黃萌萌， 任紅宇， 史久州， 陳繼超， 池杏微， 盧雯*

香豆素類陰離子熒光探針的研究進(jìn)展

黃萌萌1， 任紅宇1， 史久州1， 陳繼超2， 池杏微1， 盧雯1*

（1. 南京林業(yè)大學(xué) 理學(xué)院，江蘇 南京 210037；2. 南京林業(yè)大學(xué) 化學(xué)工程學(xué)院，江蘇 南京 210037）

香豆素是一種重要的天然產(chǎn)物，同時具有優(yōu)良的生物活性和光學(xué)活性。陰離子廣泛存在于生命體和自然環(huán)境中，對人類的生活有著巨大的影響，因此開發(fā)能夠特異性檢測某種陰離子的熒光探針具有非常重要的科學(xué)意義。主要總結(jié)了近幾年香豆素類陰離子熒光探針的研究進(jìn)展，重點討論了檢測F-、ClO-、ONOO-以及一些其他陰離子的香豆素類熒光探針的設(shè)計合成、響應(yīng)機制及在環(huán)境及生物體中的應(yīng)用。為進(jìn)一步設(shè)計與構(gòu)筑新型陰離子熒光探針奠定基礎(chǔ)。

香豆素；陰離子；熒光探針；響應(yīng)機制；生物成像；環(huán)境檢測

陰離子可以促進(jìn)人體的血液循環(huán)，調(diào)節(jié)神經(jīng)系統(tǒng)，在生物體內(nèi)發(fā)揮著重要作用。氟是人體必需的微量元素之一。氟離子可以有效地預(yù)防蛀牙、骨質(zhì)疏松癥治療，然而過量的氟化物會導(dǎo)致牙齒/骨骼氟中毒以及急性胃和腎臟問題，高氟含量與兒童的神經(jīng)發(fā)育障礙有關(guān)[1-4]。氰化物被廣泛應(yīng)用在電鍍、塑料制造、黃金提取、制革和冶金等行業(yè)。但同時氰根離子可以與細(xì)胞色素氧化酶活性位點產(chǎn)生強相互作用，使得即使在非常低的濃度下，它對人類健康也是高度致命的[5]。次氯酸鹽，在生理條件下部分以次氯酸根離子（ClO-）的形式存在，次氯酸鹽的異常產(chǎn)生可導(dǎo)致組織損傷和各種人類疾病，包括關(guān)節(jié)炎、肝臟缺血再灌注損傷、心血管疾病、類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎、肺損傷、癌癥、動脈粥樣硬化等[6-7]。過氧亞硝酸陰離子（ONOO-）是由一氧化氮（NO）和超氧化物自由基（O·-）的擴散控制反應(yīng)所產(chǎn)生的，ONOO-的失衡可能會導(dǎo)致如心血管疾病、神經(jīng)退行性疾病、阿爾茨海默病、糖尿病、循環(huán)休克、炎癥性疾病等的產(chǎn)生[8]。因此，研究開發(fā)具有高靈敏度和良好選擇性的檢測陰離子的方法是非常重要的。

傳統(tǒng)的檢測陰離子的方法主要有質(zhì)譜、高效液相色譜法、電子順磁共振光譜法和光學(xué)方法等。但是這些方法不適用于檢測生物體中的陰離子。熒光探針是一類在紫外―可見―近紅外區(qū)有特征熒光，并且其熒光性質(zhì)（激發(fā)和發(fā)射波長、強度等）可隨所處環(huán)境的性質(zhì)改變而靈敏地改變的一類熒光性分子。在過去的十幾年中，熒光探針因其高靈敏性、良好的選擇性和生物相容性成為重要的生物學(xué)研究手段。熒光探針分為化學(xué)熒光探針和基因熒光探針，其中化學(xué)熒光探針包括有機小分子熒光探針（喹啉衍生物[9]、香豆素衍生物等）和納米熒光探針[10]。

目前關(guān)于香豆素及其衍生物的陰離子熒光探針的綜述較少，大都是針對某一陰離子，側(cè)重于從性能方面對其研究現(xiàn)狀進(jìn)行總結(jié)分析[11-12]。本綜述則是針對常見的陰離子，對其熒光響應(yīng)性能、與陰離子的響應(yīng)機制和實際應(yīng)用幾方面進(jìn)行總結(jié)，為香豆素類陰離子熒光探針的設(shè)計合成提供一定的思路。

1 香豆素類熒光探針的研究進(jìn)展

香豆素是一種苯并吡喃類環(huán)狀結(jié)構(gòu)的天然有機化合物。廣泛分布于高等植物的根、花、葉、皮、種子和果實中，因其獨特的生物活性（抗氧化活性、抗炎活性等生物活性[13-14]）而受到研究者的廣泛關(guān)注。盡管香豆素母體的熒光較弱，但是通過對香豆素母體的結(jié)構(gòu)修飾后形成的衍生物卻可在可見光范圍內(nèi)表現(xiàn)出較強的熒光發(fā)射，同時具有光學(xué)活性好、熒光量子產(chǎn)率高、Stokes位移大、溶解性好等優(yōu)點，使其廣泛應(yīng)用在生物醫(yī)學(xué)和環(huán)境科學(xué)等領(lǐng)域，包括檢測重金屬離子、陰離子、有機小分子、活性氧[15]。目前已有很多文獻(xiàn)報道了香豆素衍生物在陰離子檢測方面的應(yīng)用。

2 香豆素類陰離子熒光探針的研究進(jìn)展

2.1 檢測F-的熒光探針

F-作為化學(xué)元素周期表中電負(fù)性最高的陰離子，在生產(chǎn)、生活以及人類健康中扮演著重要角色。研究表明當(dāng)攝入適當(dāng)?shù)腇-可以很好的預(yù)防蛀牙和治療骨質(zhì)疏松癥。但是作為人體生命活動中的微量元素，當(dāng)F-的量超過一定限度后會產(chǎn)生牙齒斑紋、會對腎臟和胃功能造成一定的壓力，會帶來代謝混亂以及一定的神經(jīng)毒性[16]。因此快速檢測F-是非常重要的。

2018年，Ergin等[17]合成了一種以5-羥基吡唑為受體的新型香豆素-吡唑-三嗪基熒光化學(xué)傳感器1（圖1，表1），采用分光光度法和1H-NMR滴定法測定了1對陰離子的選擇性。研究結(jié)果顯示，在CN-和AcO-作為競爭陰離子存在的情況下，它仍然適合于F-的選擇性檢測。此外，在CH2Cl2中與三氟乙酸相互作用后表現(xiàn)出顯著的“發(fā)光”效應(yīng)。

2019年，Li等[18]將二甲基硫代膦基作為識別基團(tuán)加入香豆素的熒光團(tuán)中，構(gòu)筑了一種高靈敏度、高選擇性的氟離子熒光探針2（圖1，表1）。其識別機制是當(dāng)氟離子進(jìn)入體系后觸發(fā)二甲基硫代膦酰基的裂解，釋放香豆素，在455 nm處產(chǎn)生大的熒光增強。探針的熒光增強在0～30 mM范圍內(nèi)與氟離子濃度成正比，檢出限為0.29 mM，遠(yuǎn)低于世界衛(wèi)生組織（WHO）所建議的適宜安全氟攝入水平。

圖1 檢測F-探針的結(jié)構(gòu)

2020年，Ji 等[19]基于ICT策略構(gòu)建了一種新型香豆素比率熒光探針3（圖2，表1），該探針對氟離子（F-）的熒光強度增強了30倍，具有良好的靈敏度和高選擇性。探針對氟離子的檢測機制是利用在F-的作用下Si-O鍵的裂解，釋放出具有強烈綠色熒光信號的熒光基團(tuán)，從而實現(xiàn)對F-的高效檢測。在細(xì)胞成像實驗中發(fā)現(xiàn)，探針3具有良好的細(xì)胞膜通透性，可成功定位于線粒體監(jiān)測活細(xì)胞內(nèi)氟離子，對生物學(xué)研究和臨床診斷具有重要意義。

2018年，Jiao等[20]成功開發(fā)了一種基于熒光素和香豆素?zé)晒饣鶊F(tuán)的新型熒光探針4（圖2，表1），用于高選擇性、高靈敏度地檢測F-。結(jié)果表明，加入F-后，探針分子發(fā)生了脫硅反應(yīng)。在0～20 μmol/L范圍內(nèi)，熒光發(fā)射強度與F-濃度呈良好的線性關(guān)系，最低檢出限為0.025 μmol/L。同時，探針4 能夠有效地檢測活細(xì)胞和斑馬魚體內(nèi)的F-，表現(xiàn)出在臨床診斷中的應(yīng)用潛力。

圖2 F-熒光探針的結(jié)構(gòu)及檢測機理

2.2 檢測ClO-的熒光探針

次氯酸是一種弱酸，在生理條件下多以次氯酸根離子的形式存在，是一種重要的活性氧[21]。在機體中過氧化物酶的催化作用下，由氯離子和過氧化氫發(fā)生過氧化物反應(yīng)而產(chǎn)生的。在免疫系統(tǒng)中HOCl表現(xiàn)出強氧化性，而次氯酸鹽的異常會產(chǎn)生導(dǎo)致組織損傷和各種疾病，包括關(guān)節(jié)炎、心血管疾病、類風(fēng)濕以及動脈硬化等。因此實現(xiàn)對ClO-的檢測是十分必要的。

2018年，Wang等[22]研制了一種香豆素席夫堿化合物5（圖3，表1），并成功地用于高選擇性的ClO-的熒光檢測。在該探針中加入ClO-后，溶液顏色黃綠色變成無色，熒光發(fā)射由綠光轉(zhuǎn)變?yōu)樗{(lán)色熒光，從而實現(xiàn)了ClO-的裸眼識別。該熒光探針的識別機制是先發(fā)生親核加成反應(yīng)，再進(jìn)一步水解來實現(xiàn)的。同時，該探針分子具有低細(xì)胞毒性和良好的細(xì)胞通透性，使其可以通過單光子和雙光子顯微鏡成像在活細(xì)胞和斑馬魚中檢測ClO-。因此該化合物是一種具有分析生物樣品中ClO-潛力的靈敏性熒光探針。

2019年，He 等[23]以香豆素為給體，羅丹明為受體合成一種基于熒光共振能量轉(zhuǎn)移的分子探針6（圖3，表1），實現(xiàn)了溶酶體中HOCl的比率成像。該探針對HOCl具有較高的敏感性、較快的反應(yīng)速度以及較好的選擇性。同時，它被成功地用于低細(xì)胞毒性內(nèi)源性HOCl的成像。

2020年，Nie等[24]設(shè)計合成了一種新型香豆素近紅外熒光化合物7（圖3，表1）。該化合物在713 nm處有較強的近紅外發(fā)射和較好的信號分辨率。比率發(fā)射（496 nm/713 nm）可以保證次氯酸（HOCl）在體內(nèi)和體外的準(zhǔn)確檢測。熒光選擇性和靈敏度以及熒光成像結(jié)果表明化合物7可以作為HeLa細(xì)胞中外源性和內(nèi)源性HOCl檢測的可視化比率熒光探針。

圖3 ClO-熒光探針的結(jié)構(gòu)

2.3 檢測ONOO-的熒光探針

ONOO-是生物體內(nèi)一種重要的活性氧，在生物系統(tǒng)中ONOO-是由NO和超氧自由基的擴散控制反應(yīng)產(chǎn)生的，具有較強的氧化性和活性，可以與多種活性物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)從而導(dǎo)致細(xì)胞的死亡。在研究中發(fā)現(xiàn)，ONOO-可以通過協(xié)調(diào)免疫系統(tǒng)來對抗病原體，但是ONOO-的不平衡會導(dǎo)致如糖尿病、癌癥以及炎癥等多種疾病的產(chǎn)生。因此，開發(fā)出快速有效監(jiān)測活體中ONOO-的熒光探針具有重要的意義。

2020年，陳宇等[25]利用苯并吡喃腈―香豆素體系, 合成了一種用于ONOO-檢測的近紅外比率型熒光探針8（圖4，表1）。該探針在ONOO-存在下表現(xiàn)出強烈的響應(yīng)，溶液的顏色由紫色變?yōu)闇\粉色，熒光發(fā)射從淡紫色光變?yōu)樗{(lán)光，能夠直觀地對溶液中的ONOO-進(jìn)行監(jiān)測，具有較低的檢出限，同時可以有效地在HeLa細(xì)胞對ONOO-進(jìn)行檢測。

2019年，Shen等[26]以香豆素為熒光團(tuán)，二苯基膦酸鹽為識別基團(tuán)，構(gòu)建了一種檢測ONOO-的熒光探針（圖4，表1）。該探針的響應(yīng)機制是ONOO-能夠去除探針分子上的二苯基膦酸鹽基團(tuán)從而實現(xiàn)對ONOO-的檢測。探針9可以在3分鐘內(nèi)實現(xiàn)對ONOO-的快速檢測，同時具有優(yōu)異的選擇性和靈敏度，并且發(fā)生明顯的顏色變化（紅色到綠色）以及大的發(fā)射波長偏移特點而被應(yīng)用于活細(xì)胞中的ONOO-的檢測。

圖4 ONOO-探針的結(jié)構(gòu)

2.4 檢測其他陰離子的熒光探針

2019，Meng等[27]合成了一種高選擇性熒光化學(xué)傳感器10（圖5，表1）。在CH3CN/HEPES緩沖介質(zhì)（9∶1，/）中，化合物10可以對Cu2+和H2PO4-進(jìn)行連續(xù)檢測?；衔?0對Cu2+的檢出限為0.37 μM，探針-Cu2+配合物對H2PO4-的檢出限為1.6 μM。使用Cu2+和H2PO4-可以重復(fù)4次識別行為，且熒光效率損失很小。對Cu2+和H2PO4-檢測的穩(wěn)定pH范圍為4～7.5。

2018年，Chemchem等[28]設(shè)計并合成了一種用于檢測水溶液中氰根離子的比色熒光化學(xué)傳感器（探針11，圖5，表1）。當(dāng)CN-加入該探針的DMSO/水（6∶4，/）的混合溶液中時，則熒光發(fā)射顯示出較強的綠色熒光，溶液的顏色由黃色變成紅色。這種熒光探針可用于檢測濃度低至0.32 μM的CN-，低于世界衛(wèi)生組織規(guī)定的飲用水中的氰化物最大含量（1.9 μM）。此外，通過對11與DNA相互作用的紫外光譜和熒光光譜研究表明，小牛胸腺DNA與探針11之間存在插入性結(jié)合。

2019年，Wu M X等[29]設(shè)計了一種以四羥蒽和香豆素為單位的檢測亞硫酸氫根離子的探針（探針12，圖5，表1）。在乙腈-磷酸緩沖鹽水（1∶9，/）溶液中，探針具有較高的選擇性，從藍(lán)色到黃色的顏色變化明顯，對亞硫酸氫根離子有較大的啟動信號和綠色發(fā)射。同時，熒光強度在514 nm處與亞硫酸氫根離子的濃度呈良好的線性關(guān)系。探針對亞硫酸氫根離子的響應(yīng)時間在數(shù)秒以內(nèi)，檢測限為22.8 nM。熒光共定位研究表明，探針是一種線粒體靶向熒光探針，可用于活的HeLa細(xì)胞中亞硫酸氫根離子生物成像。

圖5 探針的結(jié)構(gòu)

表1 文中所列離子的檢出限、響應(yīng)機制及應(yīng)用

3 總結(jié)與展望

本文從檢出限、響應(yīng)機制和實際應(yīng)用三個方面總結(jié)了近幾年來基于香豆素及其衍生物的熒光探針在陰離子檢測領(lǐng)域的研究進(jìn)展。陰離子熒光探針在生化、醫(yī)學(xué)和環(huán)境檢測等領(lǐng)域具有重要作用，是當(dāng)前超分子化學(xué)的研究熱點之一。目前，研究者們已在開發(fā)陰離子探針熒光探針方面開展了大量的工作，取得了重大研究進(jìn)展。但是，由于陰離子比等電子的陽離子大從而導(dǎo)致它們的靜電鍵合作用小，陰離子對pH較敏感使得陰離子熒光探針的設(shè)計具有較高的挑戰(zhàn)性。F-、ClO-、ONOO-以及一些在生命活動中具有重要作用的其他陰離子，這些離子的存在或多或少會對生命活動產(chǎn)生一定的影響，仍然需要開發(fā)更穩(wěn)定、靈敏性更強的對陰離子進(jìn)行檢測的熒光探針，更加明確地了解病理過程，為疾病的精確診斷提供理論基礎(chǔ)，快速有效地尋找這些陰離子造成的一些疾病地解決方案，從而更好的為人類健康提供服務(wù)。

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Progress of Coumarin Fluorescent Sensor for Detecting Anion

HUANG Meng-meng1, REN Hong-yu1, SHI Jiu-zhou1,CHEN Ji-chao2, CHI Xing-wei1, LU Wen1*

（1. College of Science, Nanjing Forestry University, Nanjing 210037, China;2. College of Chemical Engineering, Nanjing Forestry University, Nanjing 210037, China）

Coumarin is an important natural product with excellent biological and optical activity. Anions are widely existing in living organisms and environment, which have a great impact on human life. Therefore, it is of great scientific significance to develop fluorescent probes that can specifically detect certain anions. This paper mainly summarizes the research progress of coumarin-based anion fluorescent probes in recent years, focusing on the design, synthesis, response mechanism and application in environment and organisms of coumarin-based fluorescent probes for detecting F-, ClO-, ONOO-and some other anions. It lays a foundation for the further design and construction of new anion fluorescent probes.

coumarin; anion; fluorescent probe;response mechanism; biological imaging; environmental detection

1009-220X(2022)01-0001-07

10.16560/j.cnki.gzhx.20220114

2021-08-26

南京林業(yè)大學(xué)青年科技創(chuàng)新基金項目（CX2017017）；南京林業(yè)大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計劃項目（2020NFUSPITP0223）。

黃萌萌（2001～），女，貴州銅仁人，本科；高分子材料與工程專業(yè)。1518897756@qq.com

通訊作者：盧雯（1982～），女，安徽蒙城人，博士，講師；主要從事配位化學(xué)研究。luwen@njfu.edu.cn

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