基于有机小分子钙离子荧光探针研究进展
引用本文:张锡钰，林昕烨，林淑芳，等.基于有机小分子钙离子荧光探针研究进展[J].化学试剂，2024,46(2):1-9.
DOI:10.13822/j.cnki.hxsj.2024.0007
背景介绍
钙是生物体内最丰富的金属离子之一，在多种生理过程中担任关键角色。Ca2+作为细胞中的第二信使，参与众多细胞内信号级联反应，对机体的各种生理活动必不可少。细胞内Ca2+浓度的变化与多种生物学现象有关，Ca2+水平异常可能导致危及生命的疾病。当前，许多研究都集中在Ca2+的分布和作用机制上，这些研究的推进离不开对生命系统中Ca2+检测方法的需求，因此，有效和选择性地检测Ca2+对医学、环境科学和生物化学都具有重要意义。其中基于小分子荧光探针的方法因具有探针尺寸小、适用原位监测、生物兼容性高等优点而备受关注。
文章亮点
1.综述了近年来国内外学者对基于有机小分子的Ca2+荧光探针的相关研究，并探讨了荧光探针的不同类型及应用；
2.展望了未来的研究方向，包括改进合成策略以提高探针的稳定性、研发更为可持续的合成方法、改进细胞膜透过性等方面；
3.为未来性能更卓越的红外钙离子荧光探针提供强有力的结构活性基础。
内容介绍
自20世纪80年代中期Tsien等[13]首次报道了第一个荧光钙探针(图 2)，该探针由四羧酸盐单元组成，用于测量细胞质钙离子，此后，大量荧光探针被报导并得到商业化(图 3)。Ca2+荧光指示剂可分为两类，分别是基因编码的基于荧光蛋白的Ca2+传感器和基于有机荧光小分子的Ca2+传感器。
1 基于罗丹明的Ca2+荧光探针
罗丹明是一种备受科学家广泛关注的生物相容性染料。2017年，Zhang等[20]基于1,8-萘酰亚胺和罗丹明衍生物设计并合成了一种用于检测MeCN-水介质中Ca2+的新型开启荧光探针NR（图4）。
2011年，Egawa等[21]合成了一种基于硅罗丹明（Silicon-substituted rhodamines，SiRs）的用于检测Ca2+的近红外荧光探针CaSiR-1 AM（图5）。
Urano等[19]设计并合成了一种基于磷取代罗丹明支架（Phosphorus-substituted rhodamines，PRs）的Ca2+探针CaPR-1 AM（图6）。
Kumada等[23]合成了基于罗丹明荧光团的橙色荧光KLCA-301和基于Si-罗丹明荧光团的近红外(NIR)荧光KLCA-501（图7）。
2 基于香豆素的Ca2+荧光探针
香豆素骨架具备多种优异的光物理性质，如大斯托克斯位移、可见激发和发射波长、高量子产率、良好的光稳定性。
如图8所示，Pan等[25]设计合成一种新型的香豆素席夫碱荧光探针EBH；Yao等[26]设计合成一种基于香豆素的新型荧光传感器CPM。
Puthiyedath等[27]，开发了一种利用点击化学协议的比率化学传感器。三唑环与香豆素部分一起作为离子载体提供一个阳离子配位（图9）。
2019年，Hua等[24]基于PET策略开发了香豆素和吡唑啉衍生的Ca2+探针Ca-1（图 10）。
3 基于BODIPY的Ca2+荧光探针
BODIPY荧光团由于其丰富的光物理特性，如强基态吸收、强荧光发射、高光致发光量子产率、对pH值不敏感和高化学稳定性等。
Kamiya等[29]报道了一种带有BAPTA基团的基于BODIPY的探针BOCA-1（图11），该探针显示在Ca2+结合后绿色荧光强度增加了250倍。
2017年，Liu等[17]开发了一种用于Ca2+检测的红光荧光探针CaRB (图12)，该探针显示出对Ca2+的选择性优于其他金属离子。
2016年，Sui等[31]合成并表征了一种新的基于BODIPY的Ca2+荧光开启探针BODIPY-1（图13）。
4 其他Ca2+荧光探针
2017年，Collon等[32]开发出了Ca-NIR，这是第一个在近红外区域发射的比例钙探针[31]（图 14）。
Yang等[33]设计并合成了一种用于检测Ca2+的新型水溶性共轭聚合物PT-PHO（图 15），该探针具有良好的选择性和高灵敏度，并表现出良好的线性范围和低检测限。
5 结论与展望
本文综述了近年来有机小分子的Ca2+荧光探针，并描述了基于罗丹明、香豆素、BODIPY等有机小分子所合成的一系列检测Ca2+的荧光探针具有的特点，该方法在进一步理解金属离子的生理和病理功能方面具有广阔的应用前景。
尽管Ca2+荧光探针在许多方面取得了显著的进展，但仍存在一些不足之处例如：有机溶剂使用、光稳定性不足、生物代谢稳定性、细胞膜透过性和毒性和生物相容性等。
深入的探索和研究都将对Ca2+在生物体内的具体功能及对疾病的作用机制有着非常重要的意义。相信在众多学者的共同努力下，荧光探针在Ca2+检测方面将取得更为显著的进展。
