基于喹啉的锌离子荧光探针的研究进展

胡女丹，马小彦，卢永仲

（贵州理工学院 制药工程学院，贵州 贵阳 550003）

基于喹啉的锌离子荧光探针的研究进展

胡女丹，马小彦，卢永仲

（贵州理工学院 制药工程学院，贵州 贵阳 550003）

锌离子（Zn2＋）在人体内新陈代谢过程中起着重要的作用，但很多常规分析方法都不适用于锌离子的测定，应用荧光法检测胞内Zn2＋是近年来研究热点之一。文章综述了近年来基于喹啉的锌离子荧光分子探针的研究现状，并总结荧光探针结构设计及官能团修饰对探针性能的影响，最后提出锌离子荧光探针的研究方向。

锌离子；荧光探针；喹啉

江华等［3］通过改变喹啉8位支链得到一系列亲和力可调的水溶性荧光探针3a-3e，实验说明可以通过分子设计即修饰辅助配位基团而不是识别基团来实现调节探针的亲和力。2012年该研究组［4］以二甲基乙氨基为溶酶体的识别基团合成Zn2＋荧光探针4。4能够定量可逆地检测Zn2＋在溶酶体中的变化，不受其他金属离子和pH的影响。

孟祥明等［5］报道了2个基于ICT原理的比率型Zn2＋荧光探针5a和5b，探针增加了共轭结构，所以具有双光子性质。在甲醇／水的混合液中，5a和5b与Zn2＋配合后荧光发射波长分别红移72 nm和81 nm。

Lin Xue等［6-7］以DPA为受体合成了荧光探针6和7，6不仅基于CHEF和ICT机理形成比率型荧光探针检测Zn2＋也能够通过CHEF来检测微摩尔级的Cd2＋。探针7通过不同感应机理也能够区分 Zn2＋（ICT）和 Cd2＋（PET），且能够实现肉眼识别。

2 喹啉类含酰胺基的锌离子荧光探针

与第一代Zn2＋荧光探针磺酰胺基喹啉相比，酰胺基喹啉可以有效改善化合物的水溶性，实验表明Zn2＋能够诱导酰胺基团发生去质子化，所形成的N负离子能够增大8位胺基N原子向喹啉基团的给电子能力，加剧ICT过程。Jianjun Du等［8］合成了比率荧光探针8，由于ICT作用和酰胺结构的去质子化，在乙醇／水（1∶1）混合液中，8形成配合物后荧光量子产率增加及荧光波长红移。与8不同的是Yu lei Cai等［9］设计的9是将DPA连接到喹啉的6位，实验证明探针与Zn2＋或Cd2＋配合时由于酰胺的互变异构作用从而表现不同的荧光信号。在4-羟乙基哌嗪乙磺酸 ｛2-［4-（2-hydroxyethyl）-1-piperazinyl］ethanesulfonic acid，HEPES｝缓冲液中9-Zn2＋和9-Cd2＋分别呈现灰绿色和明亮的蓝色，可以实现肉眼识别。

Zhang等［10］根据酰胺基喹啉的去质子化和ICT原理设计了酰胺基喹啉衍生物10，10形成配合物后荧光红移了45 nm，荧光增强了21倍，10具有很好的水溶性（HEPES缓冲液溶）及可逆性，用探针进行海拉细胞的活体细胞成像实验效果很好。

Zhengping Dong等［11］合成了水溶性探针11，可以灵敏地检测2×10-8M的Zn2＋。在Tris-HCl缓冲液（pH7.21）中，化合物与Zn2＋1∶1配合后荧光红移86 nm，此探针具有分子逻辑门性质。

磺酰胺基喹啉衍生物与Zn2＋配合后荧光会大大增强，但是不能溶于水使其有一定局限性，为了提高水溶性，张宇等［12］用羧酰胺基取代磺酰胺基得到了比率荧光探针12，由于酰胺基喹啉的去质子化和ICT原理，此探针在甲醇／水混合液（1∶9，pH＝7.22）中，配合后荧光增强8倍，荧光发射红移75 nm。溶液发出蓝色荧光易于肉眼识别。12能应用于活体组织和细胞成像。2012年，张宇等［13］通过改变喹啉环上取代基得到了一系列水溶性（甲醇／水＝1∶9）荧光探针13a-13b，实验证明通过改变喹啉环上取代基和取代位置可以实现荧光信号的调节，从比率型变为turn on型荧光探针。喹啉环上取代基和取代位置的改变只影响其灵敏性，并不会改变其亲和力。

JiantaiMa等［14］用多功能的二氧化硅纳米颗粒修饰含有喹啉的探针，得到了高磁化强度、选择性好、敏感性强（0.1μM）的纳米探针14，这说明有机配体能够嫁接到磁性的二氧化硅纳米颗粒上，形成无机-有机杂化的荧光探针。这有利于荧光探针在生物和环境中的进一步应用。Zhou等［15］通过烷化反应将酰胺基喹啉连接到1，2-二氨基环己烷上，得到了比率型荧光探针15。在50%的甲醇溶液中（pH＝7.4），形成配合物后荧光从410 nm移至490 nm，荧光增强12倍。

Ma［16］等2013年设计了比率型的酰胺基喹啉探针16，通过连接羧基增加探针的水溶性。在乙醇／水1∶1的溶液中结合Zn2＋后荧光增强13倍，荧光红移82 nm。能够实现定量检测。Xiaoyan Zhou等［17］将 8AQ（8-氨基喹啉）和 8HQ（8-羟基喹啉）连接合成得到探针17，因为不同的机理（PET：Cd2＋，CET：Zn2＋）可以区分 Cd2＋和 Zn2＋。

3 喹啉类含TPEN骨架的锌离子荧光探针

N，N，N’，N’-四（2-吡啶甲基）乙二胺［N，N，N’，N’-tetrakis（2-pyridylmethyl）ethane-1，2-diamine，TPEN］是一种中性螯合剂，与Zn2＋有很好的亲和性。YujiMikata等［18-20］首先用喹啉取代吡啶设计了 N，N，N’，N’-四（2-羟乙基）乙二胺［tetrakis（2-quinolinylmethyl）ethylenediamine，TQEN］（18b），并对含 TPEN骨架的荧光探针做了大量研究工作。实验表明用异喹啉代替喹啉，配合物中喹啉环之间的斥力减小，亲和力会有所提高。6-甲氧基取代对探针的稳定常数的影响较小，但是降低了探针抗Cd2＋干扰力。双喹啉衍生物分子内喹啉环间的空间位阻小，减小了分子内喹啉生色团之间的淬灭作用从而产生更强的荧光。说明可以通过烷基修饰来控制金属结合亲和力从而调节Zn2＋诱导化合物荧光反应。实验还表明用葡萄糖修饰对配合物的荧光强度和金属选择性基本没有影响，却能增强细胞的渗透性。

4 喹啉类含Schiff碱的锌离子荧光探针

因为Schiff碱C＝N双键异构化效应为实现金属离子的荧光检测提供了可能性，近年来 Schiff碱被用作识别基团。Mi-hui Yan等［21］通过喹啉和香豆素合成的Schiff碱化合物19在四氢呋喃（tetrahydrofuran，THF）溶液中能够识别 Zn2＋，与 Zn2＋作用荧光强度增强19.5倍，而与Cd2＋作用只增强2.2倍。

Zeng-chen Liu等［22］设计的对称型 Schiff碱探针20对 Zn2＋进行高选择性识别，作者研究了溶剂对探针性质的影响，结果显示在0.1 nM乙腈溶液中与Zn2＋形成配合物后荧光增强20倍，但其他溶剂都没有这样的效果。

Xiaoyan Zhou等［23］一步合成的基于8-氨基喹啉探针为比率荧光探针21，此探针与Zn2＋结合后红移40 nm，荧光强度增加了14倍，溶液由无色变为黄色，可以实现肉眼识别，但是此探针的水溶性小。

5 喹啉类含大环多胺锌离子荧光探针

Marta Mameli［24］以［9］aneN3（1，4，7-三氮杂环壬烷）和［9］aneN2S（1-硫-4，7-二氮杂环任烷）作为受体，合成了具有不同数目侧链的3个荧光探针22a-22c，在乙腈／水（1∶1）体系中由于空间位阻效应这3个探针与Zn2＋配合的CHEF效应强于它们与Cd2＋配合。

2008年Shin Aoki［25］选择苯磺酰基进行酯化修饰，首次得到喹啉上连有苯磺酰基的笼锁分子23，配合Zn2＋后荧光增强明显。细胞渗透性明显增强但不能提高离子选择性。2010年Shin Aoki［26］在其7位连接1个-SO2NMe2基团，合成24a及其笼锁分子24c，离子选择性得到提高。

6 结论与展望

综上所述，近年来报道识别锌离子的基于喹啉的荧光探针很多，其中部分探针有望用于生物体和环境中锌离子的检测。但是很多荧光探针存在不足，比如一般都需要紫外光激发，而在选择性方面大部分探针受到Cd2＋的干扰。配体与Zn2＋亲和力的调节可以考虑修饰辅助配位基团，空间位阻效应及分子结构的刚性程度等也影响探针的亲和力，探针的水溶性可以通过引入亲水基团而改善，另外通过不同机理或分子结构互变分别检测Zn2＋／Cd2＋的荧光分子探针值得科学家们关注，从上述报道来看，研究者普遍比较关注探针的选择性、pH敏感性、水溶性、细胞渗透性，而忽略探针的细胞毒性，事实上具有实际应用价值的探针应是在不伤害活体细胞的情况下发荧光。开发更好的识别基团，结合生物技术、纳米技术探索新型或双光子Zn2＋荧光探针是该领域科研工作者努力的方向。

［1］ Zhao HY，Li YM，Gong TJ，et al.A highly selective and easy-tosynthesize Zn（II）fluorescent probe based on 6-methoxyquinolin［J］.Chinese Chemical Letters，2011，22：1013-1016.

［2］ Gao CJ，Jin XJ，Yan XH，etal.A smallmolecular fluorescent sensor for highly selectivity of zinc ion［J］.Sensors and Actuators B，2013，176：775-781.

［3］ Weng Y，Chen ZL，Wang F，et al.High sensitive determination of zinc with novelwater-soluble smallmolecular［J］.Analytica Chimica Acta，2009，647：215-218.

［4］ Xue L，Li GP，Zhu DJ，et al.Rational design of a ratiometric and targetable fluorescent probe for imaging lysosomal zinc Ions［J］.Inorg.Chem，2012，51：10842-10849.

［5］ Meng XM，Wang SX，Li YM，et al.6-Substituted quinoline-based ratiometric two-photonfluorescent probes for biological Zn2＋detection［J］.Chem Commun，2012，48：196-198.

［6］ Xue L，Liu Q，Jiang H.Ratiometric Zn2＋fluorescent sensor and new approach for sensing Cd2＋by ratiometric displacement［J］.Organic letters，2009，11（15）：3454-3457.

［7］ Xue L，Liu C，Jiang H.Highly sensitive and selective fluorescent sensor for distinguishing cadmium from zinc ions in aqueous media［J］.Organic letter，2009，11（7）：1655-1658.

［8］ Du JJ，Fan JL，Peng XJ，et al.The quinoline derivative of ratiometric and sensitivefluorescent zinc probe based on deprotonation［J］.Sensors and Actuators B，2010，144：337-341.

［9］ Cai YL，Meng XM，Wang SX，etal.A quinoline based fluorescentprobe that can distinguish zinc（II）from cadmium（II）in water［J］.Tetrahedron Letters，2013，54：1125-1128.

［10］ Zhang LW，Duan DZ，Cui XM，et al.A selective and sensitive fluorescence probe for imaging endogenous zinc in living cells［J］.Tetrahedron，2013，69：15-21.

［11］ Dong ZP，Guo YP，Tian X，et al.Quinoline group based fluorescent sensor for detecting zinc ions in aqueous media and its logic gate behaviour［J］.Journal of Luminescence，2013，134：635-639.

［12］ Zhang Y，Guo XF，Si WX，et al.Ratiometric and water-soluble fluorescent zinc sensor of carboxamidoquinoline with an alkoxyethylamino chain as receptor［J］.Organic letters，2008，10（3）：473-476.

［13］ Zhang Y，Guo XF，Jia LH，et al.Substituent-dependent fluorescent sensors for zinc ionsbased on carboxamidoquinoline［J］.Dalton Trans，2012，41：11776.

［14］ Liu ZT，Geng HM，Sheng JH，et al.Highly selective and sensitive magnetic silica nanoparticles based fluorescent sensor for detection of Zn2＋ions［J］.Materials Science and Engineering B，2011，176：412-416.

［15］ Zhou XB，Lu YG，Zhu JF，et al.Ratiometric fluorescent Zn2＋chemosensor constructed by appending a pair of carboxamidoquinoline on 1，2-diaminocyclohexane scaffold［J］.Tetrahedron，2011，67：3412-3419.

［16］ Ma QJ，Zhang XB，Han ZX，et al.A ratiometric fluorescent probe for zinc ions based on the quinoline fluorophore ［J］.Intern.J.Environ.Anal，2011，91（1）：74-86.

［17］ Zhou XY，Li P，Shi ZH，et al.A highly selective fluorescent sensor for distinguishing cadmium from zinc ions based on a quinoline platform［J］.Inorg.Chem，2012，51：9226-9231.

［18］ Mikata Y，Yamanaka A，Yamashita A，et al.Isoquinoline-based TQEN family as TPEN-derived fluorescent zinc sensors［J］.Inorg.Chem，2008，47（16）：7295-7301.

［19］ Mikata Y，Yamashita A，Kawamura A，et al.Bisquinoline-based fluorescent zinc sensors［J］.Dalton Trans，2009，19：3800-3806.

［20］ Mikat Y，Ugai A，Yasuda K，et al.Quinoline-based，glucose-pendant fluorescent zinc probes［J］.CHEMISTRY＆BIODIVERSITY，2012，9（9）：2064-2075.

［21］ Yan MH，Li TR，Yang ZY.A novel coumarin Schiff-base as a Zn（II）ion fluorescent sensor［J］.Inorganic Chemistry Communications，2011，14：463-465.

［22］ Liu ZH，Wang BD，Yang ZY，et al.A novel fluorescent chemosensor for Zn（II） based on 1，2-（2′-oxoquinoline-3′-yl-methylideneimino）ethane［J］.Inorganic Chemistry Communications，2010，13：606-608.

［23］ Zhou XY，Yu BR，Guo YL，et al.Both Visual and Fluorescent Sensor for Zn2＋Based on Quinoline Platform［J］.Inorg.Chem，2010，49：4002-4007.

［24］ MameliM，Carla AragoniMC，Arca M，etal.Synthesis and coordination properties of quinoline pendant arm derivatives of［9］aneN3and［9］aneN2S as fluorescent zinc sensors［J］.Inorg.Chem，2009，48（19）：9236-9249.

［25］ Aoki S，Sakurama S，Ohshima R，et al.Design and synthesis of a caged Zn2＋probe，8-benzenesulfonyloxy-5-N，N-dimethylaminosulfonylquinolin-2-ylmethyl-pendant 1，4，7，10-tetraazacyclododecane，and tts hydrolytic uncaging upon complexation with Zn2＋［J］.Inorg.Chem，2008，47（7）：2747-2754.

［26］ Ohshima R，Kitamura M，Morita A，et al.Design and synthesis of a fluorescent probe for Zn2＋，5，7-bis（N，N-dimethylamino sulfonyl）-8-hydroxyquinoline-Pendant1，4，7，10-Tetraazacyclododecane and Zn2＋-Dependent Hydrolytic and Zn2＋-Independent Photochemical reactivation of its benzenesulfonyl-caged derivative［J］.Inorg.Chem，2010，49：888-899.

（编校：李璐璐，王俨俨）

Progress of fluorescent probes on the basis of quinoline group for zinc ions

HU Nv-Dan，MA Xiao-yan，LU Yong-zhong

（Department of Pharmaceutical Engineering，Guizhou Institute of Technology，Guiyang 550003，China）

Zinc ions（Zn2＋）plays an essential role in metabolism of organism，but a lot of common analysis methods are not suitable for the determination of zinc ions，thus fluorescence detection of zinc ions has been given more attention.The progress of fluorescent probes on the basis of quinoline group for zinc ions was reviewed.The effects of the design of probe structure and the modification of functional group are discussed and summarized.Finally，research directions of the fluorescent probe for zinc ions are put forward.

zinc ions；fluorescent probe；quinoline

O614.24＋1

A

1005－1678（2014）05－0178－05

荧光法具有操作简便、灵敏度高、选择性好等优点，与显微镜联用可实现对细胞内外金属离子的高时空分辨率成像。1987年 N-（6-甲氧基-8-喹啉基）对甲苯磺酰胺［N-（6-methoxy-8-quinolyl）-p-toluene-sulfonamide，TSQ］首次用于活体细胞 Zn2＋成像，此后以喹啉为母核的Zn2＋荧光探针发展迅速。喹啉是一个大的共轭体系，可以很容易地产生π到π*的电子跃迁，喹啉基衍生物不仅具有较强的荧光，而且其杂环氮原子能参与配位，即同时具有识别和荧光功能。本文按照喹啉类Zn2＋荧光探针分子中起主要识别作用的基团分类，主要综述近年来基于喹啉Zn2＋荧光探针的最新进展。

1 喹啉类含DPA的锌离子荧光探针

自1996年第一次接在荧光素上以来，N，N-二（2-吡啶甲基）胺（N，N-di-2-picolylamine，DPA）基团在锌离子荧光探针的设计中得到广泛应用。DPA能提供3个氮原子，是明确的中性Zn2＋配体。Yi Ming Li［1］等人报道基于分子内电荷转移（intramolecular charge transfer，ICT）原理的 Zn2＋荧光探针 1，与Zn2＋结合后荧光增强13倍，荧光量子产率由0.035增大至0.610。该研究组［2］在2012年又合成了2-甲基喹啉Zn2＋探针2，螯合促进荧光增强（chelation-enhanced fluorescence，CHEF）和抑制光诱导电子转移（photoinduced electron transfer，PET）共同导致化合物荧光增强。2的荧光性质与1相似。

贵州理工学院科学基金项目（XJZK20130804）

胡女丹，硕士，讲师，研究方向：主要从事光功能化合物研究，E-mail：hunvdan111＠163.com。