基于氟硼二吡咯亞甲基熒光探針的研究進(jìn)展

背景介紹熒光探針分析技術(shù)具有特異性強(qiáng)、檢測(cè)限低、響應(yīng)時(shí)間短、成本低、操作簡(jiǎn)單，并可進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、精準(zhǔn)診斷和可視化成像的優(yōu)點(diǎn)，廣泛用于金屬離子、陰離子、應(yīng)激氧化物和生物硫醇等物質(zhì)的分析檢測(cè)。熒光探針的組成一般包括信號(hào)基團(tuán)、識(shí)別位點(diǎn)和連接基團(tuán)3個(gè)基本單元。其中，信號(hào)基團(tuán)起著將被檢測(cè)對(duì)象的未知信息轉(zhuǎn)變?yōu)橐子谧R(shí)別和檢測(cè)的輸出信號(hào)的作用，與探針檢測(cè)信號(hào)的可靠性和靈敏度密切相關(guān)。因此，開發(fā)性能優(yōu)良的信號(hào)基團(tuán)對(duì)探針檢測(cè)性能的提高具有重要意義。氟硼二吡咯亞甲基（BODIPY）熒光染料具有易于修飾、高摩爾消光系數(shù)、高熒光量子產(chǎn)率、優(yōu)異的光穩(wěn)定性、對(duì)溶劑的極性和pH敏感性低等許多突出特性，被廣泛用于有機(jī)小分子熒光探針的構(gòu)建。文章亮點(diǎn)1.

綜述了2019年以來BODIPY熒光探針在金屬陽離子、陰離子、活性氧和生物硫醇等檢測(cè)方面的研究進(jìn)展；2.

梳理了BODIPY熒光探針的設(shè)計(jì)思路，對(duì)比了它們的檢測(cè)性能；3.

指出了BODIPY熒光探針的不足，并展望和預(yù)測(cè)了BODIPY熒光探針的發(fā)展趨勢(shì)。內(nèi)容簡(jiǎn)介1

BODIPY類熒光探針的設(shè)計(jì)策略對(duì)BODIPY母體的修飾主要有3個(gè)方面。一是引入特異性基團(tuán)作為識(shí)別位點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同分析物的檢測(cè)。BODIPY熒光團(tuán)具有易于修飾的優(yōu)勢(shì)，其分子結(jié)構(gòu)的1、2、3、5、6、7、8位均可引入識(shí)別基團(tuán)。而且1、2、3、5、6、7位連有甲基或乙基等給電子基團(tuán)時(shí)，可以有效提高探針的發(fā)光性能。二是在BODIPY母體的3、5和8位的空間位阻較小，常在這3個(gè)位點(diǎn)通過C=C雙鍵引入共軛基團(tuán)以增加探針分子的有效共軛長(zhǎng)度，獲得紅光甚至近紅外發(fā)射的熒光探針。三是引入靶向基團(tuán)如嗎啉構(gòu)建具有靶向功能的熒光探針，實(shí)現(xiàn)對(duì)分析物的精準(zhǔn)檢測(cè)；或者引入水溶性基團(tuán)如羧基以提高探針分子的水溶性。2

BODIPY類熒光探針的檢測(cè)機(jī)理BODIPY類熒光探針檢測(cè)涉及到的光物理過程主要有雙鍵異構(gòu)化、光致電子轉(zhuǎn)移（PET）、分子內(nèi)電荷轉(zhuǎn)移（ICT）和熒光共振能量轉(zhuǎn)移（FRET）?；贑=N異構(gòu)化的探針分子，激發(fā)態(tài)的能量被異構(gòu)運(yùn)動(dòng)耗散，以非輻射的形式釋放出來，因此表現(xiàn)出弱的熒光。通過與氮原子絡(luò)合或破壞C=N雙鍵，可以有效抑制分子的異構(gòu)化運(yùn)動(dòng)，探針的熒光顯著增強(qiáng)。因此基于C=N異構(gòu)機(jī)理的BODIPY類熒光探針大多表現(xiàn)出熒光增強(qiáng)。3

BODIPY類熒光探針在金屬陽離子檢測(cè)方面的應(yīng)用金屬離子與人類健康密不可分。一方面，金屬離子參與人體的生理活動(dòng)，在維持細(xì)胞功能和生物代謝方面發(fā)揮著重要作用；另一方面金屬離子尤其是重金屬離子在高濃度時(shí)會(huì)表現(xiàn)出很高的毒性，危害人體健康和環(huán)境安全。3.1

Cu2+熒光探針以BODIPY為熒光團(tuán)，二氨基馬來腈為識(shí)別基團(tuán)合成了探針1。3.2

Hg2+熒光探針以BODIPY為能量供體，羅丹明為能量受體，設(shè)計(jì)合成了一種基于FRET機(jī)理的比率型熒光探針2，用于Hg2+的特異性檢測(cè)。在V（MeOH）∶V（HEPES）=7∶3，pH

6.0條件下，當(dāng)Hg2+存在時(shí)，探針中羅丹明的螺內(nèi)酰胺環(huán)被打開，實(shí)現(xiàn)了BODIPY與羅丹明熒光團(tuán)之間的能量共振轉(zhuǎn)移，導(dǎo)致探針在513nm處的熒光峰降低，而在586nm處的發(fā)射峰增強(qiáng)，從而實(shí)現(xiàn)了Hg2+的比率型熒光檢測(cè)（F586/F513）。3.3

Pd2+熒光探針開發(fā)出了一種基于PET機(jī)制熒光探針3。在乙腈中，由于存在苯胺氮原子上孤對(duì)電子到BIDIPY熒光團(tuán)之間的PET機(jī)制，探針3表現(xiàn)出微弱的熒光。當(dāng)Pd2+存在時(shí)，探針3能夠與Pd2+以1∶2的物質(zhì)的量比配合。3.4

Cd2+熒光探針將雙羧基冠醚修飾到BODIPY熒光團(tuán)，開發(fā)了一種具有良好水溶性的Cd2+熒光探針4。3.5

Fe3+熒光探針開發(fā)了可以特異性檢測(cè)Fe3+的4個(gè)近紅外熒光探針5～8。在V（DMF）∶V（H2O）=

1∶1的條件下，4種探針均可以與Fe3+螯合，導(dǎo)致探針位于697～657nm范圍內(nèi)自身熒光強(qiáng)度降低，而625～595nm范圍的熒光強(qiáng)度顯著增強(qiáng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)Fe3+的比率檢測(cè)。3.6

Sn2+和Al3+熒光探針設(shè)計(jì)合成一種可以同時(shí)檢測(cè)Sn2+和Al3+的熒光探針9。4

BODIPY類熒光探針在陰離子檢測(cè)方面的應(yīng)用陰離子廣泛存在于生物體和環(huán)境中，對(duì)生命活動(dòng)、植物生長(zhǎng)和生態(tài)環(huán)境發(fā)揮著極其重要的作用[19]。4.1

F-熒光探針以對(duì)二甲氨基苯腙基為識(shí)別基團(tuán)，開發(fā)了探針10。在V（DMSO）∶V（H2O）=

9∶1的條件下，當(dāng)F-不過量時(shí)，腙基的N?H和F-會(huì)形成氫鍵，而當(dāng)F-過量時(shí)，F(xiàn)-使N?H去質(zhì)子化，引起探針在613nm處的熒光增強(qiáng)。探針在3min內(nèi)就能和F-徹底響應(yīng)，對(duì)F-的檢測(cè)限為0.27

μmol/L，能有效追蹤HeLa細(xì)胞中的F-。4.2

CN-熒光探針開發(fā)了特異性檢測(cè)CN-的探針11和12。在V（CH3CN）∶V（HEPES）=9∶1，pH

7.4的條件下，CN-可以與兩種探針發(fā)生親核加成反應(yīng)，導(dǎo)致探針11在492nm紫外可見吸收峰藍(lán)移到388nm，并且在517nm處的熒光強(qiáng)度淬滅。而探針12在498nm的吸收峰紅移到513nm，熒光發(fā)射峰從523nm紅移到670nm。然而，探針11和12檢測(cè)靈敏度不足，檢測(cè)限只有25

μmol/L，只能用于水體系中CN-的分析。4.3

HSO3-熒光探針將BODIPY與半花菁染料共軛連接，開發(fā)出了探針13。由于存在水溶性基團(tuán)，該探針表現(xiàn)出了優(yōu)良的水溶性，能夠在PBS中實(shí)現(xiàn)對(duì)HSO3-的比率檢測(cè)。這是因?yàn)镠SO3-能夠與探針分子的雙鍵加成，降低了探針分子的有效共軛長(zhǎng)度，導(dǎo)致605nm的熒光減弱，515nm處的熒光增強(qiáng)。該探針對(duì)HSO3-只需要30

s，檢測(cè)限達(dá)到了16.7

nmol/L，能有效監(jiān)測(cè)HeLa細(xì)胞中的HSO3-。4.4

H2S熒光探針H2S在水溶液中會(huì)發(fā)生解離，主要以HS-的形式存在。因此對(duì)H2S的檢測(cè)過程中與探針發(fā)生作用的實(shí)際上是HS-。在BODIPY熒光團(tuán)的8位共軛連接了呋喃環(huán)合成了熒光探針14。4.5

硫離子（S2-）熒光探針在BODIPY熒光團(tuán)中共軛連接二甲基吡啶胺（DPA），然后和Pd2+離子配合形成相螯合物，開發(fā)了探針16。S2-易于和Pd2+結(jié)合，奪取探針分子上的Pd2+，探針572nm處的熒光淬滅。該探針對(duì)S2-的檢測(cè)限是0.24

μmol/L，可制作成檢測(cè)試紙，實(shí)現(xiàn)對(duì)S2-的特異性檢測(cè)。5

BODIPY類熒光探針在活性氧檢測(cè)方面的應(yīng)用活性氧如次氯酸（HOCl）和羥基自由（·OH）等在生物體內(nèi)發(fā)揮著信號(hào)傳遞、機(jī)體免疫、維持細(xì)胞活性和抗衰老等方面的重要作用。5.1

HClO熒光探針以硒化物為作為識(shí)別基團(tuán)，設(shè)計(jì)了3種基于BODIPY熒光團(tuán)的熒光探針，分別為探針17、18和19。5.2

羥基自由基熒光探針在BODIPY熒光團(tuán)中引入了三苯磷基開發(fā)了探針22。探針中三苯磷基在羥基自由基（·OH）的作用下被氧化，熒光增強(qiáng)。該探針對(duì)羥基自由基的檢測(cè)限為50nmol/L，可以在HeLa細(xì)胞中檢測(cè)羥基自由基。6

BODIPY類熒光探針在生物硫醇檢測(cè)方面的應(yīng)用生物硫醇主要包括還原型谷胱甘肽（GSH）、半胱氨酸（Cys）和同型半胱氨酸（Hcy），它們參與蛋白質(zhì)的合成、酶的代謝、細(xì)胞信號(hào)的傳導(dǎo)和基因表達(dá)。6.1

還原型谷胱甘肽（GSH）熒光探針在BODIPY的2位引入硝基烯烴部分(?CH=CH?NO2)作為識(shí)別基團(tuán)，并在8位引入了不同的取代基團(tuán)合成了探針23～26。6.2

半胱氨酸(Cys)熒光探針通過硫醚鍵在BODIPY連接吡啶鎓合成了探針29。該探針吡啶鎓部分被Cys取代掉，PET過程被抑制，探針617nm處的熒光強(qiáng)度得以恢復(fù)。該探針對(duì)Cys的檢測(cè)只需要2

min，檢測(cè)限達(dá)到72nmol/L。該探針對(duì)HeLa細(xì)胞中以及小鼠體內(nèi)的Cys進(jìn)行了熒光成像。6.3

半胱氨酸(Cys)、谷胱甘肽(GSH)、同型半胱氨酸(Hcy)多功能熒光探針開發(fā)了一種具有線粒體靶向能力，可同時(shí)檢測(cè)Cys、Hcy、GSH的探針30。在生物硫醇的作用下，探針分子上的2,4-二硝基苯磺酸被消去，分子內(nèi)PET過程被破壞，熒光強(qiáng)度增強(qiáng)。7

結(jié)論與展望通過以上總結(jié)可以發(fā)現(xiàn)，在BODIPY母體結(jié)構(gòu)上引入不同的識(shí)別基團(tuán)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)不同分析物的有效檢測(cè)；在BODIPY熒光團(tuán)上連接共軛基團(tuán)，可以擴(kuò)展分子的有效共軛長(zhǎng)度，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)BODIPY衍生物熒光發(fā)射波長(zhǎng)的靈活調(diào)節(jié)；在探針分子的設(shè)計(jì)過程中，引入靶向基團(tuán)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)特定組織內(nèi)分析物的精準(zhǔn)檢測(cè)。基于BODIPY的熒光探針在分析檢測(cè)方面幾個(gè)關(guān)鍵性的問題已經(jīng)得到了很好的解決：1）檢測(cè)的特異性：大部分熒光探針表現(xiàn)出了很高的選擇性和優(yōu)異抗干擾能力，在分析測(cè)試過程中能夠特異性識(shí)別目標(biāo)物而不受干擾。2）檢測(cè)的靈敏度：基于BODIPY的熒光探針對(duì)分析物的檢測(cè)限已經(jīng)達(dá)到了nmol/L，能夠?qū)崿F(xiàn)超靈敏檢測(cè)。3）應(yīng)用能力：大多BODIPY類熒光探針與檢測(cè)物作用后表現(xiàn)出顯著的熒光增強(qiáng)，不但可以用于水樣中分析物的定量檢測(cè)，還能夠用于活細(xì)胞和活體（斑馬魚、小鼠）中分析物的可視化熒光成像。一些探針可以被制成簡(jiǎn)單的試紙條，實(shí)現(xiàn)對(duì)分析物的快捷檢測(cè)。BODIPY類探針仍然有一些不足之處。一是探針的水溶性需要改善，大多數(shù)探針的由于水溶性差，其檢測(cè)過程需要大量的有機(jī)溶劑，這對(duì)其實(shí)際應(yīng)用尤其是在生物樣品中應(yīng)用非常不利；二是反應(yīng)型熒光探針的檢測(cè)時(shí)間過長(zhǎng)，尤其是反應(yīng)型熒光探針的檢測(cè)過程都在幾分鐘甚至幾十分鐘以上，不利于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；三是大多數(shù)探針的最大發(fā)射波長(zhǎng)在藍(lán)、綠光區(qū)，而近紅外熒光探針的數(shù)量偏少，近紅外熒光信號(hào)細(xì)胞損傷小、組織穿透性強(qiáng)、背景干擾低的優(yōu)勢(shì)，在生物成像方面有著很大的應(yīng)用潛力；四是探針的應(yīng)用范圍有待進(jìn)一步擴(kuò)展。大多數(shù)的BODIPY類熒光探針還停留在細(xì)胞成像和小鼠、斑馬魚的活體成像，而真正的實(shí)際應(yīng)用還很少