检测金属离子的分子荧光探针_冷俊强.pdf

第 卷，第期 光谱学与光谱分析 ，年月 ，检测金属离子的分子荧光探针冷俊强，兰欣宇，姜文硕，肖佳月，刘田欣，刘振波烟台大学化学化工学院，山东 烟台 摘要生物体的安全与健康一直备受关注，金属离子存在于生物体内，并对生物体的健康与疾病有着重要的影响。人体内环境复杂，金属离子在人体内具体的作用机理尚不清楚，因此寻找一种方法可以实现对人体内金属离子的检测对于探索它们在人体内的作用具有重要意义。分子荧光探针一般由识别基团、荧光基团和连接基团三部分组成，主要是利用探针识别基团与金属离子作用，改变荧光探针的结构，从而引起荧光性质的变化来检测金属离子。这些荧光性质的变化涉及到不同的荧光机理，比如光诱导电子转移机理，荧光由于光诱导电子转移机理会出现荧光猝灭现象，可以根据这个机理设计开关或者关开型荧光探针；分子内电荷转移机理由于探针与检测物反应会引起红移或者蓝移，适合比率型荧光探针的设计。荧光成像技术因对检测物具有特异的高灵敏识别能力和能够在生物体内实时监测的优点得到了迅速发展，已经广泛应用于生物体内活性物质的检测，大量的金属离子探针也被报道。本文主要根据检测不同种类的常见金属离子如铜离子、铁离子、锌离子、汞离子等，对他们在生物体中含量作用等做了研究。综述了检测铜离子的胆固醇类探针、新型开启式近红外荧光探针，基于氧化还原特性及把具有独特的 脱氧作用的氧化物基团连接到荧光团上以特异性识别 机理设计检测铁离子荧光探针，基于硫羧醛的脱保护反应构建检测汞离子荧光探针，基于分子内电荷转移荧光共振能量转移效应的锌离子荧光探针，检测镁离子的喹啉类荧光探针、检测镉离子的吩恶嗪类荧光探针以及检测铬离子、锡离子等各类荧光探针，综述了近三年检测金属离子的不同种类荧光探针的优缺点、设计机理、作用机制、研究进展及生物应用并对未被检测金属离子的荧光探针做了展望。关键词金属离子；荧光探针；识别；生物检测中图分类号：文献标识码：（）收稿日期：，修订日期：基金项目：国家自然科学基金项目（），山东省大学生创新创业项目（）资助作者简介：冷俊强，年生，烟台大学化学化工学院硕士研究生 ：通讯作者 ：引言金属离子由于其对人类健康的影响而引起了人们的广泛关注。金属离子会影响人体正常的生理功能，引发疾病甚至危及生命。因此，对人体内各类金属元素的检测，有利于了解人体 内的金 属 元 素参与 生 理 活动 的 作 用 机 理 及 其含量。现常用 检 测 金 属 离 子 的 技 术 包 括 原 子 吸 收 光 谱 法（，）、原子荧光光谱法（，）、电感耦合等离子体质 谱 法（，）和高效液相色谱法（，）、电化学法、比色法等，虽然这些方法能较为准确地检测出金属离子的含量，但 测定难溶元素的灵敏度不高且测定每种元素都需要一个特定元素的设备，这对同时测定试样中多种元素颇为不便。此外，不能反映所测元素的价态。法和 法所需仪器昂贵，样品预处理复杂，操作也比较繁琐。总之传统检测的方法存在设备精准度要求严格、成本较高，选择性较低等，不适用于在生物体内在线检测金属离子，不能描述所测金属离子在细胞内的分布和动态变化，所以在检测生物中铜离子、铁离子、汞离子等金属离子过程中较为困难。因此，开发一种低成本且高效检测细胞中金属离子的方法具有重要的研究意义。近年来，荧光成像技术因对检测物具有特异的高灵敏识别能力和能够在生物体内实时监测的优点得到了迅速发展，已经广泛应用于生物体内活性物质的检测，大量的金属离子探针也被报道。分子荧光探针一般由识别基团、荧光基团和连接基团三部分组成。常见的分子荧光基团有：氟硼二吡咯、罗丹明、荧光素、香豆素、花菁素 等。荧光探针识别基团与金属离子作用，改变荧光探针的结构，从而引起荧光性质的变化，通过各种识别机理实现对被检测物的分析。常见的荧光探针识别机理主要包括：光诱导电子转移（，）、分子内电荷转移（，）、荧光共振能量转移（，）、激发态分子内质子转移（，）等。表 列出了金属离子荧光探针 的相关参数。荧光探针 可以通过细胞成像实现对生物体内金属离子的检测，本文主要总结了近三年来检测金属离子的分子荧光探针的设计与应用展望。高灵敏度、高特异性、有较好水溶性且可实时检测生物体内金属离子的分子荧光探针将进一步揭示金属离子在生物体内的作用。表金属离子荧光探针的相关参数 探针荧光团识别基团 反应时间检出限（）作用机理文献卟啉硫醚 光诱导电子转移 罗丹明胆固醇 香豆素吡啶羧酸酯 吩恶嗪氧化物 丹磺酰氯氧化物 分子内电荷转移 香豆素氧化物 罗丹明氧化物 罗丹明氧化物 萘醌噻吩基 分子内电荷转移 罗丹明氧化物 樟脑分子硫缩醛 激发态分子内质子转移 七甲基花氨酸巯基 ，（羟基苯基）乙烯基甲基吡啶碘巯基苄基酯 分子内电荷转移 罗丹明萘酰亚胺原子 ，光诱导电子转移荧光共振能量转移 亚胺硝基水杨醛二胺 分子内电荷转移 萘酰亚胺亚氨基乙酸 光诱导电子转移 香豆素喹啉 分子内的电荷转移 羟基喹啉羟基喹啉 ，分子间光诱导质子转移 吩恶嗪呋喃羧酰胺 ，分子内电荷转移 香豆素丙烯酸酯 光诱导电子转移 苯磺酰胺羰基 分子内电荷转移 罗丹明哈弗森萘酰亚胺 荧光共振能量转移 丝氨酸亚胺基团 光诱导电子转移、激发态分子内质子转移 检测不同金属离子的荧光探针 检测铜离子的荧光探针铜是人体必需的金属元素，是多种金属酶的催化辅因子，在生物体内发挥着关键作用，。如果铜含量异常会引起人体内各种神经系统疾病 ，对人体健康有害，严重损害肾脏和人体其他器官等 。近年来，报道了多种检测活细胞中铜离子的方法，这有助于了解铜离子对人体健康和病理状态的复杂作用，对疾病的预防和早期诊断具有重要意义。年，等 研究了一种锌（）卟啉衍生物（）探针（图），该探针能快速、高选择性、可逆地与 结合，用于 的荧光检测。检测机制是 将吡啶配体与锌中心之间的轴向配位破坏，改变分子几何结构，抑制分子内电子转移，从而使探针红色荧光增强。该探针能穿透活细胞，在活细胞线粒体中定位和检测 ，具有在生物系统特异性检测 的能力。胆固醇作为一种生物两亲性物质，是哺乳动物细胞膜的重要组成部分。基于胆固醇与膜脂的同质性，等 设计并合成了一种胆固醇共轭荧光探针（图），该探针具有良好的细胞膜通透性，可用在生物细胞中检测。探针对 基于可逆配位，与铜离子螯合物形成开环复合物。探针本身没有明显的荧光强度，一旦暴露于，荧光增强，出第期冷俊强等：检测金属离子的分子荧光探针图探针结构图和 细胞中 的共焦荧光成像 图探针，结构图 ，现强发射带。触发的荧光图像呈现了胆固醇的位置，这表明探针在追踪细胞中的胆固醇方面有潜在的用途。等 建立了一种新型的荧光探针（图），该探针以吡啶羧酸盐为基础，以羟基甲基香豆素为荧光团，基于 对吡啶羧酸位点的水解用于检测。探针的荧光强度在 范围内与 浓度呈线性关系，检出限为 ，随着浓度增加，发光强度提高。为检测生物体内的 提供了一种方法。尽管有一些近红外荧光探针被报道可检测，但仍有一些挑战需要克服，例如，荧光响应时间较长，检出限较高，选择性低，光稳定性差，应用在细胞或生物体内毒性无法预测等。因此，开发新型的开启式近红外荧光探针对 的选择性、灵敏、快速检测具有重要意义。等 设计并合成了一种基于吩恶嗪的新型开启近红外荧光探针（探针）（图）。检测机制是 与 的酰胺部分结合形成一个高度不稳定的四元环，然后，一个水分子攻击光谱学与光谱分析第 卷羰基的碳原子，导致四元环断裂，生成不稳定的氨基甲酸。最后，氨基甲酸释放 生成不稳定的中间体，该中间体将快速生成荧光团。当加入 后，探针能迅速与 反应，发出强烈的荧光，颜色由无色变为明显的蓝色。反应时间较短而且效果明显，解决了一些近红外荧光探针反应慢、选择性低等问题。该探针对活细胞中 的检测具有较低的细胞毒性和较高的特异性，可用于生物体内 的检测。检测铁离子的荧光探针铁是人体内最丰富的必需过渡金属离子，在生物和环境系统中起着重要作用。二价铁离子的缺失会限制细胞供氧，导致疲劳、工作表现差和免疫力下降。三价铁离子的过量和不足都会导致各种疾病，如心力衰竭、肝肾损伤和糖尿病。近年来，高效、快速、易操作的测量生物体内铁离子的荧光探针被不断报道，对探索铁离子在生物体内的作用，维护人类生命安全具有重要作用。基于氧化还原响应特性，等 构建了一种 荧光探针（图）。探针包含一个荧光团（丹酰基酸）和 还原官能团（氧化物）。在丹酰荧光团中引入氧化物基团，由于共轭效应，系统的荧光被猝灭。诱导的脱氧作用可以很容易和选择性地将氧化物切割成丹氨酸，然后增强分子内电荷转移，从而实现荧光恢复。该探针对 具有高选 择 性，表 现 出 开 启 的 荧 光 响 应 现 象，检 出 限 为 。而且，该探针细胞毒性低，可用于细胞成像研究 的生理作用。等开发了基于含氮氧化物的开启式荧光探针（图），该探针具有高度的化学选择性，在 存在时才响应荧光增强。而且在缓冲液中加入三苯基膦离子，大大提高了其溶解度，增加了无毒探针检测活细胞中不稳定 的能力。图探针，和结构图，把具有独特的 脱氧作用的氧化物基团连接到荧光基团上以特异性识别 的荧光探针获得了理想的结果。等 设计并合成了一种高度灵敏且稳定的荧光探针（图）。探针中存在带有吸电子基团的哌嗪氧化物和一个哌嗪位上的疏水性酰基增强了荧光探针的动力学特性和开关对比度。该探针在活细胞中对 高度敏感的反应和信号检测能力，为铁稳态系统的生物学或生理学研究提供生物活性化合物和新的治疗靶点。等 开发了一种荧光探针（图）。用于高尔基体特定的 检测。二价金属转运蛋白（）是（）离子的主要转运蛋白。使用该探针进行的成像结果表明 运输机制的损害会影响亚细胞铁稳态，使用新的以细胞器为靶点的 探针的互补成像方法显示 的错误分选导致细胞内铁的异常分布。检测不稳定 的荧光探针是研究铁稳态与膜运输和脑铁积聚神经退行性变 相关的致病基因之间关系的有力工具。基于分子内电荷转移效应，等 成功合成了一种萘醌型荧光探针（图），该探针用于 的选择性检测，对 的检出限为 ，能够在各种金属离子中检测。探针分子内电荷转移（）过程是通过共轭发生的，与 反应后从浅褐红色变为浅黄色。以探针对癌细胞和斑马鱼中的 进行了成像，可用于临床诊断中精确检测 的生物标记。图探针结构图和生物成像 第期冷俊强等：检测金属离子的分子荧光探针检 测 探 针 也 很 多，包 括 、等，主要介绍一种检测 的罗丹明型荧光探针（图）被报道，该探针通过罗丹明和杂化铬氰酸形成螺内酯结构，探针本身无荧光，与 配位后由于螺内酰胺环被打开生成红色荧光，该探针对 有很高的灵敏度，可以用来测定生物体内 的含量。图探针 结构图 检测汞离子的荧光探针汞是毒性最大的重金属之一，它很容易与生物体中的巯基结合。汞及其衍生物通过食物链累积，在体内长期存在，具有生物富集效应 ，它在人体内的生物累积趋势会导致中央神经系统功能障碍、人体生理慢性中毒和水俣病等。虽然已有许多 的检测方法，但由于高灵敏度和窄线性范围难以同时满足宽视场的检测要求，综述了多种可检测汞离子的荧光探针，有利于环境监测和生物医学领域发展。引起硫缩醛脱保护反应为探针的设计提供了一种方案。等 基于天然和可再生樟脑构建了一种荧光开启探针（图）用于检测。由于 引起的硫缩醛的脱保护反应，只有在 的参与下，才能观察到明显增强的绿色荧光。该探针对 的响应非常灵敏，对 表现出比其他竞争性金属离子更高的特异性。将探针 制成涂层测试条可快速轻松地观察 的存在，用于肉眼检测，而且 探 针 可 以 用 作 可 视 化 活 细 胞 中 的 生 物标记。以一个七甲基花氨酸荧光团和一个巯基反应基团为基础，等 设计并合成了探针（图）。用于 的相关检测，探究急性汞暴露与慢性汞暴露之间的差异。已知 的 为 ，基团稳定，倾向于与 结合，并作为 的响应位点。鉴于三通道比值荧光探针的巨大优势，用七甲基菁染料作为荧光团。此外，荧光团还有很大的优点，荧光团的介观位置有利于取代 形成新的探针。该探针可用于 细胞株（人体胚胎腺细胞）和小鼠模型的汞中毒检测。通过该探针发现，无论急性汞暴露还是慢性汞暴露，主要积累在肾脏。该探针是一种潜在的汞暴露准确诊断和疗效评价的候选探针