综述：1,8-萘酰亚胺：用于设计靶向生物系统中硫化氢的荧光探针的多功能平台

《Molecules》：1,8-Naphthalimide: A Versatile Platform for the Design of Fluorescent Probes Targeting Hydrogen Sulfide in Biological Systems

　　

硫化氢（H₂S）已成为一种重要的气体信号分子，参与多种生理和病理过程，包括氧化还原调节、炎症和细胞信号传导。因此，准确检测生物系统中的H₂S对于理解其在健康和疾病中的作用至关重要。在各种荧光平台中，1,8-萘酰亚胺骨架因其独特的光物理性质、结构可调性以及对取代基修饰的高敏感性而受到广泛关注。本综述总结了基于1,8-萘酰亚胺的H₂S荧光探针的最新进展。讨论了与1,8-萘酰亚胺荧光团相关的基本光物理机制，包括分子内电荷转移（ICT）、光诱导电子转移（PET）和F?rster共振能量转移（FRET），并探讨了它们在探针设计中的应用。重点强调了基于反应型的传感策略，突出了能够选择性识别H₂S的有机反应，如还原、亲核加成、亲核取代和分子内环化。对代表性探针的传感机制和光物理行为进行了总结和比较。此外，还讨论了1,8-萘酰亚胺基H₂S探针当前面临的挑战。研究人员希望本综述能为开发高效的基于1,8-萘酰亚胺的H₂S荧光探针提供有益的视角。

**1. Introduction**
硫化氢（H₂S）曾被视为有毒环境污染物，现已被确认为内源性气体信号分子，属于气体递质家族，可自由扩散并通过多种机制调节生理功能。内源性H₂S主要由L-半胱氨酸经胱硫醚β-合酶（CBS）、胱硫醚γ-裂解酶（CSE）和3-巯基丙酮酸硫转移酶（3-MST）催化生成，这些酶具有不同的组织和亚细胞分布，支持H₂S在不同生物环境中的精确调控。生理条件下，游离H₂S浓度约为0.7–3 μM，主要以氢硫根（HS^?）形式存在，可与蛋白硫醇、金属中心等相互作用，并通过过硫化修饰调节蛋白功能。H₂S在抗氧化防御、炎症调控、线粒体能量代谢中发挥双重作用，其代谢异常与多种疾病相关。传统检测方法如高效液相色谱（HPLC）、气相色谱（GC）等难以实现实时原位监测，而荧光探针具有高灵敏度、非侵入性和时空分辨能力，为生物系统中的H₂S检测提供了有力工具。1,8-萘酰亚胺作为荧光团，具有刚性平面共轭结构、优良的光稳定性、可调的取代基效应，以及在N-酰亚胺位点进行功能化修饰的灵活性，因而成为设计H₂S荧光探针的理想平台。

**2. Mechanisms Used for H₂S Sensing**
**2.1. Intramolecular Charge Transfer (ICT)**
1,8-萘酰亚胺骨架中，缺电子的酰亚胺与π共轭体系相连，在4位引入供电子基可形成供体–π–受体结构。光激发后发生分子内电荷转移（ICT），产生电荷分离态。ICT强度受取代基电子性质影响，强供电子基导致吸收和发射光谱红移，且对环境极性敏感。H₂S引发的化学反应可将吸电子基转化为供电子基，显著改变ICT效率，产生荧光“开启”响应，这是设计H₂S探针的基础机制之一。

**2.2. Photoinduced Electron Transfer (PET)**
光诱导电子转移（PET）中，激发态荧光团与邻近供体或受体之间发生电子转移，形成非辐射衰减通道，导致荧光猝灭。在1,8-萘酰亚胺体系中，常在4位或3位引入富电子取代基（如胺）作为电子供体。H₂S响应型探针通常利用2,4-二硝基苯磺酰（DNBS）基团作为猝灭剂和识别位点；H₂S通过亲核芳香取代（SNAr）裂解DNBS，抑制PET过程，恢复荧光，实现“关–开”检测。

**2.3. Fluorescence Resonance Energy Transfer (FRET)**
荧光（F?rster）共振能量转移（FRET）通过供体与受体之间的偶极–偶极耦合实现非辐射能量转移，效率取决于光谱重叠和F?rster距离。1,8-萘酰亚胺具有高量子产率和良好的可调性，适合作为FRET构建单元。H₂S响应反应可改变供体–受体光谱重叠，从而调节FRET效率，实现比率测量，减少浓度和激发强度等干扰，适用于定量检测和活细胞成像。

**2.4. Other Auxiliary Sensing Mechanisms**
聚集诱导发光（AIE）指荧光团在聚集态荧光增强，源于分子内运动受限，可提高光稳定性和降低背景荧光。激发态质子转移（ESPT/ESIPT）产生大斯托克斯位移，减少自吸收和激发光干扰。这些机制常与PET或ICT结合用于H₂S探针设计，作为辅助调控荧光响应的手段。

**3. Reaction-Based Recognition for H₂S**
**3.1. Detecting H₂S by H₂S-Triggered Reduction Reactions**
H₂S的还原性可用于还原叠氮、硝基、羟胺、二硫键、二硒键、硒氧化物等基团。例如，C4位叠氮或硝基被H₂S还原为氨基，增强供电子能力，激活ICT产生荧光增强。基于此策略的探针显示出高选择性和快速响应，并已用于溶酶体、内质网、高尔基体、线粒体、癌细胞、细胞膜等靶向成像，以及双光子成像和DNA损伤监测。此外，二硫键和二硒键的还原–环化序列也用于构建比率型探针，硒氧化物探针则利用可逆氧化还原循环实现动态监测。

**3.2. Detecting H₂S by Nucleophilic Aromatic Substitution (SNAr) Reactions**
在生理pH下，H₂S主要以HS^?形式存在，亲核性较强，可与缺电子芳香体系发生SNAr反应。常用识别基团包括DNBS、2,4-二硝基苯甲酸酯（DNBE）和7-硝基苯并呋咱酯（NBDE）。这些基团作为荧光猝灭器，被HS^?裂解后恢复荧光。代表性的探针展示了在水溶液、气体检测、食品腐败监测、AIE增强、近红外发射、粘度响应、C3位取代以及ER/线粒体靶向等应用中的潜力，但部分探针对生物硫醇如Cys、GSH的选择性存在差异，受溶剂和结构修饰影响。

**3.3. Detecting H₂S by Other Reactions**
其他机制包括分子内环化、迈克尔加成、亲核加成以及金属离子置换。例如，H₂S与醛基反应生成硫代半缩醛，进一步环化释放荧光团，实现自消除型信号放大。迈克尔加成可破坏共轭结构，产生比率响应。亲核加成到C=N或C=C键也可改变荧光。金属配合物探针利用S^2?与Cu²⁺结合形成CuS，释放荧光团恢复荧光。这些策略丰富了H₂S探针的设计途径。

**4. Challenges and Perspectives**
1,8-萘酰亚胺探针仍面临多项挑战：光物理性质受pH、溶剂极性等环境影响较大，可能引入干扰；许多衍生物水溶性差，需使用有机共溶剂；多种光物理路径可能同时存在，使机制解析复杂化。H₂S供体（Na₂S、NaSH、H₂S溶液）的稳定性和物种分布不同，导致实验对比困难。生物环境中高浓度GSH和Cys可能干扰选择性。检测限（LOD）的确定方法和条件不统一，影响性能比较。此外，不可逆反应探针难以实现H₂S连续监测；应用大多局限于细胞和斑马鱼成像，临床样本测试不足。结构–性质关系仍需系统研究。

**5. Conclusions**
1,8-萘酰亚胺骨架凭借其独特的光物理性质和结构可调性，已被广泛用于设计H₂S荧光探针。利用H₂S的亲核性和还原性，多种反应型传感策略得以开发，实现了灵敏、选择性的检测。本综述总结了32种代表性探针，展示了该平台的多样性和广泛应用前景。未来对结构–功能关系的深入研究将有助于开发性能更优的H₂S荧光探针，推动其在复杂生物环境和生物医学中的应用。