该检测方法选择性高、灵敏度强、容易操作，非常适合快速检测Cd2+。

2.3 铁离子荧光探针

铁是构成蛋白的重要元素，参与各种细胞水平的生化过程，铁含量失调会导致贫血、肝脏、肾脏的损伤及心脏衰竭、帕金森、阿尔茨海默症等神经性系统疾病，铁在氧代谢、DNA与RNA的电子转移过程中产生非常重要的作用。尤其是Fe3+在维持红细胞代谢中较为关键，与肝脏、脾脏、骨髓等这些部位的造血功能有一定的关系，是维持正常红细胞代谢的关键因素，对机体生命过程产生非常重要的影响。若铁离子显著缺乏，经常会造成缺铁性贫血，每天需正常摄入适量的铁对维持骨髓的造血功能具有较好的作用[10-11]。据研究报道，苝酰亚胺衍生物能够使Fe3+引入之后导致荧光显著增强，灵敏度高、响应快速、选择性好，是很好的铁离子荧光探针。

3 生物分子荧光探针

脱氧核糖核酸(DeoxyriboNucleic Acid，缩写为DNA)是生物细胞内含有的四种生物大分子之一“核酸”的一种。DNA携带有合成RNA和蛋白质所必需的遗传信息，是生物体发育和正常运作不可缺少的生物大分子。DNA是一类带有遗传信息的生物大分子，能够控制生物机体的各种性状表现，通过指导蛋白质的合成来表达自己所携带的遗传信息。若生物体的正常生理机能受到破坏，如某些部位产生癌变，则会导致体内DNA的含量与理化性质都相应变化。因此准确实现对DNA的检测，对早期疾病的检测以及预防具有重大作用[12-13]。苝酰亚胺衍生物具有共轭大π键的基本结构骨架，表现出很强的电荷转移能力，因而可以作为荧光染料有效地标记DNA，用于DNA分子的检测。

除此之外，ATP在蛋白质和脂质等生物大分子进出细胞的运输中起关键作用，是各种生物体、生命现象的结构基础和功能基础，在DNA、RNA的合成、细胞信号传导、肌肉收缩、结构维护等过程中发挥着不可替代的重要作用。但如果ATP的浓度过高，也可能会产生心血管方面的疾病。因此，可将检测ATP浓度的高低作为判断某个生命过程健康与否的一种指标，目前该项目的检测也受到了社会的广泛关注。苝酰亚胺衍生物具有较高的电子亲和能和优异的电荷传导能力，光稳定性和热稳定性较高，利用苝酰亚胺衍生物医用荧光探针进行快速、准确、灵敏的检测这类生物分子具有重要的意义。程文玉合成了苝酰亚胺衍生物2与锌的金属配合物分子[14](图2)，显示苝酰亚胺锌配合物遇到ATP之后荧光显著增强。该金属配合物能够实时的选择性的检测ATP，而对其他分子如AMP、ADP、GTP等则无明显响应，说明该苝酰亚胺衍生物荧光探针适合于ATP这种生物分子的实时检测，并且灵敏度较强。

图2 苝酰亚胺衍生物2的结构

据研究显示，水溶性苝酰亚胺衍生物3与Cu2+形成的配合物的荧光很弱[15](图3)，但是在HEPES缓冲溶液中与焦磷酸PPi作用后，苝酰亚胺衍生物分子的荧光显著增强，最低检出限为 0.2 μmol/L，检测限低、灵敏度高、响应速度快，可用于PPi的定量检测。

图3 苝酰亚胺衍生物3的结构

4 展望

苝酰亚胺衍生物结构中具有π-π共轭体系，其电子亲和能高、电荷传导能力优异，荧光量子产率较高，具有较好的荧光性能。pH荧光探针、金属离子荧光探针和生物大分子荧光探针等，均显示出了较好的选择性，较高的灵敏度，并且响应时间短，检测限低。苝酰亚胺衍生物荧光探针在pH检测、疾病治疗与预防、细胞成像等方面的研究对推进其在医疗卫生、环境检测等领域的应用具有重大意义，如何更好地发挥其优异性能显得尤为重要。预测大量基于苝酰亚胺衍生物的荧光探针及其工业化检测技术将在未来得到更好的发展。