广东工业大学霍延平教授课题组：基于聚集诱导发光效应的四苯乙烯和喹啉类高效金属离子与生物硫醇荧光探针

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在众多类型的传感器中，基于有机小分子的荧光化学传感器因为具有灵敏度高、检测限低、响应速度快、低成本、操作简便等优势，其设计研究在医学诊断治疗与环境保护等领域的具有重要应用而备受关注。重金属离子如汞和铜离子的含量偏高，对生物的生存与健康具有非常大的影响，汞离子（Hg²⁺）被认为是最危险的有毒金属污染物之一，即使其浓度很低，也能破坏人类的中枢神经和消化系统，导致器官衰竭，对生物具有致命伤害。人体内过量的Cu²⁺会破坏细胞稳态，导致一些严重的神经退行性疾病，例如Menke、阿尔茨海默氏病等。而半胱氨酸（Cys）、高半胱氨酸（Hcy）和谷胱甘肽（GSH）等生物硫醇是生物体中必不可少的分子，它们在生物体的代谢中，对信号传导和氧化还原平衡起着关键作用，其中任何一种生物硫醇的含量水平异常都可能导致各种各样的疾病。因此，研究能够对Hg²⁺、Cu²⁺这些重金属离子以及特定生物硫醇的浓度进行定性定量的高效监测的荧光化学传感器，对于生物健康与环境保护具有非常重要的意义。

近日，广东工业大学霍延平教授课题组通过以四苯乙烯和喹啉为母体，构建了一系列具有高灵敏度和选择性的有机小分子荧光探针，可以高效得监测水体或者生物活细胞内汞离子、铜离子和特定生物硫醇的浓度变化。

首先，该课题组将具有聚集诱导发光特性的四苯乙烯结构与席夫碱连接，设计合成了两种新型的荧光探针（S1和S2）。该类探针可以在水溶液和活细胞中，成功高选择性地识别Hg²⁺并监测其浓度的变化，具有极低的检测限19.4和9.84 nM（<2 ppb）。其中，S2还可用于肉眼检测Hg²⁺的含量。其荧光响应机理基于聚集诱导发光效应（AIE），在含90%水的溶剂体系中，探针因为AIE效应而发很强的荧光，而当其席夫碱结构与Hg²⁺特异性识别结合后，探针荧光发生显著猝灭，实现了灵敏地、专一性识别Hg²⁺的效果。相关研究成果发表在New J. Chem.上（DOI: 10.1039/c8nj02245c）。

图1. S1和S2对Hg²⁺的响应机制及细胞成像图

（来源：New J. Chem.）

另外，以8-羟基喹啉为母体，该课题组设计合成了四种新型的具有可再生性的汞离子比率/增强型荧光探针（1-4）。利用探针与汞离子的特异性反应，可达到高效检测汞离子的效果，其中探针（2-4）对汞离子的检测限甚至可低至10^-9 M。最后通过加入硼氢化钠可实现探针与汞离子的可逆性反应，达到回收探针，可进行重复检测汞离子的效果。相关研究成果发表在Spectrochim. Acta. A.上（DOI: 10.1016/j.saa.2019.04.004）。

图2. 探针1-4的荧光响应机理

（来源：Spectrochim. Acta. A.）

接着，课题组以四苯乙烯和喹啉为母体，设计了两种具有明显的聚集诱导发光效应的猝灭型铜离子荧光探针，其对铜离子的检测具有高特异性和低检测限（检测限可达1.3×10^-8 M），并通过添加Na₂S实现探针的循环利用。另外我们将探针负载于滤纸上，制备了便携式铜离子检测试纸，在实际水样中可实现对Cu²⁺方便、快速、便携式检测，具有非常强的实际应用前景。实际上，直到该课题组设计和合成出这两种具有聚集诱导发光效应的探针之前，几乎没有关于具有聚集诱导发光效应的基于Cu²⁺的喹啉衍生物探针，此项工作对开发具有AIE效应的喹啉衍生物高效探针具有重要的指导性意义。该成果发表后被选为封底论文，相关研究成果发表在Analyst上（DOI: 10.1039/c8an00940f）。

图3. 探针1和2对铜离子的荧光响应

（来源：Analyst）

图4. 封底论文——铜离子探针

（来源：Analyst）

虽然，科学家对生物酚的荧光传感已经有了广泛的研究与关注，却极少有传感器可有效地将半胱氨酸（Cys），同型半胱氨酸（Hcy）和谷胱甘肽（GSH）这三种巯基化合物区分开并进行定性、定量地分析。为了解决这一问题，该课题组设计并合成了两种用于区分检测高-/半胱氨酸的荧光“off-on”型的高选择异构体荧光探针。其中，以具有AIE效应的四苯乙烯衍生物作为发光基团，以马来酰亚胺作为目标物的识别基团。该项研究发现：这两种异构体探针在没加入相应的生物硫醇之前，由于光诱导电子转移（PET）作用而不发荧光，然而，该探针与Cys或Hcy相互作用后，其荧光大大增强，在Cys存在下甚至可增强2000倍，与文献相比灵敏度提高10倍以上，而与谷胱甘肽（GSH）作用几乎没有荧光增强的效应，此类硫醇探针相对于GSH和其他氨基酸对Cys，Hcy表现出优异的选择性和敏感性，可以对Cys、Hcy进行定量分析。作者还将这两种异构体探针在活H1299肺癌细胞中，成功实现对Cys、Hcy响应的荧光成像实验。相关研究成果发表在Talanta上（DOI: 10.1016/j.talanta.2019.120177）。