一种新型基于巴比妥酸的荧光探针用于水相介质中Cu2?的选择性检测及活细胞成像

《Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy》：A novel barbiturate-based fluorescent probe for selective detection of Cu2+ in aqueous media and live-cell imaging

　　

摘要

铜离子（Cu²⁺）在多种生理过程中发挥重要作用；然而，其失调可导致严重的健康障碍，凸显了开发可靠且灵敏的检测策略的必要性。本文报道了一种新型巴比妥-萘基-吡啶甲酸盐共轭物（BN-P）的合理设计与合成，用作在水相介质中选择性检测Cu²⁺的荧光探针。该探针在其原始状态下荧光可忽略不计，而Cu²⁺触发的水解反应恢复了分子内电荷转移（ICT）过程，导致在468 nm处出现显著的荧光"开启"发射，并在365 nm紫外照射下伴随从无色到蓝绿色的可见颜色变化。BN-P表现出优良的水溶性、对Cu²⁺的高选择性以及快速响应（< 5 min）。在0–4.25 μM范围内观察到良好的线性相关性，检出限为23.6 nM。通过¹H NMR、HRMS和DFT分析进一步验证了传感机制。此外，BN-P成功应用于活4T1细胞中细胞内Cu²⁺的荧光成像，表明其在生物传感和生物成像应用中具有潜力。

引言

铜由于其优良的电导性和热导性以及优异的延展性，被广泛应用于工业、农业和化学工程领域。然而，含铜工业废水的排放已导致水体和陆地环境的严重污染[1]，[2]。Cu²⁺作为一种重要的微量元素，是多种生理过程不可或缺的组成部分，包括酶催化、细胞代谢和基因转录[3]，[4]，[5]。然而，Cu²⁺稳态的破坏可导致严重的生物损伤，其异常蓄积与多种疾病密切相关，如肝硬化、帕金森病、阿尔茨海默病、肾损伤和癌症[6]，[7]，[8]。因此，开发可靠、灵敏且快速的Cu²⁺检测方法对于环境监测和生物医学应用具有重要意义。

荧光探针因其固有的优势，包括高灵敏度和选择性、操作简便、响应快速以及适用于原位、实时和可视化检测，在环境监测和生物成像领域备受关注[9]，[10]，[11]，[12]。根据其传感机制，Cu²⁺响应性荧光探针通常分为配位型和反应型两大类。配位型探针依赖于Cu²⁺与特定识别单元（如席夫碱[13]、吡啶[14]、氨基脲[15]、酰肼[16]和硫脲[17]）之间配位配合物的形成。然而，Cu²⁺因其未配对的d电子而具有顺磁性，这通常通过电子转移或能量转移过程促进非辐射失活途径，以及重原子效应。因此，大多数配位型探针表现出荧光猝灭（"关闭"）响应[18]，[19]，[20]。这种猝灭型传感模式通常灵敏度有限，且容易受到竞争猝灭剂或背景信号的干扰，尤其是在复杂基质中，从而增加了假阳性结果的可能性，降低了分析的可靠性[21]，[22]，[23]。此外，配位型探针往往选择性不足，因为其他过渡金属离子（如Hg²⁺、Fe³⁺和Zn²⁺）可与Cu²⁺竞争结合位点，导致交叉反应和检测精度降低[24]，[25]，[26]。

相比之下，反应型荧光探针通常通过Cu²⁺触发的高度特异性和不可逆化学转化（如水解[27]、氧化[28]、环化[29]、开环[30]和缩环[31]）产生显著的荧光"开启"响应，并伴有大的Stokes位移。这种传感机制有效地规避了由Cu²⁺顺磁性引起的荧光猝灭，从而提高了对Cu²⁺的选择性和检测灵敏度。尽管具有这些优势，但仍存在一些显著局限性阻碍其实际应用。大多数已报道的反应型Cu²⁺探针仅在有机介质中运行。例如，Ravi等人开发的三苯胺基席夫碱探针仅在乙腈中对Cu²⁺表现出可检测的响应[32]。即使被描述为"水溶性"的探针，通常也需要在传感介质中加入一定比例的有机共溶剂以维持溶解度或提高反应效率。例如，Abebe等人报道的罗丹明基探针仅在乙腈/水混合物（7:3，v/v）中实现了高效的Cu²⁺检测[33]。从根本上说，大多数反应型体系中识别单元和/或荧光团的疏水性限制了它们在水环境中的分散性，导致反应动力学显著降低。此外，关键识别过程（如水解）通常需要较高温度（>50 °C）或极端pH条件（pH < 5或> 9），这进一步限制了其在实际环境中的适用性[34]。因此，开发新型反应型荧光探针，使其能够在水相介质温和条件下快速、高灵敏地检测Cu²⁺，仍是该领域的一项关键且紧迫的挑战。

作为我们持续开发Cu²⁺荧光探针努力的一部分[35]，本文报道了一种新型反应型荧光探针BN-P，用于Cu²⁺的高选择性和高灵敏检测。值得注意的是，BN-P在水相体系中实现了超灵敏检测，从而具有优异的环境兼容性。其传感机制基于Cu²⁺触发的酯键水解，恢复了分子内电荷转移（ICT）过程，产生了显著的荧光"开启"响应。系统评估了BN-P的光物理性质、检测条件、选择性、灵敏度和响应动力学。此外，BN-P成功应用于环境水样中Cu²⁺的定量测定以及活细胞的荧光成像，展示了其在实际应用中的广阔前景。

章节摘要

化合物1的合成

在冰浴条件下，将6-羟基-2-萘甲醛（1.0 g，5.8 mmol）置于100 mL圆底烧瓶中，加入20 mL CH₂Cl₂搅拌溶解。随后依次加入DMAP（354 mg，2.9 mmol）、EDC（1.4 g，7.5 mmol）和2-吡啶甲酸（920 mg，7.5 mmol）。所得混合物在室温下搅拌2 h。待起始原料完全消耗后，用100 mL水淬灭反应，然后用二氯甲烷萃取

BN-P的合成

在本工作中，引入1,3-二甲基巴比妥酸作为吸电子基团，这不仅调节了探针的电子分布以优化其光物理性质，还显著提高了其水溶性。同时，2-吡啶甲酸酯被用作Cu²⁺的特异性识别单元，从而实现了荧光探针BN-P的合理设计与合成。如图1所示，BN-P通过简洁的两步法合成。

结论

总之，构建了一种新型反应型荧光探针BN-P，用于Cu²⁺的高选择性和高灵敏检测。该探针含有2-吡啶甲酸酯作为识别单元和1,3-二甲基巴比妥酸基团以优化光物理性质和水溶性。BN-P通过Cu²⁺触发的水解机制恢复ICT过程，产生具有大Stokes位移的显著荧光"开启"响应。该探针表现出高

利益冲突声明

作者声明不存在任何已知的可能影响本文所报告工作的竞争性经济利益或个人关系。

致谢

作者感谢国家自然科学基金（81903799）和贵州中医药大学博士基金项目（2018-04）。

冉雨燕|吴崇|毛丹|洪欢|紫天音|安瑞|蔡潘锋|何康

贵州省苗医药重点实验室，贵州中医药大学药学院，贵州，贵阳 550025，中国