4-取代1,8-萘酰亚胺类荧光探针的研究进展

摘 """""要： 荧光光谱法是一种针对定量低浓度分析物检测的技术手段。近年来的研究进展表明，""1，8-萘酰亚胺、罗丹明B、香豆素、喹啉等荧光团具有潜在的研究和应用价值。其中对1，8-萘酰亚胺衍生物的研究不断增加，因为它们具有强吸收和发射波长、高光稳定性、大的Stokes位移、较高的荧光量子产率以及4位结构易于修饰等优点。近年来，新型4-取代1，8-萘酰亚胺类荧光探针的设计和制备受到了广泛的关注。综述了4-取代1，8-萘酰亚胺类荧光探针的研究进展，通过在1，8-萘酰亚胺单元的C-4位置引入不同的给电子或接受电子基团，可以实现改变1，8-萘酰亚胺类荧光探针的荧光性能。

关 "键 "词：1，8-萘酰亚胺； C-4取代； 荧光探针； 研究进展

中图分类号：TQ050.4 """"文献标志码： A """"文章编号： 1004-0935（2024）07-1051-04

萘酰亚胺衍生物由于其独特的光物理学性质，如Stokes位移大、光稳定性高、荧光量子产率高、4位结构易于修饰等，被广泛用作荧光团^[1]，制备荧光探针。在1，8-萘酰亚胺化合物的C-4位置引入给电子部分会产生分子内电荷转移（ICT）激发态^[2]，并导致吸收光谱和发射光谱发生较大的位移。

目前已有许多关于4-取代1，8-萘酰亚胺衍生物的研究，但在1，8-萘酰亚胺化合物的C-4位置引入新的给电子基团和受电子基团仍然是有意义的。通过改变芳香环^[3]上存在取代基的性质，可以改变这些衍生物的荧光性质，引入各种给电子基团，如烷基（芳基）氨基、炔基/烯基、芳基或烷氧基基团可诱导极性ICT激发态，由于1，8-萘酰亚胺的C-4位取代荧光探针具有独特的荧光性质，近年来被广泛研究应用。

1 "离子型的4-取代1，8-萘酰亚胺荧光探针

金属离子在自然界和生命体中扮演着十分重要的角色，因此对这些离子的检测也是十分的重要，目前主要通过离子质谱法^[4]、原子吸收光谱法^[5]、电感耦合^[6]等方法来检测离子，但是由于其高昂的仪器设备费用以及检测步骤繁琐等缺点，导致了它们在某些应用方面存在一定的局限性。与之不同，荧光探针法具有价格低廉、检测方便、可实现在线实时检测等优点，受到广大研究者的青睐^[7-8]。

LI等^[9]设计和合成了一种新型荧光探针1，该探针以萘酰亚胺为荧光团，在其C-4位置引入席夫碱结构单元，基于PET机理对Hg²⁺表现出高度选择性并显示出明显的荧光增强现象。根据荧光滴定和Job图可知，探针与离子结合比为2∶1。探针1对Hg²⁺的检出限为0.18 μmol·L^-1，可用于环境和生物系统中低浓度Hg²⁺的定量分析。探针1的示意图及其对Hg²⁺的荧光响应机理如图1所示。

XIANG等^[10]开发了一种C-4位置为羟基的希夫碱“开-启”荧光探针2。探针2对Zn²⁺表现出高选择性和快速响应（30 s）效果，并具有显著的荧光增强现象，且对锌离子的检测限为39 nmol·L^-1，远低于世界卫生组织标准。使用Job曲线分析计算探针2与Zn²⁺离子的结合比为1∶1，结合常数为1.18×10⁵"L·mol^-1。此外，在实际应用方面，探针2已成功应用于水样中Zn²⁺的检测，同时将探针制备成涂层试纸条，可以快速、定性地检测Zn²⁺离子。探针2的示意图及其对Zn²⁺的荧光响应机理如图2所示。

SUKRIYE等^[11]同样在C-4位置引入水合肼结构设计并合成了一种基于1，8-萘酰亚胺的荧光探针3，用于Cu²⁺的高灵敏度和特异性检测。该探针表现出对Cu²⁺的“肉眼”反应，颜色分别从黄色到蓝色、黄色到无色发生显著变化。探针3可以定量检测Cu²⁺，检测限为纳摩尔级，结合比为2∶1。由于其优良的特性，该探针是一种很有应用前途的荧光探针，通过智能手机的应用程序可以现场检测样本中的Cu²⁺，而不需要精密的设备，操作相当简单便捷。探针3的示意图及其对Cu²⁺的荧光响应机理如图3所示。

TANG等^[12]在C-4位置引入哌嗪设计合成了一种新型的萘酰亚胺荧光探针4。在缓冲溶液中，该探针对Fe³⁺具有良好的选择性和灵敏度，同时具有快速的荧光增强和良好的抗干扰能力。该探针可以在5.0～8.0的pH范围内工作，检测限为81"nmol·L^-1，与Fe³⁺络合比为1∶1。探针4的示意图及其对Fe³⁺的荧光响应机理如图4所示。

2 "小分子型的4-取代1，8-萘酰亚胺荧光探针

甲醛（FA）是最简单的活性羰基化合物，其浓度与人体健康及多种疾病密切相关^[13]。因此，XU课题组^[14]找到了一种新的合成方法，利用4-磺"""基-1，8-萘酰亚胺衍生物为原料构建4-肼基-1，8-萘酰亚胺荧光探针5，可作为检测FA的荧光探针。该探针具有制备简便、荧光信号可开启、选择性强、对FA灵敏度高等特点。更重要的是，该探针可以制备成试纸来检测气态FA，并对活细胞中的外源性/内源性FA进行成像检测。探针5的示意图及其对甲醛（FA）的荧光响应机理如图5所示。

高尔基体（GA）是生物系统中重要的细胞器，过量活性氧是高尔基体在受到压力时产生的。次氯酸（HOCl）是一种重要的活性氧，具有较强的氧化和抗菌活性，但过量分泌次氯酸会导致高尔基体的结构或功能出现异常，就会导致阿尔茨海默病、神经退化等一系列疾病^[15]。LIU等^[16]设计了一种新型荧光探针6，该探针是通过对高尔基体定位的方法来检测次氯酸。探针6使用1，8-萘酰亚胺作为发射荧光基团，苯磺酰胺以定位基团和C-4位置引入二甲基硫代氨基甲酸酯为传感单元。当HOCl不存在时，探针的分子内电荷转移（ICT）过程受到阻碍，探针表现出微弱的荧光信号；当HOCl存在时，发生ICT过程，探针显示强烈的绿色荧光。当HOCl浓度从5.0 × 10^-7"mol·L^-1变到1.0 × 10^-5"mol·L^-1时，探针的荧光强度与HOCl浓度呈良好的线性相关，检测限为5.7 × 10^-8"mol·L^-1。在适宜pH范围内HOCl荧光探针具有反应快、选择性高、应用范围广等优点。此外，该探针具有良好的生物相容性，已广泛应用在海拉细胞中高尔基HOCl成像，这些充分证明了该探针可用于活细胞中高尔基体内感应内源性和外源性的次氯酸检测。探针6的示意图及其对次氯酸的荧光响应机理如图6所示。

H₂S作为生物体内的信号转导分子，在许多生理过程中发挥着重要作用^[17]。ZHANG等^[18]设计并合成了一种简单高效的1，8-萘酰亚胺荧光探针7，C-4位置引入仲胺基于分子内电荷转移机理，该探针对硫化氢有显著的响应，具有较大的斯托克斯位移（106 nm），对硫化氢具有特定的高选择性和灵敏度。特别是，该探针在pH=4～10条件下具有高稳定性、低细胞毒性和良好的细胞成像优点，使其有望成为生物体中硫化氢的良好荧光探针。探针7的示意图及其对硫化氢的荧光响应机理如图7所示。

SO₂是一种显著的信号分子，是活性硫化物质之一，其密切参与许多代谢过程，而SO₂代谢不平衡会导致各种疾病出现^[19]。因此，对SO₂衍生物进行快速、准确、高选择性、高灵敏度的监测具有十分重要的意义。YANG等^[20]基于ICT机理在C-4位置引入羟基设计合成了一种比率荧光探针8，用于SO₂衍生物的比率成像。该探针经过亲核加成"HSO₃^-"/SO₃^2-，在单波长激发下，其波长发生了"""120 nm的蓝移，对SO₃^2-具有显著的比色和比率选择性响应、高响应速度和灵敏度。此外，该探针可用于活细胞中外源性和内源性SO₂衍生物的视觉比率成像。探针8的示意图及其对SO₂衍生物的荧光响应机理如图8所示。

丙烯醛是一种剧毒物质，可以外源性和内源性产生^[21]。因此，开发一种具有高度特异性和灵敏度的丙烯醛探针具有潜在的应用价值。JIANG等^[22]以萘酰亚胺为荧光团，在其C-4结构中引入巯基作为丙烯醛识别基团，设计合成了一种新型丙烯醛检测荧光探针9。该探针的巯基部分通过迈克尔加成结合丙烯醛，抑制探针光诱导的电子转移（PET）过程，导致探针在510 nm处产生强烈的荧光。该探针对丙烯醛具有很高的敏感性和特异性，可通过荧光分光光度法测定食品中的丙烯醛。此外，该探针甲酯化后成功地用于观察Hela细胞中的丙烯醛，这一发现表明探针9在快速检测各种样品中的丙烯醛方面具有潜在的应用价值。探针9的示意图及其对丙烯醛的荧光响应机理如图9所示。

WANG等^[23]设计合成了一种基于萘酰亚胺衍生物可同时检测NO和pH的新型荧光探针10，该探针在C-4位置引入哌嗪基团。该探针在99% PBS缓冲液和1% DMSO溶液中具有良好的荧光性能。在544 nm处产生黄绿色发射峰，荧光可随着NO浓度的增加或pH的降低而增强。探针10对NO具有良好的选择性、高灵敏度，对NO具有较强的抗干扰作用，在pH为5.5～8.5时表现出良好的荧光可逆性。光谱结果表明，探针10由于双PET效应而表现出微弱的荧光，与NO和pH相互作用后，发生了双重PET-OFF效应，导致荧光显著增强。探""""针10在HeLa细胞中的荧光成像结果表明，它可以实现对细胞内pH和NO变化的视觉监测。该探针已成功应用于秀丽隐杆线虫的荧光成像分析。探 "针10的示意图及其对NO的荧光响应机理见图10。

3 "结 论

萘酰亚胺由于其独特刚性的平面结构，可被广泛应用作良好的发色团。此外，1，8-萘酰亚胺基团的C-4位置具有较高的化学活性，容易与其他化合物发生反应。通过在1，8-萘酰亚胺基团的C-4位置上引入不同的基团可以设计出不同性能优良的荧光分子探针，且其中部分优异的探针已在生物体检测中得到应用。目前，随着萘酰亚胺类荧光探针的研究发展，很多4-取代-1.8萘酰亚胺类荧光探针分子已被广泛应用于环境、医疗、生命体等领域。然而，设计和研究新型4-取代1，8-萘酰亚胺类荧光分子探针依然是未来广大研究者青睐的一个研究方向。

参考文献：

[1]"雷绍玉. 基于1，8-萘酰亚胺衍生物荧光探针的制备及其性能研究[D]."济南：齐鲁工业大学，2022．

[2]"ALEXIOU M S，"TYCHOPOULOS V，"GHORBANIAN S，"et"al. The UV-visible absorption and fluorescence of some substituted 1，8-naphthalimides and naphthalic anhydrides[J]. J. Chem. Soc. Perkin Trans， 1990，"2： 837-842．

[3]"ROGERSJE， KELLY L A."Nucleic acid oxidation mediated by naphthalene and benzophenone imide and diimide derivatives： consequences for DNA redox chemistry[J]. J."Am."Chem."Soc，"1999，"121： 3854-3861.

[4]"孔然，向平，陈卓南，等."碳纤维离子化质谱技术的研究与应用[J].分析测试学报，2023，42（1）：116-123.

[5]"周婉文."原子吸收光谱法在食品重金属检测中的应用[J]."食品工程，"2023（1）：74-75.

[6]"李月娥，孟庆俊，李昌平."电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）法测定土壤中的碘[J]."中国无机分析化学，2023，13（6）：549-555.

[7]"龚慧媛，穆叶舒，洪琛，等."萘酰亚胺衍生物的合成及在水相中检测苦味酸[J]."化学研究，2022，33（5）：444-452.

[8]"周帅龙. 基于DNA模板的荧光铜纳米粒子研究进展[J]."辽宁化工，2022，51（11）：1602-1605.

[9]"LI K Y，"LI R X，"KONG X X，"et"al."A highly selective and sensitive fluorescent sensorbasedona1，8-naphthalimide with"a"Schiff base function for Hg²⁺"in aqueous media[J]."Zeitschrift für Naturforschung B， 2022， 7（9）："611-617.

[10]"XIANG D S， ZHANG S Z， WANG Yu， et al. A novel naphthalimide- based “turn-on” fluorescent chemosensor for highly selective detection of Zn²⁺[J]."Tetrahedron，"2022，"106："132648.

[11]"SUKRIYE N"K"E，"FATMA N"A，"DUYGU A."A novel ratiometric fluorescent and colorimetric sensor based on a 1，8-naphthalimide derivative for nanomolar Cu²⁺"sensing： smartphone and food applications[J]."Analyst，"2022，"147："2687-2695.

[12]"TANG T X， GUO W B， ZHANG Y P， et al.A novel 1，8-naphthalimide-"based “turn-on” fluorescent sensor"for Fe³⁺[J]."Journal of Fluorescence，"2019，"29："445-450.

[13]"马雪丰，陈果，秦德萍."食品中甲醛检测标准与分析技术研究进展[J]."现代食品，2022，28（11）：156-159.

[14]"XU Z Q，"YANG X M，"LIU Z R，"et"al. A 1，8-naphthimide-based fluorescent probe for detection of formaldehyde in gaseous and application in living cells[J]."Photochemistry amp; Photobiology"A： Chemistry，"2022，"426："113731.

[15]"陈立功，侯宇晴，崔思乾."多功能荧光探针用于次氯酸及微环境检测[J]."天津大学学报（自然科学与工程技术版），2022，55（9）：887-894.

[16]"LIU S Z，"XU J H，"MA Q J，"et"al."A naphthalimide-based and Golgi-targetable fluorescence probe for quantifying hypochlorous acid[J]."Spectrochimica Acta Part A： Molecular and Biomolecular Spectroscopy，"2023，"286： 121986.

[17]"姜海燕."H₂S荧光素类探针的进展研究[J]."当代化工，2021，50（3）：735-739.

[18]"ZHANG C L，"WANG Y M，"LI X L，"et"al."A simple and efficient""fluorescent"probe based on 1，8-naphthalimide-Ebselen for selectively detecting H₂S in living cells[J]."Tetrahedron Letters，"2022，"110："154199.

[19]"神兴明，任士伟，王娜."工业废气二氧化硫的危害和检测方法[J].河南化工，2023，40（1）：54-55.

[20]"YANG L L，"YANG N，"GU P L，"et"al."A novel naphthalimide-based fluorescent probe for the colorimetric and ratiometric detection of SO₂"derivatives in biological imaging[J]."Bioorganic Chemistry，"2022，"123："105801.

[21]"黄敏轩，金洁，马红映."丙烯醛致慢性阻塞性肺疾病发病机制[J].生命的化学，2022，42（3）：424-429.

[22]"JIANG K Y，"ZHOU P，"ZHENG J，"et"al.Design of a naphthalimide-based probe for acrolein detection in foods and cells[J]."Journal of Hazardous Materials，"2022，"426："128118.

[23]"王玉敏，赵巧，廖旭芳，等."一种基于萘酰亚胺衍生物同时检测NO和pH的荧光探针的合成及生物成像研究[J]."分析实验室，2023，42（1）：16-21.

Research Progress of 4-Substituted 1，8-naphthalimide Fluorescent Probes

LI Hui， LI"Zhaoyun

（School of Agronomy and Bioscience， Dehong Teachers’"College， Mangshi"Yunnan 678400， China）

Abstract："Fluorescence spectroscopy is a technical tool for the detection of quantitative low-concentration analytes. "Recent research"progress shows"that fluorophores with 1，8-naphthalimide， rhodamine B， coumarin， quinoline and other fluorescent probes have research value and potential applications. As a special environmentally sensitive fluorophore， 1，8-naphthalimide derivatives are increasingly studied because of their strong absorption and emission in visible regions， high optical stability， large Stokes shift， high fluorescence quantum yield and easy modification of the 4-position structure. In recent years， the design and preparation of novel fluorescent probes for the 4-substitution 1，8-naphthalimide have attracted wide attention. The research"progress of 4-substituted """"""1， 8-naphthalimide fluorescent probes"was"reviewed. By introducing different electron-donating or electron-receiving groups at the C-4 position of the 1， 8-naphthalimide unit， the modification of the fluorescence properties of 1，8-naphthalimide fluorescent probes can be achieved.

Key words："1，8-Naphthalimide; C-4 position; Fluorescent probe; Research progress