苝酰亞胺衍生物金屬離子熒光探針的研究進展

金 鑫，李林容，吳 超，郭嘉薇，楚 森，付麗娜

(黃河科技學院 醫學院，河南 鄭州 450063)

近年來，由重金屬造成的環境污染現象嚴重，例如，日本由汞污染引起的"水俁病"、由鉻污染引起的“毒大米”事件等，嚴重危害人體健康，由此引發的環境污染問題日益突出[1-2]。有些重金屬在濃度極低時就會產生極強的毒性，在某些器官內蓄積，造成慢性中毒，對機體生命過程產生非常重要的影響，例如，汞(Hg)、鎘(Cd)、鉛(Pb)等重金屬大部分轉化為陽離子被排放而長期殘留于環境中，長時間接觸Hg2+會對腎臟、中樞神經系統、心血管病、內分泌系統等造成嚴重損害[3]；Cu2+含量較高時會引起帕金森綜合征、老年癡呆等疾病。因此，發展高效、快捷的檢測方法對許多重大疾病的診斷具有一定的現實意義[4]，并有望在醫藥、環境、食品、生物等領域得到廣泛應用。

1 苝酰亞胺衍生物的結構與熒光的關系

苝酰亞胺衍生物(perlenediimides derivative,PDIs)又稱為苝二酰亞胺衍生物(圖1)，結構中具有π-π共軛體系，是一種很好的光電功能材料，具有較高的電子親和能及優異的電荷傳導能力，對從可見區到紅外區的光有很強的吸收，產生豐富的色彩和強烈的熒光，成為金屬離子熒光探針研究的熱點。傳統PDIs分子的紫外最大吸收峰為526 nm，最大發射波長為533 nm，溶液一般為桔紅色，呈現出橙色熒光[5]，可用于制備各種金屬離子熒光探針。

圖1 苝酰亞胺衍生物的結構

苝酰亞胺是以3,4∶9,10-苝四酸酐作為原料，與水合肼在Ar2環境保護下室溫反應24 h得到，其衍生物一般均具有很好的穩定性(化學、熱、光)，最初應用于紅色染料領域[6]，之后被廣泛應用于太陽能電池、熒光探針等方面。苝酰亞胺衍生物具有稠環共扼體系，使分子間大π鍵相互作用增強，晶格能增大，導致大多數苝酰亞胺衍生物在有機溶劑中的溶解度較差。以提高苝酰亞胺衍生物溶解性能、改善選擇性能為重點，一般通過在苝灣引入吸電子基、主鏈引入強供電子基來進行結構修飾[7-8]。經過結構修飾后的苝酰亞胺衍生物一般具有如下特點：熒光物質的剛性和共平面性強，有利于熒光發射；存在較大吸-供電子共扼體系，利于產生較強熒光。

2 苝酰亞胺衍生物金屬離子熒光探針的應用

2.1 Hg2+離子熒光探針的應用

汞污染可導致汞長期積累在體內而引起對中樞神經系統、免疫系統和心血管系統的傷害。Ling Zang和Xiangjun Liu等研究小組發現基于單側被烷基鏈取代的苝酰亞胺衍生物熒光探針能檢測水溶液中Hg2+，通過熒光強度變化實現對水溶液中Hg2+的實時監測；國家納米科學中心魏志祥研究員的研究小組發現苝酰亞胺衍生物對Hg2+有顯著響應，實現對Hg2+的特異性檢測，檢測范圍為2.5～20 umol/L，最低檢測限為0.6 umol/L，并探索了該項應用在細胞成像中的研究。Aixia Han研究了1.0 μmol/L苝酰亞胺衍生物MSI-1-9與2.0 μmol/L的Hg2+絡合之后的熒光變化，結果顯示熒光強度快速淬滅直至穩定值，反應速度快是對Hg2+進行實時檢測的重要特征[9]，且幾乎不受其他金屬離子的干擾(圖2)。汞中毒在醫藥、食品、軍事、化學等領域均會出現，因此，進一步提升苝酰亞胺衍生物金屬離子探針的檢測性能具有重要意義。

圖2 苝酰亞胺衍生物MSI-1-9的結構

2.2 Cu2+離子熒光探針的應用

銅是人體必需的微量元素之一，在腫瘤血管生長因子中有重要調節作用，Cu2+的含量檢測對帕金森和老年癡呆等神經性疾病的發生和控制具有重要意義。但也會經消化道或皮膚的誤吸或誤用而積累在肝、腎、腦、骨等部位引起中毒，因此防止Cu2+對環境的污染、嚴格控制環境及飲用水中Cu2+的含量也尤為重要[10]。閆立偉課題組制備了苝酰亞胺衍生物1[11]，在四氫呋喃/水的混合溶劑中加入多種金屬離子，結果顯示加入Cu2+的體系發生熒光淬滅，證明有電子轉移的出現，所以此化合物可選擇性檢測Cu2+(圖3)。進一步研究發現，該化合物可與Zn2+進行配位反應，生成的配合物與ATP產生靜電作用，導致熒光顯著增強，因此可選擇性檢測ATP。這種有趣的熒光"開-關"現象在金屬離子檢測和生物分子檢測中引起了廣大學者的青睞。該苝酰亞胺衍生物熒光探針對Cu2+表現出高度靈敏性，檢測限達0.15 umol/L，因此該化合物可作為檢測Cu2+的熒光探針。

圖3 苝酰亞胺衍生物1的結構

2.3 Pb2+離子熒光探針的應用

Pb2+濃度超標是重金屬污染的典型形式，常以粉塵、煙霧或蒸氣的形式經呼吸道吸入，從而引起外周神經系統、呼吸系統、心血管系統、免疫系統等急性或慢性毒性損害，因此，發展選擇性高、操作簡便的Pb2+檢測方法具有重要意義。馬永山課題組[12]制備了苝酰亞胺衍生物PTCDG，并研究了其熒光性能，結果顯示PTCDG與金屬離子Pb2+絡合后，Pb2+使PTCDG的發射峰強度降低、最大發射峰波長藍移，當Pb2+的濃度從0.5×10-5mol/L增至1.0×10-5mol/L時熒光完全淬滅(圖4)。結果證明Pb2+與PTCDG的四個羧基氧原子及酰胺上的氮原子作用產生了較強的螯合作用，熒光團與Pb2+之間發生了較強的電子轉移(PET)效應，導致PTCDG熒光淬滅。

圖4 苝酰亞胺衍生物PTCDG的結構

2.4 Cd2+離子熒光探針的應用

鎘是人體非必需元素，Cd2+是眾所周知的毒性金屬離子，在自然界中經常以化合物形式存在，當環境受到鎘污染時，通過食物鏈進入體內，鎘就會在生物體內富集，在體內形成鎘硫蛋白，選擇性地蓄積在肝、腎中而引起人體慢性中毒。Cd2+可在體內積累10年以上，嚴重時會造成肺、腎臟、肝等器官的損傷。王麗華課題組[13]研究了苝酰亞胺衍生物熒光探針在不同pH下選擇性檢測不同的金屬離子，研究發現在pH 9.0時可檢測Cd2+，檢出范圍為0.1～50 umol/L，最低檢出限為48 nmol/L；在pH 6.0～7.0范圍內檢測Zn2+，檢出范圍為0.1～40 umol/L，最低檢測限達32 nmol/L。結果證明該檢測方法選擇性高、靈敏度強、容易操作，非常適合快速分別檢測Cd2+和Zn2+。該熒光探針實現了在不同pH下對Cd2+和Zn2+兩種金屬離子的雙重測定，使簡單的調節pH值這種方法就可以實現金屬離子的檢測。

3 結論與展望

苝酰亞胺衍生物熒光材料由于其特有的π-π共軛體系，通過在苝酰亞胺的苝灣處引入吸電子基、主鏈引入供電子基進行結構修飾，修飾后的苝酰亞胺衍生物共平面性強、利于產生較強熒光。而后使之與不同的金屬離子特異性結合，產生不同的熒光性質，確定特征金屬離子，準確實現金屬離子識別。本文綜述了近幾年來國內外學者對苝酰亞胺化合物在熒光探針方面的研究，著重介紹了其在Hg2+、Cu2+、Pb2+、Cd2+等金屬離子的檢測，這些金屬離子熒光探針靈敏度高、操作簡便、檢測限低，但是如何更好地優化熒光探針的性能，對推進其在醫療衛生、環境檢測等領域的應用具有重大意義。預測大量基于PDIs的金屬離子熒光探針及其工業化檢測技術將在未來得到更好的發展。