香豆素類氰離子熒光探針研究進(jìn)展

安國(guó)策

(中國(guó)刑事警察學(xué)院法化學(xué)系，遼寧 沈陽 110854)

氰離子有很大的毒性，在很低的濃度下就可以對(duì)有機(jī)體造成很大的損害，造成人體組織中毒性缺氧和死亡。世界衛(wèi)生組織規(guī)定，飲用水中的氰離子含量最大濃度為1.9×10-6M，血液中氰離子濃度達(dá)到2.0×10-5M會(huì)產(chǎn)生中毒。盡管氰離子具有很大毒性，但仍然在環(huán)境及自然界中廣泛存在。氰離子被大量用于電鍍、造紙、紡織、采金、合成樹脂等工業(yè)生產(chǎn)中。青豆、杏仁、木薯等天然物質(zhì)以及桃子、蘋果等水果的種子在腐敗的過程中也會(huì)釋放氰離子。因此，開發(fā)一種快速、靈敏的氰離子檢測(cè)技術(shù)具有重要的意義。氰離子的傳統(tǒng)檢測(cè)方法有色譜分析法、電位測(cè)定法、伏安法等，但這些方法具有儀器昂貴、操作復(fù)雜等缺點(diǎn)。香豆素是一種具有優(yōu)良光學(xué)物理性質(zhì)的熒光染料。香豆素染料分子中電荷轉(zhuǎn)移的變化可以使熒光從紫外可見區(qū)到近紅外光譜區(qū)的寬區(qū)間內(nèi)產(chǎn)生明顯變化。香豆素類熒光探針具有方法簡(jiǎn)單、成本低、靈敏度高、響應(yīng)快速、現(xiàn)象變化明顯等優(yōu)點(diǎn)。近年來，越來越多的科學(xué)家設(shè)計(jì)開發(fā)香豆素類熒光探針來實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境及細(xì)胞組織中氰離子的快速、痕量檢測(cè)[1]。

氰離子具有自身獨(dú)特的物理化學(xué)性質(zhì)：氰離子中的氮原子具有大電負(fù)性，可以與羥基、亞氨基等形成分子內(nèi)氫鍵；氰離子具有強(qiáng)親核性，可以對(duì)不飽和雙鍵發(fā)生親核加成；氰離子可以與二價(jià)銅離子、鎳離子形成金屬絡(luò)合物，取代某些熒光分子中的金屬陽離子[2]。根據(jù)氰離子的性質(zhì)，文章將香豆素類氰離子熒光探針分為基于氫鍵的香豆素類氰離子熒光探針、基于加成反應(yīng)的香豆素類氰離子熒光探針、基于取代反應(yīng)的香豆素類氰離子熒光探針三個(gè)部分對(duì)近幾年的文獻(xiàn)進(jìn)行了綜述。

1 基于氫鍵的香豆素類氰離子熒光探針

圖1 基于氫鍵的熒光探針1

2016年Hongwei Wu等[3]合成了一種香豆素類熒光探針1，該探針分子可以與氰離子發(fā)生氫鍵作用，從而識(shí)別氰離子。向探針分子的四氫呋喃溶液中加入氰離子，溶液由無色變?yōu)樯钏{(lán)色。350 nm激發(fā)光下，氰離子：探針分子≤3時(shí)，隨著氰離子濃度的逐漸增加，448 nm下的熒光強(qiáng)度明顯減弱；3<氰離子：探針分子≤5時(shí)，隨著氰離子濃度的逐漸增加，探針分子在435 nm下的熒光強(qiáng)度明顯增強(qiáng)。作者進(jìn)行了探針分子與氰離子的核磁滴定實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)表明，探針分子的NH和CH與氰離子產(chǎn)生了氫鍵。探針分子檢測(cè)氰離子的酸度范圍是pH 4～10，檢出限為6.91×10-6M。

2017年Jing-Han Hu等[4]合成了一種基于分子內(nèi)氫鍵的香豆素類氰離子熒光探針2。在二甲基亞砜/水=3∶7(V/V)的溶液中，探針分子無色、375 nm激發(fā)光下呈現(xiàn)極弱的熒光，向探針分子中加入氰離子，溶液立刻由無色變?yōu)闇\黃色、447 nm下產(chǎn)生強(qiáng)熒光發(fā)射峰，產(chǎn)生明亮的藍(lán)色熒光。核磁、質(zhì)譜、紅外光譜等實(shí)驗(yàn)表明，探針分子內(nèi)的羥基與相鄰的氮原子存在著分子內(nèi)氫鍵，氰離子通過拔氫反應(yīng)破壞了探針分子的分子內(nèi)氫鍵，產(chǎn)生了熒光變化。該探針分子合成簡(jiǎn)單、低廉、選擇性強(qiáng)、水溶液好，對(duì)氰離子的檢出限為1.69×10-7M。作者還成功將探針分子做成試紙條的形式用以實(shí)際需求中氰離子的快速檢測(cè)。

圖2 基于氫鍵的熒光探針2

2 基于加成反應(yīng)的香豆素類氰離子熒光探針

2018年T Sheshashena Reddy等[5]利用Knoevenagel縮合反應(yīng)設(shè)計(jì)合成了一種帶有兩個(gè)氰基的香豆素類氰離子熒光探針3。向探針分子的四氫呋喃溶液中逐漸加入氰離子，450 nm處的熒光發(fā)射強(qiáng)度逐漸減弱，386 nm處出現(xiàn)新的強(qiáng)熒光發(fā)射峰，443 nm處出現(xiàn)一個(gè)等消光點(diǎn)。氰離子的加入使探針分子的最大熒光發(fā)射峰藍(lán)移，熒光強(qiáng)度增加。核磁實(shí)驗(yàn)表明，氰離子對(duì)探針分子的碳碳雙鍵發(fā)生了親核加成，破壞了熒光分子本身的分子內(nèi)電荷轉(zhuǎn)移，導(dǎo)致了熒光的變化。探針分子具有好的選擇性和靈敏度，對(duì)氰離子的檢出限為1.14×10-8M。

圖3 基于加成反應(yīng)的熒光探針3

2019年Yilin Zhu等[6]合成了一種基于加成反應(yīng)的香豆素類氰離子熒光探針。pH 7.4、磷酸鹽緩沖液/四氫呋喃=1∶4(V/V)作溶劑，向探針分子中加入1.8倍的氰離子，溶液顏色由紅色變?yōu)闊o色，熒光強(qiáng)度增強(qiáng)266倍，由紅色熒光變?yōu)樗{(lán)色熒光。探針對(duì)氰離子的識(shí)別機(jī)理是，氰離子對(duì)探針分子香豆素部分與吡啶部分之間的碳碳雙鍵發(fā)生親核加成，阻斷了原有的分子內(nèi)電荷轉(zhuǎn)移。探針分子的適用酸度范圍是pH 4～10，斯托克斯位移是164 nm，檢出限為1.7×10-10M。該探針還可以用于HeLa 細(xì)胞和A549細(xì)胞中氰離子的熒光成像，木薯根植物組織及PC12 細(xì)胞中內(nèi)源性氰離子的檢測(cè)。基于以上特征，該探針可以作為一種有效的分子來檢測(cè)環(huán)境及生物系統(tǒng)中的氰離子。

圖4 基于加成反應(yīng)的熒光探針4

2019年Cheng Siyao等[7]設(shè)計(jì)合成了一種香豆素類氰離子熒光探針4。作者在探針分子吲哚部分連接上羧酸用以提高了探針分子的水溶性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，探針分子具有很好的水溶性，可以在pH 7.2的純水介質(zhì)中對(duì)氰離子進(jìn)行選擇性識(shí)別。檢出限為4.44×10-7M。向探針分子的水溶液中加入氰離子，氰離子對(duì)探針分子吲哚部位的碳氮雙鍵發(fā)生親核加成，探針分子的分子內(nèi)電荷轉(zhuǎn)移效應(yīng)受阻，產(chǎn)生熒光淬滅，可見光下溶液顏色由藍(lán)色變?yōu)闊o色。細(xì)胞實(shí)驗(yàn)還表明，該探針分子具有高細(xì)胞膜滲透性和低細(xì)胞毒性，可以用于生物體系中氰離子的檢測(cè)。

圖5 基于加成反應(yīng)的熒光探針5

3 基于取代反應(yīng)的香豆素類氰離子熒光探針

圖6 基于取代反應(yīng)的熒光探針6

2015年Kangnan Wang等[8]以7-N,N-二乙胺香豆素-3-甲酰氯、2-氨-氮-甲基-苯并噻唑啉為起始原料，二甲基亞砜作溶劑，-4 ℃氮?dú)獗Ｗo(hù)下，制得了一種可以通過取代反應(yīng)識(shí)別氰離子的香豆素類熒光探針6。探針的乙腈溶液在472 nm下有藍(lán)色強(qiáng)熒光，單獨(dú)向探針中加入氰離子，探針的紫外吸收及熒光強(qiáng)度無變化，說明探針沒有與氰離子產(chǎn)生氫鍵作用及加成反應(yīng)。向探針中加入銅離子，472 nm下，熒光強(qiáng)度明顯變?nèi)酰偌尤肭桦x子，熒光增強(qiáng)回到原始強(qiáng)度。說明氰離子通過取代探針6與銅離子反應(yīng)產(chǎn)生的絡(luò)合物中的銅離子從而被探針分子所識(shí)別。探針分子對(duì)氰離子的檢出限是1.93×10-9M。

2019年Kai Wang等[9]設(shè)計(jì)合成了一種基于取代反應(yīng)的可逆的香豆素類氰離子熒光探針7。探針分子的熒光發(fā)射峰位于680 nm，斯托克斯位移高達(dá)145 nm，對(duì)氰離子的檢出限是1.29×10-6M。pH 7.4、含有50%乙腈的磷酸鹽緩沖液中，探針分子為玫瑰紅色，有熒光，探針分子可以與二價(jià)鎳離子以2∶1的比例反應(yīng)，反應(yīng)后變?yōu)樯詈稚l(fā)生熒光淬滅。向絡(luò)合物中加入氰離子，氰離子與絡(luò)合物中的二價(jià)鎳離子發(fā)生取代反應(yīng)，形成配合物，探針的顏色和熒光強(qiáng)度回到原始狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)氰離子的可逆性識(shí)別。

圖7 基于取代反應(yīng)的熒光探針7

4 結(jié) 語

香豆素染料具有優(yōu)良的光學(xué)物理性質(zhì)，近幾年來科技工作者們根據(jù)氰離子的強(qiáng)親核性、與金屬陽離子絡(luò)合、氰離子中氮原子的大電負(fù)性這些獨(dú)特的化學(xué)性質(zhì)設(shè)計(jì)分子反應(yīng)位點(diǎn)，將反應(yīng)位點(diǎn)與香豆素連接，設(shè)計(jì)合成新型的熒光探針分子，實(shí)現(xiàn)對(duì)氰離子的快速檢測(cè)。開發(fā)的香豆素類氰離子熒光探針靈敏度高、選擇性好、操作簡(jiǎn)單。隨著科研工作的不斷深入，兼?zhèn)渚哂袃?yōu)良水溶性、大pH適用范圍、細(xì)胞膜滲透性、低細(xì)胞毒性的氰離子熒光探針亟待科學(xué)家們進(jìn)一步開發(fā)，以提高探針分子在環(huán)境檢測(cè)、細(xì)胞成像等領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用。