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经典杯芳烃及氧杂杯芳烃荧光探针的研究进展

经典杯芳烃及氧杂杯芳烃荧光探针的研究进展

摘要

荧光探针具有较高的选择性及灵敏度，并且能够实现实时原位检测功能，所以它被广泛地应用于临床检验、环境监测、生物分析、材料研发等领域。

作为第三代超分子化合物—杯芳烃这个家族中新兴且重要的成员氧杂杯芳烃由于用氧杂亚丙基（-CH2-O-CH2-）部分或完全地取代了桥联亚甲基（-CH2-）使得氧杂杯芳烃拥有比经典杯芳烃更多的构象、更大的空腔体积以及更强的识别能力。

通过在氧杂杯芳烃的下沿引入特定的荧光基团，并利用模板效应控制其构型，可合成具有特定空腔结构的氧杂杯芳烃荧光探针。

本论文将近几年来经典杯芳烃及氧杂杯芳烃荧光探针的研究进展做一简要的综述。

关键词：

经典杯芳烃,氧杂杯芳烃，荧光探针。

Abstract

Thefluorescentprobehashighselectivityandsensitivity,andtheabilityofreal-timedetectioninsitu,soitwaswidelyusedinclinicaltesting,environmentalmonitoring,biologicalanalysis,materialsresearchandotherfields.Oxacalixareneisanewandimportantclassofcalixarene,whichwasrecognizedasthethirdgenerationofsupramolecularcompounds.becauseofthebridges-methylenes-CH2-groupswerecompletelyorpartlyreplacedby-CH2-O-CH2-thatmakeithasmoreconformations,largercavityandgreateridentifiableabilitythantheclassicalcalixarene.wecangettheoxacalixarenefluorescentprobeswithspecificcavitystructurebyintroducingspecificfluorophorestothelowerrimoftheoxacalixarenewiththetemplateeffecttocontrolitsconformation.Thispapermainlymakeabriefoverviewabouttheprogresstheclassiccalixareneandoxacalixarenefluorescentprobesinrecentyears.

Keywords:

classiccalixarene,oxacalixarene,fluorescentprobe.

1荧光分子探针简介

荧光分子探针通常由识别基团、连接体、荧光基团三部分组成。

识别基团决定了探针分子对客体识别的选择性与特异性，荧光基团则是将目标分析物的识别信息转化为荧光信号，荧光信号的强弱取决于识别的灵敏度。

而连接体部分则起到分子识别枢纽的作用。

图1.1荧光分子探针结构及作用机理示意图

1.1荧光分子探针常用的荧光基团

1.1.1呫吨类

呫吨类的主要代表有荧光素、罗丹明，它们是常用的荧光染料。

四乙基罗丹明，异硫氰酸荧光素及四甲基异硫氰酸罗丹明是广泛用于标记抗体的荧光素类化合物[1,2]。

图1.2荧光素

1.1.2罗丹明类

对于罗丹明类化合物研究得较多的有罗丹明B、罗丹明6G、罗丹明123。

其中罗丹明123具有下列优点：

通过细胞膜的速度快，对活细胞内的线粒体染色的选择性高，对细胞没有任何毒性。

所以它被广泛地用于检测线粒体膜电位，也常用于细胞凋亡检测，还用于癌症研究。

图1.3罗丹明123

1.1.3稠环芳烃类

稠环芳烃类的主要代表为蒽、芘，因其具有强而稳定的荧光而被广泛重视。

该类化合物的结构较为简单，经常用于荧光探针领域里基础理论的研究。

特别重要的是它们易产生激基缔合物荧光[3]，这一典型特征是其它种类的荧光团不能代替的。

萘酰亚胺是该类荧光基团中一个很常用、很重要的成员，其优异的光化学性质和光物理性质一直备受重视。

萘酰亚胺的化学性质稳定，易于被修饰，有较宽的光谱调节范围，荧光点亮与熄灭及400到600纳米发射光波长的变化，以及颜色的变化[4]。

图1.41，8-萘酰亚胺

另一重要的稠环芳烃类荧光基团是NBD-Cl，即4-氯-7-硝基-2，1，3-苯并呋咱，它具有衍生速率较快，副产物少，反应条件温和等特点[5]，它能与带胺基基团的分子反应，例如脂肪胺，氨基酸，多肽和蛋白质，形成具有高荧光强度的化合物，所以被广泛应用于标记多肽、蛋白质、药物和其它生物分子。

它也可以作为HPLC（高效液相色谱）分析中的衍生试剂。

另外，NBD-胺加合物对环境的变化具有较高的灵敏性，其荧光强度在水溶液中显著降低。

目前在阴离子识别领域的应用的报道较少，傅玉等[6]报道了在NBD-Cl的乙腈溶液加入AcO-，F-后，在较短时间内裸眼能观察到颜色由橘黄色变为红色，同时荧光显著地增强。

图1.5NBD-Cl

1.1.4其它类

其它类常用的荧光基团有吖啶、菁类、甲川类等。

其中吖啶[7]通常被用作蛋白质和核酸细胞、脂蛋白、膜等生物物质的荧光探针，这是因为它在可见光区有很大的吸光系数及很强的荧光，而且对DNA有很大的结合常数。

菁类[8]荧光染料主要应用于标记生物大分子，其特点是波长可调节范围特别大，可延伸入近红外区，因此能有效地避开生物体系的背景荧光，从而大大提高探针的灵敏性。

甲川类[9,10]荧光基团具有荧光量子效率高，随取代基变化其荧光波长可调节范围大，不易受环境pH的影响等特点。

此外，其它常用的荧光基团还有丹磺酰胺[11]、香豆素类[12]等。

1.2荧光分子探针常用的识别基团

一般来讲，作为分子荧光探针的识别基团一方面应含有诸如氧、硫、氮等能提供电子以形成配位键的原子或基团，另一方面还应具有适于特定客体的三维空腔结构。

作为继冠醚和环糊精之后的第三代主体化合物—杯芳烃，它兼具上述两种条件，所以广受相关化学研究者的亲睐。

杯芳烃是一类由苯酚环和处于邻位的亚甲基连接起来而组成的大环化合物。

由于其分子形状与古希腊的圣杯相似，Gutsche等[13]就将它命名为“杯芳烃”。

在杯[n]芳烃的杯状结构下沿连续排列着n个酚羟基，而杯状结构的中部为芳环构成的疏水性空穴。

前者能鳌合和输送阳离子，后者则能与中性分子形成包合物。

图1.6对叔丁基杯[3]芳烃

由于杯芳烃这种独特的结构，离子和中性分子均可作为其形成包合物的客体[14]。

更引人注意的是杯芳烃具有可调的空腔、可变的构象、且易被修饰等特点，因此被称为是继冠醚和环糊精之后的第三代主体化合物[15]。

与冠醚和环糊精相比较，杯芳烃确具有如下特点：

1.它是一类合成的低聚体，其空穴结构大小具有较大的调控性；2.它的下沿酚羟基十分易于衍生化．而酚羟基对位的叔丁基在消去后也可进行上沿修饰。

其次是它的成环骨架上也可进行修饰。

由此可获得众多的衍生物，以适应各种客体的需要;3.它不但能与离子，且能与中性分子形成主客体包合物，这是兼冠醚和环糊精两者之长；4.它的热稳定性及化学稳定性很好，可溶解性较差。

通过衍生化后，某些衍生物具有很好的溶解性；5.它的合成较为简单，可望获得较为价廉的产品[16]。

基于上述众多优点，国内外对杯芳烃在分子识别、分子组装、酶模拟、化学传感器和光电材料等方面的应用都进行了广泛而深入的研究[17-21]，并在广度和深度方面都取得了瞩目的成果。

图1.7对叔丁基杯[4]芳烃

随着对杯芳烃衍生化研究的深入，一系列杂原子杯芳烃成为了这个家族的新兴且重要的成员，使得杯芳烃的种类及研究领域不断扩大。

氧杂杯芳烃就是这类新兴成员的重要代表之一。

氧杂杯芳烃与经典杯芳烃最大的不同在于用氧杂亚丙基-CH2-O-CH2-取代了经典杯芳烃中的桥联亚甲基-CH2-，因为醚键较柔顺，所以氧杂杯芳烃可形成比经典杯芳烃更多的构象，不同的构象可能具有不同的性质，因而固定化的不同构象可识别不同的客体。

此外，醚键的引入增加了分子中的识别位点，其络合性能会有所增强，于此同时也使得氧杂杯芳烃的空腔体积大于经典杯芳烃。

通过在杯芳烃下沿引入特定的官能团，并利用模板效应控制其构形，合成具有特定空腔的主体分子[22]。

图1.8对叔丁基全氧杂杯[3]芳烃

2杯芳烃荧光分子探针研究进展

由于杯芳烃具有优异的识别性能，因而世界各国的研究者都注意到，若将荧光基团与杯芳烃相连接，就可制备具有良好识别性能的荧光探针，并可将其应用到主客体识别，环境监测，医学检验等方面。

为此，杯芳烃荧光探针的研究成为世界各国杯芳烃研究者的研究热点，下面主要就近些年来经典杯芳烃及氧杂杯芳烃荧光探针的研究进展做一些简要的介绍。

2.1经典杯芳烃类荧光探针的研究进展

Valeur等[23]报道了含6-酰基-2-甲氧基萘荧光基团的杯[4]芳烃探针A。

在乙腈、乙醇等溶剂中，A对碱金属及碱土金属离子都有较强的包结作用。

而在乙醇/水（6/4，V/V）体系中，它与Na+形成络合物后荧光显著增强且荧光发射峰红移,因此它可用作Na+的荧光传感器。

图2.1荧光探针A

Bu等[24]首次合成了含有蒽荧光团的新型杯芳烃冠醚探针B，其机理为光诱导电子转移作用（PET）。

在酸性条件下荧光探针B和K+、Rb+形成络合物时发生荧光猝灭现象。

而在相同条件下，探针B和Li+、Na+及Cs+络合时却未发生猝灭现象，其原因为探针B的冠醚环能和K+、Rb+形成更稳定的络合物，而与Li+、Na+及Cs+形成的络合物稳定性小于K+、Rb+。

图2.2荧光探针B

Cao等[25]报道了含咪唑基的新型杯芳烃荧光探针C，它能够选择识别Cu2+和Zn2+。

通过改变溶液的pH，它可作为选择Cu2+的“分子荧光开关”。

图2.3荧光探针C对Cu2+选择的“分子荧光开关”

Miao等[26]报道了具有酰胺结构的杯芳烃蒽荧光探针D,在阴离子F-、Cl-、Br-、I-、H2PO4-、HSO4-、NO3-等共存时对AcO-有较好的识别性。

图2.4荧光探针D

Kim等[27]合成了两种新型的含芘氨基的杯芳烃衍生物E，F，Pb2+加入后，插入到两个芘环中间，导致化合物原有的激基缔合物峰猝灭。

当向E-Pb2+络合物中不断滴加Ca2+时，Ca2+与环平面另一端的羧基络合，产生变构作用而Pb2+挤出，因而原有的芘激基缔合物峰又增强。

而当向F-Pb2+络合物中滴加Ca2+时，荧光强度并没有较大的变化。

产生此种现象可能的原因是由于金属离子间的静电排斥及反向变构效应产生的构象变化。

图2.5荧光探针E

图2.6荧光探针F

Kim等[28]合成了一类新型的含芘氨基的杯芳烃冠状探针G，其对Pb2+有显著的选择性。

在波长343nm光的激发下，探针G的芘基团能够发射出波长为448nm的荧光。

当氮杂冠醚包结Pb2+时，由于氮的孤对电子与Pb2+的络合作用导致构象变化，使探针荧光猝灭。

反之当络合F-时，由于F-与芘上氨基形成氢键使得两个芘荧光基团部分重叠，使荧光增强。

图2.7荧光探针G

2.2氧杂杯芳烃类荧光探针的研究进展

氧杂杯芳烃具有一些经典杯芳烃所不具备的性质，这是由于-CH2-部分或完全被-CH2-O-CH2-取代，所以氧杂杯芳烃的种类远远多于经典杯芳烃，同时因为醚键较柔顺，所以氧杂同杯芳烃的空腔比经典杯芳烃的大，可能的构象更多，构象的固定化更为困难。

此外，由于醚键的引入增加了络合作用点，其络合性能也会有所增强。

并且可通过控制引入的-CH2-O-CH2-的数目与位置，对杯芳烃空腔的大小和形状进行精细调节，合成具有特定空腔的主体分子[29]。

除对杯芳烃骨架的修饰以外，另对其上下沿的修饰也是一个国际热点课题。

陈远荫等[30]合成了二氧杂杯[6]芳烃的六乙酸,六乙酸酯和六乙酸酰胺衍生物，其中二氧杂杯[6]芳烃的六乙酸酯对锂离子有较高的选择性，而它的酰胺衍生物则对Cd2+、Ni2+、Hg2+表现了较高的选择性。

倪新龙等[31]合成了基于氧杂杯[3]芳烃的荧光探针H，它对Pb2+的选择性明显高于其他金属离子，该测试是通过芘的单体增强来实现的。

可以看到具有C3高度对称结构的氧杂杯[3]芳烃在检测重金属离子的比率荧光传感器的发展方面有潜在的应用。

图2.8荧光探针H

吴翀等[32]报道了氧杂杯[3]芳烃的罗丹明衍生物I,它可以作为锑及过渡金属离子的荧光探针。

且当加入Sb3+，Fe3+，Ni2+时，可显著地检测到荧光增强（波长在500-600nm之间）及比色度的变化。

此外，张文娟等[33]报道了在Tris-HCl作为缓冲体系的乙腈溶液（pH7.0）中，探针I本身无色且无荧光，当加入Sb3+后，I的螺环结构打开，可观察到显著的荧光增强及颜色变红现象，再加入Ca2+则导致I-Sb3+配合物的荧光消失及红色褪去，因而它可作为检测Ca2+的分子荧光探针和比色化学传感器。

图2.9氧杂杯[3]芳烃的罗丹明衍生物

Masci等[34]合成的二氧杂杯[4]芳烃甲基醚对季铵盐有很好的络合能力。

Yamato等[35]合成了新型的氧杂杯[3]芳烃三酮，其对Ag+有高度的选择性。

Shinkai课题组[36]将芘连接到氧杂杯[3]芳烃的上沿得到如下化合物，它可以在仲胺及碱金属离子存在的环境中选择性地识别伯胺，且该类化合物的部分锥型的灵敏度高于锥型，这是它与RNH2形成1:

1络合物时，强烈破坏了处于氧杂杯[3]芳烃环另一侧的两个芘分子所形成的激发态缔合物，从而导致了荧光淬灭。

图2.10荧光探针J

Kim等人[37]合成了以二氧杂杯[4]芳烃为平台修饰萘和芘酰胺两种荧光基团的衍生物，如下图所示。

该衍生物对Cu2+的选择性高于其它常见的金属离子。

下图识别Cu2+的过程是以萘基团的荧光共振能量转移为基础的荧光分子开关。

图2.11荧光探针K

KazunoriTsubaki等[38]合成了能够识别碱金属和胺类的分子荧光探针L,它是通过在氧杂杯[3]芳烃的上沿接上一个发色体吡啶L-酚盐染料而得的。

探针L含有一个可质子化的酚官能团，当检测碱金属或胺类时该基团可作为化学转化器以产生相应的颜色变化。

图2.12荧光探针L

3总结

从上面的介绍可以看到由于可以对经典杯芳烃的上下沿进行衍生化修饰后，可得到一系列杯芳烃荧光探针，它们具有良好的识别性能和选择性，但经典杯芳烃母体环上识别位点较少，是其较大的弱点，限制了它的进一步发展。

对新一代的杯芳烃—氧杂杯芳烃来说，国内外对它的研究较晚，有关报道也较少，由于柔性增加，键合位点增多，所以氧杂杯芳烃的很多特点有待各国研究者一起挖掘。

因此，经过有目的性的修饰后的氧杂杯芳烃可以作为一个优良超分子荧光探针研究的重要方向。

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