田娟,陳彪,呂浩,吳志兵
(貴州大學(xué) 精細化工研究開發(fā)中心,貴州 貴陽 550025)
陽離子廣泛存在于自然界中,一些陽離子在許多生理過程中起到了重要的作用,如鐵離子可作為血紅蛋白中氧氣的載體,并在許多酶反應(yīng)中起輔助作用,還有一些陽離子(如汞、鉻等)在很低的濃度時就對生物體具有極強的毒性,并是重要的環(huán)境污染物[1-4]。因此,對陽離子的識別和檢測在生命科學(xué)、環(huán)境科學(xué)等領(lǐng)域中占有重要地位。傳統(tǒng)的陽離子檢測方法主要有高效液相層析法、質(zhì)譜分析法、原子吸收光譜法、電感耦合等離子原子發(fā)射光譜法等[5-8],但都需要使用昂貴的儀器,并要準備大量的樣品。近年來,由于熒光分子探針具有響應(yīng)快速、選擇性高、靈敏度高等優(yōu)點,因此成為檢測陽離子最方便快捷的方法[9-11]。熒光分子探針的設(shè)計原理主要包括以下幾類:光誘導(dǎo)電子轉(zhuǎn)移(PET)[12-13]、分子內(nèi)電荷轉(zhuǎn)移(ICT)[14-15]、單體-激基締合物[16-17]、熒光共振能量轉(zhuǎn)移(FRET)[18-20]。其中,熒光共振能量轉(zhuǎn)移由于其高的靈敏度及較大的斯托克斯位移而備受人們關(guān)注。
熒光共振能量轉(zhuǎn)移是指當一對合適的物質(zhì)構(gòu)成一個能量供體和能量受體,當兩者相隔距離在1.0~10.0 nm,并且供體的發(fā)射光譜與受體的吸收光譜能有效地重疊,以供體的激發(fā)光激發(fā),供體分子由基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)之后,由于偶極-偶極相互作用,供體分子激發(fā)態(tài)能量就有可能以非輻射的形式有效地被傳遞至受體分子,而后受體分子通過發(fā)射出光子而弛豫,這就是熒光共振能量轉(zhuǎn)移過程[21]。常見的熒光團主要有羅丹明、香豆素、熒光素、蒽、芘、萘酰亞胺等,其中羅丹明具有高的消光系數(shù),較高的熒光量子產(chǎn)率,螺內(nèi)酰胺開環(huán)會產(chǎn)生熒光大幅增強的off-on 過程,是一類非常好的熒光染料及FRET 受體;而1,8-萘酰亞胺具有好的穩(wěn)定性、高熒光量子產(chǎn)率、在4 位和亞胺上易進行結(jié)構(gòu)修飾等優(yōu)點,是一類重要的熒光團和FRET 供體;且1,8-萘酰亞胺的發(fā)射光譜能與羅丹明的吸收光譜有效的重疊,故萘酰亞胺-羅丹明成為受人矚目的能量供體-受體對[22-25]。
本文根據(jù)與不同陽離子的作用進行分類,綜述了近年來國內(nèi)外基于1,8-萘酰亞胺-羅丹明的FRET機理陽離子探針的研究。
Hg2+具有持久性、易遷移性和高度的生物富集性,這使其成為目前全球最引人關(guān)注的環(huán)境污染物之一[26]。正是因為Hg2+存在高毒性,因此開發(fā)研制成本低、響應(yīng)快、易實現(xiàn)、能應(yīng)用于自然環(huán)境和生物體系的新型Hg2+檢測手段顯得尤為重要。
Guo 等[27]以硫脲為連接基團,合成FRET 機理的Hg2+比率熒光分子探針(1)。在探針的甲醇緩沖溶液(10 mmol/L Tris-HCl,2 ∶1,V/V,pH 7.0)中加入Hg2+后,發(fā)生熒光共振能量轉(zhuǎn)移使羅丹明開環(huán),形成1,3,4-噁二唑環(huán)(見圖1),熒光輻射從540 nm紅移到585 nm,熒光輻射增強65 倍,同時溶液顏色由無色變?yōu)榧t色,能量轉(zhuǎn)移效率達到86.3%。熒光滴定實驗證明,熒光輻射強度和Hg2+濃度在2 ~10 μmol/L、0.3 ~1 μmol/L 和0.03 ~0.08 μmol/L范圍內(nèi)均呈現(xiàn)出較好的線性關(guān)系,具有極高的靈敏度。該探針可在pH 5.7 ~11.0 范圍內(nèi)實現(xiàn)Hg2+檢測,除了Ag+和Cu2+對Hg2+檢測具有微弱的影響外,其他金屬離子均無干擾。
圖1 探針(1)與Hg2+的反應(yīng)機理圖Fig.1 The response mechanism of (1)+ Hg2+
Mahato 等[28]設(shè)計了一個可檢測Hg2+和Cr3+的雙探針分子(2)。在探針的乙腈緩沖溶液(1 mmol/L HEPES,1 ∶1,V/V,pH 7.2)中加入Hg2+或Cr3+,發(fā)生FRET 過程(見圖2),561 nm 處出現(xiàn)新的吸收峰,583 nm 處出現(xiàn)強的羅丹明的發(fā)射峰,溶液顏色由無色變?yōu)榉奂t色,熒光顏色由黃色變?yōu)榧t色。有趣的是在Hg2+的粉紅色溶液中加入過量的KI,生成HgI2,溶液顏色消失,繼續(xù)在此混合溶液中加入Cr3+,溶液又變回粉紅色,因此在有過量KI 存在時,探針(2)對Cr3+具有較好的選擇性,其他金屬離子不產(chǎn)生干擾。Job 曲線表明,探針與Hg2+或Cr3+以1 ∶1 結(jié)合。熒光滴定實驗證明,探針與Hg2+或Cr3+的結(jié)合常數(shù)分別為(1. 09 ±0. 02)×105L/mol 和(1.12 ±0.01)×105L/mol,熒光輻射強度比值F583/F533分別增強25.1 和22.75 倍。探針可用于A431細胞中Hg2+和Cr3+的顯影成像研究。
圖2 探針(2)與Hg2+絡(luò)合結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 The structure of (2)+ Hg2+ complex
Luxami 等[29]報道了一個基于FRET 機理的可逆的熒光分子探針(3)。在空白探針溶液中加入汞離子,可使羅丹明開環(huán)產(chǎn)生熒光,585 nm 處的熒光輻射增強了140 倍,熒光顏色由藍色變?yōu)榧t色,而再在其中加入KI 或生物硫醇(如半胱氨酸)時,又會發(fā)生可逆的FRET 現(xiàn)象,使羅丹明閉環(huán),萘酰亞胺恢復(fù)熒光(見圖3)。選擇性實驗表明,除銅離子可誘導(dǎo)探針(3)有微弱的熒光增強外,其他金屬離子無干擾。此外,探針(3)可以選擇性的檢測小麥樣品中的生物硫醇。
圖3 探針(3)與Hg2+絡(luò)合結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 The structure of (3)+ Hg2+ complex
Li 等[30]設(shè)計了可用于Hela 細胞內(nèi)Al3+分布顯影成像研究的探針(4)。在pH 6.0 ~8.0,加入Al3+后,發(fā)生FRET 過程,羅丹明開環(huán)(見圖4),該化合物在580 nm 處熒光增強,熒光強度比值F580/F530增強11 倍從0.42 增大至4.88,溶液由無色變?yōu)榉奂t色。Al3+在0. 1 ~50 μmol/L 的 濃 度 范 圍 內(nèi),10 μmol/L的探針(4)溶液對Al3+的檢出限為0.1 μmol/L。探針與Al3+形成1 ∶1 絡(luò)合,絡(luò)合常數(shù)為7.5 ×104L/mol。選擇性實驗表明,除了Mn2+有極小的影響外,其他金屬離子無干擾。
圖4 探針(4)與Al3+絡(luò)合結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 The structure of (4)+ Al3+ complex
近年來,F(xiàn)e3+熒光探針研發(fā)突飛猛進,在設(shè)計探針分子的過程中,1,8-萘酰亞胺和羅丹明熒光團受到了特別的關(guān)注。Thennarasu 等[31]基于FRET 機理,設(shè)計了對Fe3+具有高度選擇性的熒光分子探針(5)。當向該探針的乙腈緩沖溶液(V ∶V =1 ∶1,0.01 mol/L Tris-HCl,pH 7.4)中加入Fe3+,誘導(dǎo)能量從萘酰亞胺轉(zhuǎn)移到羅丹明,使羅丹明開環(huán)(見圖5),最大吸收波長從415 nm 紅移到560 nm,吸光度增強了458 倍,熒光輻射從532 nm 紅移到580 nm,溶液由淺黃色變?yōu)榉奂t色。Job 曲線表明,探針與Fe3+為1 ∶1 絡(luò)合。探針(1)的熒光輻射強度與鐵離子的濃度在0.05 ~10 μmol/L 范圍內(nèi)呈線性關(guān)系,F(xiàn)e3+的最低檢出限達到3 ×10-9,并且探針可用于NIT 3T3 細胞內(nèi)Fe3+的顯影檢測。
圖5 探針(5)與Fe3+絡(luò)合結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 The structure of (5)+ Fe3+ complex
Yi 等[32]首次報道了一個可用于檢測活細胞內(nèi)Sn4+的熒光分子探針(6)(見圖6)。向探針溶液中分別加入Sn4+、Cu2+和Cr3+時,1 min 內(nèi)溶液由淺黃色變?yōu)榧t色,在555 nm 處出現(xiàn)最大吸收峰,熒光輻射從523 nm 紅移到580 nm,輻射光從淺黃色變?yōu)殚冱S色,而其他金屬離子基本不產(chǎn)生干擾。然而把EDTA 加入(6)+ M(M = Sn4+、Cu2+和Cr3+)溶液中,30 min 內(nèi)絡(luò)合體(6)+Sn4+的橘黃色熒光部分褪色,恢復(fù)到原始的淺黃色,而絡(luò)合體(6)+Cu2+和(6)+Cr3+則沒有變化,因此該探針可用于實時監(jiān)控細胞和生物體內(nèi)的Sn4+。運用紫外可見吸收法,該探針對Sn4+的檢出限為11 μmol/L。
圖6 探針(6)與Sn4+絡(luò)合結(jié)構(gòu)示意圖Fig.6 The structure of (6)+ Sn4+ complex
Li 等[33]基于FRET 機理設(shè)計了一個能與Cr3+進行多位點結(jié)合的熒光分子探針(7)。探針溶液(C2H5OH/H2O,V/V =2 ∶1)中加入Cr3+后,能量從萘酰亞胺轉(zhuǎn)移到羅丹明,誘導(dǎo)羅丹明開環(huán)(見圖7),在568 nm 處出現(xiàn)新的吸收峰,并伴隨著溶液顏色由淺黃色變?yōu)殚偌t色。熒光輻射強度比值F592/F544增強7.6 倍從0.77 增大至5.63,探針與Cr3+形成1∶1 絡(luò)合物,絡(luò)合常數(shù)為9.4 ×103L/mol。該探針對Cr3+體現(xiàn)出很好的選擇性,除Mn2+、Ag+和Al3+能誘導(dǎo)探針產(chǎn)生輕微的熒光猝滅或增強外,其他金屬離子均無干擾,可用于Hela 細胞中Cr3+的顯影成像研究。
圖7 探針(7)與Cr3+絡(luò)合結(jié)構(gòu)示意圖Fig.7 The structure of (7)+ Cr3+ complex
圖8 探針(8)與H +絡(luò)合結(jié)構(gòu)示意圖Fig.8 The structure of (8)+ H +complex
Bojinov 等[34]以4-(N-甲基哌嗪基)-1,8-萘酰亞胺和羅丹明6G 為能量供受體對,設(shè)計合成了一個基于FRET 機理的pH 探針(8)。當pH 為8.2 時,由于哌嗪上的N-氨基對1,8-萘酰亞胺的PET 效應(yīng),在水-DMF(4 ∶1,V/V)溶液中以390 nm 為激發(fā)波長激發(fā)1,8-萘酰亞胺,探針只在514 nm 處出現(xiàn)1,8-萘酰亞胺的弱的輻射峰,隨著溶液的酸性增強,當pH為2.5 時,PET 效應(yīng)受到抑制,羅丹明開環(huán)(見圖8),在522 nm 處出現(xiàn)新的吸收峰,并在562 nm 處出現(xiàn)強的輻射峰,熒光增強43 倍,能量傳遞效率達到97%。
Bojinov 等[35]以羅丹明6G 為核心,在其周邊引入聚酰胺-胺型樹枝狀結(jié)構(gòu),合成了2 個pH 探針(9)和(10)。當pH >5 時,羅丹明處于閉環(huán)狀態(tài),體系為無色,1,8-萘酰亞胺由于分子內(nèi)電荷轉(zhuǎn)移效應(yīng),在380 ~530 nm 有吸收。當pH 2 ~5 時,能量從1,8-萘酰亞胺轉(zhuǎn)移到羅丹明,發(fā)生FRET 過程,使羅丹明開環(huán),在534 nm 處出現(xiàn)新的吸收峰,因為探針(10)比探針(9)多2 個能量供體,故534 nm 處的吸光度比探針(9)強2 倍,且在560 nm 處羅丹明的輻射區(qū)內(nèi),探針(10)和探針(9)的輻射強度各增強了10 倍。
圖9 不同pH 時探針(11)與H +絡(luò)合結(jié)構(gòu)示意圖Fig.9 The structure of (11)+ H +complex at different pH
同年,該課題組基于同樣的結(jié)構(gòu),將1,8-萘酰 亞胺4 位上的烷基胺換成哌嗪基[36],合成了一個含捕光天線的pH 探針(11)。在堿性溶液中,探針哌嗪三級胺上的電子向1,8-萘酰亞胺轉(zhuǎn)移,發(fā)生PET效應(yīng),使體系熒光猝滅。當溶液pH 2 ~6 時,在510 nm 處激發(fā)1,8-萘酰亞胺,發(fā)生熒光共振能量轉(zhuǎn)移,使羅丹明開環(huán),探針在560 nm 處出現(xiàn)強的輻射峰(見圖9),且能量轉(zhuǎn)移效率為91%。選擇性實驗表明,在羅丹明輻射區(qū)內(nèi)過渡金屬離子基本無干擾。
Fan 等[37]基于FRET 機理以同樣的能量供受體對合成了比率型pH 探針(12)。當pH 為2.00 ~7.20 時,隨著酸性的增強,能量從萘酰亞胺轉(zhuǎn)移到羅丹明,使羅丹明開環(huán),538 nm 處萘酰亞胺的輻射峰逐漸減弱,580 nm 處出現(xiàn)新峰,強度逐漸增大,該峰為羅丹明的特征峰,能量傳遞效率為72%。選擇性實驗表明,不同的金屬離子和氨基酸不干擾H+的檢測,該探針對H+具有極高的選擇性,可與MCF-7 細胞內(nèi)的溶酶體結(jié)合,用于pH 顯像。
基于1,8-萘酰亞胺-羅丹明的FRET 機理陽離子探針具有裸眼識別、響應(yīng)快、選擇性高等優(yōu)點,通過不同的橋接基團引入多樣化的識別基團,并在1,8-萘酰亞胺的四位或亞胺上引入不同的取代基,可實現(xiàn)對陽離子的選擇性識別和檢測。盡管部分性質(zhì)優(yōu)秀的探針已經(jīng)成功應(yīng)用于活細胞的顯影成像,但是進一步優(yōu)化已有探針的性能,推進其在生命科學(xué)、環(huán)境科學(xué)等領(lǐng)域的實際應(yīng)用,開發(fā)新型的具有選擇性好、對生物體副作用小和對環(huán)境友好的熒光分子探針仍是該項研究的重點和難點。
[1] Yoon S,Albers A E,Won A P,et al. Screening mercury levels in fish with a selective fluorescent chemosensor[J].J Am Chem Soc,2005,127(46):16030-16031.
[2] Maity D,Govindaraju T. Naphthaldehyde-urea/thioureaconjugates as turn-on fluorescent probes for Al3+based on restricted C N isomerization[J]. Eur J Inorg Chem,2011(36):5479-5485.
[3] Tang L,Li Y,Nandhakumar R,et al. An unprecedented rhodamine-based fluorescent and colorimetric chemosensor for Fe3+in aqueous media[J].Monatsh Chem,2010,141:615-620.
[4] Wang M,Wang J,Xue W,et al.A benzimidazole-based ratiometric fluorescent sensor for Cr3+and Fe3+in aqueous solution[J].Dyes Pigm,2013,97(3):475-480.
[5] Townsend A T,Miller K A,Mclean S,et al.The determination of copper,zinc,cadmium and lead in urine by high resolution ICP-MS[J]. J Anal At Spectrom,1998,13:1213-1219.
[6] Reddi G S,Rao C R M.Analytical techniques for the determination of precious metals in geological and related materials[J].Analyst,1999,124:1531-1540.
[7] Li Y,Chen C,Li B,et al.Elimination efficiency of different reagents for the memory effect of mercury using ICPMS[J].J Anal At Spectrom,2006,21:94-96.
[8] Leermakers M,Baeyens W,Quevauviller P,et al.Mercury in environmental samples:Speciation,artifacts and validation[J].Trends Anal Chem,2005,24:383-393.
[9] Xu Z,Kim S K,Yoon J. Revisit to imidazolium receptors for the recognition of anions:Highlighted research during 2006 ~2009[J].Chem Soc Rev,2010,39:1457-1466.
[10]Chen X,Zhou Y,Peng X,et al.Fluorescent and colorimetric probes for detection of thiols[J]. Chem Soc Rev,2010,39:2120-2135.
[11]Zhou Y,Xu Z,Yoon J.Fluorescent and colorimetric chemosensors for detection of nucleotides,F(xiàn)AD and NADH:Highlighted research during 2004 ~2010[J]. Chem Soc Rev,2011,40:2222-2235.
[12] Veale E B,Kitchen J A,Gunnlaugsson T. Fluorescent tren-based 4-amino-1,8-naphthalimide sensor for Cu(II)based on the use of the (fluorophore-spacer-receptor)photoinduced electron transfer (PET)principle[J]. Supramol Chem,2013,25(2):101-108.
[13]Voutsadaki S,Tsikalas G K,Klontzas E,et al. A“turnon”coumarin-based fluorescent sensor with high selectivity for mercury ions in aqueous media[J]. Chem Commun,2010,46:3292-3294.
[14] Mu H,Gong R,Ren L,et al. An intramolecular charge transfer fluorescent probe:Synthesis and selective fluorescent sensing of Ag+[J].Spectrochim Acta Part A,2008,70(4):923-928.
[15]Veale E B,Gunnlaugsson T,Kruger P E,et al.Demonstration of bidirectional photoinduced electron transfer (PET)sensing in 4-amino-1,8-naphthalimide based thiourea anion sensors[J].Org Biomol Chem,2009,7:3447-3454.
[16]Chen J,Liao D,Wang Y,et al.Real-time fluorometric assay for acetylcholinesterase activity and inhibitor screening through the pyrene probe monomer-excimer transition[J].Org Lett,2013,15(9):2132-2135.
[17]Cho Y,Lee S K,Lee J W,et al.Reaction-based Hg2+signaling by excimer-monomer switching of a bis-pyrene dithioacetal[J]. Tetrahedron Lett,2013,54(39):5341-5344.
[18]Zhou Y,Chu K,Zhen H,et al. Visualizing Hg2+ions in living cells using a FRET-based fluorescent sensor[J].Spectrochim Acta Part A,2013,106:197-202.
[19]Yuan L,Lin W,Zheng K,et al. FRET-based small-molecule fluorescent probes:Rational design and bioimaging applications[J]. Acc Chem Res,2013,46(7):1462-1473.
[20] Chen Q,Zhang X,Sun Y,et al. Highly sensitive fluorescent protein FRET detection using optofluidic lasers[J].Lab Chip,2013,13:2679-2681.
[21]喬麗.基于羅丹明及萘酰亞胺衍生物的新型陽離子熒光分子探針的設(shè)計與合成[D].長沙:湖南大學(xué),2009:5.
[22]Kim H N,Lee M H,Kim H J,et al.A new trend in rhodamine-based chemosensors:Application of spirolactam ring-opening to sensing ions[J]. Chem Soc Rev,2008,37:1465-1472.
[23]Beija M,Afonso C A M,Martinho J M G. Synthesis and applications of rhodamine derivatives as fluorescent probes[J].Chem Soc Rev,2009,38:2410-2433.
[24]Liu B,Tian H.A selective fluorescent ratiometric chemodosimeter for mercury ion[J]. Chem Commun,2005,3156-3158.
[25] Liu B,Tian H. A ratiometric fluorescent chemosensor for fluoride ions based on a proton transfer signaling mechanism[J].J Mater Chem,2005,15:2681-2686.
[26]Zhao Q,Cao T Y,Li F Y,et al. A highly selective and multisignaling optical-electrochemical sensor for Hg2+based on a phosphorescent iridium (III)complex[J].Organometallics,2007,26(8):2077-2081.
[27]Liu Y,Lü X,Zhao Y. A naphthalimideerhodamine ratiometric fluorescent probe for Hg2+based on fluorescence resonance energy transfer[J].Dyes Pigm,2012,92:909-915.
[28]Mahato P,Saha S,Suresh E,et al.Ratiometric detection of Cr3+and Hg2+by a naphthalimide-rhodamine based fluorescent probe[J].Inorg Chem,2012,51(3):1769-1777.
[29]Luxami V,Verma M,Rani R,et al.FRET-based ratiometric detection of Hg2+and biothiols using naphthalimiderhodamine dyads[J]. Org Biomol Chem,2012,10:8076-8081.
[30]Li C Y,Zhou Y,Li Y F,et al.Efficient FRET-based colorimetric and ratiometric fluorescent chemosensor for Al3+in living cells[J].Sen Actuators B,2013,186:360-366.
[31]Chereddy N R,Thennarasu S,Mandal A B. A highly selective and efficient single molecular FRET based sensor for ratiometric detection of Fe3+ions[J]. Analyst,2013,138:1334-1337.
[32]Wang Q,Li C,Zou Y,et al. A highly selective fluorescence sensor for Tin (Sn4+)and its application in imaging live cells[J]. Org Biomol Chem,2012,10:6740-6746.
[33]Zhou Z G,Yu M X,Yang H.FRET-based sensor for imaging chromium (III)in living cells[J].Chem Commun,2008,3387-3389.
[34]Bojinov V,Venkova A,Georgiev N.Synthesis and energytransfer properties of fluorescence sensing bichromophoric system based on Rhodamine 6G and 1,8-naphthalimide[J].Sens Actuators B,2009,143(1):42-49.
[35]Georgiev N,Bojinov V,Venkova A.Design,synthesis and pH sensing properties of novel PAMAM light-harvesting dendrons based on rodamine 6G and 1,8-naphthalimide[J].J Fluoresc,2013,23(3):459-471.
[36]Georgiev N,Asiri A,Bojinov V,et al.A pH sensitive and selective ratiometric PAMAM wavelength-shifting bichromophoric system based on PET,F(xiàn)RET and ICT[J].Dyes Pigm,2014,102:35-45.
[37]Fan J,Lin C,Li H,et al.A ratiometric lysosomal pH chemosensor based on fluorescence resonance energy transfer[J].Dyes Pigm,2013,99(3):620-626.