王 龍

(江西科技師范大學(xué)有機功能分子研究所，江西 南昌 330013)

引言

相比于傳統(tǒng)的檢測方法，熒光探針法以其靈敏度高、選擇性好和使用便捷[1，2]等優(yōu)點，受到了研究人員的廣泛關(guān)注。但由于大部分傳統(tǒng)有機熒光分子存在聚集誘導(dǎo)淬滅效應(yīng)(ACQ)[3]，極大地限制了它們的實際應(yīng)用。聚集誘導(dǎo)發(fā)光(AIE)現(xiàn)象[4]的提出有效地解決了高濃度下熒光強度較弱的問題，并且具有AIE效應(yīng)的分子在熒光傳感器以及發(fā)光材料等方面具有重要的作用。

四苯乙烯(Tetraphenyl ethylene，TPE)是同時擁有芳環(huán)和碳碳雙鍵的共軛結(jié)構(gòu)，是最有代表性的一種AIE分子。此外它還具有結(jié)構(gòu)簡單、合成簡便、易修飾和AIE效應(yīng)明顯[5-7]等優(yōu)點，并且因其衍生物含有較大的共軛體系而表現(xiàn)出優(yōu)秀的光電性能及生物活性，目前已被廣泛應(yīng)用在化學(xué)傳感、生物探針和有機光電材料等領(lǐng)域。

1 基于四苯乙烯的陽離子熒光探針

重金屬離子的危害不僅體現(xiàn)在環(huán)境方面，對于人體而言長期接觸會引起腎臟、生殖系統(tǒng)[8-10]的損傷，同時也會增加患癌的風(fēng)險。因此，研究出快速、準確、便捷的熒光離子探針迫在眉睫。

Tang[11]等人通過Suzuki偶聯(lián)反應(yīng)巧妙地以7-溴吡啶并[2，3-b]吡嗪修飾四苯乙烯基，合成了一種具有AIE性質(zhì)且能選擇性識別Hg2+的熒光淬滅型探針。其檢測限為7.46 uM，可高效專一識別Hg2+，由于分子內(nèi)的電荷轉(zhuǎn)移(ICT)效應(yīng)，該探針還具有優(yōu)秀的溶劑變色效應(yīng)，同時良好的MTT實驗結(jié)果佐證了探針的細胞成像性質(zhì)，表明該探針具有較低的細胞毒性。

圖1 探針1的合成路線

Gui[12]等人利用四苯乙烯(AIE)效應(yīng)和羧基的絡(luò)合能力，制備了一種新型的Al3+熒光化學(xué)傳感器(TPE-COOH)。由于羧基的引入使探針具有良好的水溶性，對生物樣品的分析具有重要意義。并且Gui等人通過對復(fù)雜混合物中各種金屬離子的選擇性分析，證明了該探針的高選擇性，探針檢測限可達21.6 nM。此外，利用其良好的水溶性和生物相容性，成功實現(xiàn)Al3+在活HeLa細胞中的成像檢測和實時監(jiān)測。

圖2 探針TPE-COOH識別Al3+及細胞成像

Lu[13]等人合成了苯并咪唑基團修飾的四苯乙烯Ag+熒光探針(TBI-TPE)。TBI-TPE在含水量90%的甲醇溶液中有強烈的聚集誘導(dǎo)發(fā)光現(xiàn)象，激發(fā)波長為525 nm，熒光強度為純甲醇溶劑的13倍。在溶液中加入Ag+后，觀察到強烈的黃色熒光增強信號，據(jù)此推測識別機理是由于苯并咪唑基團與Ag+之間強烈的螯合作用導(dǎo)致聚集體的形成。并通過Job’s plot和質(zhì)譜分析，獲得TBI-TPE與Ag+的絡(luò)合比為1：2，識別檢出限為90 nM，為實際環(huán)境樣品中Ag+的測定提供了一種簡便的方法。

圖3 探針TBI-TPE的合成路線

Tang[14]等人合成了一種基于四苯乙烯(TPE)單元的聚集誘導(dǎo)發(fā)光(AIE)探針，能在不同溶劑條件下分別對Zn2+和Hg2+有專一選擇性和高靈敏度。在純THF溶液中，對Zn2+檢測限為1.24 uM，并且在含水量為90%的THF-water混合物中，對Hg2+的檢測限為2.55 nM。此外，探針表現(xiàn)出從藍光到藍綠光的可逆機械變色現(xiàn)象，單晶衍射結(jié)果表明，弱分子間π-π(3.384 ?)和C-H???π(2.769 ?)相互作用導(dǎo)致松散排列基序，解釋了晶體和非晶態(tài)之間的形態(tài)轉(zhuǎn)換現(xiàn)象。

圖4 探針2的識別機理

2 基于四苯乙烯的陰離子熒光探針

大氣中的陰離子是生態(tài)平衡的重要條件之一，它可通過改善環(huán)境，從而加強生物體自身免疫力[15]。但環(huán)境中某些陰離子過量又會造成污染，還會對生命體造成危害[16]。因此設(shè)計合適的熒光探針用以檢測專一陰離子也尤其重要。

Li[17]等人通過四苯乙烯與三聯(lián)吡啶結(jié)合，再與Cd2+結(jié)合成了一種罕見的金屬有機超分子納米帶。由于四苯乙烯本身具有AIE效應(yīng)，四苯乙烯結(jié)合三聯(lián)吡啶分子表現(xiàn)出強烈的聚集誘導(dǎo)發(fā)光。研究表明組裝Cd2+金屬有機納米帶和相應(yīng)的聚集體都是微弱發(fā)光的，但在堿性條件下對S2-表現(xiàn)出明顯的刺激響應(yīng)性熒光發(fā)射增強，其溶解性較好，且識別速度靈敏，具有良好的線性關(guān)系。

圖5 基于四苯乙烯三聯(lián)吡啶絡(luò)合Cd2+后聚集誘導(dǎo)發(fā)光體對S2-響應(yīng)

圖6 TPE-CLA對O2-的反應(yīng)機理

Niu[18]等人以咪唑吡嗪酮(CLA)為反應(yīng)基元，四苯乙烯(TPE)為FL/CL增強骨架，設(shè)計了一種對Raw264.7細胞內(nèi)天然O2-和小鼠脂多糖刺激O2-具有足夠敏感性的分子TPE-CLA。通過共軛的TPE-CLA探針與FL/CL雙傳感平臺結(jié)合分析，表明TPE-CLA對O2-具有較高的敏感性，其檢出限(LOD)分別為0.21 nM(FL)和0.38 nM(CL)，并成功地應(yīng)用于Raw264.7細胞天然O2-和炎癥小鼠刺激O2-的成像。用CL傳感實時監(jiān)測TPE-CLA探針誘導(dǎo)HL-7702細胞內(nèi)源性O(shè)2-，F(xiàn)L成像進一步證實探針對活細胞的兼容性和實用性。

Wang[19]等人結(jié)合四苯基乙烯(TPE)的AIE效應(yīng)和菲[9，10-d]咪唑氰化受體，設(shè)計了一種具有聚集誘導(dǎo)發(fā)光(AIE)且對CN-專一識別的活性熒光傳感器。該傳感器不僅在DCM/正己烷或THF/H2O中表現(xiàn)出AIE特性，而且表現(xiàn)出力致變色(MFC)現(xiàn)象，這是因為分子內(nèi)電荷轉(zhuǎn)移(ICT)過程而表現(xiàn)出較大的Stokes位移(107 nm)，進一步通過密度泛函理論(DFT)計算傳感器的電子特性得到驗證。此外，傳感器還成功應(yīng)用于試紙條實驗，在CN-處理后的熒光色由藍綠變?yōu)殁c黃，可見色由淺黃變?yōu)樯铧S，對CN-檢測限為0.09258 uM，說明該傳感器可用于對CN-的定性和定量檢測。

圖7 探針3對CN-的響應(yīng)及機械變色

3 基于四苯乙烯的氨基酸熒光探針

由于熒光探針對生物分子檢測的重要性，它在生物技術(shù)應(yīng)用及公共衛(wèi)生方面的影響巨大，現(xiàn)已成為一個活躍的研究領(lǐng)域。Tong[20]等人制備了一種1，3-茚二酮(IND)基團修飾的四苯乙烯(TPE)衍生物IND-TPE熒光探針，其對精氨酸和賴氨酸有靈敏的識別。此外IND-TPE還表現(xiàn)出顯著的溶劑化變色行為，隨著溶劑由低極性甲苯變?yōu)楦邩O性乙腈時，發(fā)射峰由543 nm紅移至597 nm。另一方面，Tong等人發(fā)現(xiàn)IND-TPE固體樣品表現(xiàn)出明顯的力致變色可逆過程，發(fā)光從綠色(515 nm)到橙色(570 nm)的紅移，再通過在1208 ℃加熱或使用有機溶劑蒸汽(如THF蒸汽)熏蒸，可將研磨后的樣品轉(zhuǎn)為深黃色粉末，發(fā)出黃色光。對此反應(yīng)機理進行推測，由于雙鍵分子在堿性條件下易發(fā)生水解反應(yīng)，并根據(jù)不同pH情況紫外吸收變化明顯得到充分驗證。最終對于16種氨基酸篩選，得到具有一定堿性的精氨酸和賴氨酸，可與探針發(fā)生響應(yīng)呈紫外淬滅，這是一種值得稱贊的多響應(yīng)熒光探針的分子。

圖8 IND-TPE熒光探針的識別機理

Liu[21]等人研發(fā)了一種簡便、特異、敏感的生物探針，通過引入馬來酰亞胺(MI)基團，得到了一種對硫醇靈敏的TPE-MI探針。有趣的是，TPE-MI探針本身在溶液和固態(tài)均無發(fā)射，但添加硫醇后，它很容易轉(zhuǎn)化為具有聚集誘導(dǎo)發(fā)射(AIE)特性的TPE-BSP分子。因此，Liu等人嘗試用薄層色譜法來開發(fā)固態(tài)熒光探針，用于檢測含硫醇的生物分子。實驗表明TPE-MI識別L-半胱氨酸(一種含有巰基的氨基酸)時就會發(fā)射熒光，但對于其他缺乏游離巰基的氨基酸時則不會發(fā)射熒光。因為對硫醇識別后熒光發(fā)射迅速且強烈，低濃度(≈1 ppm)探針呈亮藍色的熒光很容易肉眼可見，同理，驗證了只有含有游離巰基的蛋白質(zhì)(如谷胱甘肽)才能誘導(dǎo)TPE-MI的發(fā)射。最后用TPE-MI作為顯色劑對活細胞進行染色，可獲得清晰的熒光圖像，為繪制細胞系統(tǒng)中硫醇物種的分布提供了一種簡便的熒光標記。

圖9 TPE-BSP熒光探針的識別硫醇機理

4 結(jié)論與展望

含四苯乙烯基團的熒光探針具有優(yōu)秀的AIE性質(zhì)和獨特的生物活性，且易被功能化，對目標離子或分子識別專一、迅速、便捷，在熒光探針及生物應(yīng)用方面?zhèn)涫荜P(guān)注。開發(fā)對不同離子或氨基酸識別的四苯乙烯熒光探針是重要的研究課題，這類功能性熒光探針有望解決環(huán)境污染、識別及生物細胞成像等問題。但目前這類探針仍存在檢測限高、反應(yīng)機理不明確和細胞毒性較高等問題，相信隨著科技進步和研究深入，越來越多優(yōu)秀的四苯乙烯熒光探針將被陸續(xù)開發(fā)，為創(chuàng)新型熒光傳感器開辟新的道路和方向。