劉 暢，劉聰聰，鄭 勤，張玉坤，徐 濤，付麗娜

(黃河科技學(xué)院 醫(yī)學(xué)院，河南 鄭州 450063)

熒光分析，這種光致發(fā)光分析方法早在十九世紀六十年代就已經(jīng)出現(xiàn)，技術(shù)較為成熟，由于它選擇性好、靈敏度高、操作簡便，目前已經(jīng)在食品行業(yè)、醫(yī)藥衛(wèi)生、環(huán)境檢測等方面獲得了廣泛的關(guān)注和應(yīng)用[1]。苝酰亞胺衍生物結(jié)構(gòu)中具有π-π共軛體系，電子親和能高、電荷傳導(dǎo)能力優(yōu)異，是一類具有強烈熒光的缺電子分子，完整的共軛結(jié)構(gòu)使其光、熱、化學(xué)穩(wěn)定性更加突出，苝酰亞胺衍生物的熒光量子產(chǎn)率接近于100%，且熒光壽命較長，也是一種較優(yōu)異的n型材料，已經(jīng)在有機場效應(yīng)晶體管、太陽能電池等方面發(fā)揮了重要作用。由于苝酰亞胺衍生物的熒光量子產(chǎn)率較高，對從可見光區(qū)到紅外光區(qū)均有較強吸收，色彩豐富、熒光強烈。近年來，苝酰亞胺衍生物在熒光探針方面飛速發(fā)展，尤其是在pH熒光開關(guān)、金屬離子檢測、生物分子檢測和細胞成像等方面顯示出廣闊的應(yīng)用前景[2]。

1 pH熒光探針

pH熒光探針是常見的一種分子探針，隨著pH值的改變，一些有機化合物的吸光或熒光性質(zhì)可用來指示目標介質(zhì)中酸堿性的改變。這種基于熒光信號的變化而建立的pH測定方法，彌補了傳統(tǒng)玻璃電極中的一些不足，并受到了廣泛的關(guān)注。pH熒光探針由于具有靈敏度高、靈活度高、操作簡便等優(yōu)點[3]，已廣泛應(yīng)用于分析化學(xué)、醫(yī)學(xué)、生物分析和細胞生物學(xué)等領(lǐng)域。pH值的改變會對π-π共軛體系的電子效應(yīng)產(chǎn)生影響，并進一步導(dǎo)致其可見吸收光譜和熒光發(fā)射光譜發(fā)生顯著變化?；谄p酰亞胺衍生物較大的共軛體系，馬永山等[4]人設(shè)計并合成了多種苝酰亞胺衍生物，由于結(jié)構(gòu)中具有親水性的羧基基團，能夠快速的對不同的pH溶液進行響應(yīng)，使得pH熒光探針得到了實際應(yīng)用。pH熒光探針對pH響應(yīng)靈敏度高、操作簡單，將帶有胺基的苝酰亞胺類熒光材料開發(fā)作為pH熒光探針具有重要的應(yīng)用價值和廣闊的發(fā)展前景。

最新醫(yī)學(xué)研究表明，生物體細胞內(nèi)的pH值是影響生命過程的一個重要參數(shù)，適宜的pH是保持人體正常生理活動的重要指標，對細胞的新陳代謝有顯著影響。pH值與機體內(nèi)細胞增值和凋亡、細胞內(nèi)穩(wěn)態(tài)、酶活動還有細胞內(nèi)吞作用等是密切相關(guān)的。正常情況下，機體組織的細胞內(nèi)pH值維持在7.2～7.4，機體內(nèi)pH值的變化通常會導(dǎo)致酶的活性降低甚至失活。如果機體細胞內(nèi)的pH值分布不均勻，溶酶體呈現(xiàn)弱酸性，細胞質(zhì)則呈現(xiàn)為弱堿性(pH7.2)，健康細胞質(zhì)和細胞器內(nèi)pH值的平衡如果被破壞或輕微改變，就會對生物體造成巨大的危害，可能還會誘發(fā)癌癥、神經(jīng)疾病或內(nèi)分泌紊亂等問題。據(jù)相關(guān)研究報道，癌細胞中的pH會比正常細胞更容易發(fā)生明顯的增大或減小，而這種pH的差異可為識別癌癥提供一種新途徑，可將此變化作為腫瘤細胞的標識指標[5]。因此，設(shè)計并發(fā)展一種由pH變化進行定量和成像分析的方法來監(jiān)測細胞內(nèi)pH值的變化具有重要的意義。

生物體細胞內(nèi)pH是影響其生命過程的一個重要參數(shù)，與細胞的增值和凋亡、離子傳輸、細胞內(nèi)穩(wěn)態(tài)、酶活動、藥物抗體，以及細胞內(nèi)吞作用等密切相關(guān)。馬永山研究了帶有羧基取代基的苝酰亞胺衍生物(圖1)[4]，成功構(gòu)建了一種pH熒光“開-關(guān)”。該類苝酰亞胺衍生物是苝灣骨架和直鏈含有羧基的結(jié)構(gòu)，具有親脂和親水性的特點，更容易滲透到生物體細胞內(nèi)，具有檢測生物體組織內(nèi)pH的無限可能。在對水溶液中化合物的熒光進行研究時發(fā)現(xiàn)，其熒光強度對pH有著強烈的依賴性，隨著pH的降低，熒光強度逐漸降低，特別是pH為6.3～3.8之間，熒光強度前后對比特別顯著，后者熒光強度是前者的30倍以上，而且該熒光“開關(guān)”可通過在溶液中加入“H+”或“OH-”實現(xiàn)幾乎瞬間的可逆。苝酰亞胺衍生物還可以更好地檢測吸收光譜對熒光光譜的干擾，提高測試的靈敏度和準確性。

圖1 苝酰亞胺衍生物1的結(jié)構(gòu)

2 金屬離子熒光探針

隨著我國工業(yè)生產(chǎn)的迅速發(fā)展，環(huán)境污染問題也愈發(fā)嚴重，尤其是工業(yè)生產(chǎn)導(dǎo)致的金屬離子污染問題，直接威脅到了人們的生命健康。熒光分析方法已成為一種重要的現(xiàn)代分析技術(shù)，在環(huán)境勘測、醫(yī)療衛(wèi)生、生物化學(xué)等眾多領(lǐng)域都取得了重大進展。苝酰亞胺金屬離子熒光探針是使之與不同的金屬離子特異性結(jié)合，產(chǎn)生不同的熒光性質(zhì)，從而對金屬離子實現(xiàn)準確識別，確定特征金屬離子[6]。此過程中，可將分子識別信息轉(zhuǎn)變?yōu)楣庑盘枺瑢⑽⒂^變化轉(zhuǎn)化為宏觀現(xiàn)象，因其成本低廉、靈敏度高、選擇性高、響應(yīng)快、實時分析等優(yōu)點受到了廣泛的關(guān)注。

2.1 鉛離子熒光探針

很多金屬，特別是重金屬，與人體的生理活動、環(huán)境衛(wèi)生、醫(yī)學(xué)疾病等具有密切的關(guān)系。因此，研究選擇性好、靈敏度高、熒光壽命長的苝酰亞胺類金屬離子熒光探針在環(huán)境監(jiān)測及人類健康中具有重要意義。鉛離子是在環(huán)境污染中常見的重金屬，微量的鉛進入人體之后就會對神經(jīng)系統(tǒng)、腎臟、造血系統(tǒng)等造成極大傷害。因此，尋找簡便、高效檢測鉛離子的方法意義重大[7]。目前，常規(guī)檢測鉛離子有原子吸收法、離子色譜法、電化學(xué)法等，但都存在精密度有限、準確度低、干擾因素多、儀器設(shè)備復(fù)雜等缺陷。馬永山等人[8]研究了苝酰亞胺衍生物的熒光性能與Pb2+濃度的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)Pb2+與苝酰亞胺衍生物的熒光發(fā)射峰強度之間存在一定的關(guān)系。Pb2+的存在使得苝酰亞胺衍生物的熒光發(fā)射峰強度減弱，出現(xiàn)顯著變化的是最大發(fā)射波長明顯向短波方向移動。Pb2+濃度增加也伴隨著熒光強度急劇減弱直至熒光淬滅。因此，用苝酰亞胺衍生物作為熒光探針可以準確地實現(xiàn)對金屬離子Pb2+的識別。而其他離子如Cu2+、Fe3+等金屬離子與Pb2+一樣，對苝酰亞胺衍生物的熒光強度存在顯著影響，亦會出現(xiàn)隨著濃度的增加熒光發(fā)射峰強度發(fā)生改變，最大發(fā)射波長出現(xiàn)一定程度的移動。因此，此類化合物可以作為金屬離子熒光探針，準確實現(xiàn)溶液中Pb2+的檢測，靈敏度高、選擇性好、操作簡便。

2.2 鎘離子熒光探針

鎘是人體的非必需元素，也是世界公認的致癌重金屬之一，經(jīng)常會出現(xiàn)在電池、油漆等成分中，在生活中應(yīng)用較為廣泛[9]。但是鎘的半衰期較長，在體內(nèi)能蓄積十年左右，并且濃度較低時也會對機體造成危害，使肺、腎臟、肝等器官造成一定程度的損傷。例如，20世紀中葉，日本富山縣神通川流域出現(xiàn)了工業(yè)廢水排放不當造成的慢性鎘中毒事件，導(dǎo)致當?shù)睾铀?、土壤受到一定程度的污染，使得引發(fā)當?shù)鼐用袷秤煤k稻米造成鎘中毒。據(jù)報道，飲用水中的Cd2+含量需低于0.005 mg/L，每周Cd2+的攝入量應(yīng)小于0.007 mg/kg，因此尋找選擇性高、靈敏度強的檢測方式而準確實現(xiàn)對Cd2+的檢測意義重大。據(jù)研究發(fā)現(xiàn)，苝酰亞胺衍生物在不同的pH條件下選擇性檢測不同金屬離子，在pH 9.0時可以檢測Cd2+，檢出范圍為0.1～50 μmol/L，最低檢出限為 48 nmol/L。結(jié)果顯示，該檢測方法選擇性高、靈敏度強、容易操作，非常適合快速檢測Cd2+。

2.3 鐵離子熒光探針

鐵是構(gòu)成蛋白的重要元素，參與各種細胞水平的生化過程，鐵含量失調(diào)會導(dǎo)致貧血、肝臟、腎臟的損傷及心臟衰竭、帕金森、阿爾茨海默癥等神經(jīng)性系統(tǒng)疾病，鐵在氧代謝、DNA與RNA的電子轉(zhuǎn)移過程中產(chǎn)生非常重要的作用。尤其是Fe3+在維持紅細胞代謝中較為關(guān)鍵，與肝臟、脾臟、骨髓等這些部位的造血功能有一定的關(guān)系，是維持正常紅細胞代謝的關(guān)鍵因素，對機體生命過程產(chǎn)生非常重要的影響。若鐵離子顯著缺乏，經(jīng)常會造成缺鐵性貧血，每天需正常攝入適量的鐵對維持骨髓的造血功能具有較好的作用[10-11]。據(jù)研究報道，苝酰亞胺衍生物能夠使Fe3+引入之后導(dǎo)致熒光顯著增強，靈敏度高、響應(yīng)快速、選擇性好，是很好的鐵離子熒光探針。

3 生物分子熒光探針

脫氧核糖核酸(DeoxyriboNucleic Acid，縮寫為DNA)是生物細胞內(nèi)含有的四種生物大分子之一“核酸”的一種。DNA攜帶有合成RNA和蛋白質(zhì)所必需的遺傳信息，是生物體發(fā)育和正常運作不可缺少的生物大分子。DNA是一類帶有遺傳信息的生物大分子，能夠控制生物機體的各種性狀表現(xiàn)，通過指導(dǎo)蛋白質(zhì)的合成來表達自己所攜帶的遺傳信息。若生物體的正常生理機能受到破壞，如某些部位產(chǎn)生癌變，則會導(dǎo)致體內(nèi)DNA的含量與理化性質(zhì)都相應(yīng)變化。因此準確實現(xiàn)對DNA的檢測，對早期疾病的檢測以及預(yù)防具有重大作用[12-13]。苝酰亞胺衍生物具有共軛大π鍵的基本結(jié)構(gòu)骨架，表現(xiàn)出很強的電荷轉(zhuǎn)移能力，因而可以作為熒光染料有效地標記DNA，用于DNA分子的檢測。

除此之外，ATP在蛋白質(zhì)和脂質(zhì)等生物大分子進出細胞的運輸中起關(guān)鍵作用，是各種生物體、生命現(xiàn)象的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)和功能基礎(chǔ)，在DNA、RNA的合成、細胞信號傳導(dǎo)、肌肉收縮、結(jié)構(gòu)維護等過程中發(fā)揮著不可替代的重要作用。但如果ATP的濃度過高，也可能會產(chǎn)生心血管方面的疾病。因此，可將檢測ATP濃度的高低作為判斷某個生命過程健康與否的一種指標，目前該項目的檢測也受到了社會的廣泛關(guān)注。苝酰亞胺衍生物具有較高的電子親和能和優(yōu)異的電荷傳導(dǎo)能力，光穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性較高，利用苝酰亞胺衍生物醫(yī)用熒光探針進行快速、準確、靈敏的檢測這類生物分子具有重要的意義。程文玉合成了苝酰亞胺衍生物2與鋅的金屬配合物分子[14](圖2)，顯示苝酰亞胺鋅配合物遇到ATP之后熒光顯著增強。該金屬配合物能夠?qū)崟r的選擇性的檢測ATP，而對其他分子如AMP、ADP、GTP等則無明顯響應(yīng)，說明該苝酰亞胺衍生物熒光探針適合于ATP這種生物分子的實時檢測，并且靈敏度較強。

圖2 苝酰亞胺衍生物2的結(jié)構(gòu)

據(jù)研究顯示，水溶性苝酰亞胺衍生物3與Cu2+形成的配合物的熒光很弱[15](圖3)，但是在HEPES緩沖溶液中與焦磷酸PPi作用后，苝酰亞胺衍生物分子的熒光顯著增強，最低檢出限為 0.2 μmol/L，檢測限低、靈敏度高、響應(yīng)速度快，可用于PPi的定量檢測。

圖3 苝酰亞胺衍生物3的結(jié)構(gòu)

4 展望

苝酰亞胺衍生物結(jié)構(gòu)中具有π-π共軛體系，其電子親和能高、電荷傳導(dǎo)能力優(yōu)異，熒光量子產(chǎn)率較高，具有較好的熒光性能。pH熒光探針、金屬離子熒光探針和生物大分子熒光探針等，均顯示出了較好的選擇性，較高的靈敏度，并且響應(yīng)時間短，檢測限低。苝酰亞胺衍生物熒光探針在pH檢測、疾病治療與預(yù)防、細胞成像等方面的研究對推進其在醫(yī)療衛(wèi)生、環(huán)境檢測等領(lǐng)域的應(yīng)用具有重大意義，如何更好地發(fā)揮其優(yōu)異性能顯得尤為重要。預(yù)測大量基于苝酰亞胺衍生物的熒光探針及其工業(yè)化檢測技術(shù)將在未來得到更好的發(fā)展。