基于香豆素骨架的Hg2+荧光探针的研究进展

高京硕 杨舒涵 董烨 陈国锋

引用本文: 高京硕, 杨舒涵, 董烨, 陈国锋. 基于香豆素骨架的Hg2+荧光探针的研究进展[J]. 化学通报, 2021, 84(5): 441-449, 440. shu
Citation:  Jingshuo Gao, Shuhan Yang, Ye Dong, Guofeng Chen. Research Advance of Coumarin-Based Fluorescent Probes for Recognition of Hg2+[J]. Chemistry, 2021, 84(5): 441-449, 440. shu

基于香豆素骨架的Hg2+荧光探针的研究进展

    通讯作者: 陈国锋  男, 博士, 副教授, 主要从事杂环合成及分子识别研究。E-mail: chenguofeng@hbu.cn
摘要: 本文综述了近十年来以香豆素衍生物为荧光基团的Hg2+探针的研究进展,并对该类探针的分子结构、设计原理及使用性能给出简要介绍,对探针应用过程中的灵敏度、选择性以及检测条件等方面进行了评述,最后展望了该类荧光探针的研究和发展方向。

English

  • 汞是常温、常压状态下唯一能呈液态的金属,它广泛存在于自然界中,具有一定的挥发性。人类活动的开展使得该金属在不同产业中得以广泛应用,来自贵金属冶炼、仪器制造和化工等行业废水的排放已成为水体中汞污染的主要来源。联合国环境署发布的2018年全球汞评估报告表明,全球每年释放到环境中的汞高达数千吨。因此,汞是环境中普遍存在的重金属之一,其主要存在形式为单质汞、无机汞、有机汞等[1]。汞离子可与细胞膜或酶蛋白内的巯基和二硫基结合,不易分离,能使细胞内许多代谢如蛋白质和核酸的合成等受到影响,从而影响了细胞的功能[2]。汞及其化合物可以通过皮肤、消化道或呼吸道直接进入人体,也可以通过在食物链中富集最终进入人体,从而毒害人的中枢神经系统、肾脏、肝脏、口腔及皮肤等[3~5]。汞具有耐久性、易转移性和高生物累积性,不仅对人类的生存环境造成破坏,也极大地威胁着人类的身体健康,成为目前全球最引人关注的环境污染物之一[6]。因此发展快速、高效、灵敏的汞离子检测技术有着重要的意义。

    常见汞的测定方法有分光光度法、原子发射光谱法、原子吸收光谱法[7]、中子活化法[8]、高效液相色谱法[9]、电感耦合等离子体质谱法[10]、X-射线荧光分析以及电化学阳极溶出伏安法[11]等,这些方法各有优势,但存在仪器昂贵、分析周期长及预处理复杂等问题,难以适应检测的方便、快捷、灵敏度等方面的要求。荧光法操作简单、实时快速、灵敏度高、检测限低,还可以穿透细胞壁对活细胞和生物体内的金属离子进行显影示踪检测,在生物应用等方面显示出了独特的优越性,因此受到人们青睐[12, 13]。荧光基团是荧光探针最基本的组成部分,其作用是将识别信息表达为荧光信号,常用于探针设计的荧光基团有稠环芳烃、若丹明、荧光素、菁染料、萘酰亚胺、吡咯甲川和香豆素等。

    香豆素是一类苯并吡喃酮化合物,是最早发现具有荧光性质的物质之一。由于荧光量子产率较高、光稳定性好、有较大的Stokes位移以及易于修饰等特点,被广泛应用于探针的设计[14~16]。在香豆素7-位引入供电子基以及3-位或4-位引入吸电子基可以有效影响分子内电荷转移过程,从而改变分子荧光发射波长。基于这些优点,该类探针被广泛用于检测离子和生理相关小分子。

    香豆素类探针识别Hg2+的研究主要基于光诱导电子转移(PET)、分子内电荷转移(ICT)、荧光共振能量转移(FRET)、反应型荧光探针(脱硫、羟汞化)及其他机理展开。本文主要就近十年来香豆素类Hg2+荧光探针的设计、结构特性及其识别的研究进展进行评述,并展望了该类探针的发展趋势。

    利用PET原理设计的荧光探针在金属离子识别中最为常见。典型的PET荧光探针是由具有给电子能力的识别基团通过连接基团和荧光基团相连而构建的。在未结合金属离子之前探针不发射荧光或荧光很弱,一旦探针与金属离子结合,荧光团就会发射出强荧光。冠醚类化合物由于自身的独特结构被广泛应用于该类机理的荧光探针的设计中,识别Hg2+效果良好。

    2010年,Voutsadaki等[17]通过7-异硫氰酸酯-4-甲基-2H-苯并吡喃-2-酮与1-氮杂-15-冠-5的反应制备了新型荧光探针C1。Hg2+的加入阻碍了体系的PET过程(图式 1),当加入量达到80μmol/L时,荧光增强29倍。C1对Hg2+具有专一识别性能,离子竞争反应证实其他金属离子的加入对C1识别Hg2+几乎没有干扰。该探针水溶性较好且选择性高,为检测和量化环境和生物样品中的Hg2+提供了新思路。

    图式 1

    图式 1.  探针C1与Hg2+的可能络合模式
    Scheme 1.  Proposed binding mode of C1 with Hg2+

    2011年,Guha等[18]合成了一个香草醛偶联香豆素的荧光探针C2。Hg2+的加入限制了香草醛上基团的旋转,从而抑制了O, N-电子供体向香豆素荧光团的PET过程,体系荧光增强(图式 2)。根据Job’s滴定曲线,C2和Hg2+形成2∶1配合物。实验证明C2对Hg2+的测定具有良好的光稳定性。Cu2+、Ni2+、Fe3+和Zn2+对识别的干扰可以通过掩蔽剂乙二胺四乙酸(EDTA)消除。Hg2+和探针的络合常数为2.2×105L/mol,检测限为1.25μmol/L。该探针已用于白色念珠菌细胞中Hg2+积累的成像分析。

    图式 2

    图式 2.  探针C2与Hg2+的可能络合模式
    Scheme 2.  Proposed binding mode of C2 with Hg2+

    2013年,Bazzicalupi等[19]合成了以香豆素为荧光团,硫/氮杂大环骨架作为受体的新型荧光探针C3。在MeCN/H2O 4∶1(体积比,下同)中,探针对Hg2+显示开-关选择性反应,这使得Hg2+可以在体外培养的Cos-7细胞中成像。当C3固载在二氧化硅-聚乙二醇(PEG)纳米粒子上或固载在聚氯乙烯(PVC)基聚合物膜上时,可以选择性地检测纯水中的Hg2+。当探针进入PVC膜后与常见的计算机屏幕光辅助技术(CSPT)相结合为可以定量检测天然水样中的Hg2+

    2018年,Yan等[20]利用肼、7-(二乙氨基)香豆素-3-甲醛和7-羟基-4-甲基香豆素-8-甲醛为原料合成了一种新型香豆素席夫碱类荧光探针C4。因为存在从C=N2到7-羟基-4-甲基香豆素的PET过程,阻碍了7-羟基-4-甲基香豆素的激发电子跃迁回基态,在C2H5OH/Tris(10∶1,pH=4.0)缓冲溶液中,Hg2+结合C4的羰基、羟基及C=N键上的N原子,C=N2的电子参与了Hg2+的配位,7-羟基-4-甲基香豆素的激发态电子跃迁回基态,荧光明显增强。其他金属离子(Al3+除外)的加入不会引起荧光强度的变化。基于C4的探针可成功应用于自来水样品中Hg2+的检测。

    2019年,Nguyen等[21]设计合成了以香豆素为荧光团、硫杂冠醚为识别基团的Hg2+纤维荧光传感器C5。利用聚合反应把荧光团固定在纤维的表面,通过PET机理实现对Hg2+的识别(图式 3)。该传感器在Hg2+浓度0~28μmol/L范围内响应时间为11min,可以重复使用,在Tris-EDTA溶液中传感器恢复时间为30min。通过改变聚合物层的厚度和使用更灵敏的检测器,可获得0.15μmol/L的检测限。C5具有良好的金属离子选择性、突出的光稳定性和可逆性,因此这种传感器非常适合于环境中Hg2+的现场检测。

    图式 3

    图式 3.  探针C5与Hg2+的可能络合模式
    Scheme 3.  Proposed binding mode of C5 with Hg2+

    典型的ICT型荧光探针是由荧光团与识别基团直接相连构成的,荧光团上分别连有推电子和吸电子基团且二者又充当识别基团或者识别基团的一部分。当主体与客体结合时,会对荧光团的推-拉电子作用产生影响,从而导致荧光光谱的变化。应用该机理设计的香豆素类Hg2+探针文献不多且测试是在乙腈中进行的。

    2010年,Kim等[22]合成了7-二乙氨基-3-(2-苯基肼基)甲基香豆素(C6)。在CH3CN中,Hg2+结合C6的羰基及C=N键上的氮原子,C=N异构化被阻断,增强了分子内电荷由7-二乙氨基向香豆素羰基的转移过程,荧光增强,吸收波长发生红移(图式 4)。竞争实验表明其他阳离子加入对C6识别Hg2+几乎没有影响,该探针有望作为Hg2+传感器被应用于工业和环境领域。

    图式 4

    图式 4.  探针C6与Hg2+的可能络合模式
    Scheme 4.  Proposed binding mode of C6 with Hg2+

    FRET即处于激发态的供体以偶极-偶极相互作用形式将激发能转移给其邻近的处于基态的受体的非辐射的退激过程,这一过程被称之为共振能量转移或非辐射能量转移。该类探针多为基于香豆素-若丹明体系的FRET荧光探针,实现了高选择性和高灵敏度检测Hg2+,多数探针能实现细胞中对Hg2+的荧光成像分析。

    2010年,Yu等[23]以若丹明B酰肼和7-二乙氨基香豆素-3-醛为原料合成了Hg2+荧光探针C7。探针在较宽pH范围(pH=4.0~12.0)内保持稳定,在Tris-HCl(EtOH/H2O,1∶1,pH 7.24)缓冲液中,加入Hg2+后,若丹明螺环开环(图式 5),肉眼明显可见溶液颜色由橙色变为粉红色,荧光强度增加24倍。其他竞争离子的加入对C7识别Hg2+几乎没有影响,检测限为4.0×10-8mol/L。通过EDTA的加入检验探针的可逆性,C7-Hg2+溶液的荧光强度随着EDTA浓度的增加而降低,颜色也逐渐由粉红色变为橙色。Hg2+再次加入到系统中,溶液由橙色再次变为粉红色。以上结果表明C7对Hg2+的识别具有较高的灵敏性和选择性以及良好的可逆性。采用探针C7对自来水及河水样品中Hg2+的含量进行测定,结果令人满意。

    图式 5

    图式 5.  探针C7与Hg2+的可能络合模式
    Scheme 5.  Proposed binding mode of C7 with Hg2+

    2012年,王海菊等[24]基于FRET机理合成了一个含若丹明6G及香豆素基团的荧光探针C8。在EtOH/H2O(9∶1)溶液中,当Hg2+加入后,若丹明内酰胺五元环开环,470nm处的香豆素荧光团的荧光强度逐渐减弱,而558nm处出现新的发射峰且荧光强度逐渐增强,溶液由黄色变为红色。其他竞争金属离子加入对识别没有干扰,说明C8对于Hg2+有很好的选择性。此外,探针与Hg2+形成的配合物可在较宽的pH范围(pH 4~10)内保持稳定。光谱滴定实验表明,Hg2+C8以2∶1的计量比形成配合物。同时该探针能够应用于自来水中Hg2+的检测,是一种高效的FRET探针。

    2013年,Zhou等[25]基于FRET机理设计合成一种由香豆素和若丹明组成的Hg2+比率荧光探针C9。在HEPES/CH3CN(1∶4,pH 7.0)溶液中,C9对Hg2+表现出良好的选择性和高灵敏度(检测限~0.42×10-9)。当体系中逐渐加入Hg2+,若丹明螺环开环,467nm处香豆素荧光团发射强度逐渐降低,590nm处出现若丹明的发射峰并且强度不断增强,溶液颜色明显由浅黄变为粉红色(图式 6)。C9对Hg2+的响应时间小于2min,其他竞争离子对C9识别Hg2+影响不大。此外,该探针可以应用于细胞内Hg2+浓度的比例成像分析。

    图式 6

    图式 6.  探针C9与Hg2+的可能识别机理
    Scheme 6.  Proposed mechanism of C9 with Hg2+

    2015年,Wang等[26]合成了基于香豆素-若丹明结构的比率型荧光探针C10,在EtOH/H2O(1∶1,10mmol/L HEPES,pH 7.4)溶液中,Hg2+的加入诱导探针中若丹明B开环,使478nm处的荧光降低,587nm处荧光增强(图式 7),检测限达到3.2nmol/L。选择性实验证明,其他金属离子的存在基本不影响检测。此外,C10与Hg2+形成的配合物可在较宽的pH范围(pH 4~11)内保持稳定。通过LC-MS光谱进一步阐明Hg2+的识别机制,添加Hg2+可能会诱导若丹明受体由开环形式的氨基硫脲向1, 3, 4-噁二唑转变。该探针实现了活细胞中Hg2+的检测。

    图式 7

    图式 7.  探针C10与Hg2+的可能识别机理
    Scheme 7.  Proposed mechanism of C10 with Hg2+

    2017年,Acharyya等[27]以若丹明6G酰肼和3-乙酰基-4-羟基香豆素为原料合成了一种Hg2+荧光探针C11。在探针的MeCN∶H2O(1∶5,pH=7.2)溶液中,Hg2+加入后体系颜色由无色变为粉红色,荧光增强34倍,原因在于若丹明螺环的开环。Job’s曲线研究表明,C11与Hg2+形成了1∶1结构的配合物。C11对Hg2+的结合常数为1.04×104L/mol,检测限为7.56×10-8mol/L,其他金属离子均对探针荧光强度影响不大。

    反应型探针的设计是把反应活性基团与香豆素荧光团结合起来,利用反应前后光物理性质的不同实现Hg2+的检测。Hg2+催化下可以发生脱硫反应、与炔烃或烯烃发生羟汞化反应及脱去硫代碳酸酯反应等。该类探针具有良好的选择性和专一性,部分探针成功应用于环境样品中痕量Hg2+的检测。

    2014年,陈韵聪等[28]设计合成了一种新型的激发型比例计量Hg2+荧光探针C12,在含有1% DMSO的磷酸盐缓冲液(PBS,20mmol/L,pH7.20)中,Hg2+加入后,基于Hg2+对缩硫醛类化合物的特异性脱硫反应实现响应,生成的醛基的吸电子作用改变了分子内部原有的ICT效应(图式 8),最大激发波长由410nm红移至485nm,两个激发波长下的荧光强度的比值I485/I410由0.06增加为5.02,具有良好的比例计量响应选择性和较快的响应速度,检测限低于美国环保署的饮用水标准。C12具有良好的水溶性,在pH 5.0~8.0的生理范围内不受影响。另外,共聚焦造影研究发现,C12可以应用于活细胞及5天龄斑马鱼幼体中的Hg2+的检测,对研究Hg2+在生物体内的分布及毒理具有重要意义。

    图式 8

    图式 8.  探针C12与Hg2+作用过程
    Scheme 8.  Sensing process of C12 with Hg2+

    2014年,Yang等[29]合成了8-(1, 3-二噻烷)-7-羟基香豆素(C13)用于对Hg2+的比率检测及对于pH变化的“开-关”响应。在C13的EtOH/H2O(8/2,pH=7)溶液中,通过Hg2+对硫代缩醛脱保护的机理(图式 9),在5min内选择性检测溶液中的Hg2+,Stokes位移达到70nm。由于此过程中探针呈现酸型弱荧光,碱型强荧光,因此探针还可以作为pH探针(pH 7.8~11.9)。此外,在生物医学和环境应用方面,C13对Hg2+的选择性优于其他竞争性金属离子。

    图式 9

    图式 9.  探针C13与Hg2+作用过程
    Scheme 9.  Sensing process of C13 with Hg2+

    2015年,Guo等[30]设计合成了5种具有二硫环烷的香豆素荧光探针C14~C18。这些探针在Na2HPO4-柠檬酸缓冲溶液(pH7.4)中基于脱硫反应均能在良好的线性范围内灵敏地检测Hg2+。探针脱硫后生成相应的香豆素醛(图式 10),ICT效应增强,荧光强度发生猝灭。其中,探针C14在水溶液中对Hg2+的选择性要高于其他探针,可进一步应用于MCF-7细胞显微成像分析。

    图式 10

    图式 10.  探针C14~C18与Hg2+作用过程
    Scheme 10.  Sensing process of C14~C18 with Hg2+

    2018年,Cheng等[31]利用Hg2+对二硫缩醛的脱保护反应合成了两种以香豆素为荧光团的用于检测Hg2+的比率型荧光探针C19C20。在探针C20的HEPES/DMSO(9∶1,10mmol/L,pH=7.4)溶液中加入Hg2+,吸收光谱和发射光谱都发生了60nm的红移,检测限低至90nmol/L。同时,该探针成功实现了在HeLa细胞中对Hg2+的荧光成像分析。

    2018年,Yang等[32]合成了一种高灵敏性、高选择性的用于检测Hg2+的香豆素基可视化荧光探针C21。在PBS缓冲溶液中(10mmol/L,10%DMSO,pH7.4),利用Hg2+对二硫缩醛的脱保护反应得到了香豆素醛(图式 11),导致ICT效应增强,荧光发生猝灭,体系颜色由无色变为黄色,检测限低于5nmol/L。该方法在海产品的检测中取得了满意的结果,为其他重金属和过渡金属离子的检测提供了一种新的思路。

    图式 11

    图式 11.  探针C21与Hg2+作用过程
    Scheme 11.  Sensing process of C21 with Hg2+

    2018年,Pan等[33]基于共价组装原理合成了一种新型香豆素比率荧光探针C22。在PBS缓冲液(10mmol/L,pH7.4)中,C22对Hg2+和MeHg+具有良好的选择性和检测灵敏度。分子中的1, 3-二硫杂环戊烷与Hg2+脱硫生成甲酰基,进而与邻位氨基发生缩合生成碳氮双键(图式 12),使得ICT效应增强,I572 nm/I492 nm增强为原来的24倍。对Hg2+和MeHg+的检测限分别为27nmol/L和5.8μmol/L。此外,它是首个成功应用于大肠杆菌细胞成像的Hg2+荧光探针。

    图式 12

    图式 12.  探针C22与Hg2+作用过程
    Scheme 12.  Sensing process of C22 with Hg2+

    2019年,Ding等[34]合成了以香豆素为母体检测Hg2+的超灵敏比率型荧光探针C23。在PBS缓冲溶液(10mmol/L,pH 7.4,1%CH3CN)体系,Hg2+加入后,C23发生二硫代乙缩醛脱硫反应生成相应的香豆素醛(图式 13),ICT效应增强,光谱发生红移,其检测限低至约0.81×10-9,动力学响应时间在30s以内,具有优于大多数探针的高灵敏性和选择性。C23已成功地应用于活体HeLa细胞中Hg2+的比例成像分析。

    图式 13

    图式 13.  探针C23与Hg2+作用过程
    Scheme 13.  Sensing process of C23 with Hg2+

    2011年,Tsukamoto等[35]开发了一种具有N′-乙酰硫脲基的香豆素荧光探针C24。探针可在自身N-H与乙酰基的氧原子之间形成氢键(图式 14),使探针对Hg2+更加敏感,在PBS缓冲液(50mmol/L,1% DMSO,pH 7.0,25℃)中对Hg2+具有高选择性。2min内,荧光强度提高了400倍,检测限为2×10-9。此探针合成步骤简便,其钠盐可以在100%水溶液中检测Hg2+C24在pH 3~11范围内可以检测Hg2+,它的成功应用为设计新型Hg2+荧光探针提供了思路。

    图式 14

    图式 14.  探针C24在Hg2+作用下脱硫过程
    Scheme 14.  The proposed mechanism for desulfurization of C24 by Hg2+

    2013年,Chen等[36]合成了吡唑并[3, 4-b]吡啶基香豆素类荧光探针C25。在HEPES的50%乙醇/水溶液(pH=7.0)中,C25在Hg2+作用下脱硫(图式 15),产物因聚集诱导发射(AIE)效应荧光发射增强,进而可实现对Hg2+的选择性和高灵敏度检测,检测限为2.6nmol/L。这种从AIE非活性分子到AIE活性分子转化的设计思路可用于其他传感器的设计。

    图式 15

    图式 15.  探针C25在Hg2+作用下脱硫过程
    Scheme 15.  The proposed mechanism for desulfurization of C25 by Hg2+

    2015年,Zhou等[37]合成了一种以香豆素为荧光团的探针C26,其在MeCN/H2O(50/50)溶液中对Hg2+具有良好的选择性,加入Hg2+后,肉眼可见溶液由黄色变为红色,发射峰红移65nm。原因在于发生脱硫反应,生成7-二乙氨基-4-甲基香豆素。即使存在其他潜在竞争的情况下C26也表现出良好的选择性。当将传感器制成的试纸浸入Hg2+溶液中,肉眼可见试纸颜色由浅黄色变为玫瑰红色,而其他金属离子的溶液不会引起此类变化,以上结果有助于将传感器简单有效地应用到Hg2+的检测中。

    2018年,Qin等[38]合成了7-(二乙氨基)硫代香豆素比率探针C27。在PBS缓冲溶液(10mmol/L,pH 7.4,1% DMSO)中,通过Hg2+的脱硫反应将硫代羰基转变为羰基,分子中的二乙氨基与羰基形成ICT效应,溶液颜色由黄色变为蓝色,对Hg2+的检测限为9.23nmol/L。该探针能够应用于Hg2+的活细胞成像分析。

    2019年,Li等[39]合成了以香豆素为母体检测Hg2+和F-的双功能荧光探针C28。在CH3CN/H2O(9∶1,pH=7.36)体系中加入Hg2+和F-后,C28分别进行了脱硫和去甲硅烷基化作用,分别引起荧光强度的显著增加和从浅黄色到深紫色和浅棕色的明显颜色变化,可通过紫外可见光谱和荧光光谱实现定量检测。在纯水中,随着Hg2+量的增加,C28在460nm处的荧光强度逐渐增强,二者呈现良好的线性关系。该双功能探针对其他竞争性阳离子和阴离子具有很高的选择性,可在宽pH范围(pH 2~12)内用于有机和水性介质中的相关检测。

    2020年,Aliaga等[40]合成了一种新型硫酮噻唑烷的香豆素荧光探针C29。在HEPES/DMSO(99/1,pH7.0)溶液中,Hg2+的加入诱导C29发生脱硫反应(图式 16),从而使体系的π电子离域,肉眼可见溶液颜色由深粉色变为浅粉色。该探针对Hg2+具有良好的选择性,检测限低至10-7mol/L,已成功用于活细胞中Hg2+的荧光成像分析。

    图式 16

    图式 16.  探针C29在Hg2+作用下的脱硫过程
    Scheme 16.  The proposed mechanism for desulfurization of C29 by Hg2+

    2010年,Cho等[41]合成了取代苯基乙烯基醚(C30)作为一种“turn-on”型荧光探针用来检测Hg2+。在HEPES(pH7.4,5% DMSO)缓冲溶液中,Hg2+促进水解环化反应生成7-二乙氨基香豆素-3-甲酸甲酯(图式 17),这是一种具有双光子吸收的物质,从而体系显示强烈的荧光并以荧光开启模式识别无机Hg2+。该探针对甲基汞及无机Hg2+具有特异性,对其他金属离子几乎没有响应(Au(Ⅲ)除外),为今后研究双光子Hg2+的探针奠定了基础。

    图式 17

    图式 17.  探针C30在Hg2+作用下水解
    Scheme 17.  Hydrolysis of probe C30 by Hg2+

    2017年,Wu等[42]在香豆素上修饰乙烯氧基合成了可用于Hg2+检测的荧光探针C31。在HEPES(20mmol/L,pH 7.0)缓冲溶液中加入Hg2+后,探针脱去乙烯基生成7-羟基-4-甲基香豆素(图式 18),荧光显著增强(>110倍)。探针对于Hg2+具有较好的选择性和较高灵敏度,检测限为0.12μmol/L。在pH 3~7范围内荧光强度能达到最大值,pH 8~10时开始下降,说明探针适用于生理条件下Hg2+的检测。此外,在真实水样中的检测实验表明,探针C31可以用作方便的工具通过荧光开启响应来监测纯水溶液中的Hg2+

    图式 18

    图式 18.  探针C31在Hg2+作用下水解
    Scheme 18.  Hydrolysis of probe C31 by Hg2+

    2011年,Kim等[43]设计合成了炔基修饰的香豆素比率荧光探针C32。在EtOH/HEPES(2∶1,0.10mol/L,pH7.4)溶液中加入Hg2+后,与炔烃发生环化反应生成噁唑环(图式 19)。C32对Hg2+具有很高的选择性和比例荧光响应,检测限为微摩尔水平,有望应用于环境中Hg2+的检测。

    图式 19

    图式 19.  探针C32在Hg2+作用下环化
    Scheme 19.  Hg2+-mediated cyclization of C32

    2017年,Duan等[44]合成了一种炔基修饰的香豆素荧光探针C33。在HEPES(1% DMSO,pH 7.4)缓冲溶液中加入Hg2+后,经过氧化还原、质子化和互变异构,形成稳定的甲基酮化合物(图式 20),ICT效应增强,使荧光发生猝灭。另外,将琼脂溶液(5%)与探针的DMSO溶液混合制备成探针复合琼脂凝胶后,随着加入Hg2+量的增大,在紫外光照射下,荧光颜色由蓝色逐渐变为无色。这有助于制备快速、方便检测Hg2+的传感器件。此外,该探针成功应用于河水样品中痕量Hg2+的检测,表明其在环境中Hg2+的检测方面具有广阔的前景。

    图式 20

    图式 20.  探针C33在Hg2+作用下水解
    Scheme 20.  Hydrolysis of probe C33 by Hg2+

    2018年,Li等[45]合成了一种新型的以硫代苯酯为识别基团的香豆素荧光探针C34。在HEPES(10mmol/L,pH7.0)缓冲溶液中,由于探针分子结构扭曲,几乎不发射荧光;Hg2+加入后促进探针发生不可逆的水解反应,生成强荧光染料7-羟基-4-甲基香豆素,从而使体系荧光增强(图式 21)。C34对Hg2+具有良好的选择性和专一性,已成功地应用于实际水样(自来水、饮用水)中Hg2+的检测。

    图式 21

    图式 21.  探针C34在Hg2+作用下反应机理
    Scheme 21.  Reaction mechanism of C34 for Hg2+

    2019年,Pang等[46]设计合成了一种以香豆素为荧光团、硫代苯酯为识别基团的Hg2+荧光探针C35。Hg2+C35中的硫原子络合从而生成7-羟基-4-甲基香豆素(图式 22),体系荧光增强。C35可以在100% HEPES(10.0μmol/L,pH 7.0)缓冲溶液中检测Hg2+,具有高选择性和高灵敏度,检测限低至8.1nmol/L。更重要的是,C35可以应用到试纸检测Hg2+,为Hg2+的检测提供了一种简便易行的方法。

    图式 22

    图式 22.  探针C35在Hg2+作用下的反应机理
    Scheme 22.  Reaction mechanism of C35 for Hg2+

    2017年,Jiao等[47]以5-氨基间苯二甲酸甲酯和7-二乙氨基香豆素-3-甲醛为原料合成了席夫碱型双发射比率化学荧光传感器C36。在MeCN/H2O(4/1,0.1mol/L KClO4缓冲液,pH=7.34)溶液中加入Hg2+,发生C=N键水解反应(图式 23),PET过程被阻断,香豆素和5-氨基间苯二甲酸甲酯两个荧光团呈现双重荧光增强,表现出比率发射。当以440nm为激发波长时,荧光强度增强约20倍,且在0~12nmol/L的Hg2+浓度范围内,Hg2+浓度与I490nm/I530nm比值呈良好线性关系。当以315nm为激发波长时,荧光强度增强近60倍,同样在0~12nmol/L范围内,Hg2+浓度与I490nm/I530nm比值呈良好线性关系。另外,在两种波长分别激发下,传感器对Hg2+的选择性明显高于其他干扰物,包括碱金属和碱土金属离子(Na+、K+、Mg2+、Ca2+、Cd2+)、过渡金属离子(Mn2+、Fe2+、Co2+、Ni2+、Cu2+、Zn2+)和重金属离子(Ag+、Pb2+)。更重要的是,此化学传感器能够成功应用于活体细胞中纳摩尔浓度水平Hg2+的检测。

    图式 23

    图式 23.  探针C36与Hg2+的相互作用机理
    Scheme 23.  Mechanism of C36 interaction with Hg2+

    2019年,Chen等[48]设计合成了一种含萘嵌间二氮杂苯基的香豆素类“turn-on”型荧光探针C37。在MeCN/H2O(3/7)的溶液中,Hg2+与萘嵌间二氮杂苯部分发生氧化还原反应生成C=N键(图式 24),荧光增强了42倍,检测限为1.08μmol/L。该探针对检测Hg2+具有高灵敏性与选择性,同时在细胞和斑马鱼成像分析中具有良好的应用效果。

    图式 24

    图式 24.  探针C37在Hg2+作用下的反应机理
    Scheme 24.  The reaction mechanism of C37 with Hg2+

    2016年,Ghosh等[49]合成了一种以香豆素为取代基、镍为中心金属、二硫环己烷为金属结合基的络合物C38(图式 25)。在MeOH/H2O(1∶1)体系中,加入Hg2+后,溶液颜色由绿色变为无色,该复合物在水中竞争性金属离子存在的情况下对Hg2+仍具有选择性。以上性质表明利用该复合物开发经济、便携的Hg2+检测试剂盒和试纸条具有很大的潜力。

    图式 25

    图式 25.  探针C38与Hg2+之间的反应及其可能产物的化学结构
    Scheme 25.  Proposed reaction between C38 and Hg2+ and the resulting product's proposed chemical structure

    2017年,Gao等[50]合成了一种含苯并咪唑和香豆素荧光团的新型席夫碱荧光探针C39。在HEPES/DMSO(9∶1)缓冲溶液中,当Hg2+加入,发生络合水解反应,使亚胺基转化为醛基(图式 26),荧光增强,检测限为70nmol/L。探针溶液在pH 6~12范围内保持稳定,加入Hg2+后,荧光有较大增强,其中最大荧光强度在pH 7左右;该探针能够应用于细胞成像分析。

    图式 26

    图式 26.  C39-Hg2+配合物水解机理的探讨
    Scheme 26.  The proposed hydrolysis mechanism of the C39-Hg2+ complex

    Hg2+是一种对环境危害很大的重金属离子,因此用于检测Hg2+的荧光探针具有广阔的应用前景。近十年来,香豆素类荧光探针在Hg2+检测的应用研究方面取得很大进展,国内外越来越多的科研人员从事该领域的研究,在探针的设计、合成及应用方面积累了大量理论和实践经验,为进一步研制新型荧光探针创造了条件。但是很多探针分子还存在结构复杂、合成步骤较多的不足,能够在纯水中应用的Hg2+荧光探针也还不多。今后,仍需努力开发易于制备、检测灵敏度高、选择性好、成本低以及能在水介质中完成识别的Hg2+荧光探针,进而实现对环境和生物体中Hg2+的实时动态监测。


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  • 图式 1  探针C1与Hg2+的可能络合模式

    Scheme 1  Proposed binding mode of C1 with Hg2+

    图式 2  探针C2与Hg2+的可能络合模式

    Scheme 2  Proposed binding mode of C2 with Hg2+

    图式 3  探针C5与Hg2+的可能络合模式

    Scheme 3  Proposed binding mode of C5 with Hg2+

    图式 4  探针C6与Hg2+的可能络合模式

    Scheme 4  Proposed binding mode of C6 with Hg2+

    图式 5  探针C7与Hg2+的可能络合模式

    Scheme 5  Proposed binding mode of C7 with Hg2+

    图式 6  探针C9与Hg2+的可能识别机理

    Scheme 6  Proposed mechanism of C9 with Hg2+

    图式 7  探针C10与Hg2+的可能识别机理

    Scheme 7  Proposed mechanism of C10 with Hg2+

    图式 8  探针C12与Hg2+作用过程

    Scheme 8  Sensing process of C12 with Hg2+

    图式 9  探针C13与Hg2+作用过程

    Scheme 9  Sensing process of C13 with Hg2+

    图式 10  探针C14~C18与Hg2+作用过程

    Scheme 10  Sensing process of C14~C18 with Hg2+

    图式 11  探针C21与Hg2+作用过程

    Scheme 11  Sensing process of C21 with Hg2+

    图式 12  探针C22与Hg2+作用过程

    Scheme 12  Sensing process of C22 with Hg2+

    图式 13  探针C23与Hg2+作用过程

    Scheme 13  Sensing process of C23 with Hg2+

    图式 14  探针C24在Hg2+作用下脱硫过程

    Scheme 14  The proposed mechanism for desulfurization of C24 by Hg2+

    图式 15  探针C25在Hg2+作用下脱硫过程

    Scheme 15  The proposed mechanism for desulfurization of C25 by Hg2+

    图式 16  探针C29在Hg2+作用下的脱硫过程

    Scheme 16  The proposed mechanism for desulfurization of C29 by Hg2+

    图式 17  探针C30在Hg2+作用下水解

    Scheme 17  Hydrolysis of probe C30 by Hg2+

    图式 18  探针C31在Hg2+作用下水解

    Scheme 18  Hydrolysis of probe C31 by Hg2+

    图式 19  探针C32在Hg2+作用下环化

    Scheme 19  Hg2+-mediated cyclization of C32

    图式 20  探针C33在Hg2+作用下水解

    Scheme 20  Hydrolysis of probe C33 by Hg2+

    图式 21  探针C34在Hg2+作用下反应机理

    Scheme 21  Reaction mechanism of C34 for Hg2+

    图式 22  探针C35在Hg2+作用下的反应机理

    Scheme 22  Reaction mechanism of C35 for Hg2+

    图式 23  探针C36与Hg2+的相互作用机理

    Scheme 23  Mechanism of C36 interaction with Hg2+

    图式 24  探针C37在Hg2+作用下的反应机理

    Scheme 24  The reaction mechanism of C37 with Hg2+

    图式 25  探针C38与Hg2+之间的反应及其可能产物的化学结构

    Scheme 25  Proposed reaction between C38 and Hg2+ and the resulting product's proposed chemical structure

    图式 26  C39-Hg2+配合物水解机理的探讨

    Scheme 26  The proposed hydrolysis mechanism of the C39-Hg2+ complex

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  • 发布日期:  2021-05-18
  • 收稿日期:  2020-09-18
  • 接受日期:  2020-11-04
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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