以苯并咪唑萘酰亚胺为荧光团高选择快速检测H2S的荧光探针

doi:10.19894/j.issn.1000-0518.210232

摘要/Abstract

摘要：

以1，8-萘二甲酸酐为起始原料合成一种萘酰亚胺衍生物3-叠氮基-7H-苯并［de］苯并［4，5］咪唑［2，1-a］异喹啉（DBNG），利用傅里叶变换红外光谱（FT-IR）和核磁共振波谱（NMR）等测试手段确定其结构，并将其作为小分子荧光探针用于检测H₂S，系统研究了其荧光特性，结合理论计算，探究其可能的检测机制。结果表明，DBNG能高选择、快速荧光检测H₂S，产生“turn-on”现象，在较宽的pH范围内仍然表现良好的荧光性能，检测限低至0.82 μmol/L，可用于检测实际水样中的H₂S，并成功应用于细胞成像实验。

关键词: 萘酰亚胺, 硫化氢, 叠氮, 荧光探针

Abstract:

A naphthalimide derivative 3-azido-7H-benzo［de］benzo［4，5］imidazole［2，1-a］（DBNG） was synthesized starting from 1，8-naphthalenedicarboxylic acid anhydride isoquinoline and characterized by using infrared spectroscopy （IR） and nuclear magnetic resonance spectroscopy （NMR）. It was used as a small molecule fluorescent probe to detect H₂S. The results show that probe DBNG can detect H₂S with high selectivity and rapid fluorescence response， and exhibits good fluorescence performance in a wide pH range with a detection limit as low as 0.82 μmol/L. It can be used to detect actual water samples with H₂S and has been successfully applied to cell imaging experiments.

Key words: Naphthalimide, Hydrogen sulfide, Azide, Fluorescent probe

中图分类号:

O626

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图/表 16

图1 H2S还原的叠氮化物的示意图

Fig.1 Schematic diagram of azide reduced by H2S

图示1 化合物DBNG的合成路线

图2 荧光探针DBNG中加入H2S的紫外滴定光谱图

Fig.2 UV titration spectra of fluorescent probe DBNG with H2S

图3 （A）探针DBNG荧光识别H2S的滴定实验和（B）探针在515 nm处的荧光强度与H2S浓度的关系

Fig.3 （A） The titration experiment of probe DBNG fluorescence recognition of H2S and （B） the relationship of fluorescence intensity of probe with the concentration of H2S at 515 nm

图4 探针DBNG荧光识别H2S的选择性实验

Fig.4 Selective experiment of DBNG fluorescence recogniton of H2S

图5 探针DBNG荧光识别H2S的干扰性实验（1. Gly； 2. Cl； 3. Br； 4.SO3 2； 5. NO2； 6. H2PO4； 7. H2O2；8. Cys； 9. Hcy； 10. GSH； 11.Pro； 12.Try； 13. Met； 14. Val； 15. Asp； 16.Ser； 17. Leu； 18. Ala； 19. Phe； 20.blank； H2S 20 μmol/L，干扰物质50 μmol/L）

Fig.5 Interference experiment of probe DBNG fluorescence recognition of H2S（1.Gly； 2. Cl； 3. Br； 4.SO32； 5.NO2； 6.H2PO4； 7.H2O2；8.Cys； 9.Hcy； 10.GSH； 11.Pro； 12.Try； 13.Met； 14.Val； 15.Asp； 16.Ser； 17.Leu； 18.Ala； 19.Phe； 20.blank where H2S is 20 μmol/L and for interfering substances is 50 μmol/L）

图6 荧光探针DBNG的时间响应

Fig.6 Time response of the fluorescent probe DBNG

图7 pH值对探针DBNG荧光识别H2S的影响

Fig.7 The effect of pH on probe DBNG fluorescence recognition of H2S

图8 DBNG荧光识别H2S的机理

Fig.8 The mechanism of DBNG fluorescence recognition of H2S

图9 DBNG?N 3 （左）和DEBNG?NH 2 （右）的静电势（ESP）图

Fig.9 Electrostatic potential （ESP） maps of sensors DBNG?N 3 （left） and DBNG?NH 2 （right）

图10 DBNG?N 3 和DBNG?NH 2 的HOMO和LUMO的空间分布

Fig.10 Spatial distribution of HOMO and LUMO of DBNG?N 3and DBNG?NH 2

图11 DBNG?N 3 （左）和DEBNG?NH 2 （右）的NBO电荷分布

Fig.11 NBO charge distribution of sensors DBNG?N 3 （left） and DBNG?NH 2 （right）

图12 荧光探针DBNG在不同实际水样中加入H2S（30 μmol/L）的荧光光谱图

Fig.12 Fluorescence spectra of fluorescent probe DBNG in the presence of H2S （30 μmol/L） in different actual water samples

表1 荧光探针DBNG测定不同水样中的H2S

Table 1 Determination of H2S in different water samples with fluorescent probe DBNG

样品 Sample	添加浓度 c（H₂S spiked）/（μmol·L^-1）	检测浓度 c（total H₂S found）/（μmol·L^-1）	H₂S回收率 Recovery of H₂S/%
自来水 Tap water	10	9.89	98.9
	20	19.79	98.9
	30	29.39	97.9
河水 River water	10	9.93	99.3
	20	20.21	101.05
	30	30.09	100.3
海水 Sea water	10	10.04	100.4
	20	19.86	99.3
	30	30.65	102.1

图13 不同探针浓度（10~50 μmol/L）培养8 h的细胞存活率

Fig.13 Cell survival rates of 8 h were cultured at different probe concentrations （10~50 μmol/L）

图14 HeLa细胞中H2S的荧光图像。细胞用探针DBNG处理（45 min），洗涤，并进行不同的处理（A）对照（不添加H2S供体）；（B）20 μmol/L H2S供体（60 min）；（C）50 μmol/L H2S供体（60 min）；（D）90 μmol/L H2S供体（60 min）

Fig.14 Fluorescence images of H2S in HeLa cells. Cells were treated with probe DBNG （45 min）， washed， and subjected to different treatments（A） control （no H2S donor）；（B） 20 μmol/L H2S donor （60 min）；（C） 50 μmol/L H2Sdonor （60 min）；（D） 90 μmol/L H2S donor （60 min）

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以苯并咪唑萘酰亚胺为荧光团高选择快速检测H₂S的荧光探针

Fluorescent Probe for Rapid Detection of H₂S with Benzimidazole Naphthalimide as the Core

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