Advanced Functional Materials: 铁离子点亮型生物荧光探针的设计及机理研究

分子识别现象广泛存在于超分子化学和生命体系且备受瞩目,它是通过氢键、金属耦合、疏水性和范德华力等弱相互作用力自组装形成新的分子系统,并显示出独特的光物理特性,生物活性和分子动力学过程。由于分子识别受到主客体结构、尺寸效应、配位作用、溶剂化效应和pH值等影响。通过优化分子结构,调控主客体分子大小和分子构型,构建合适的、具有特征性的高选择性、高灵敏度的分子识别体系(荧光探针体系)是一个巨大的挑战。

铁是一种常见的过渡金属,铁元素参与了生物体中造血、产酶、能量代谢转换及免疫功能维持等生命过程,但高的铁浓度可能对正常的生理活动造成破坏。因此,开发新型高灵敏度和快速反应的铁离子荧光探针具有潜在的应用前景,特别是开发出对目标分析物识别具有低信噪比等特点的点亮型(light-up)荧光探针具有广阔的应用前景。

具有聚集诱导发光(AIE)性质的分子是一类天然的点亮型荧光材料,此类材料在稀溶液中不发光或发光很弱,而在聚集态或固态时荧光强度增强。独特的点亮型AIE荧光材料可用于亚细胞(特定细胞器)成像,生物过程的长期跟踪和成像引导治疗等。先前,香港科技大学唐本忠院士课题组将四苯基乙烯(TPE)和4-吡啶通过双键连接,获得了一类检测三价阳离子的荧光探针,但这类材料与Cr3+,Fe3+和Al3+相互作用时荧光都会发生明显变化,没有表现出明显的选择性。这类三价金属离子能够在水中电离,产生氢离子;进一步,氢离子能够质子化荧光探针,导致分子电荷分布不均匀,产生分子内电荷转移现象,实现荧光颜色的改变,进而间接检测三价金属(Cr3+,Fe3+和Al3+)。

吡啶基中氮原子的取代位置不同,产生不同的电子效应,影响自身的酸度系数(pKa)。基于此,本文报道的一种邻位取代的吡啶功能化的荧光探针TPE-o-Py,其不但拥有明显的AIE特性,能够专一的、高灵敏度、快速的检测溶液中的Fe3+其能够特征选择性、专一的检测三价铁离子,而对其他离子没有响应,关键原因在于:铁离子在水溶液中能够电离出氢离子,由于其较大的沉淀平衡常数(Ksp),导致溶液酸性变强;当铁离子溶度提高,释放出更多的氢离子,达到一定的酸度系数时 ,才能质子化TPE-o-Py,产生较大的分子内扭转电荷转移(TICT)现象,从而间接检测铁离子。实验证明:当铁的酸度系数接近TPE-o-Py的酸度系数,才能有效的质子化TPE-o-Py,而其他三价金属离子如Cr3+、Al3+等因为电离水解产生的氢离子较少而无法完全质子化TPE-o-Py。进一步查阅资料也发现,2-取代吡啶的pKa小于4-取代吡啶,进一步佐证了TPE-o-Py的pKa可能小于TPE-p-Py。同时,当TPE-o-Py遇到癌症细胞中的Fe3+时,荧光颜色能够从蓝光转变为橙红光,实现癌症细胞中铁离子的快速检测,且TPE-o-Py低的细胞毒性使得其在作为活细胞染料时具有优势。

此外,TPE-o-Py的单晶结构表明:在单晶堆积结构中,分子间存在大量的弱相互作用(如C-H···π、氢键等),TPE的四个苯环的旋转受限,导致双键振动,进而产生分子无序现象,形成一个pedal modle结构。进一步从分子层面验证了AIE抑制旋转受限运动机制。

图1 a)荧光探针TPE-o-Py的单晶结构,b)对三价铁离子的专一性响应,

荧光颜色从蓝光转变为橙红光,c)对含三价铁离子的Hela细胞成像。

此研究通过优化分子结构,实现对客体分子识别的专一性和选择性平衡,为构建新型分子识别体系提供了新思路和新方向。相关成果近期发表在Advanced Functional Material(DOI: 10.1002/adfm.201802833)上,文章的第一作者是香港科技大学的博士后冯星和李莹。通讯作者是香港科技大学唐本忠院士。