荧光分子 探针的
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荧光分子探针的主要设计原理
光诱导电 子转移
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( photoinduced electron
transfer, PET ) 在各种阳离子荧光分子探针中, 利用 PET 原理 设计的荧光分子探针最为常见。这类探针设计原理 明确, 特别是对于碱金属、 碱土金属和氢离子通常都 可获得荧光增强的探针。典型的 PET 荧光探针体 系是由具有电子给予能力的识别基团 R, 通过连接 基团 S 和荧光基团 F 相连 , 三部分构成的功能分子。 其中荧光团的功能是光吸收和荧光信号的发射, 并 且它的发射强度与识别基团的结合状态相关 ; 识别 基团的功能是 结合客体并将结合信息 传递给荧光 团 ; 这两部分被连接基团连成一个分子并且使识别 信息有效地转化为荧光强度变化。 在 PET 荧光分子探针中 , 识别基团与荧光团之 间的识别信息与荧光信号之间的转化是靠光诱导电 子转移完成的。PET 荧光分子探针的具体工作过程 如下 : 具有电子给予能力的识别基团能够将其处于 最高能级的电子转入激发态荧光团因电子激发而空 出的电子轨道 , 使被光激发的电子无法直接跃迁回 原基态轨道发射荧 光, 导致荧 光团的荧光猝 灭; 然 而 , 当识别基团与客体结合后, 降低了识别基团的给 电子能力 , PET 过程被减弱或不再发生, 使荧光团的 荧光发射增强。因此在未结合客体之前 , 探针分子 不发射荧光 , 或荧光很弱。一旦受体与客体相结合, 荧光团就会发射出强荧光( 见图 1) 。
MS 证实了这种/ 三明治0 结构的形成。
Chen 等 以酮胺香豆素为荧光团, 15 - 单氮冠 -5 醚作为配体, 设计合成了化合物 2, 对 Pb 具有很好 2+ 的亲和性和选择性 , 随着 Pb 浓度 的增加, 其在乙 腈溶液中的荧光逐渐增强, 最高达 40 倍。这可归因 于化合物 2 与 Pb
第 19 卷 第 9 期 2007 年 9 月
化
学
进 展
PROGRESS IN CHEMISTRY
Vol. 19 No. 9 Sep. , 2007
具有重要生物学意义的重金属及过渡金属 * 离子荧光分子探针
朱维平 徐玉芳 钱旭红
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( 华东理工大学药学院 上海市化学生物学重点实验室
上海 200237)
收稿 : 2007 年 5 月 ( 特约 ) * 国家自然科学基金重点项目 ( No. 20536010) 资助 * * 通讯联系人 e -mail: xhqian@ ecust. edu. cn
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第 19 卷
荧光分子探针是其中内涵最广的一个概念, 一般凡 是在一定体系内 , 当某一种物质或体系的某一物理 性质发生变化时 , 该分子的荧光信号能发生相应改 变的分子就可称为某一物质或某一物理性质的荧光 分子探针。荧光分子开关是指在识别过程中分子荧 光信号有明显强弱变化的荧光分子探针。荧光分子 传感器是指在识别过程中分子荧光信号能够快速、 可逆响应的荧光分子探针。通常评价荧光分子探针 的性能主要考虑灵敏性、 选择性、 实时性和原位检测 性能 4 方面因素。灵敏性中包括许多因素 : 首先, 探 针与被检测物的结合强度是识别灵敏性的前提 ; 其 次, 识别信息的荧光信号转换效率同样影响识别灵 敏性, 荧光增强的探针一般会比荧光猝灭的相应探 针灵敏性高; 另外, 荧光团的荧光波长、 量子产率、 斯 托克斯位移和背景荧光干扰等也会影响探针的检测 灵敏性 ; 灵敏性还与仪器性能有关。选择性主要取 决于探针与被检测物的结合选择性 ; 有时被结合的 客体可直接影响荧光团的荧光发射性能, 这种情况 下识别选择性还与被结合的客体性质有关; 专一选 择性是最好的。实时性主要包括识别响应的速度和 可逆性两方面, 如果可逆响应的速度快于或与被检 测客体的变化速度相匹配, 则可称之为实时响应探 针( 传感器 ) 。原位检测性能主要取决于探针分子与 被检测体系的相容性, 探针能以独立的分子状态分 散于被检测体系并发出识别信号 ; 从目前的实际情 况来看, 水溶性探针比非水溶性探针好 ; 其实在一定 限度内, 荧光探针检测的空间分辨率取决于仪器。 过渡金属及重金属广泛地存在于自然界中, 其 中的一些元素在生命过程中具有非常重要的功能 , 如已知铜在肿瘤血管生长因子中扮演非常重要的调 节作用, 锌广泛参与细胞生长发育、 基因转录、 神经 传递等各种重要生命过程; 而另外一些元素则在很 低浓度时就对生物具有极强的毒性 , 如铅能引起消
化系统、 神经系统及心脏的病变 , 汞对肾功能会引起 严重损伤。因此, 这些物质的检测对生命、 环境和医 学科学以及工农业生产等具有重要的意义。本文主 要介绍近年来 用于过渡金属及重金属 离子识别的 Pb 、 Hg 、 Cd 、 Cu 、 Cu 、 Zn 设计合成、 性能及其应用。
2+ 2+ 2+ 2+ + 2+
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受体 ) , 并且推电子基或吸电子基团本身又充当识别 基团或识别基团的一部分, 该分子被光子激发后会 进一步增加从电子给体向电子受体的电荷转移。当 识别基团与客体结合时, 会对荧光团的推 - 拉电子作 用产生影响( 减弱或强化电荷转移) , 从而导致荧光 光谱的变化, 主要是光谱蓝移或红移。一般情况下 , ICT 荧光探针对荧光强度的影响不像 PET 荧光探针 那样显著。 213 扭曲的分 子内电荷 转移 ( twisted intramolecular charge transfer, TICT) 在具有推 - 拉电子共轭体系的荧光分子中, 如果 推电子基 ( 如二甲氨基 ) 是通过单键与荧光团 相连 的, 当荧光团被光子激发时, 由于强烈的分子内光诱 导电荷转移 , 导致原来与芳环共平面的电子给体绕 单键旋转 , 而与芳环平面处于正交状态 , 原来的共轭 系统被破坏, 部分电荷转移变为完全的电子转移, 形 成 TICT 激发态。当形成 T ICT 激发态时 , 原有的 ICT 荧光则被猝灭。TICT 态常常不发射荧光或 者发射 弱的长波荧光, 少数情况下出现 ICT 与 TICT 双重荧 光现象 214
2+ 2+
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形成 2B2 的络合物后所产生的
ICT 现象和与金属结合后产生的构型限制。在加入 2+ 2+ 2+ 2+ 2+ 2+ 竞争性离子 Ca 、 Zn 、 Cd 、 Fe 、 Mn 、 Hg 后, 化合物 2 对 Pb 的选择性依然很好, 甚至在这些竞 争性离子过量 50 倍时, 对 Pb 的荧光测定也没有干 2+ 扰。这一点在实际应用中非常重要 , 因为 Pb 在生 物体内通常与 Ca 、 Zn 的结合位点作用 , 而 Cd 、 Fe 、 Mn 、 Hg
命过程中, 分子识别起着极其重要的作用。所谓分 子识别是指分子之间 ( 主体与客体或称之为受体与 底物 ) 靠非共价键力的选择性结合并产生某种特定 功能的过程。单纯的结合不是识别 , 识别是有目标 的结合 , 它是通过一系列结构确定的分子间相互作 用而组成的模式识别过程。结合形成的超分子体系 是由它的稳定性和选择性即形成过程中的能量和信
2+ 2+ 2+ 2+
、 Cu 、 Zn
+
2+
荧光分子探针的设计合成 、 性能及其在活细胞中应用研究的最新进展 。
关键词 重金属离子7; TP21212 文献标识码: A 文章编号: 1005 - 281X( 2007) 09 - 1229 - 10
Fluorescent Molecular Sensors for Heavy and Transition Metallic Cations with Biological Interests
Zhu Weiping Xu Yu f ang Qian Xuhong
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( Shanghai Key Laboratory of Chemical Biology, School of Pharmacy, East China University of Science and Technology, Shanghai 200237, China) Abstract Heavy and transition metallic ions exist widely in the nature. Some of them ( such as copper and zinc) play important roles in the living system, and others ( such as mercury, lead and cadmium) have high toxicity to the living plants and animals even in the low concentrat ion. This review summarizes the main design principles of the fluorescent sensors for the metallic ions and the progress of the fluorescent molecular sensors for heavy and transition metallic cations with biological interests, especially their design, synthesis, performance and the applications in the living cells. Key words heavy metallic ions; transition metallic ions; fluorescent molecular sensors 息量来表征的
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引言
分子识别是广泛存在的自然现象 , 特别是在生