苝酰亚胺衍生物金属离子荧光探针的研究进展

金 鑫，李林容，吴 超，郭嘉薇，楚 森，付丽娜

(黄河科技学院 医学院，河南 郑州 450063)

近年来，由重金属造成的环境污染现象严重，例如，日本由汞污染引起的"水俣病"、由铬污染引起的“毒大米”事件等，严重危害人体健康，由此引发的环境污染问题日益突出[1-2]。有些重金属在浓度极低时就会产生极强的毒性，在某些器官内蓄积，造成慢性中毒，对机体生命过程产生非常重要的影响，例如，汞(Hg)、镉(Cd)、铅(Pb)等重金属大部分转化为阳离子被排放而长期残留于环境中，长时间接触Hg2+会对肾脏、中枢神经系统、心血管病、内分泌系统等造成严重损害[3]；Cu2+含量较高时会引起帕金森综合征、老年痴呆等疾病。因此，发展高效、快捷的检测方法对许多重大疾病的诊断具有一定的现实意义[4]，并有望在医药、环境、食品、生物等领域得到广泛应用。

1 苝酰亚胺衍生物的结构与荧光的关系

苝酰亚胺衍生物(perlenediimides derivative,PDIs)又称为苝二酰亚胺衍生物(图1)，结构中具有π-π共轭体系，是一种很好的光电功能材料，具有较高的电子亲和能及优异的电荷传导能力，对从可见区到红外区的光有很强的吸收，产生丰富的色彩和强烈的荧光，成为金属离子荧光探针研究的热点。传统PDIs分子的紫外最大吸收峰为526 nm，最大发射波长为533 nm，溶液一般为桔红色，呈现出橙色荧光[5]，可用于制备各种金属离子荧光探针。

图1 苝酰亚胺衍生物的结构

苝酰亚胺是以3,4∶9,10-苝四酸酐作为原料，与水合肼在Ar2环境保护下室温反应24 h得到，其衍生物一般均具有很好的稳定性(化学、热、光)，最初应用于红色染料领域[6]，之后被广泛应用于太阳能电池、荧光探针等方面。苝酰亚胺衍生物具有稠环共扼体系，使分子间大π键相互作用增强，晶格能增大，导致大多数苝酰亚胺衍生物在有机溶剂中的溶解度较差。以提高苝酰亚胺衍生物溶解性能、改善选择性能为重点，一般通过在苝湾引入吸电子基、主链引入强供电子基来进行结构修饰[7-8]。经过结构修饰后的苝酰亚胺衍生物一般具有如下特点：荧光物质的刚性和共平面性强，有利于荧光发射；存在较大吸-供电子共扼体系，利于产生较强荧光。

2 苝酰亚胺衍生物金属离子荧光探针的应用

2.1 Hg2+离子荧光探针的应用

汞污染可导致汞长期积累在体内而引起对中枢神经系统、免疫系统和心血管系统的伤害。Ling Zang和Xiangjun Liu等研究小组发现基于单侧被烷基链取代的苝酰亚胺衍生物荧光探针能检测水溶液中Hg2+，通过荧光强度变化实现对水溶液中Hg2+的实时监测；国家纳米科学中心魏志祥研究员的研究小组发现苝酰亚胺衍生物对Hg2+有显著响应，实现对Hg2+的特异性检测，检测范围为2.5～20 umol/L，最低检测限为0.6 umol/L，并探索了该项应用在细胞成像中的研究。Aixia Han研究了1.0 μmol/L苝酰亚胺衍生物MSI-1-9与2.0 μmol/L的Hg2+络合之后的荧光变化，结果显示荧光强度快速淬灭直至稳定值，反应速度快是对Hg2+进行实时检测的重要特征[9]，且几乎不受其他金属离子的干扰(图2)。汞中毒在医药、食品、军事、化学等领域均会出现，因此，进一步提升苝酰亚胺衍生物金属离子探针的检测性能具有重要意义。

图2 苝酰亚胺衍生物MSI-1-9的结构

2.2 Cu2+离子荧光探针的应用

铜是人体必需的微量元素之一，在肿瘤血管生长因子中有重要调节作用，Cu2+的含量检测对帕金森和老年痴呆等神经性疾病的发生和控制具有重要意义。但也会经消化道或皮肤的误吸或误用而积累在肝、肾、脑、骨等部位引起中毒，因此防止Cu2+对环境的污染、严格控制环境及饮用水中Cu2+的含量也尤为重要[10]。闫立伟课题组制备了苝酰亚胺衍生物1[11]，在四氢呋喃/水的混合溶剂中加入多种金属离子，结果显示加入Cu2+的体系发生荧光淬灭，证明有电子转移的出现，所以此化合物可选择性检测Cu2+(图3)。进一步研究发现，该化合物可与Zn2+进行配位反应，生成的配合物与ATP产生静电作用，导致荧光显著增强，因此可选择性检测ATP。这种有趣的荧光"开-关"现象在金属离子检测和生物分子检测中引起了广大学者的青睐。该苝酰亚胺衍生物荧光探针对Cu2+表现出高度灵敏性，检测限达0.15 umol/L，因此该化合物可作为检测Cu2+的荧光探针。

图3 苝酰亚胺衍生物1的结构

2.3 Pb2+离子荧光探针的应用

Pb2+浓度超标是重金属污染的典型形式，常以粉尘、烟雾或蒸气的形式经呼吸道吸入，从而引起外周神经系统、呼吸系统、心血管系统、免疫系统等急性或慢性毒性损害，因此，发展选择性高、操作简便的Pb2+检测方法具有重要意义。马永山课题组[12]制备了苝酰亚胺衍生物PTCDG，并研究了其荧光性能，结果显示PTCDG与金属离子Pb2+络合后，Pb2+使PTCDG的发射峰强度降低、最大发射峰波长蓝移，当Pb2+的浓度从0.5×10-5mol/L增至1.0×10-5mol/L时荧光完全淬灭(图4)。结果证明Pb2+与PTCDG的四个羧基氧原子及酰胺上的氮原子作用产生了较强的螯合作用，荧光团与Pb2+之间发生了较强的电子转移(PET)效应，导致PTCDG荧光淬灭。

图4 苝酰亚胺衍生物PTCDG的结构

2.4 Cd2+离子荧光探针的应用

镉是人体非必需元素，Cd2+是众所周知的毒性金属离子，在自然界中经常以化合物形式存在，当环境受到镉污染时，通过食物链进入体内，镉就会在生物体内富集，在体内形成镉硫蛋白，选择性地蓄积在肝、肾中而引起人体慢性中毒。Cd2+可在体内积累10年以上，严重时会造成肺、肾脏、肝等器官的损伤。王丽华课题组[13]研究了苝酰亚胺衍生物荧光探针在不同pH下选择性检测不同的金属离子，研究发现在pH 9.0时可检测Cd2+，检出范围为0.1～50 umol/L，最低检出限为48 nmol/L；在pH 6.0～7.0范围内检测Zn2+，检出范围为0.1～40 umol/L，最低检测限达32 nmol/L。结果证明该检测方法选择性高、灵敏度强、容易操作，非常适合快速分别检测Cd2+和Zn2+。该荧光探针实现了在不同pH下对Cd2+和Zn2+两种金属离子的双重测定，使简单的调节pH值这种方法就可以实现金属离子的检测。

3 结论与展望

苝酰亚胺衍生物荧光材料由于其特有的π-π共轭体系，通过在苝酰亚胺的苝湾处引入吸电子基、主链引入供电子基进行结构修饰，修饰后的苝酰亚胺衍生物共平面性强、利于产生较强荧光。而后使之与不同的金属离子特异性结合，产生不同的荧光性质，确定特征金属离子，准确实现金属离子识别。本文综述了近几年来国内外学者对苝酰亚胺化合物在荧光探针方面的研究，着重介绍了其在Hg2+、Cu2+、Pb2+、Cd2+等金属离子的检测，这些金属离子荧光探针灵敏度高、操作简便、检测限低，但是如何更好地优化荧光探针的性能，对推进其在医疗卫生、环境检测等领域的应用具有重大意义。预测大量基于PDIs的金属离子荧光探针及其工业化检测技术将在未来得到更好的发展。