亚磷烷-萘酰亚胺衍生物作为多响应荧光传感器，用于检测Sn(II)离子及实现细胞内pH值成像

《Bioorganic Chemistry》：Iminophosphorane–naphthalimide derivatives as multi-responsive fluorescent sensors for Sn(II) ion detection and intracellular pH imaging

　　

摘要

研究人员合成了一系列亚磷烷功能化的萘酰亚胺衍生物（4a–4e），并将其作为荧光传感器进行测试。其中，三甲基铵功能化的衍生物4e表现出显著的溶剂依赖性荧光，这一特性源于分子内电荷转移过程。在乙腈中，4e对Sn(II)离子具有极高的选择性，同时还会出现明显的荧光淬灭现象以及光谱位移，这是由于Sn(II)优先与亚磷烷的氮原子结合所致。荧光滴定实验表明，该探针能够灵敏地检测Sn(II)，检测下限为86.3纳摩尔，且结合比为1:1。Job’s图分析及Stern–Volmer研究进一步支持了这一结论，表明其作用机制为静态淬灭。此外，探针4e在pH值为3.0–6.0的酸性环境中荧光强度显著增强，这一现象可归因于质子化调控的光诱导电子转移过程。通过密度泛函理论及时间依赖密度泛函理论计算，研究人员从分子层面阐明了Sn(II)诱导的分子内电荷转移抑制效应以及质子化调控的光诱导电子转移机制。该探针还具有较好的稳定性、较高的pH值选择性，以及对RAW264.7巨噬细胞较低的细胞毒性。荧光成像实验还显示，该探针能够监测细胞内的pH值变化：在脂多糖刺激的巨噬细胞中，由于细胞内酸化程度增加，其荧光强度会下降。这些研究结果表明，4e有望作为一种多功能荧光探针，应用于环境监测和生物成像领域。

引言

由于重金属离子和环境污染物质会对人类健康及生态系统造成严重威胁，因此对其选择性检测一直是重要的研究方向。锡虽然广泛应用于金属合金、防护涂层以及牙科汞合金等医疗产品中，但却具有较高的毒理学风险[1]、[2]。过量接触无机锡，尤其是Sn(II)，会导致人类白细胞出现严重的肝肾功能损伤以及DNA损伤[2]。目前，有多种分析方法被用于检测Sn(II)离子，其中最常用的包括电感耦合等离子体光学发射光谱法（ICP-OES）[3]、高效液相色谱法（HPLC）[4]、[5]、[6]、伏安法[7]以及其他多种方法[8]、[9]。这些方法因其高精度和可靠性而备受重视，能够在复杂环境中检测到极低浓度的Sn(II)[10]、[11]、[12]。不过，这些方法存在诸多局限性，比如需要昂贵且复杂的仪器设备，还需进行繁琐的样品前处理工作，而且往往需要专业的技术人员操作，这限制了它们的广泛应用。为了解决这些问题，光学传感器作为一种快速、经济且易于使用的替代方案，逐渐被用于Sn(II)的检测[13]、[14]、[15]、[16]、[17]、[18]、[19]、[20]、[21]。它们直观的可视化输出以及可适配便携式微型设备的特点，进一步提升了其在临床、环境及工业领域的应用价值。

近年来，基于三苯基膦的萘酰亚胺类探针（NAP-TPP）得到了发展，这类探针属于1,8-萘酰亚胺结构，同时还具有亚磷烷功能基团，为顺序检测Sn(II)离子提供了新的平台。富电子性的亚磷烷氮原子能够与Sn(II)发生独特的配位作用，从而通过抑制分子内电荷转移过程，产生特定的光学响应[20]。受这一成功框架的启发，本研究对萘酰亚胺核心结构进行了改进，旨在提升传感性能并拓展其功能范围。具体而言，通过在萘酰亚胺结构中引入不同的功能基团，我们试图调整传感器的电子性质及配位环境。

除了可用于检测金属离子外，这些经过改性的萘酰亚胺-亚磷烷衍生物还具有很大的潜力，可作为荧光pH传感器使用。萘酰亚胺结构因其优异的光稳定性和高度可调控的供体-受体电子系统，成为pH传感的理想候选材料。众所周知，细胞内外的pH值对众多生理和病理过程都起着至关重要的作用[22]。特别是在肿瘤微环境以及某些特定生理状态下，细胞外环境往往会呈现酸性[23]、[24]、[25]、[26]。虽然能够区分细胞内外pH值的传感器对于癌症研究和细胞生物学研究具有极高的价值[27]，但目前仍缺乏能够同时监测生物系统中这两个区域pH值的传感器。因此，基于荧光的传感器便成为了监测这些生物pH变化的强大工具。大多数传统的pH传感器仅能提供单一强度的响应，这类传感器很容易受到探针浓度变化、光源不稳定以及复杂基质干扰等非pH因素的影响。为了解决这些问题，已有不少新的pH传感平台被提出[28]、[29]、[30]。本研究通过开发一种新型小分子传感器，实现了精确的pH检测，随后还将该传感器应用于活细胞成像中，为这一领域做出了贡献。

章节节选

化学品与仪器

所有的核磁共振谱图（¹H和¹³C核磁共振谱）都是使用JNM-ECZ500R/S1型核磁共振仪测得的，该仪器的¹H核磁共振工作频率为500兆赫兹，¹³C核磁共振工作频率为125兆赫兹（该仪器由JEOL公司生产）。高分辨率电喷雾离子阱质谱分析则是通过LC-ESI-QTOF 6540型仪器在正离子模式下完成的。吸收光谱是在室温下使用Varian Cary 100 Bio紫外-可见光谱仪测得的（该仪器由Varian公司生产）。而发射光谱则是在Cary Eclipse荧光分光光度计上记录的（该仪器由Agilent Technologies公司生产）。

所有的试剂以及

亚磷烷-萘酰亚胺衍生物的合成

四种新的亚磷烷-萘酰亚胺衍生物（4a–4d）是通过如图1所示的三步合成路线制备的。合成首先是在85摄氏度的乙醇环境中，让1,8-萘酐与各种伯胺发生亲核酰基取代反应，从而得到相应的N-取代型1,8-萘酰亚胺中间体（2）[41]。随后，这些中间体又与叠氮化钠发生亲核取代反应，进而生成

结论

综上所述，研究人员合成了一系列亚磷烷功能化的萘酰亚胺衍生物，并将其作为兼具两种响应功能的荧光探针，用于检测Sn(II)离子以及监测细胞内pH值。其中，化合物4e具有优异的光物理性质，对Sn(II)离子具有很高的敏感性，当其与亚磷烷的氮原子结合时，会产生明显的荧光淬灭效应。通过密度泛函理论及时间依赖密度泛函理论计算，研究人员从分子层面进一步了解了

CRediT作者贡献说明

Quynh Nguyen Nhu Pham：负责原始稿撰写、验证、方法设计、实验研究、正式分析以及数据整理工作。Thitiporn Pattarakankul：负责方法设计、实验研究以及数据整理工作。Tanapat Palaga：负责项目指导、资源协调以及概念构思工作。Viwat Vchirawongkwin：负责实验研究、软件应用以及稿件审阅与编辑工作。Mongkol Sukwattanasinitt：负责稿件审阅与编辑、项目指导以及资源协调工作。Young-Tae Chang：负责稿件审阅与编辑、项目指导以及概念构思工作。Paitoon Rashatasakhon：

利益冲突声明

作者们声明存在以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益或个人关系：Mongkol Sukwattanasinitt表示自己获得了泰国国家研究委员会的财政资助；Paitoon Rashatasakhon也表示自己得到了泰国国家研究委员会的财政支持。如果有其他作者，他们也声明自己不存在任何可能被视为利益冲突的财务利益或个人关系。

致谢

本项目得到了泰国国家研究委员会（NRCT）：高潜力研究团队资助计划（编号：N42A690190）的资助。Q.N.N.P.衷心感谢朱拉隆功大学“第二个世纪基金”博士后奖学金项目给予的支持。

Quynh Nguyen Nhu Pham|Thitiporn Pattarakankul|Tanapat Palaga|Viwat Vchirawongkwin|Mongkol Sukwattanasinitt|Young-Tae Chang|Paitoon Rashatasakhon

泰国曼谷10330，朱拉隆功大学，理学院化学系