第6I Issue6
江西科技师范大学学报
Journal of Jiangxi Science&Technology Normal University
202012月
张九龙，张道彬*
(江西科技师范大学有机功能分子研究所，江西南昌330013)
摘要：过渡金属钉(！)配合物通常与配体形成六配位的八面体构型配合物#其配合物为三线态发光体，具有良好的光学性能，激发及发射波长可调节、长的发射波长、较长的荧光寿命、大的斯托克斯位移等优点，因此得到了人们的密切关注#在材料、生物、药物等方面的应用研究都取得了飞速的发展#本文简单介绍了近单核、双核钉(！)配合物作为探针在细胞成像、活性组分小分子与离子识别、DNA检测、药物合成等领域的应用# 关键词：钉(！"配合物；细胞成像；探针；离子识别；DNA
中图分类号：TG146.3+8；O6-1文献标识码:A文章编号:2096-854X(2020)06-0034-08 Application of Ruthenium!!)Metal Complex-based Probe
Zhang Jiulong,Zhang Daobin*
(l.Jiangxi Key Laboratory of Organic Chemistry,Jiangxi Science&Technology Normal University,
Nanchang330013,Jiangxi,P.R.China)
Abstract：Ruthenium(!)complexes usually form six-coordinate complex with an octahedral configuration.As triplet luminophor(3MLCT),Ru(II)complexes possess excellent optical properties,including easy regulation of excited/emission wavelength,long emission wavelength,long fluorescence lifetime,large Stokes shift,and so on.They are widely applied in many fields,such as materials,biology and drugs,and achieve rapid development.This article briefly introduced applications of mono-/bi-nuclear ruthenium(!)complex-based probes in the fields of cell imaging, active small molecules and ion recognition,detection of DNA,and drug synthesis in recent years.
Key words：Ruthenium(!)complex;bio-imaging;probe;ions sensor;DNA
—、前言
从结构上来讲，钉（H）配合物是六配位的八面体构型的配合物，具有立体结构稳定性好、配体取代惰性、可与具有良好芳香平面型和刚性的配体结合等优点。此外，钉（！"配合物是一种具有发光寿命长的三线态发光体，具有良好的光学性能，如发射波长长、良好的水溶性、较大的斯托克斯位移、较长的发光寿命、较低的细胞毒性、较高的光、热以及化学稳定性。
随着人们对钉（！）金属配合物性质的认识加深，钉（！）金属配合物在不同领域的应用逐渐被人开发并研究，比如材料方面：环金属钉配合物可作为氧化酶化学的氧化还原介质b1叫染料敏化太阳能电池的敏化剂P-51、光电分子器件能量受体问、二联体电子转移的增敏剂［7,8］及催化剂前体［9，10］等；生物领域方面：钉（！）金属配合物在细胞成像［11-13］、生物荧光探针［14-19］、药物化学㈣■旳等做出了突出的贡献。
钉（！）金属配合物应用的领域较为广泛，本文钉（！）金属配合物在成、与
识别、DNA检测、抗癌药物的合成这四方面简单介绍。
收稿日期：2020-10-09修回日期：2020-10-28接受日期：2020-10-28
基金项目：5家78科学基金项目（21701065）。
作者简介：张九龙，男，在读硕士研究生，研究方I：有机光化学；*张道彬（通讯作者），男，副教
授，博士，研究方I：金属有机发光材料，E-mail:********************** 0
2020年张九龙，张道彬：钉（！）金属配合物探针的应用35
二、钉（II）配合物的应用
（一）钉（U）配合物在细胞成像方面的应用
活细胞成像一直是人们日益关注的焦点，通过共聚焦荧光显微镜对细胞事件的可视化对生物化学和医学研究有着重要的意义[25-2710然而，大多数市售染料具有水溶性差，对活细胞的毒性高以及光稳定性差等缺点"与市售染料相比，钉金属配合物的发光传感器具有良好的光物理特性，包括长的发射波长，大的斯托克斯位移，高的光热稳定性，良好的水溶性，荧光寿命长等优点"
Xu宙&等人设计并合成了一系列新的双核联毗陡钉配合物RuL-_7（图！），这些探针的荧光寿命较长，大约在987-1117ns之间，斯托克斯位移大约在146-153nm，比商业的细胞成像染料（DAPI，Stokes Shift:46nm）斯托克斯位移大。这些配合物探针可有效用作单光子和双光子发光细胞成像染料。荧光显微镜成像和ICP-MS分析表明，大多数新型钉配合物会染细胞的细胞质，而不是细胞核。由于它们对活细胞的细胞毒性低，优良的光稳定性、pH耐受性、膜通透性，特别是大的双光子吸收横截面,RuL1_%被认为在单光子显微镜（0PM）和双光子显微镜（TPM）成像活细的生物相性染料具有大力。这些新颖的双核钉配合物为新型双光子显微镜成像染料的设计提供了平台。
模板的制作
图1RuL1_%的化学结构式网
Neugebauer㈣等首次发表了细胞可渗透的钉-肽结合物（图2），作者设计并合成了两种新型的精氨酸标记的Ru-Ahx-R8多毗陡基钉染料，一种与共，一与共，，八个精氨酸标记的钉络合物Ru-Ahx-R8是一种对氧敏感的荧光团，可快速被动地转运穿过细胞膜以在细胞内预富集。
图2Ru-Ahx-R n（n=5或8）的化学结构式㈣随着人们认识的加深，细胞成像探针的研究不细胞成像，合成
细胞器细胞成像的探针。其中，线粒体的标记和成像吸引了相当大的兴趣，线粒体是细胞存活的关键细胞器之一，参与了能量产生和许多重要的生理过程，例如细胞凋亡，分化，信号转导和活性氧（R0S）的产生，是细胞的“能量工厂”。Xu㈣等开发了两种线粒体靶向的含苯并咲喃基团的钉（G）聚毗睫基配合物（图3）进行活细胞成像。新型Ru（!）联毗睫复合物Rui和Ru2作为线粒体荧光探针与市售的线粒体追踪剂相比，Ru1具有较高的线粒体特异性，优异的光稳定性，对线粒体膜电位丧失的高抵抗力以及对环境变化的耐受性较强，从而可以长时间对线粒体形态变化进行成像％
2
图3Rui和Ru2的化学结构式!3°&
Yue[31&等人将5-氨基-1,10菲啰咻钉（!）和柠檬酸为起始原料，通过水热法制备了一种新型的钉-碳点发光材料Ru-CDs。该物质表现出良好的水溶性，以及强烈的红光发射和可促进活性氧（R0S）生成。Ru-CDs不仅可以作为肿瘤细胞和斑马鱼胚胎的生物成像剂，还可以作为肿瘤的光动力学纳米剂（图4），通过凝胶电泳实验验证了Ru-CDs对质粒DNA在光的存在条件下具有光裂解功能％Ru-CDs 表现出良好的应用前景和广泛的生物应用前景
％
36
江西科技师范大学学报第6期
J Ru-Aphen V Citric acid
White light
Carbonization
Electrostatic interaction
Zebrafish imaging
"J *O 2+ Other photoproducts
Ru-CDs
图4 Ru -CDs 的斑马鱼成像和对质粒DNA 的裂解作用［31(
（二）釘（口）配合物在分子与离子识别方面的应用钉配合物丰富的光化学和光物理性质，良好的
氧化还原性、特殊的热力学稳定性，作为一种良好 的发光基团，受到了越来越多的青睐，目前已被广 泛应用于分子或离子探针领域#通过引入具有特异
性识别功能基团，对配体进行结构修饰可以调控探 针的发光信号，与待测物质反应前后，配合物的磷
光强度或波长发生改变，从而实现对物质的检测。
随着人民生活水平的提高，周围生活的环境问
题备受关注$用于检测重金属离子%有害的阴离子以及有机小分子的有机荧光探针已经合成，但是无 法避免复杂环境中的自发荧光。时间分辨技术可以 有效克服自发荧光导致的低信噪比，即使在复杂的
环境中也能够有效地定性与定量检测分析物，但为 了利用这种技术，需要具有较长寿命的分子探针发
射寿命长于典型的细胞自发荧光寿命$
生物硫醇，如半胱氨酸（Cys ），高半胱氨酸&Hey ）
和谷胱甘肽&GSH '在内在许多生理和生物过程中起着
重要的作用%30l34（$Zheng 佝等合成了两种新的钉（II '配 合物RuL （-DNBS 和RuL 2-DNBS 磷光探针（图5），
该探针在 Hepes 缓冲液（20 mM ，pH=7.2）:CH &CN =
100:1 （v/v '溶液中检测生物硫醇。由于1H-咪哩并
[4,5-f] [1，10]菲咯咻基团与邻2,4-二硝基苯磺酸
盐之间的空间相互作用加快了 SN Ar 取代反应速度,
使得两种探针对生物硫醇的响应率得到了极大的 提高$ RuL 」DNBS 和RuL 0-DNBS 的磷光强度较
弱，这是由于有效的光诱导电荷转移，与生物硫醇
反应后，将 RuL 「DNBS 和 RuL 0-DNBS 的 2,4-二 硝基苯磺酰基裂解，得到RuL 1和RuL 0$同时，磷光
是“开启的”。这两种探针都可以在生理条件下以亚 微摩尔检测限，灵敏且选择性地检测生物硫醇#此无机粘结剂
外，已经在活的神经胶质瘤细胞中成功地进行了
RuL 0-DNBS 在细胞内生物硫醇检测中的应用。
Weakly luminescent ' Highly luminescent
图5 RuL (-DNBS 和RuL 2-DNBS 磷光探针的识别机理［35］
Ru 的等通过将化学识别基团引入到钉配合物中,
设计和合成了一种新型的基于钉配合物的磷光探 针Ruppy-1（图6），该探针显示出良好的水溶性，更
长的激发波长，在生理pH 下，Hg 2+使其磷光增强荧
光。当使用时间分辨光致发光技术时,Ruppy-1可 以有效消除复杂介质中短时背景荧光的信号干扰,
同时信噪比和检测精度也得到了显着提高#此外,
Ruppy-1具有较低的细胞毒性和对活细胞的优异
膜通透性，已成功通过共聚焦发光成像应用于有效 监测细胞内的Hg J 动态。
Rubpy-1 Rubpy-2
汽车座套广告图6 Ruppy-1的化学结构式及识别机理%361
Xia 何等合成了以烟酰h 为官能团的环氧基钉 （II ）配合物#当Cu 2+或Fe J 加入到含有物质的乙l 溶屏式电脑
液中，溶剂吸收光谱发生变化，且有着良好的线性滴 定关系；更主要的是，在裸眼条件下可以明显看到溶
液颜由红分别变为浅黄和白（图7）$物质表 现出巨大的应用潜力，在试纸条实验中，能够很好地分别识别Cu 2+或Fe 3+$
图7
物质的紫外吸收和裸眼条件下溶剂颜的改变冋
2020年张九龙，张道彬：钉（！"金属配合物探针的应用37
Steiner'38*等首次制备了用于测定复杂生物基质中的乙酰磷酸（AcP）的发光钉探针RuPDO（图8），并详细研究了其与AcP的反应$在金属阳离子（如Zn2+或Cu2+）存在下，与AcP反应后，本身微弱发光的RuPDO的发射发生红移并大大增强$
AcP-RuPDO-Zn
图8RuPDO的化学结构式及识别机理网（三）钉（U）配合物在DNA检测方面的应用
设计专门针对DNA碱基错配的小分子是针对错配修复（MMR）缺陷型癌症的和诊断试剂开发中的一条有希望的途径。钉金属配合物由于具有高的光稳定性，大的斯托克斯位移，长寿命的激发，是合用生物分子的发光探针$
Boymo%㈣小组报告了一种“光开关”配合物［Ru （Me4phen）2（dppz）］2+（图9），这种化合物，是经典的DNA光开关复合物［Ru（Epy）2（dppz）］2*的衍生物，具有庞大的甲基取代的菲啰咻配体，可阻止dppz配体
插入到匹配良好的DNA位点。
5HAC CAG CTT ATC ACC CCT AGA TAA GCG-3'
WM:3'-CTG GTC GAA TAG TGG GGA TCT ATT CGC-5'
MM;3'-CTG GTC GAA TAG TCG GGA TCT ATT CGC-5-
Wavelength（nm）
图9［Ru（Me4phen）2（dppz）］2+的化学结构式以及
对错配碱基识别发光增强閃
随后，Boynton阿等又设计并合成了一种基于钉（II）配合物［Ru（bpy）/（BNIQ）］2+作为DNA不匹配和碱基缺失位点的发光探针（图10），是一种高度选择性的发光探针，相对于匹配良好的碱基对，对不稳定区域的结合亲和力高500倍$由于这种较高的结合亲和力，与完全匹配的DNA相比，在含有单个碱基错配或无碱基位点的DNA双链体存在下，复合物的发射增强$这，合设计具有的配的复合物，
对DNA中定的$
图10［Ru（bpy）2（BNIQ）］2+的化学结构式以及
对错配碱基的识别问
Liu'41］等描述了一种基于硝基取代钉配合物的G-四链体荧光探针（图11）的新策略，该探针可以将G四链体DNA与双链或单链DNA区分开，用肉眼可以观察到明显的变化$
图11探针的化学结构式以及识别性质图［41］
（四）钉（U）配合物在抗癌药物合成方面的应用钳类抗癌药顺钳、卡钳、奥沙利钳、奈达、乐钳和舒钳已成为睾丸癌、卵巢癌、膀胱癌等恶性肿瘤最为广泛使用的药物，钳类配合物的临床应用引起了科研者对金属药物的研究兴趣$但是，耐药性和副作用的问题阻碍了它们的进一步应用和效果$因此，科学家们正在寻毒性更低，功效更高的新型抗
硬件加密设备
38江西科技师范大学学报第6期癌金属药物。钉配合物因其独特的多功能生化特性
生铁铸造而成为B基抗癌药的最有希望的替代品。钉配合物
的抗癌应用信号传导途径主要包括线粒体介导的
通路,DNA损伤介导的通路和死亡受体介导的通路
（图12）。目前已有多种钉配合物作为抗癌药物进入
临床研究，如KP1019、NKP1339、NAMI-A（图13）。
图12钉化合物作为抗癌药物的主要靶点和作用机制
图13进入临床研究的钉化合物结构式
Chen4427等设计并合成了一系列线粒体介导的癌细胞凋亡的钉配合物（图14）。这些钉配合物IC50（半抑制浓度）值在5.9至13.6!M之间，低于顺B的IC50值，表明RuPOP对癌细胞具有更高的细胞毒性作用。尽管如此,RuPO P（3c）对人类正常细胞的毒性要低得多go值分别为33.3（Hs68成纤维细胞）和57.6 !M（HK-2肾细胞），明显高于顺B（4.8和3.2^M）。
Zhang4437等通过一系列实验证明了纳米级的钉（II）-芳姪复合物是肺癌化学疗法的潜在候选者。尽管钉（II）-芳姪复合物（图15）被用作SMMC-7721和HELF抗癌药物4447。但钉（II）-芳姪配合物可诱导癌细凋亡，其HCC827细的
。一种能的配体的
水面而增强了生物分子对细胞膜的识别和转运4457。
用钉（II）-合物的细胞通过激活Caspase-8、9（蛋白酶种类）途径来诱导HCC827细凋亡。
图15钉（II）-芳＞复合物4437
胰腺癌是一种高度致死性的恶性肿瘤，全世界每年造成200,000多例死亡叫Zhou4477等设计了合成了具有DIP配体数目变化的钉（II）配合物Ru-SR （图16），并进一步评估了其作为胰腺癌放疗放射增敏剂的潜力。其路径是通过增强辐射诱导的DNA 损伤而促使胰腺癌细胞凋亡。长寿命的钉（II）配合物进入细并DNA合，而通
