进展评述 硼酸及其衍生物在荧光分子开关中的应用 柳清湘 徐凤波 李庆山 曾宪顺 张正之 (南开大学元素有机化学研究所 国家元素有机化学重点实验室 天津 300071) 柳清湘 男,40岁,博士生,主要从事金属有机化学和超分子化学的研究,E2mail :qxliu eyou.com 国家自然科学基金资助项目(29872019) 2001209224收稿,2002206213修回 摘 要 荧光分子开关中主体和客体之间可以通过多种方式相结合,其中带有荧光团的硼酸衍生 物与糖或羟基化合物的结合是通过共价键形成的。糖化学在生命科学中起着非常重要的作用,因此对 糖的识别和检测在医学、 细胞生物学等领域具有至关重要的意义。硼酸衍生物可以作为荧光分子开关 对糖进行有效的选择性识别,因而受到科学家们的广泛关注。本文对近年来国内外相关研究成果进行 了综述。 关键词 硼酸衍生物 荧光 开关 传感器 糖 Abstract There are many types of combinations between the hosts and guests in fluorescent molecular switch. Among them , boric acid derivatives with fluorophore may selectively recognize saccharides or hydroxyl compounds through the formation of covalent bond. Since the chemistry of saccharides plays a significant role in life science , the recognition and detection of saccharides are very important in medicine , cellular , biological science and other fields. As a sort of efficient fluroescent molecular sensors , the boric acid derivatives are sensitive and selective in the recogni2 tion of some saccharides and have attracted extensive attentions of many chemists. In this context , the relative results of research about this type of fluroescent molecular switches in recent years were reviewed. Key words Boric acid , Fluorescence , Switch , Sensor , Saccharide 荧光分子开关作为超分子化学的一个重要组成部分,正在受到各国科学家的广泛关注 13 。 在荧光分子开关中主体和客体间通过不同的作用方式相结合,它们的形成主要依赖一些弱相互作 用,如分子间的氢键、 芳香 2 、 阳离子2 、CH2 和van der Waals作用等。但也有一些是通过共价键 形成的,如硼酸衍生物与糖和羟基化合物的结合即是其中的一类 4 ,5 。由于糖化学在生命科学中起 着重要的作用,在医学、 细胞生物学和食品工业等领域中对糖的识别和浓度的检测有着重要的意 义 68 。比如,通过对人体内糖含量的测定可以了解人的健康状况;通过对发酵过程中糖含量的测 定可以跟踪发酵的程度;通过对酶中糖含量的测定为酶的分析提供可行的方法 9 ,10 。此外,硼酸在 植物的生长过程中起着重要的作用 11 ,但是它在植物的细胞中的作用机理还不清楚,经过精心设 计的传感器能够被用于探测硼酸在细胞中的生物功能。荧光分子开关在对客体的分析和检测中有 一些突出的优点,通过荧光强度的变化可以直观地体现客体的存在;它具有高的灵敏度,甚至单个 分子也能被检测到;荧光传感测量法是非侵入性的,对样品不具破坏性。这些优点在细胞生物学上 是其它方法无法替代的。目前有关硼酸衍生物的荧光分子开关还较少,主要集中在硼酸衍生物主 体对糖客体的检测和识别上。 荧光开关发生的原理有几种类型 12 ,最常见的一类为光诱导电子转移体系(Photoinduced Elec2 056化学通报 2002年 第10期 http : hxtb.icas. ac. cn tron Transter Systems , PET)。一个完整的光诱导电子转移体系一般由三个部分组成,即荧光团、 间质 和受体。这三个部分分工明确,各司其职:荧光团部分专管光能的吸收和荧光的发射,受体部分则 用于结合客体,这两个部分被间质隔开,仅又靠间质相连成一个分子,其结果是构成了一个在选择 性识别客体的同时给出光学信号变化的超分子体系。 1 单硼酸衍生物与糖的作用 传感器主要包括两大类,即生物传感器和化学传感器 13 。生物传感器一般稳定性比较差,并 且价格昂贵,在实际应用中比较困难。化学传感器有许多传输体系,如CD、UV和荧光体系等。荧 光传感体系由于具有高的灵敏度和非侵入性的特点,因此它是最重要的化学传感器之一 14 。糖在 生物体内起着重要的作用,含硼酸的荧光传感体系对某些糖具有很好的选择性。硼酸和糖之间在 水溶液中容易脱水形成共价键,在对糖的识别中,共价结合是一种重要的键合作用。图1可以说明 硼酸衍生物与糖结合前后荧光变化的情况 15 。 图1 硼酸衍生物与糖结合前后荧光的变化15 Fig.1 The variation of fluorescence before and after the combination of boric acid derivatives with saccharides15 蒽硼酸1在水溶液中有荧光发射,它的荧光与蒽本身的荧光相似。加入碱后,形成硼酸负离子 1a ,荧光减弱。1与糖作用形成化合物1b,1b比1有更强的酸性,仍然有强的荧光发射。在1b的溶 液中加入碱形成负离子1c ,荧光减弱。这些过程都是可逆的,1a和1c荧光减弱的原因是由于发生 了从硼负离子到蒽的PET过程。这里硼酸与糖只有在较高的pH条件下才能形成复合物(这在生 理条件下是不适宜的 ) , 并且它缺乏必要的电荷变化,因此硼酸直接连接在荧光团上的荧光开关是 有缺陷的。化合物2、3和4也属于这种情况 16 。 为了克服上述缺点,在设计荧光开关时应尽量满足以下几点要求 , (1) 短而经济的合成路线; (2)足够的亲电性 ;(3) 在生理pH下有效的组合和传输 ;(4) 与糖结合后有足够的荧光变化 ;(5) 有选 择识别能力 17 ,18 。基于这几点,James等合成了化合物5 19 ,他改变了硼酸的键合位置,在硼酸和荧 光团之间引入了氨基,为PET过程的发生提供了富电子中心。并且氨基的邻基参与可以降低传感 156http : hxtb.icas. ac. cn 化学通报 2002年 第10期 器工作时的pH ,它的实用性得到了明显的提高。 化合物5的荧光变化情况见图2 19 。质子化的5有荧光发射,开关处于 “开” 的状态,去质子后 变为5a ,这时硼酸与胺的作用较弱不足以抑制氮原子的孤对电子到蒽环的PET过程,因此5a的荧 光被减弱。继续增加pH形成5b,这时硼酸与胺完全分离,荧光进一步被减弱。5a与糖作用形成 5c ,荧光明显增强,这是因为结合糖后硼原子的杂化状态发生了改变(由sp 2 杂化变为sp 3 杂化 ) , 硼 酸的酸性增强,NB键被加强,有效地抑制了PET过程。5与葡萄糖结合后在很宽的pH范围内都 有强的荧光发射,因此它是在生理pH条件下理想的对糖响应的荧光开关。实验证明它的灵敏性 和选择性都较高。 图2 pH对硼酸衍生物荧光的影响19 Fig.2 The effect of pHon the fluorescence of boric acid derivatives19 2 二硼酸衍生物与糖的作用 2.1 二硼酸衍生物与单糖的作用 在单硼酸2糖荧光传感器的基础上,人们又设计了二硼酸与糖组合的传感器 20 。许多单糖至少 拥有两个键合位置,这样通过控制两个硼酸的空间位置能够建立对糖具有选择性的受体。化合物 6 2123是对葡萄糖具有明显选择性的荧光开关 ,它与葡萄糖结合后荧光变化比5更大,在葡萄糖浓 度很低时就可以被检测到。它与葡萄糖只有按11的比例形成的环状化合物和12的比例形成的 开链化合物才能发出荧光。11的比例形成的非环状化合物没有荧光发射。在人的血液中主要含 有三种单糖,即D2葡萄糖 (0 11013mmolL - 1) 、D2果糖(011mmolL - 1) 和D2半乳糖(011mmol L - 1) 。在生理条件下,化合物6可以有效地识别葡萄糖。 二硼酸衍生物7 23 ,在两个硼酸之间有一个柔性的间质,它的行为类似于6。由于芘荧光团可 以形成激基缔合物(excimer) ,因此化合物7可以给出两组信号,一组是由糖的浓度不同产生的,另 一组是由复合物的结构变化产生的。化合物7和单糖按11的比例键合时单体荧光强度增加,一 方面是由于激基缔合物的减少,另一方面由于PET过程被抑制,总体荧光量子产率增加。它和单 糖按12的比例键合时激基缔合物与单体的荧光强度比增加。在糖的浓度低时,主要观察到的是 256化学通报 2002年 第10期 http : hxtb.icas. ac. cn 11复合物的信号。随着糖浓度的增加12复合物的信号变的越来越强。 图3 二硼酸衍生物与糖结合前后荧光的变化 Fig.3 The variation of fluorescence before and after the combination of diboric acid derivatives with saccharides 用立体效应和电子效应化合物8 2426可以识别手性糖。在化合物 8和糖11的复合物中,当 糖是D型或L型异构体时,连接在联萘基上非对称的两个氨基到联萘荧光团的PET过程是有差别 的,这种差异在复合物的荧光吸收光谱上可以得到显示。化合物8对果糖有明显的识别功能。例 如,8的R构型与D2果糖的键合可以产生明显的荧光增强。因此,利用8的不同构型(R型和S型) 可以识别单糖的D型和L型结构,这一点在实际中具有重要意义。 有些化合物可以通过络合某些阳离子使空间构象发生改变来调整荧光信号 27 ,28 。如二硼酸化 合物与葡萄糖结合形成11的环状复合物9时,有强的荧光发射。当9中的两个152冠25与直径大 小类似钾离子的一些金属离子(如Na + 、Ba 2 + 和Sr 2 + )络合时,形成金属离子夹心物9b ,这时两个硼 酸单元之间的距离增大,其中一个硼酸与葡萄糖的结合被分开,空间构象发生了改变,夹心物的荧 356http : hxtb.icas. ac. cn 化学通报 2002年 第10期 光被猝灭。当9与直径较小的Li + 或直径较大的Cs + 络合时,形成环状复合物9a ,空间构象没有发 生改变,荧光强度也没有明显改变,仍然有强的荧光发射。 图4 二硼酸与糖形成的化合物络合不同的阳离子对荧光的影响 Fig.4 The effect of cations on fluorescence in the compounds formed by diboric acid derivatives and saccharides 有人还设想研制一个建立在三维平台上可以发出荧光的