含四苯乙烯基团荧光探针的性质及研究进展

王 龙

(江西科技师范大学有机功能分子研究所，江西 南昌 330013)

引言

相比于传统的检测方法，荧光探针法以其灵敏度高、选择性好和使用便捷[1，2]等优点，受到了研究人员的广泛关注。但由于大部分传统有机荧光分子存在聚集诱导淬灭效应(ACQ)[3]，极大地限制了它们的实际应用。聚集诱导发光(AIE)现象[4]的提出有效地解决了高浓度下荧光强度较弱的问题，并且具有AIE效应的分子在荧光传感器以及发光材料等方面具有重要的作用。

四苯乙烯(Tetraphenyl ethylene，TPE)是同时拥有芳环和碳碳双键的共轭结构，是最有代表性的一种AIE分子。此外它还具有结构简单、合成简便、易修饰和AIE效应明显[5-7]等优点，并且因其衍生物含有较大的共轭体系而表现出优秀的光电性能及生物活性，目前已被广泛应用在化学传感、生物探针和有机光电材料等领域。

1 基于四苯乙烯的阳离子荧光探针

重金属离子的危害不仅体现在环境方面，对于人体而言长期接触会引起肾脏、生殖系统[8-10]的损伤，同时也会增加患癌的风险。因此，研究出快速、准确、便捷的荧光离子探针迫在眉睫。

Tang[11]等人通过Suzuki偶联反应巧妙地以7-溴吡啶并[2，3-b]吡嗪修饰四苯乙烯基，合成了一种具有AIE性质且能选择性识别Hg2+的荧光淬灭型探针。其检测限为7.46 uM，可高效专一识别Hg2+，由于分子内的电荷转移(ICT)效应，该探针还具有优秀的溶剂变色效应，同时良好的MTT实验结果佐证了探针的细胞成像性质，表明该探针具有较低的细胞毒性。

图1 探针1的合成路线

Gui[12]等人利用四苯乙烯(AIE)效应和羧基的络合能力，制备了一种新型的Al3+荧光化学传感器(TPE-COOH)。由于羧基的引入使探针具有良好的水溶性，对生物样品的分析具有重要意义。并且Gui等人通过对复杂混合物中各种金属离子的选择性分析，证明了该探针的高选择性，探针检测限可达21.6 nM。此外，利用其良好的水溶性和生物相容性，成功实现Al3+在活HeLa细胞中的成像检测和实时监测。

图2 探针TPE-COOH识别Al3+及细胞成像

Lu[13]等人合成了苯并咪唑基团修饰的四苯乙烯Ag+荧光探针(TBI-TPE)。TBI-TPE在含水量90%的甲醇溶液中有强烈的聚集诱导发光现象，激发波长为525 nm，荧光强度为纯甲醇溶剂的13倍。在溶液中加入Ag+后，观察到强烈的黄色荧光增强信号，据此推测识别机理是由于苯并咪唑基团与Ag+之间强烈的螯合作用导致聚集体的形成。并通过Job’s plot和质谱分析，获得TBI-TPE与Ag+的络合比为1：2，识别检出限为90 nM，为实际环境样品中Ag+的测定提供了一种简便的方法。

图3 探针TBI-TPE的合成路线

Tang[14]等人合成了一种基于四苯乙烯(TPE)单元的聚集诱导发光(AIE)探针，能在不同溶剂条件下分别对Zn2+和Hg2+有专一选择性和高灵敏度。在纯THF溶液中，对Zn2+检测限为1.24 uM，并且在含水量为90%的THF-water混合物中，对Hg2+的检测限为2.55 nM。此外，探针表现出从蓝光到蓝绿光的可逆机械变色现象，单晶衍射结果表明，弱分子间π-π(3.384 Å)和C-H⋅⋅⋅π(2.769 Å)相互作用导致松散排列基序，解释了晶体和非晶态之间的形态转换现象。

图4 探针2的识别机理

2 基于四苯乙烯的阴离子荧光探针

大气中的阴离子是生态平衡的重要条件之一，它可通过改善环境，从而加强生物体自身免疫力[15]。但环境中某些阴离子过量又会造成污染，还会对生命体造成危害[16]。因此设计合适的荧光探针用以检测专一阴离子也尤其重要。

Li[17]等人通过四苯乙烯与三联吡啶结合，再与Cd2+结合成了一种罕见的金属有机超分子纳米带。由于四苯乙烯本身具有AIE效应，四苯乙烯结合三联吡啶分子表现出强烈的聚集诱导发光。研究表明组装Cd2+金属有机纳米带和相应的聚集体都是微弱发光的，但在碱性条件下对S2-表现出明显的刺激响应性荧光发射增强，其溶解性较好，且识别速度灵敏，具有良好的线性关系。

图5 基于四苯乙烯三联吡啶络合Cd2+后聚集诱导发光体对S2-响应

图6 TPE-CLA对O2-的反应机理

Niu[18]等人以咪唑吡嗪酮(CLA)为反应基元，四苯乙烯(TPE)为FL/CL增强骨架，设计了一种对Raw264.7细胞内天然O2-和小鼠脂多糖刺激O2-具有足够敏感性的分子TPE-CLA。通过共轭的TPE-CLA探针与FL/CL双传感平台结合分析，表明TPE-CLA对O2-具有较高的敏感性，其检出限(LOD)分别为0.21 nM(FL)和0.38 nM(CL)，并成功地应用于Raw264.7细胞天然O2-和炎症小鼠刺激O2-的成像。用CL传感实时监测TPE-CLA探针诱导HL-7702细胞内源性O2-，FL成像进一步证实探针对活细胞的兼容性和实用性。

Wang[19]等人结合四苯基乙烯(TPE)的AIE效应和菲[9，10-d]咪唑氰化受体，设计了一种具有聚集诱导发光(AIE)且对CN-专一识别的活性荧光传感器。该传感器不仅在DCM/正己烷或THF/H2O中表现出AIE特性，而且表现出力致变色(MFC)现象，这是因为分子内电荷转移(ICT)过程而表现出较大的Stokes位移(107 nm)，进一步通过密度泛函理论(DFT)计算传感器的电子特性得到验证。此外，传感器还成功应用于试纸条实验，在CN-处理后的荧光色由蓝绿变为钠黄，可见色由浅黄变为深黄，对CN-检测限为0.09258 uM，说明该传感器可用于对CN-的定性和定量检测。

图7 探针3对CN-的响应及机械变色

3 基于四苯乙烯的氨基酸荧光探针

由于荧光探针对生物分子检测的重要性，它在生物技术应用及公共卫生方面的影响巨大，现已成为一个活跃的研究领域。Tong[20]等人制备了一种1，3-茚二酮(IND)基团修饰的四苯乙烯(TPE)衍生物IND-TPE荧光探针，其对精氨酸和赖氨酸有灵敏的识别。此外IND-TPE还表现出显著的溶剂化变色行为，随着溶剂由低极性甲苯变为高极性乙腈时，发射峰由543 nm红移至597 nm。另一方面，Tong等人发现IND-TPE固体样品表现出明显的力致变色可逆过程，发光从绿色(515 nm)到橙色(570 nm)的红移，再通过在1208 ℃加热或使用有机溶剂蒸汽(如THF蒸汽)熏蒸，可将研磨后的样品转为深黄色粉末，发出黄色光。对此反应机理进行推测，由于双键分子在碱性条件下易发生水解反应，并根据不同pH情况紫外吸收变化明显得到充分验证。最终对于16种氨基酸筛选，得到具有一定碱性的精氨酸和赖氨酸，可与探针发生响应呈紫外淬灭，这是一种值得称赞的多响应荧光探针的分子。

图8 IND-TPE荧光探针的识别机理

Liu[21]等人研发了一种简便、特异、敏感的生物探针，通过引入马来酰亚胺(MI)基团，得到了一种对硫醇灵敏的TPE-MI探针。有趣的是，TPE-MI探针本身在溶液和固态均无发射，但添加硫醇后，它很容易转化为具有聚集诱导发射(AIE)特性的TPE-BSP分子。因此，Liu等人尝试用薄层色谱法来开发固态荧光探针，用于检测含硫醇的生物分子。实验表明TPE-MI识别L-半胱氨酸(一种含有巯基的氨基酸)时就会发射荧光，但对于其他缺乏游离巯基的氨基酸时则不会发射荧光。因为对硫醇识别后荧光发射迅速且强烈，低浓度(≈1 ppm)探针呈亮蓝色的荧光很容易肉眼可见，同理，验证了只有含有游离巯基的蛋白质(如谷胱甘肽)才能诱导TPE-MI的发射。最后用TPE-MI作为显色剂对活细胞进行染色，可获得清晰的荧光图像，为绘制细胞系统中硫醇物种的分布提供了一种简便的荧光标记。

图9 TPE-BSP荧光探针的识别硫醇机理

4 结论与展望

含四苯乙烯基团的荧光探针具有优秀的AIE性质和独特的生物活性，且易被功能化，对目标离子或分子识别专一、迅速、便捷，在荧光探针及生物应用方面备受关注。开发对不同离子或氨基酸识别的四苯乙烯荧光探针是重要的研究课题，这类功能性荧光探针有望解决环境污染、识别及生物细胞成像等问题。但目前这类探针仍存在检测限高、反应机理不明确和细胞毒性较高等问题，相信随着科技进步和研究深入，越来越多优秀的四苯乙烯荧光探针将被陆续开发，为创新型荧光传感器开辟新的道路和方向。