现代化工

现代化工 ›› 2026, Vol. 46 ›› Issue (3) : 248-251. DOI: 10.16606/j.cnki.issn0253-4320.2026.03.040

分析测试

基于喹啉类Zn²⁺荧光探针的构建及应用研究

张艳阁 ¹^,²^,³ ,
李鹏宣 ² ,
赵付荣 ¹^,³ ,
刘伟生 ²^,^*

作者信息 +

Construction and application research of a novel quinoline-based fluorescent probe for Zn²⁺

ZHANG Yan-ge ¹^,²^,³ ,
LI Peng-xuan ² ,
ZHAO Fu-rong ¹^,³ ,
LIU Wei-sheng ²^,^*

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Received		Published
2025-10-22		2026-03-20
Issue Date	Revised Date
2026-03-27	2025-10-22

PDF (2532K)

摘要

合成了一种新型氨基喹啉类分子(HL),并采用质谱、核磁共振、元素分析和红外光谱等手段对其结构进行了系统表征。在此基础上,进一步研究了HL的荧光性质。实验结果表明,在乙腈-HEPES缓冲体系中,HL对Zn²⁺呈现出典型的“关-开”型荧光增强响应,且具备高灵敏度(检出限为3.13×10^-7 mol/L)与良好的选择性。紫外滴定、荧光滴定及Job曲线分析,确定HL与Zn²⁺之间的配位化学计量比为1∶1。HL成功应用于活细胞中Zn²⁺的荧光成像实验,显示出在生物检测领域的潜在应用价值。

Abstract

A novel aminoquinoline-based fluorescent sensor was synthesized and systematically characterized by mass spectrometry (MS),nuclear magnetic resonance (NMR),elemental analysis,and infrared (IR) spectroscopy.Its fluorescence properties were subsequently investigated.Experimental results revealed that the sensor exhibits high sensitivity toward Zn²⁺ with a detection limit of 3.13×10^-7 M and excellent selectivity in an acetonitrile-HEPES buffer system.The binding stoichiometry between the sensor and Zn²⁺ was determined to be 1∶1 based on UV-Vis titration,fluorescence titration,and Job’s plot analysis.Furthermore,the sensor was successfully applied for fluorescence imaging of Zn²⁺ in living cells,demonstrating its promising potential in bioimaging applications.

Graphical abstract

关键词

Zn²⁺荧光探针 / 高选择性 / 细胞成像 / 喹啉类 / 关-开

Key words

Zn²⁺ fluorescent sensor / high selectivity / cellular imaging / aminoquinoline-based / off-on

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张艳阁,李鹏宣,赵付荣,刘伟生. 基于喹啉类Zn²⁺荧光探针的构建及应用研究[J]. 现代化工, 2026, 46(3): 248-251 DOI:10.16606/j.cnki.issn0253-4320.2026.03.040

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锌是人体中含量仅次于铁的必需金属元素,在许多生命活动中发挥着关键作用,如DNA合成、金属酶功能调控、细胞凋亡及信号传导等^[1-4]。研究表明,锌离子缺乏可能导致生殖功能障碍,免疫功能障碍、生长迟缓、厌食、糖尿病等临床疾病;然而,体内锌过量同样会引起不良后果,包括腹泻、中毒等症状,甚至与冠心病的发生相关^[1,5-6]。因此,近年来开发高效、灵敏的Zn²⁺检测方法备受研究者关注。

荧光探针因操作简单、灵敏度高及可实现即时检测等优点而越来越受到人们的欢迎^[7-9]。近些年来,也发展起来很多检测不同离子及小分子的荧光探针^[1,10-15]。由于Zn²⁺的d轨道为全充满状态,不具备过渡金属的d-d跃迁,故直接测试其光谱是无法实现的。另外,锌与镉在元素周期表中属于同一族,其物理化学性质类似,与荧光探针作用后,光谱变化也可能较类似。因此,开发具有高选择性和高灵敏度的Zn²⁺探针也存在一些挑战。

检测Zn²⁺的荧光探针也取得重要进展,如基于罗丹明、香豆素、席夫碱、喹啉等荧光探针^[1]。但是,为了满足不同需要,仍需要设计合成步骤简单,并且具有较好选择性、灵敏度的荧光探针。喹啉及其衍生物特别是8-羟基喹啉和8-氨基喹啉作为具有潜在配位能力的荧光团已被广泛应用于Zn²⁺及其他多种金属离子的荧光探针设计中^[3-4,12-13]。基于氨基喹啉较好的荧光性质及配位特性,设计、合成了一个以水杨酸为连接体两边分别连接氨基喹啉和苄胺的小分子,该分子对Zn²⁺具有高选择性和高灵敏度。

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

8-氨基喹啉、苄胺、水杨酸甲酯、氯乙酰氯、无水碳酸钾、三乙胺、乙醇、乙腈、无水级乙腈、DMF等均为分析纯,使用前未做特殊处理。所用金属盐为硝酸盐或者氯化物。Bruker DRX 400 MHz核磁共振仪,FLS920稳态/瞬态荧光光谱仪(英国Edinburgh Instrument公司),Varian Cary 100分光度计,Elementar Vario EL型元素分析仪;Nicolet Nexus 170 FT-IR红外光谱仪,Hitachi F-7000荧光光谱仪,徕卡Stellaris5激光共聚焦显微镜。

1.2 探针分子的合成与表征

化合物A和化合物B分别参照文献[4]合成(图1)。探针分子(HL)的合成步骤如下:向圆底烧瓶中加入5 mmol化合物A和5 mmol化合物B,并加入适量无水级乙腈,使其溶解,后加入6.5 mmol K₂CO₃和催化量的KI,在回流状态下加热24 h。待反应物冷却后,滤去不溶物,将其旋干。将所得粗产物进行柱层析分离纯化,得到白色固体,产率为60%,熔点:148.6~150.1℃;元素分析:C₂₅H₂₁N₃O₃实际测量值为:C,71.65;H,4.958;N,10.36;理论值为:C,72.98;H,5.14;N,10.21;FT-IR(KBr,ν,cm^-1):3 433(br),3 317(m),1 683(s),1 640(s),1 599(m),1 539(vs),1 488(m),1 425(m),1 325(m),1 298(w),1 249(m),1 158(w),757(m);¹HNMR(400 Hz,CD₃CN,ppm),δ:10.44(Q-NHCO,s,1H),8.57(—NHCO,s,1H),8.76(dd,1H),8.68(dd,1H),8.28(dd,1H),7.98(dd,1H),7.65~7.45(m,4H),7.30(m,2H),7.20~7.10(m,5H),4.97(—COCH₂,s,2H),4.61(—CONH—CH₂,d,2H)。¹³CNMR(100 Hz,CDCl₃,ppm),δ:166.01,164.77,155.06,148.65,139.19,136.10,133.39,132.17,131.04,127.89,127.72,126.92,126.91,126.89,126.88,126.65,126.35,121.99,121.81,121.76,116.97,115,82,112.99,67.98,42.87。ESI-MS:m/z 412.3[(M+1)⁺]。

1.3 荧光与紫外性质测定

用于测试的各种金属硝酸盐溶液均为无水乙醇配制为0.01 mol/L的储备液,测试时,直接稀释至测试所用溶剂中;紫外数据在纯乙腈中测定,除特殊说明外所有荧光数据均在CH₃CN-H₂O(1∶1,v/v)的HEPES缓冲溶液中(50 mmol,30 mmol/NaCl,pH=7.40)测得。

1.4 细胞成像

Hela细胞来自于温州医科大学。Hela细胞在含有10%灭活的胎牛血清和1%青霉素/链霉素的DMEM培养基中培养,培养温度为37℃,空气含有5% CO₂。测试时,在细胞中加入HL(5×10^-5 mol/L),孵育15 min,并用PBS冲洗3次,除去游离染料,然后向细胞中加入Zn²⁺(5×10^-5 mol/L),继续孵育 15 min。细胞成像通过徕卡Stellaris5激光共聚焦显微镜采集,并使用徕卡共聚焦软件进行分析。

2 结果与讨论

2.1 配体及配合物的紫外-可见吸收光谱

在乙腈溶剂中,对HL及其配合物的紫外吸收光谱进行测定。如图2所示,HL在295 nm及316 nm处有2个较强的吸收峰。当往配体的乙腈溶液中(1.00×10^-4 mol/L)滴加Zn²⁺时,其295 nm及316 nm处的吸收峰有所降低,而在363 nm处出现了1个新的吸收峰,表明配合物的形成;随着Zn²⁺浓度的增加,363 nm处的吸收峰逐步上升,而295 nm及 316 nm处的峰却逐渐下降,同时在336 nm处出现一个等吸收点。当Zn²⁺浓度达到1.00×10^-4 mol/L时,其295、316、363 nm处的吸收峰均无明显变化。从滴定谱图中右上角的图也可以看出当[Zn²⁺]/[L]=1时其吸收峰强度值达到一个平台。紫外滴定结果表明配体与金属离子配位比([HL]/[Zn²⁺])为1∶1。取其363 nm处的吸收值按文献[15]进行非线性拟合,得出HL与Zn²⁺的结合常数为2.25×10⁵ M^-1。

2.2 荧光性质研究

对HL及在Zn²⁺存在下的荧光量子产率进行测定。HL的荧光量子产率为4.17%,当加入Zn²⁺后,荧光量子产率增加至30.12%。

2.2.1 荧光测试条件选择

前面在纯有机溶剂中对HL的光谱性质进行初步探索,但是对于传感器分子来说,只在有机体系中具有特异性识别作用是远远不够的。要想其有应用价值,就必须在有水环境中仍能达到对目标分子检测的目的。基于以上考虑,对HL测试条件进行了详细的筛选,最后权衡荧光强度与混合溶剂中水含量这2方面的因素,确定在CH₃CN-H₂O(1∶1,v/v)中,具体研究其荧光性质。

荧光传感器的荧光强度易受到溶液中质子的影响。为研究传感器分子的pH适应范围,测试了在CH₃CN-H₂O(体积比1∶1)混合溶剂中配体及Zn²⁺配合物的荧光响应随pH的变化(图3)。在强酸性条件下HL及与Zn²⁺形成配合物后的荧光都较弱且不随pH的改变而变化;但在pH 4~6的范围内配合物的荧光强度逐渐上升,在酸性较强的条件下,HL酸效应较大,影响HL与Zn²⁺的配位。在近中性附近pH为6~9稍有波动但仍能保持较高的强度值;当pH>9时荧光强度又大幅下降,因为碱性较强,Zn²⁺与OH^-结合,影响配合物的形成。因此,从上述的变化趋势来看,所设计的传感器分子在pH 6~9之间对Zn²⁺有较好的荧光响应,与生物体系中的微环境相吻合。

2.2.2 荧光选择性

如表1所示,配体HL对Zn²⁺都有很好的选择性。当向配体HL溶液(浓度为10^-4 mol/L)中加入2倍于HL浓度的其他金属离子时,荧光强度无明显增强,仅加入Zn²⁺时在498 nm处会出现一个很强的荧光发射峰,增加强度约为20倍。因此,配体对Zn²⁺都有很高的选择性。

2.2.3 荧光滴定

在HEPES缓冲溶液中(50 mmol/L,30 mmol/L NaCl,pH=7.40,CH₃CN-H₂O,1∶1,v/v)测试了配体HL对Zn²⁺的荧光滴定实验。如图4(a)所示,在含有1.00×10^-4 mol/L HL的测试液中加入Zn²⁺后,498 nm处的发射峰逐步增强。同时,对荧光滴定数据进行了线性拟合[图4(b)],通过线性拟合得出的斜率计算出配体对Zn²⁺的检测限(LOD,3σ/k)为3.13×10^-7 mol/L(R²=0.998 89)。

2.2.4 竞争性实验

评价一个传感器性能优异的关键标准之一,不仅在于对目标金属离子的高选择性,更在于在多种干扰离子共存的复杂环境中,依然能保持高效与精准的特异性识别能力。进一步探究了HL在有其他共存离子时,对Zn²⁺荧光响应情况。先向HL溶液(浓度为1.00×10^-4 mol/L)中加入2.00×10^-4 mol/L干扰离子,再向混合体系中加入2.00×10^-4 mol/L Zn²⁺的加样方法来探究其荧光响应情况。由表2可以看出,虽然Cu²⁺、Cr³⁺、Mn²⁺和Hg²⁺对体系的荧光有一定的淬灭作用,但总的荧光信号较强,其他金属离子则几乎没有干扰。可见HL在有干扰离子存在的条件下仍对Zn²⁺有很好的选择性。

2.3 配体与Zn²⁺的结合性质

紫外滴定及荧光滴定实验结果均表明,配体与Zn²⁺是按1∶1的摩尔比进行结合的。为进一步验证这个实验结果还对其Job曲线进行了测定。如图5所示,Job曲线图中的2条直线的交点都在0.5附近,说明配体与Zn²⁺是以1∶1的配位比形成配合物的,与之前的实验结果相吻合。

2.4 应用研究

同时,为拓展HL的应用,将该探针HL应用于细胞内Zn²⁺的检测。如图6所示,在细胞中加入5.0×10^-5 mol/L的HL,孵育15 min,在激光共聚焦绿色通道下,几乎没有荧光,当向其中加入5.0×10^-5 mol/L Zn(NO₃)₂后,接着孵育15 min,细胞内出现明显的绿色荧光,同时,细胞形态保持完好。这说明,该探针可以应用于细胞内Zn²⁺的荧光成像。

3 结论

本研究合成了一个基于氨基喹啉类的小分子,通过质谱、核磁共振波谱、元素分析及红外光谱对其进行表征,并探究了其荧光性质。该分子在乙腈-HEPES缓冲溶液(50 mmol/L,30 mmol/L NaCl,pH=7.40,CH₃CN-H₂O=1∶1,v/v)中对Zn²⁺有很高灵敏度(检出限为3.13×10^-7 mol/L)和良好的选择性。通过紫外滴定、荧光滴定及Job曲线等方法确定配体与Zn²⁺的配位比为1∶1。此外,该传感器成功应用于活细胞中Zn²⁺的荧光成像实验,显示出良好的生物成像潜力。

参考文献

原文顺序 | 出版日期 | 本文引用

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