基于萘酰亚胺为母体的荧光探针检测金属离子的研究进展及展望

许海燕,肖银铃

(江苏科技大学 环境与化学工程学院,镇江212100)

荧光探针法由于其选择性好、灵敏度高、检测速度快、成本低、操作方便等优点,广泛用于重金属离子的实时检测[1].席夫碱荧光探针是一种常见的荧光传感器,由于其具有很强的金属络合能力和一步合成的绿色工艺而受到越来越多的关注.萘酰亚胺类衍生物因具有良好的光化学和热稳定性,荧光量子产率高,较长的发射波长和激发波长等优点,被广泛用作为荧光标记材料和荧光染料.萘酰亚胺类衍生物的核心骨架由4-溴萘酸酐和伯胺缩合而成,由于4-溴-1,8-萘酰亚胺本身荧光很弱,无法成为优良的荧光团,故在其4位上进行改性修饰,当引入的R2为吸电子基时则不发射荧光,当引入的为供电子基团时,则可产生强烈的荧光.因此,基于1,8-萘酰亚胺为母体设计的荧光探针具有以下3个特点:① 基于萘环平面结构,具有较大的共轭体系,故有较高的荧光量子产率;② 分子结构中一端为“酰亚胺”强吸电子基团,而另一端(4-位)有强的供电子基团,因此易于形成分子内电荷转移(PET)体系,易受光的激发而发射荧光;③ 分子的发光性质易受取代基团影响,可以改变不同的取代基团设计成不同离子的荧光探针[2].目前, 1,8-萘酰亚胺类荧光探针已成功用于Hg2+、Mg2+、Cu2+、Zn2+和Al3+等多种重金属离子的检测,是分析化学,材料化学和生物化学等研究领域常用的荧光染料之一.文中总结了近年来基于1,8-萘酰亚胺为母体的席夫碱型荧光探针在重金属离子检测方面的研究现状.

1 基于萘酰亚胺为母体检测金属离子荧光探针的研究进展

1.1 检测Cu2+的荧光探针

罗丹明具有亲水性,萘酰亚胺具有亲脂性,因此由萘酰亚胺供体和罗丹明受体组成的荧光探针具有合适的两亲性,可以溶解在有机溶剂和水的混合物中.基于两者有利条件,文献[3-4]设计了探针1(图1)和探针2(图2).探针1,2都对检测Cu2+表现出高选择性.在V(乙醇)∶V(水)=1∶9,pH= 7.4缓冲溶液中, 加入Cu2+后,探针1溶液荧光增强,检测限为250 nM.和探针1相比,探针2还可以检测H2S,在V(CH3CN)∶V(H2O)=9∶1溶液中,加入Cu2+后,溶液的颜色明显变红,随后,加入H2S,荧光发射峰在528和610 nm处熄灭,溶液从红色变为无色,表明H2S和配位化合物2- Cu2+相互作用,配合物2- Cu2+可用于实时监测H2S.探针2对Cu2+和H2S的的检测限分别为170,230 nM.此外,探针1,2都成功地用于细胞内染色的生物成像,在生物医学领域有巨大的潜力.

图1 探针1对Cu2+的感知机制

图2 探针2对Cu2+的感知机制

考虑到水溶性的问题,文献[5]合成了一种含有二乙醇胺的铜离子荧光探针3 (图3).加入Cu2+之后,Cu2+和二乙烯乙醇胺部分的N、O原子配位,导致荧光明显淬灭.其次,探针3对Cu2+离子的检测限低至49 nM,可以检测食物和环境中允许的最大铜含量.此外,探针3具有低毒性和细胞渗透能力,可以成功用于MCF-7细胞的成像.

图3 探针3与Cu2+的反应机理

2018年,文献[6]设计了一种新型含有吡咯环基团的1,8-萘酰亚胺的比色和荧光探针4 (图4).加入Cu2+之后,Cu2+和吡咯基团的N原子、萘酰亚胺的4-位胺的N原子配位,抑制了原先电子从吡咯基团转移到萘酰亚胺基团的PET过程,使荧光团荧光增强.

图4 探针4与Cu2+的络合机理

1.2 检测Zn2+的荧光探针

2020年,文献[7]发明了荧光探针5(图5).探针5引入了谷氨酸,大大增加了其在水中的溶解度,并且帮助探针5保留在细胞里.因此在水溶液中加入Zn2+,Zn2+与亚氨基乙氧基乙酸臂和甲氧基的N原子和O原子配位,荧光增强了约5倍,表现出高选择性,灵敏度和低检测限772 nM.此外,探针5成功应用于活细胞中痕量Zn2+的检测.

图5 探针5与Zn2+的相互作用机制

2019年,文献[8]利用酰胺基团设计了荧光探针6 (图6).在DMSO-PBS缓冲溶液中,只有Zn2+使探针6溶液的荧光发射波长发生显著变化,Zn2+触发的酰胺互变异构化引起的发射红移的增强,从450 nm红移至524 nm,并且其他离子的加入对没有明显变化,表明探针6对Zn2+具有最强的亲和力.

图6 探针6与Zn2+的络合机理

2021年,文献[9]设计了以萘酰亚胺为荧光团,三联吡啶(Tpy)为识别基团的荧光探针7(图7),CH3CN-H2O缓冲溶液中加入Zn2+后,Zn2+和三联吡啶中N原子发生1∶2配位,抑制了PET过程,荧光强度增强约4.5倍并发出蓝色荧光,而且能在较宽的PH(3～11)范围内快速检测Zn2+.最重要的是,通过静电纺丝工艺将醋酸纤维素和探针共纺的ESF-7膜对Zn2+具有选择识别,有望开发以纳米纤维膜为基质的固体探针对锌离子进行检测.

图7 探针7与Zn2+的作用机制

2021年,基于萘酰胺优秀的光谱学性质,文献[10]设计合成了一种具有简单一步合成的新型席夫碱荧光探针8. 在DMSO/H2O溶液中,探针8对Zn2+表现出高选择性和快速响应(30 s).加入Zn2+后,探针8溶液荧光明显增强,对Zn2+的检测限低至39 nM.除此之外,对实际水样中的Zn2+进行了检测,证实了探针8对Zn2+的良好检测功能.

1.3 检测Hg2+的荧光探针

2019年,文献[11]以亚氨基二乙酸和吡啶甲酸为受体研制了荧光传感器9 (图8).酯基的引入增加了传感器在水中的溶解度.当加入Hg2+之后,探针9溶液荧光增强,并且其余的金属离子对Hg2+的检测干扰甚小. 此外,探针9还可以成功用于检测HeLa细胞中的痕量Hg2+,是一种在水溶液和活细胞中对Hg2+的高选择性和灵敏度的探针.

图8 探针9和Hg2+的络合机理

文献[12]设计了一种新型荧光探针10(图9).在V(THF)∶V(H2O)=1∶1,PH=7.4缓冲溶液中,哌嗪氮原子和硫原子的孤电子对位于萘酰亚胺部分附近,诱导了分子内光诱导电子转移.加入Hg2+后,PET过程被阻断,荧光显著增强,荧光强度逐渐增加约10倍,因此探针10对水溶液中Hg2+的检测具有高度的敏感性和选择性.

图9 探针10和Hg2+的反应机理

文献[13]设计合成了一种水溶性、高效的Hg2+荧光传感器11(图10).传感器11对Hg2+的检测限为178 nM而且具有很强的抗干扰性.传感器11具有很强的水溶性和细胞渗透性,可以成功用于检测生理和环境系统中痕量Hg2+.因此,基于1,8-萘酰亚胺为母体的传感器11可以作为一种易于获得、易于使用和可循环的Hg2+传感器.

图10 探针11和Hg2+的反应机理

文献[14]设计了一种检测Hg2+的基于FRET原理的荧光探针12 (图11).加入Hg2+后,萘酰亚胺峰强度下降,罗丹明峰处特征荧光迅速出现并逐渐增强,说明探针12可以有效地检测Hg2+,而且检测限较低为679 nM.此外,荧光细胞成像结果表明探针12可以成功用于活体细胞中痕量的Hg2+检测.

图11 探针12和Hg2+的反应机理

1.4 检测Al3+的荧光探针

2019年, 文献[15]合成了一种新型基于萘酰亚胺的比率可逆荧光探针13(图12). 在V(DMSO)∶V(Tris)=2∶8中,探针13与Al3+配位时,探针13发生蓝移,荧光从绿色变为蓝色,显示出较大的斯托克斯位移,有效地避免了荧光检测错误和自动猝灭.探针13对Al3+有高选择性和灵敏度,检测限为290 nM.探针13具有细胞渗透性和低毒性,可以成功用于检测斑马鱼和HeLa细胞中的铝离子.

图12 探针13和Al3+的结合模式

2017年,文献[16]设计并合成了两种检测Al3+的基于萘酰亚胺为母体的荧光探针14和15(图13).14和15有着良好的发光性能,可以作为潜在的荧光发光材料.并且,14和15储备液随着Al3+浓度的增加而荧光强度增强,并发出强烈的绿色荧光.不同之处在于,Cu2+,Co2+,Ni2+和Cd2+会对14识别Al3+产生干扰,而15对识别Al3+具有极高的专一性.15-Al3+荧光强度增强在Al3+的量为3.0-10.0 μM时,呈线性增加,说明探针15可以定量检测实际样品中的Al3+.

图13 探针14和15的结构式

2021年,文献[17-18]合成了两种新型席夫碱探针16和探针17. 探针16和17都对Al3+有高灵敏度和高选择性,荧光显著增强,探针16的检测限为80 nM,配合物16- Al3+可以用来检测F-,具有可逆性.探针17的检测限为52 nM,远低于世卫组织的标准.探针16和17都已成功应用于活体细胞和真实水样中痕量Al3+监测.

1.5 检测Fe3+的荧光探针

2013年,文献[19]设计并合成了一种基于香豆素和萘酰亚胺的新型Fe3+选择性“开启”化学传感器探针18(图14).该化学传感器对Fe3+具有较高的选择性,并且探针18与Fe3+在THF-H2O溶液中反应后,荧光显著增强,可能原因是Fe3+和探针18的配位(1∶1)可以增强萘酰亚胺和香豆素的共面性,这可以减少激发态的非辐射衰减.

图14 探针18和Fe3+的结合模式

2019年,文献[20]设计了一种基于1,8-萘酰胺为母体的Fe3+荧光探针19(图15).探针19可以双通道(吸收和荧光)检测DMSO溶液中的Fe3+和苦杏仁中的CN-.探针19可以对Fe3+具有很高的选择性和抗干扰性.

图15 探针19和Fe3+的响应机制

1.6 检测Ag+的荧光探针

2011年,文献[21]合成了一种萘酰亚胺基衍生物作为Ag+的“开关”探针20(图16).探针20基于PET原理,在水介质中对Ag+具有较高的选择性和敏感性,对Ag+的检测限为270 nM,并且在碱性和酸性溶液中都是稳定的.

图16 探针20和Ag+的反应机理

2011年,文献[22]设计并合成了一种基于香兰素和萘酰亚胺的荧光探针21(图17).

图17 Ag+与探针21的结合模式

在Ag+离子的存在下,在682 nm处观察到一个新的荧光发射.荧光强度随着Ag+浓度的增加而猝灭.Ag+和探针21的配位比为1∶2.对拓展香兰素和萘酰亚胺在金属离子荧光探针中的应用有重大帮助.

1.7 检测其他金属离子的荧光探针

1.7.1 检测Pb2+的荧光探针

2014年,文献[23]设计了一种简单的基于萘酰亚胺的荧光探针22(图18).之前已经报道了一系列基于萘酰亚胺的荧光探针23[24]和探针24[25],分别对Ag+和Hg2+表现出高选择性和高灵敏度.通过简单地将探针23中的羟基喹啉部分或探针24中的吗啉部分替换为2-氨基乙氧基乙醇部分,制备了一种新型荧光探针22.探针22在水溶液和活细胞中对Pb2+表现出明显的荧光开启反应.在V(CH3CN)∶V(H2O)= 1∶1,pH = 7.4缓冲溶液中,探针22与Pb2+配位后,会发生明显的蓝移,荧光发射波长从411 nm蓝移到380 nm.同时,由于顺磁效应,Cu2+的加入导致探针22荧光几乎完全淬灭.实验结果表明探针22是一种新型的水溶液Pb2+荧光“开启”探针.值得注意的是,活细胞成像实验证明了探针22在生物系统中检测Pb2+具有良好的应用前景.

图18 探针22和Pb2+的结合模式

1.7.2 检测Co2+的荧光探针

2019年,文献[26]制备了一种高选择性荧光化学传感器25检测Co2+(图19).加入Co2+,N原子和Co2+配位,抑制了分子内电荷转移ICT和光致电子转移PET,产生了螯合增强荧光CHEF效应,在450nm处的荧光增强,颜色从粉红色到无色.探针25的检测限为260 nM.此外探针具有出色的细胞渗透性和低的细胞毒性,可以用于活细胞HepG2中的Co2+的检测.

图19 探针25对Co2+的传感机理

1.7.3 检测Cr3+的荧光探针

2013年,文献[27]合成了一种基于萘酰亚胺的高选择性、高灵敏度的荧光探针26(图20).在V(THF)∶V(H2O )=85∶15, 缓冲溶液中,探针26和Cr3+配位,发射带红移,荧光增强. 探针26能够快速检测Cr3+(10 s),而且,除了Cu2+其他离子对配位化合物26-Cr3+的荧光基本没有干扰.

图20 探针26和Cr3+的结合模式

1.7.4 检测Ho3+的荧光探针

2016年,文献[28]设计并合成了一种基于1,8-萘酰亚胺的简单比率荧光探针27(图21).在V(DMSO)∶V(H2O)=1∶1,PH=7.4缓冲溶液中,随着Ho3+浓度增加,探针27在512 nm处荧光减弱,在480 nm处荧光增强,同时伴随着溶液的颜色由亮黄绿色变为蓝绿色.探针27的检测限低至60 nM.探针27是第一个用于Ho3+检测的比率荧光探针.该探针的成功合成对探索更多的稀土元素感应类探针提供了研究基础和研究动力.

图21 探针27对Ho3+的传感过程

2 结论

1,8-萘酰亚胺是经典染料和荧光团家族的主要成员之一,由于其高荧光量子产率和易修饰性,尤其是4位不同取代基的修饰能力,使其表现出不同的荧光现象,极大地扩展了萘酰亚胺在化学传感、材料、生物成像等领域应用.近年来,萘酰亚胺探针已经获得较好的发展,在检测方面,能够识别各种各样的离子,有的甚至可以识别小分子.在机理方面,能够根据探针的结构利用不同的机理(如 PET、FRET、CHEF)实现高选择性.然而,从应用的角度来看,有几个问题需要解决:① 虽然已经设计出在水介质中检测的探针,但是大部分的化学传感器依然在有机溶剂、有机溶剂和水的混合体系中进行,在生物化学的研究中(尤其是细胞成像研究),使用有机溶剂通常会破坏生物分子的正常功能,很难广泛应用.② 生物成像在医学方面有非常大的前景,取决于细胞膜的通透性,要想让细胞膜的通透性好,可以改变萘酰亚胺支架,使其在红色和近红外(NIR)中激发和发射.③ 大部分探针只能检测单个离子,多功能探针为少数.多功能荧光探针能通过相同或不同的作用位点与多个分析物作用,不仅可以提高检测效率,而且可以降低成本.④ 部分荧光探针结构复杂,合成步骤复杂,较为困难.因此,仍需努力研究性能优良、合成简单、成本低、水溶性好、灵敏度高、检测限低的新型探针并且完善改进已有探针,使其能够在环境和生物体系研究系统中发挥更大的应用.