检测一氧化碳分子荧光探针的研究进展

魏超 张平竹 李小六

引用本文: 魏超, 张平竹, 李小六. 检测一氧化碳分子荧光探针的研究进展[J]. 有机化学, 2019, 39(12): 3375-3383. doi: 10.6023/cjoc201906029 shu
Citation:  Wei Chao, Zhang Pingzhu, Li Xiaoliu. Progress in Fluorescent Probes for Carbon Monoxide Detecting[J]. Chinese Journal of Organic Chemistry, 2019, 39(12): 3375-3383. doi: 10.6023/cjoc201906029 shu

检测一氧化碳分子荧光探针的研究进展

    通讯作者: 魏超, weichao@hbu.edu.cn; 李小六, lixl@hbu.cn
  • 基金项目:

    国家自然科学基金(No.21778013)、河北省自然科学基金(No.B2018201234)和河北省高等学校科学技术研究(No.QN2017015)资助项目

摘要: 一氧化碳(CO)是一种重要的内源性气体递质分子,参与调节生命体的多种生理和病理过程.因此,选择性识别和高灵敏检测生物体内源CO具有十分重要的生物学和医学意义.荧光探针法具有选择性好、灵敏度高、适于高通量筛选,尤其是对生物样品无侵入性损伤,以及可实现实时原位检测等优势,因此,利用荧光探针技术检测细胞、组织和活体内CO浓度的变化是近年来研究热点之一.综述了近十年来CO荧光探针的研究进展,概述了相关荧光探针的设计理念、检测机理及生物应用,探讨了探针的结构和性能之间的关系,展望了CO荧光探针的发展趋势和应用前景.

English

  • 一氧化碳(CO)是一种无色无味的气体分子, 空气中CO主要由含碳物质不完全燃烧产生. CO可以与血红蛋白结合, 并且结合强度约为氧气的200倍.当环境中CO浓度过高时, 可通过竞争性结合血红蛋白, 降低血氧浓度, 造成生命体昏厥、甚至死亡.因此, CO被称为危害人类的“隐形杀手”.近年来研究发现, CO是植物和动物体内一种内源性气体信号分子, 在维系动植物生命体正常运行过程中扮演者重要的角色[1].动植物内源性CO均主要由血红素氧合酶(HO)催化分解亚铁血红素(heme)产生[2, 3].植物内源性CO可以调节植物生长发育, 如对逆境(如高盐、重金属、紫外线、活性氧等)响应、气孔运动、根系发育, 以及与其它信号分子的相互作用等[4~8].动物内源性CO可以激活鸟苷酸环化酶活性、参与呼吸节律调节、缓解氧化应激、调节胰岛素释放和降低血压等[9~11].此外, 相关研究发现内源性CO浓度异常与多种疾病的发生发展密切相关, 包括神经退行性病变、心血管疾病、肺病、糖尿病、肥胖症、败血症和癌症等[12~14].因此, 开发“可视化”内源CO的检测方法, 是CO生物学功能和疾病诊断等相关研究发展迫切需要解决的问题之一.

    CO的传统检测方法包括电化学法、气相色谱法和比色法, 这些都不适合活细胞和活体中实时、动态观测CO.荧光方法因其具有选择性好、灵敏度高, 尤其是对生物样本无侵入性损伤等特点, 被广泛应用于动植物细胞、组织及活体内内源性活性分子的实时动态检测[15~19]. CO的化学性质相对稳定, 在生理条件下, 能直接参与的化学反应较少.与检测其它内源性信号分子的荧光探针相比, CO荧光探针发展相对缓慢, 因此, 设计选择性好、灵敏度高、可用于动态监测活细胞和组织内CO水平变化的荧光探针, 已成为生物医学发展中具有挑战性的前沿课题之一.根据近十年来CO荧光探针在设计、作用机制和生物应用等方面的进展, 本文将根据荧光探针与CO之间的化学反应类型, 将近十年来所开发的CO荧光探针按照反应类型进行分类和总结, 综述CO荧光探针的研究进展, 着重概述各相关荧光探针的设计理念、检测机理及其生物应用, 同时探讨了探针的结构和性能之间的关系.

    钯是一种过渡金属, 具有配位能力, 含钯金属配合物已被广泛用于催化、有机合成和药物化学等领域.金属钯可以通过重原子效应淬灭荧光团的荧光, 因此, 可利用金属钯与具有合适配位结构单元的荧光团发生配位, 制备环钯金属配合物荧光探针(图 1). CO具有还原性, 可还原Pd2+为Pd0, 同时发生羰基化反应或者质子化水解反应, 释放Pd0, 此时, 配位键被破坏, 重原子效应消失, 荧光团荧光恢复.该类探针设计原理明确, 可设计荧光打开型探针.

    图 1

    图 1.  利用金属钯介导的羰基化反应(左)和质子化水解反应(右)的荧光探针
    Figure 1.  Fluorescent probes based on the palladium-mediated carbonylation (left) and a protonolysis reaction (right)

    Tsuji-Trost反应是指烯丙醇及其衍生物烯丙基卤化物、酯、碳酸盐, 磷酸盐等作为反底物, 在零价钯的催化作用下, 与多种亲核试剂发生取代反应.含有羟基/胺基的荧光团, 可以与3-溴丙烯/氯甲酸烯丙酯反应, 形成烯丙基醚/碳酸酯/氨基甲酸酯等探针结构. CO具有还原性, 将外加的Pd2+还原为Pd0, Pd0进一步介导Tsuji-Trost反应的发生, 释放出荧光团.这类探针通过调控荧光团上羟基/胺基的给电子能力, 将引起探针分子内部电荷转移(ICT)机理诱导的荧光最大发射波长蓝移/红移(图 2).依托该机理可设计用于细胞内CO检测的比率型荧光探针.该类探针设计原理明确, 所得的荧光现象为增强或红移.

    图 2

    图 2.  利用零价钯的Tsuji-Trost反应的荧光探针
    Figure 2.  Fluorescent probes based on palladium(0)-mediated Tsuji-Trost reaction

    典型的ICT荧光分子探针是在荧光团上分别连接强给电子基团和吸电子基团, 构成一个强推拉电子体系, 其中荧光团与给电子基团和吸电子基团共轭相连. CO可将吸电子基团硝基还原成给电子基团氨基, 可以影响探针分子的电子密度布局, 从而达到设计荧光探针的目的(图 3).该类探针设计原理明确, 所得的荧光现象为增强.

    图 3

    图 3.  利用CO还原反应的荧光探针
    Figure 3.  Fluorescent probes based on the reduction of CO

    环钯金属配合物是最早发现用于检测CO的荧光探针之一, 其主要利用金属钯的重原子效应淬灭探针的荧光, 钯介导探针发生羰基化反应或质子化水解反应, 释放金属钯, 实现对CO的打开型荧光响应.

    2012年, Chang等[20]报道了首例CO环钯金属配合物探针1 (图 4).该探针以氟硼吡咯为荧光团, N, N-二甲基苄胺为钯配位基团.由于金属钯的重原子淬灭效应, 探针1荧光较弱; 与CO发生羰基化反应后, 释放出Pd0, 重原子淬灭消失, 探针荧光恢复.探针对CO具有高选择性, 不受其它活性氧物种、活性氮物种、活性硫物种的干扰. CORM-3是一种方便、安全的CO供体, 在探针1 (1 μmol•L-1)的磷酸盐缓冲液(PBS, pH 7.4)中, 加入50 equiv.的CORM-3分子(水溶性CO供体), 随着反应的进行, 探针溶液荧光逐渐增强, 反应60 min后, 荧光增强约10倍.浓度滴定结果表明, 探针的最低检测限为1 µmol•L-1.同时, 该探针被用于HEK293细胞内CO的检测.

    图 4

    图 4.  探针1与CO的识别示意图
    Figure 4.  Schematic illustration of reaction of 1 with CO

    2014年, 受Chang等工作的启发, 林伟英课题组[21]报道了第一个双光子CO环钯金属配合物荧光探针2(图 5).该探针使用咔唑-香豆素双光子染料平台, 在740 nm激发下, 产物2-CO的双光子吸收截面高达50.1 GM.探针2对CO具有较高的选择性, 在探针2 (1 μmol•L-1)的PBS溶液(含10% DMSO)中, 加入不同浓度的CORM-2 (0~120 µmol•L-1), 荧光增强11倍, 检测极限为0.653 µmol•L-1.利用双光子共聚焦显微成像, 可以清晰的观察到小鼠肝组织切片180 μm深度的CO.与探针1不同, 该探针与CO发生质子化水解反应.

    图 5

    图 5.  探针2与CO的识别示意图
    Figure 5.  Schematic illustration of reaction of 2 with CO

    2016年, 唐波课题组[22]同样以氟硼吡咯为荧光团, 偶氮苯为钯配位基团, 设计合成了两个环钯金属配合物CO荧光探针34(图 6).探针与CO发生质子化水解反应, 释放荧光团的荧光.在探针(5 μmol•L-1)的PBS溶液(含30% DMSO)中, 加入20 equiv.的CORM-2分子(CO供体分子), 反应20 min后, 探针34荧光增强分别为2.5倍和10倍.在0~80 µmol•L-1浓度的CORM-2范围内, 探针4线性关系良好, 检测极限为0.72 μmol• L-1.同时, 该探针被首次用于检测乏氧和缺血再灌注过程中, HepG2细胞内源CO的诱导生成成像.

    图 6

    图 6.  探针3~4与CO的识别示意图
    Figure 6.  Schematic illustration of reaction of 3~4 with CO

    2017年, 林伟英课题组[23, 24]报道了首例双光子激发近红外发射的环钯金属配合物CO荧光探针5(图 7).该探针以商品化尼罗红为荧光团, 具有合成简便、双光子激发、长波长发射等优点.探针本身存在刚性共轭体系, 具有较大的荧光增强倍数和较低的检测极限.在探针(2 μmol•L-1)的PBS溶液(含5% DMSO)中, 加入100 equiv.的CORM-2, 反应60 min后, 荧光增强高达60倍, 检测极限低至50 nmol•L-1, 是目前报道的选择性和灵敏性最好的环钯金属配合物CO探针.同时, 探针双光子激发波长为760 nm, 最大发射波长为660 nm, 被用于斑马鱼胚胎和小鼠组织内源CO的示踪.小鼠体内成像结果表明, 探针5在活体内响应快速, 具有较高的分辨率.

    图 7

    图 7.  探针5与CO的识别示意图
    Figure 7.  Schematic illustration of reaction of 5 with CO

    2018年, 张晓兵课题组[25]报道了首个靶向于细胞膜的近红外环钯金属配合物CO荧光探针6 (图 8).该探针同样以尼罗红为荧光团, 探针(5 μmol•L-1)与100 equiv.的CORM-2反应30 min后, 荧光增强25倍, 检测极限为0.23 μmol•L-1.长疏水烷基链作为膜定位基团, 使探针6可以快速锚定(<1 min)并长时间滞留(>60 min)于细胞膜, 成功用于检测脂多糖和血红素诱导内源CO生成.利用探针6同时证明, 药物引发肝损伤过程主要诱导肝脏细胞产生CO, 并起到保护肝脏细胞的作用.同年, 王素华课题组[26]也报道了一例环钯金属配合物CO荧光探针.

    图 8

    图 8.  探针6与CO的识别示意图
    Figure 8.  Schematic illustration of reaction of 6 with CO

    基于零价钯介导Tsuji-Trost反应的CO荧光探针是近年来发展快速的一类CO荧光探针, 主要有烯丙基醚/烯丙基碳酸酯/烯丙基氨基甲酸酯三种, 具有构建灵活、选择性好、灵敏度高、响应速度快等优点.此类探针利用CO还原Pd2+为Pd0, Pd0进一步介导Tsuji-Trost反应的发生, 产生荧光信号的改变.此类探针使用时需要外加钯盐, 属于二组分CO荧光探针.按照荧光团的不同, 大致分为:香豆素类、萘酰亚胺类、氧杂蒽类、近红外区染料类等.

    香豆素类荧光团具有合成简便、荧光量子产率高和光稳定好等优点. 2015年, Dhara等[27]设计合成了第一个基于零价钯介导Tsuji-Trost反应的CO荧光探针7(图 9).香豆素7位羟基形成氨基甲酸酯后, 降低了羟基给电子能力, 从而抑制了香豆素分子内电荷转移能力, 淬灭其荧光. CO还原PdCl2原位释放Pd0, 进而发生Tsuji-Trost反应, 脱除烯丙基氨基碳酸酯.裸露的仲胺诱导发生分子内环化-消除反应, 释放出7-羟基香豆素的荧光.由于多步反应, 探针7与CO的响应速率未见提高, 但是其检测灵敏性明显高于环钯金属配合物类探针, 在探针(10 μmol•L-1)的PBS溶液(含0.4 % DMSO)中, 加入5 equiv.的CORM-3, 反应30 min后, 荧光增强高达130倍, 检测极限低至8.49 nmol•L-1.

    图 9

    图 9.  探针7与CO的识别示意图
    Figure 9.  Schematic illustration of reaction of 7 with CO

    2016年, 冯国强课题组[28]报道了烯丙基碳酸酯CO荧光探针8(图 10).该探针以3-苯并噻唑-7-羟基香豆素为荧光团, 发射波长红移至495 nm.探针对CO的响应速度快、选择性好、灵敏度高, 检测极限为25 nmol• L-1.探针与CO反应后, 溶液颜色由无色变为黄绿色, 裸眼可观测明显的颜色变化, 可用于比色荧光双通道检测CO.

    图 10

    图 10.  探针8与CO的识别示意图
    Figure 10.  Schematic illustration of reaction of 8 with CO

    打开型荧光探针产生单波长荧光信号变化, 测试结果容易受环境因素干扰.比例计量型荧光探针可以产生双波长荧光信号变化, 可利用双波长比例内矫正的功能, 在一定程度上修正环境对测试结果的影响.

    萘酰亚胺是一类经典的具有强推拉电子体系的荧光染料, 具有合成简便、荧光量子产率高、斯托克斯位移大等优点, 常被用于设计比例计量型荧光探针. 2017年, 冯国强课题组[29]报道了第一例比例计量型CO荧光探针9(图 11).该探针以4-胺基萘酰亚胺为荧光团, 烯丙基氨基甲酸酯为识别基团.探针结构中4位胺基形成氨基甲酸酯, 降低了氨基给电子能力, 从而降低了萘酰亚胺分子内电荷转移能力, 使探针发射青色荧光; 在Pd2+被CO还原为Pd0后, 诱导发生Tsuji-Trost反应, 脱除烯丙基氨基碳酸酯, 释放的胺基增加了分子内电荷转移能力, 使探针发射出黄绿色荧光.探针对CO具有高选择性和高灵敏性, 在探针(10 μmol•L-1)的PBS溶液(含30% DMSO)中, 加入10 equiv.的CORM-3, 反应20 min后, 比率荧光增强16.7倍, 检测极限为58 nmol• L-1, 被用于溶液中CO检测、细胞内源CO的荧光成像.

    图 11

    图 11.  探针9与CO的识别示意图
    Figure 11.  Schematic illustration of reaction of 9 with CO

    2018年, 朱宝存课题组[30]报道了第二例比例计量型CO荧光探针10(图 12).该探针以4-羟基萘酰亚胺为荧光团, 烯丙基醚为识别基团, 探针对CO选择性高于其它活性物种, 具有较高选择性, 检测极限为17.9 nmol•L-1, 荧光双发射波长斯托克斯位移高达90 nm.

    图 12

    图 12.  探针10与CO的识别示意图
    Figure 12.  Schematic illustration of reaction of 10 with CO

    氧杂蒽是一类光学性能优异的染料分子, 包括荧光素、罗丹明、Rhodol及其类似物, 普遍具有较大的摩尔消光系数和较高的荧光量子产率, 被广泛应用于分子识别、生物化学和医学研究等领域.

    当前, 利用氧杂蒽类染料发展的二组分CO荧光探针主要是利用羟基的保护和脱保护策略.两个羟基都被保护的荧光素形成非共轭结构的无色无荧光闭环内酯结构; 单羟基保护的Rhodol的荧光也显著下降, 当分析物促进羟基脱保护后, 重新释放染料的荧光.

    2016年, 冯国强课题组[31]报道了双烯丙基碳酸酯CO荧光探针11(图 13).该探针以荧光素为荧光团, 通过与CO反应破坏螺内酯结构, 释放荧光素的荧光.该探针对CO具有高选择性, 不受其它活性氧、活性氮、活性硫物种的干扰.在探针(5 μmol•L-1)的PBS溶液(含0.5% DMSO)中, 加入10 equiv.的CORM-3, 反应15 min后, 荧光增强约100倍, 检测极限为37 nmol•L-1.探针用于检测血红素诱导A549细胞内源CO的生成.随后, 该课题组[32]又报道了双烯丙基醚CO荧光探针12 (图 13).该探针利用更稳定的烯丙基醚代替了烯丙基碳酸酯作为反应位点, 克服了烯丙基碳酸酯探针11稳定性差的问题.该探针结构简单、化学/光稳定良好、对CO具有较高的选择性和灵敏性, 检测极限为29 nmol• L-1.

    图 13

    图 13.  探针11~12与CO的识别示意图
    Figure 13.  Schematic illustration of reaction of 11~12 with CO

    2016年, 张雷课题组[33]首次报道了双烯丙基碳酸酯近红外荧光CO探针13 (图 14).该探针以萘基荧光素为荧光团, 烯丙基碳酸酯为反应基团, 对CO选择性和灵敏度高, 在探针(10 μmol•L-1)的PBS溶液(含40% DMSO)中, 加入10 equiv.的CORM-3, 反应45 min后, 荧光增强35倍, 检测极限127 nmol•L-1, 可实现CO比色荧光双通道检测. 2019年, 朱宝存课题组[34]报道了烯丙基碳酸酯CO荧光探针14(图 15).该探针以近红外氧杂蒽染料Seminaphthorhodafluor为荧光团, 对CO选择性高于其它活性氧、活性氮、活性硫等物种.探针检测极限为38.9 nmol•L-1, 能够用于HeLa细胞线粒体内CO的荧光成像.

    图 14

    图 14.  探针13与CO的识别示意图
    Figure 14.  Schematic illustration of reaction of 13 with CO

    图 15

    图 15.  探针14与CO的识别示意图
    Figure 15.  Schematic illustration of reaction of 14 with CO

    近红外荧光探针的激发发射波长一般位于650~900 nm, 该波长范围内生物背景干扰低, 可获得较高的成像信噪比, 同时, 该波长区域内光子的辐射能较低, 可减小光对生物样本的损伤.另外, 近红外光组织穿透能力强, 可以实现活体动物体内荧光成像.常用的近红外荧光团是菁染料、长沙系列染料、湖大系列染料等, 此类荧光团具有较大的摩尔消光系数、易于合成和纯化等优点, 已经被广泛应用于许多领域.

    2018年, 冯国强课题组[35]设计合成了烯丙基碳酸酯近红外荧光CO探针15 (图 16).该探针以湖大染料为荧光团, 对CO具有较好的选择性和较高的灵敏度, 检测极限低至3.2 nmol•L-1.探针水溶性好, 与CO几分钟内即可反应完全, 并表现出明显的颜色和荧光变化.该探针被用于HeLa细胞和小鼠体内CO的荧光成像.同年, 李春艳课题组[36]同样报道了一例以湖大染料类似物为荧光团的烯丙基碳酸酯近红外荧光CO探针16 (图 16), 该探针实现了细胞线粒体和小鼠体内CO的荧光成像.

    图 16

    图 16.  探针15~18的结构
    Figure 16.  Structures of probes 15~18

    2019年, 冯国强课题组[37, 38]先后报道了两个大斯托克斯位移的烯丙基碳酸酯近红外荧光CO探针(图 16).探针1718对CO针都具有高选择性和灵敏度, 检测极性低至纳摩尔级, 它们的斯托克斯位移均高于200 nm, 实现了细胞、斑马鱼和小鼠体内CO的荧光成像.

    2016年, 张雷课题组[39]报道了基于分子内电荷转移(ICT)机理的比色和荧光CO探针19(图 17).该探针以硝基苯并呋咱(NBD)为荧光团, 烯丙基氨基甲酸酯为反应基团, 对CO具有优异的选择性, 超过其他的活性氧、活性硫和活性氮物种.在探针(10 μmol•L-1)的PBS溶液中, 加入5 equiv.的CORM-3, 反应30 min后, 荧光增强75倍, 检测极限26.3 nmol•L-1, 可实现CO比色荧光双通道检测.该探针被用于比色检测空气中CO气体的存在.

    图 17

    图 17.  探针19与CO的识别示意图
    Figure 17.  Schematic illustration of reaction of 19 with CO

    CO具有还原性, 一些芳香硝基化合物理论上能够被其还原, 因此, 寻找合适结构的芳香硝基化合物有望实现CO的选择性检测.

    2018年, Dhara等[40, 41]报道了两例基于一氧化碳还原反应的CO荧光探针2021(图 18).两个探针结构中萘酰亚胺3位硝基被还原为胺基后, 恢复了荧光团的荧光.它们对CO具有较高的选择性和灵敏性, 在探针(10 μmol•L-1)的PBS溶液(含1~2% DMSO)中, 加入10 equiv.的CORM-3, 反应45 min后, 荧光分别增强33倍和75倍, 检测极限可达纳摩尔级别.探针21能够定位于MCF-7细胞溶酶体, 用于溶酶体内CO的荧光成像.

    图 18

    图 18.  探针20~21的结构
    Figure 18.  Structures of probes 20~21

    2019年, 朱宝存课题组[42]设计合成了首个基于一氧化碳还原反应的近红外CO荧光探针22 (图 19).该探针对CO的选择性远超过其他的活性氧、活性硫和活性氮物种.在探针(10 μmol•L-1)的PBS溶液(含30% DMSO)中, 加入10 equiv.的CORM-2, 反应10 min后, 荧光即能增强80%, 检测极限低至6.1 nmol•L-1, 结合共聚焦荧光成像技术, 首次证实RAW 264.7巨噬细胞中瞬时葡萄糖去氧(TGD)引起血红素氧合酶-1 (HO-1)上调和高糖抑制斑马鱼HO-1下调的现象.

    图 19

    图 19.  探针22与CO的识别示意图
    Figure 19.  Schematic illustration of reaction of 22 with CO

    同年, 冯国强课题组[43]发现一例基于激发态分子内质子转移(ESIPT)机制的CO荧光探针23(图 20).该探针以2-硝基邻苯二甲酰亚胺为荧光基团, 硝基被CO还原为胺基后, 探针发生ESIPT, 产生绿色荧光.该探针用于快速、高选择性、灵敏的检测在水溶液、活细胞和动物中的CORM-3, 为研究CORM-3在生物系统中的应用提供了有用的工具.

    图 20

    图 20.  探针23与CO的识别示意图
    Figure 20.  Schematic illustration of reaction of 23 with CO

    近年来CO荧光分子探针的研究已经取得了一定进展, 见表 1.由于CO的化学性质相对稳定, 在生理条件下能直接参与的化学反应较少, 因此, 与检测其它内源性活性分子的荧光探针相比, CO荧光探针的研究尚未成熟, 有广阔的发展空间.近年来CO荧光分子探针的研究已经取得了一定进展, 一些探针分子已用于细胞和生物体内CO浓度的检测, 用于研究特定环境(如乏氧、缺血再灌注损伤等)下内源性CO的生成与代谢关系, 但适用于研究活体内CO水平与相关疾病的关系的新型长波长/双光子激发近红外发射性质的荧光分子探针还有待发展.另外, 已报道的CO荧光探针多为打开型探针, 测试结果易受到探针浓度、激发光源效率和外界环境等因素的影响, 发展比例计量型探针, 利用其双波长比例内校正功能, 有望实现CO精确检测.最后, 基于零价钯介导Tsuji-Trost反应的CO荧光探针是二组分探针, 虽然已经用于CO的定量检测, 但实际应用中仍存在一些不足, 我们认为发展基于Tsuji-Trost反应的CO单一组分荧光探针也是CO发展的一个方向.

    表 1

    表 1  CO荧光探针的总结
    Table 1.  Summary of CO fluorescent probes
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    探针 探针类型 荧光团 λex/ λem
    (nm)
    测试溶液 检测极限 荧光增强倍数 响应时间/
    min
    应用
    (细胞/活体)
    1[20] 环钯金属配合物
    CO荧光探针
    氟硼吡咯 475/503 PBS μmol·L-1 10倍(1 μmol·L-1,
    50 equiv.)
    60 细胞
    2[21] 咔唑-香豆素 740/477 10% DMSO 0.653 μmol·L-1 11倍(2 μmol·L-1,
    60 equiv.)
    40 细胞/组织
    3[22] 氟硼吡咯 498/512 30% DMSO 2.5倍(5 μmol·L-1,
    20 equiv.)
    20
    4[23] 氟硼吡咯 498/512 30% DMSO 0.72 μmol·L-1 10倍(5 μmol·L-1,
    20 equiv.)
    20 细胞
    5[24] 尼罗红 760/660 5% DMSO 50 μmol·L-1 60倍(2 μmol·L-1,
    100 equiv.)
    60 细胞/斑马鱼/
    小鼠
    6[25] 尼罗红 543/650 5% DMSO 0.23 μmol·L-1 25倍(5 μmol·L-1,
    20 equiv.)
    30 细胞膜/小鼠
    7[27] 二组分CO荧光
    探针(烯丙基醚/
    烯丙基碳酸酯/
    烯丙基氨基
    甲酸酯)
    香豆素 340/460 0.4% DMSO 7.77 μmol·L-1 130倍(10 μmol·L-1,
    5 equiv.)
    30 细胞
    8[28] 苯并噻唑
    香豆素
    462/490 10% DMSO 25 μmol·L-1 42倍(5 μmol·L-1,
    10 equiv.)
    15 细胞
    9[29] 萘酰亚胺 420/472,
    545
    30% DMSO 58 μmol·L-1 16.7倍(10 μmol·L-1,
    10 equiv.)
    20 细胞
    10[30] 萘酰亚胺 430/455,
    545
    PBS 17.9 μmol·L-1 细胞
    11[31] 荧光素 490/520 0.5% DMSO 37 μmol·L-1 100倍(5 μmol·L-1,
    10 equiv.)
    15 细胞
    12[32] 荧光素 493/527 0.5% DMSO 29 μmol·L-1 100倍(5 μmol·L-1,
    20 equiv.)
    20 细胞
    13[33] 萘基荧光素 620/670 40% DMSO 0.127 μmol·L-1 35倍(1 μmol·L-1,
    10 equiv.)
    45 细胞
    14[34] Seminaphtho-
    rhodafluor
    450/630 PBS 38.9 μmol·L-1 20倍(5 μmol·L-1,
    10 equiv.)
    20 线粒体
    15[35] 湖大染料 670/714 0.5% DMSO 3.2 μmol·L-1 细胞/小鼠
    16[36] 湖大染料 690/736 PBS 0.17 μmol·L-1 线粒体/小鼠
    17[37] 异佛尔酮
    衍生物
    550/671 20% DMSO 38 μmol·L-1 细胞/小鼠
    18[38] 异佛尔酮-
    香豆素
    510/710 5% DMSO 33 μmol·L-1 细胞/斑马鱼
    19[39] 7-硝基-2, 1, 3-
    苯并呋咱
    480/549 PBS 263 μmol·L-1 75倍(10 μmol·L-1,
    5 equiv.)
    30 细胞
    20[40] 硝基还原型
    CO荧光探
    萘酰亚胺 440/522 2% DMSO 123 μmol·L-1 33倍(10 μmol·L-1,
    10 equiv.)
    45 细胞
    21[41] 萘酰亚胺 440/528 1% DMSO 0.60 μmol·L-1 75倍(10 μmol·L-1,
    10 equiv.)
    45 细胞溶酶体
    22[42] 多氰基荧光团 580/665 30% DMSO 6.1 μmol·L-1 80% (10 μmol·L-1,
    10 equiv.)
    10 细胞/斑马鱼
    23[43] 2-硝基邻苯二
    甲酰亚胺
    420/503 0.5% DMSO 16 μmol·L-1 Vast (10 μmol·L-1,
    10 equiv.)
    5 细胞/斑马鱼/
    小鼠

    1. [1]

      Motterlini, R.; Otterbein, L. E. Nat. Rev. Drug Discovery 2010, 9, 728.

    2. [2]

      Sjöstrand, T. Scand. J. Clin. Lab. Invest. 1949, 1, 201.

    3. [3]

      Muramoto, T.; Tsurui, N.; Terry, M. J.; Yokota, A.; Kohchi, T. Plant Physiol. 2002, 130, 1958.

    4. [4]

      Muramoto, T.; Kohchi, T.; Yokota, A.; Hwang, I.; Goodman, H. M. Plant Cell 1999, 11, 335.

    5. [5]

      Xuan, W.; Zhu, F.-Y.; Xu, S.; Huang, B.-K.; Ling, T.-F.; Qi, J.-Y. Plant Physiol. 2008, 148, 881.

    6. [6]

      Han, Y.; Xuan, W.; Yu, T.; Fang, W. B.; Lou, T. L.; Gao, Y. J. Integr. Plant Biol. 2007, 49, 1703.

    7. [7]

      Noriega, G. O.; Balestrasse, K. B.; Batlle, A.; Tomaro, M. L. Biochem. Biophys. Res. Commun. 2004, 323, 1003.

    8. [8]

      Cao, Z.; Huang, B.; Wang, Q.; Xuan, W.; Ling, T.; Zhang, B. Chin. Sci. Bull. 2007, 52, 2365.

    9. [9]

      Mann, B. E. Top. Organomet. Chem. 2010, 32, 247.

    10. [10]

      Bilban, M.; Haschemi, A.; Wegiel, B.; Chin, B. Y.; Wagner, O.; Otterbein, L. E. J. Mol. Med. 2008, 86, 267.

    11. [11]

      Fujimoto, H.; Ohno, M.; Ayabe, S.; Kobayashi, H.; Ishizaka, N.; Kimura, H. Arterioscler., Thromb., Vasc. Biol. 2004, 24, 1848.

    12. [12]

      Heinemann, S. H.; Hoshi, T.; Westerhausen, M.; Schiller, A. Chem. Commun. 2014, 50, 3644.

    13. [13]

      Ryter, S. W.; Choi, A. M. K. Transl. Res. 2016, 167, 7.

    14. [14]

      Wu, L. Y.; Wang, R. Pharmacol. Rev. 2005, 57, 585.

    15. [15]

      矫春鹏, 刘媛媛, 路文娟, 张平平, 王延风, 有机化学, 2019, 39, 591.Jiao, C. P.; Liu, Y. Y.; Lu, W. J.; Zhang, P. P.; Wang, Y. F. Chin. J. Org. Chem. 2019, 39, 591 (in Chinese). 

    16. [16]

      闫沛沛, 王婷, 张丹, 马晓雪, 有机化学, 2019, 39, 916.Yan, P. P.; Wang, T.; Zhang, D.; Ma, X. X. Chin. J. Org. Chem. 2019, 39, 916 (in Chinese). 

    17. [17]

      王瑞祥, 赖晓静, 邱观音生, 刘晋彪, 有机化学, 2019, 39, 952.Yan, P. P.; Wang, T.; Zhang, D.; Ma, X. X. Chin. J. Org. Chem. 2019, 39, 952 (in Chinese). 

    18. [18]

      张晟曦, 牛晴旻, 吴松泽, 吕海娟, 邢国文, 有机化学, 2019, 39, 940.Zhang, S. X.; Niu, Q. M.; Wu, S. Z.; Lv, H. J.; Xing, G. W.; Xing, G. W. Chin. J. Org. Chem. 2019, 39, 940 (in Chinese). 

    19. [19]

      杨滋琦, 刘兴坤, 姜鲁南, 王美, 有机化学, 2019, 39, 1483.Yang, Z. Q.; Liu, X. K.; Jiang, L. N.; Wang, M. Chin. J. Org. Chem. 2019, 39, 1483 (in Chinese). 

    20. [20]

      Michel, B. W.; Lippert, A. R.; Chang, C. J. J. Am. Chem. Soc. 2012, 134, 15668.

    21. [21]

      Zheng, K.; Lin, W.; Tan, L.; Chen, H.; Cui, H. Chem. Sci. 2014, 5, 3439.

    22. [22]

      Li, Y.; Wang, X.; Yang, J.; Xie, X. L.; Li, M. M.; Niu, J. Y. Anal. Chem. 2016, 88, 11154.

    23. [23]

      Liu, K. Y.; Kong, X. Q.; Ma, Y. Y.; Lin, W. Y. Angew. Chem. Int. Ed. 2017, 56, 13489.

    24. [24]

      Liu, K.; Kong, X.; Ma, Y.; Lin, W. Nat. Protoc. 2018, 13, 1020.

    25. [25]

      Xu, S.; Liu, H.-W.; Yin, X.; Yuan, L.; Huan, S.-Y.; Zhang, X.-B. Chem. Sci. 2018, 10, 320.

    26. [26]

      Sun, M.; Yu, H.; Zhang, K.; Wang, S.; Hayat, T.; Alsaedi, A. ACS Sens. 2018, 3, 285.

    27. [27]

      Pal, S.; Mukherjee, M.; Sen, B.; Mandal, S. K.; Lohar, S.; Chattopadhyay, P.; Dhara, K. Chem. Commun. 2015, 51, 4410.

    28. [28]

      Feng, W. Y.; Liu, D. D.; Zhai, Q. S.; Feng, G. Q. Sens. Actuators, B 2017, 240, 625.

    29. [29]

      Feng, W. Y.; Hong, J. X.; Feng, G. Q. Sens. Actuators, B 2017, 251, 389.

    30. [30]

      Wang, Z.; Geng, Z.; Zhao, Z.; Sheng, W.; Liu, C.; Lv, X. New J. Chem. 2018, 42, 14417.

    31. [31]

      Feng, W. Y.; Liu, D. D.; Feng, S. M.; Feng, G. Q. Anal. Chem. 2016, 88, 10648.

    32. [32]

      Feng, S. M.; Liu, D. D.; Feng, W. Y.; Feng, G. Q. Anal. Chem. 2017, 89, 3754.

    33. [33]

      Yan, J.-W.; Zhu, J.-Y.; Tan, Q.-F.; Zhou, L.-F.; Yao P.-F.; Lu, Y.-T.; Tan, J.-H.; Zhang, L. RSC Adv. 2016, 6, 65373.

    34. [34]

      Wang, Z.; Zhao, Z.; Wang, R.; Yuan, R.; Liu, C.; Duan, Q.; Zhu, W.; Li, X.; Zhu, B. Anal. Methods 2019, 11, 288.

    35. [35]

      Feng, W. Y.; Feng, G. Q. Sens. Actuators B. 2018, 255, 2314.

    36. [36]

      Li, S.-J.; Zhou, D.-Y.; Li, Y.-F.; Yang, B.; Ou-Yang, J.; Jie, J.; Liu, J.; Li, C.-Y. Talanta 2018, 188, 691.

    37. [37]

      Gong, S.; Hong, J.; Zhou, E.; Feng, G. Talanta 2019, 201, 40.

    38. [38]

      Deng, Y.; Hong, J.; Zhou, E.; Feng, G. Dyes Pigm. 2019, 17, 107634.

    39. [39]

      Xu, Z. Y.; Yan, J. W.; Li, J.; Yao, P. F.; Tan, J. H.; Zhang, L. Tetrahedron Lett. 2016, 57, 2927.

    40. [40]

      Das, B.; Lohar, S.; Patra, A.; Ahmmed, E.; Mandal, S. K.; Bhakta, J. N. New J. Chem. 2018, 42, 13497.

    41. [41]

      Dhara, K.; Lohar, S.; Patra, A.; Roy, P.; Saha, S. K.; Sadhukhan, G. C. Anal. Chem. 2018, 90, 2933.

    42. [42]

      Wang, Z.; Liu, C.; Wang, X.; Duan, Q.; Jia, P.; Zhu, H.; Li, Z.; Zhang, X.; Ren, X.; Zhu, B.; Sheng, W. Sens. Actuators, B 2019, 291, 329.

    43. [43]

      Feng, W.; Feng, S.; Feng, G. Q. Anal. Chem. 2019, 91, 8602.

  • 图 1  利用金属钯介导的羰基化反应(左)和质子化水解反应(右)的荧光探针

    Figure 1  Fluorescent probes based on the palladium-mediated carbonylation (left) and a protonolysis reaction (right)

    图 2  利用零价钯的Tsuji-Trost反应的荧光探针

    Figure 2  Fluorescent probes based on palladium(0)-mediated Tsuji-Trost reaction

    图 3  利用CO还原反应的荧光探针

    Figure 3  Fluorescent probes based on the reduction of CO

    图 4  探针1与CO的识别示意图

    Figure 4  Schematic illustration of reaction of 1 with CO

    图 5  探针2与CO的识别示意图

    Figure 5  Schematic illustration of reaction of 2 with CO

    图 6  探针3~4与CO的识别示意图

    Figure 6  Schematic illustration of reaction of 3~4 with CO

    图 7  探针5与CO的识别示意图

    Figure 7  Schematic illustration of reaction of 5 with CO

    图 8  探针6与CO的识别示意图

    Figure 8  Schematic illustration of reaction of 6 with CO

    图 9  探针7与CO的识别示意图

    Figure 9  Schematic illustration of reaction of 7 with CO

    图 10  探针8与CO的识别示意图

    Figure 10  Schematic illustration of reaction of 8 with CO

    图 11  探针9与CO的识别示意图

    Figure 11  Schematic illustration of reaction of 9 with CO

    图 12  探针10与CO的识别示意图

    Figure 12  Schematic illustration of reaction of 10 with CO

    图 13  探针11~12与CO的识别示意图

    Figure 13  Schematic illustration of reaction of 11~12 with CO

    图 14  探针13与CO的识别示意图

    Figure 14  Schematic illustration of reaction of 13 with CO

    图 15  探针14与CO的识别示意图

    Figure 15  Schematic illustration of reaction of 14 with CO

    图 16  探针15~18的结构

    Figure 16  Structures of probes 15~18

    图 17  探针19与CO的识别示意图

    Figure 17  Schematic illustration of reaction of 19 with CO

    图 18  探针20~21的结构

    Figure 18  Structures of probes 20~21

    图 19  探针22与CO的识别示意图

    Figure 19  Schematic illustration of reaction of 22 with CO

    图 20  探针23与CO的识别示意图

    Figure 20  Schematic illustration of reaction of 23 with CO

    表 1  CO荧光探针的总结

    Table 1.  Summary of CO fluorescent probes

    探针 探针类型 荧光团 λex/ λem
    (nm)
    测试溶液 检测极限 荧光增强倍数 响应时间/
    min
    应用
    (细胞/活体)
    1[20] 环钯金属配合物
    CO荧光探针
    氟硼吡咯 475/503 PBS μmol·L-1 10倍(1 μmol·L-1,
    50 equiv.)
    60 细胞
    2[21] 咔唑-香豆素 740/477 10% DMSO 0.653 μmol·L-1 11倍(2 μmol·L-1,
    60 equiv.)
    40 细胞/组织
    3[22] 氟硼吡咯 498/512 30% DMSO 2.5倍(5 μmol·L-1,
    20 equiv.)
    20
    4[23] 氟硼吡咯 498/512 30% DMSO 0.72 μmol·L-1 10倍(5 μmol·L-1,
    20 equiv.)
    20 细胞
    5[24] 尼罗红 760/660 5% DMSO 50 μmol·L-1 60倍(2 μmol·L-1,
    100 equiv.)
    60 细胞/斑马鱼/
    小鼠
    6[25] 尼罗红 543/650 5% DMSO 0.23 μmol·L-1 25倍(5 μmol·L-1,
    20 equiv.)
    30 细胞膜/小鼠
    7[27] 二组分CO荧光
    探针(烯丙基醚/
    烯丙基碳酸酯/
    烯丙基氨基
    甲酸酯)
    香豆素 340/460 0.4% DMSO 7.77 μmol·L-1 130倍(10 μmol·L-1,
    5 equiv.)
    30 细胞
    8[28] 苯并噻唑
    香豆素
    462/490 10% DMSO 25 μmol·L-1 42倍(5 μmol·L-1,
    10 equiv.)
    15 细胞
    9[29] 萘酰亚胺 420/472,
    545
    30% DMSO 58 μmol·L-1 16.7倍(10 μmol·L-1,
    10 equiv.)
    20 细胞
    10[30] 萘酰亚胺 430/455,
    545
    PBS 17.9 μmol·L-1 细胞
    11[31] 荧光素 490/520 0.5% DMSO 37 μmol·L-1 100倍(5 μmol·L-1,
    10 equiv.)
    15 细胞
    12[32] 荧光素 493/527 0.5% DMSO 29 μmol·L-1 100倍(5 μmol·L-1,
    20 equiv.)
    20 细胞
    13[33] 萘基荧光素 620/670 40% DMSO 0.127 μmol·L-1 35倍(1 μmol·L-1,
    10 equiv.)
    45 细胞
    14[34] Seminaphtho-
    rhodafluor
    450/630 PBS 38.9 μmol·L-1 20倍(5 μmol·L-1,
    10 equiv.)
    20 线粒体
    15[35] 湖大染料 670/714 0.5% DMSO 3.2 μmol·L-1 细胞/小鼠
    16[36] 湖大染料 690/736 PBS 0.17 μmol·L-1 线粒体/小鼠
    17[37] 异佛尔酮
    衍生物
    550/671 20% DMSO 38 μmol·L-1 细胞/小鼠
    18[38] 异佛尔酮-
    香豆素
    510/710 5% DMSO 33 μmol·L-1 细胞/斑马鱼
    19[39] 7-硝基-2, 1, 3-
    苯并呋咱
    480/549 PBS 263 μmol·L-1 75倍(10 μmol·L-1,
    5 equiv.)
    30 细胞
    20[40] 硝基还原型
    CO荧光探
    萘酰亚胺 440/522 2% DMSO 123 μmol·L-1 33倍(10 μmol·L-1,
    10 equiv.)
    45 细胞
    21[41] 萘酰亚胺 440/528 1% DMSO 0.60 μmol·L-1 75倍(10 μmol·L-1,
    10 equiv.)
    45 细胞溶酶体
    22[42] 多氰基荧光团 580/665 30% DMSO 6.1 μmol·L-1 80% (10 μmol·L-1,
    10 equiv.)
    10 细胞/斑马鱼
    23[43] 2-硝基邻苯二
    甲酰亚胺
    420/503 0.5% DMSO 16 μmol·L-1 Vast (10 μmol·L-1,
    10 equiv.)
    5 细胞/斑马鱼/
    小鼠
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  • 收稿日期:  2019-06-24
  • 修回日期:  2019-07-18
  • 网络出版日期:  2019-12-25
通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com
  • 1. 

    沈阳化工大学材料科学与工程学院 沈阳 110142

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