氰根离子荧光探针的检测机理被进一步揭示

2017-5-17 09:53 来源: 中国科学院苏州医工所
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  众所周知,氰化物是一种剧毒的物质。2015年8月,天津港爆炸事故导致的氰化物泄漏引起了群众的极大关注,大家普遍关心空气和水源是否被污染,周边人群的健康是否会受到影响。因此,发展一套快速准确检测氰化物的方法是生命医学和环境检测领域的迫切需求。

  氰化物进入机体后分解出具有毒性的氰根离子,氰根离子能抑制组织细胞内多种酶的活性,如细胞色素氧化酶、过氧化物酶、脱羧酶、琥珀酸脱氢酶及乳酸脱氢酶等。其中,细胞色素氧化酶对氰化物最为敏感,氰根离子能迅速与氧化型细胞色素氧化酶中的三价铁结合,阻止其还原成二价铁,使传递电子的氧化过程中断,组织细胞不能利用血液中的氧而造成内窒息。中枢神经系统对缺氧最敏感,故大脑首先受损,导致中枢性呼吸衰竭而致人死亡。

  目前,最常见的氰根离子浓度检测手段是荧光探针法。然而,实验上合成的荧光探针虽多,但是对检测机理的研究还不够,对探针如何特异性识别氰根离子、以及如何引起探针荧光性质的变化等微观机理还知之甚少。

  最近,苏州医工所医学检验室董文飞研究员课题组的李力博士等人运用理论计算方法,研究了荧光探针与氰根离子的结合过程以及该过程带来的荧光性能变化,从分子层面阐述了荧光探针对氰根离子的检测机理。

  该工作首先通过表面静电势分析(如图1),寻找探针与阴离子的结合位点。接着,在该位点引入常见阴离子,通过电子云模拟,分析探针与各阴离子结合之后的化学键性质(如图2),得出探针与氰根离子具有最强的结合能力;同时,创新性的引入显性溶剂模型对探针与其他阴离子(特别是卤素离子)的反应过程进行势能面扫描,从能量角度排除了其他离子对氰根离子检测过程的干扰(如图3)。最后,通过探针与氰根离子反应前后分子构型和轨道能级的变化,阐明该识别过程带来的荧光变化机制,为进一步设计新型荧光探针提供了理论依据。相关结果已经发表在Organic Electronics 30 (2016) 1-11上(SCI,IF=3.471)。

图1.荧光探针表面静电势分析,寻找探针与阴离子的结合位点

图2.电子云模拟分析成键性质,证明探针跟氰根离子具有最强的结合能力

图3.探针分子对氰根离子的特异性识别,排除了其他阴离子对检测过程的干扰