基于吡啶-喹啉体系的荧光溶剂变色现象及其与人类血清白蛋白的相互作用

《Journal of Molecular Liquids》：Fluorescence solvatochromism in pyridine-quinoline based systems and their interaction with human serum albumin

光物理性质研究显示PyQ1-PyQ4在溶剂中呈现7-100nm的荧光位移，其中PyQ1因氢键网络和簇状结构具有最长荧光寿命（4.74ns），而PyQ4在极性溶剂中因极性激发态稳定化寿命显著延长。溶剂氢键供体（HBD）贡献率达98.65%（PyQ2），荧光增强与HSA结合检测限0.062-0.134μM。分子动力学模拟表明PyQ1和PyQ3通过氢键和π-π堆积与关键残基稳定结合。该研究为荧光探针设计及生物传感应用提供理论支撑。

　　

Dipak Chamlagai|Iaimanda Nonglamin|Pynskhemborlang T. Phanrang|Semen Yesylevskyy|Sufal Das|Themmila Khamrang|Marappan Velusamy|Sivaprasad Mitra

印度东北山大学化学系，希隆793022

摘要

吡啶-喹啉（PyQ）杂化体系中的调制光物理性质和具有药理相关性的结构基元是设计光学传感器和潜在药物候选物的关键组成部分。结构多样的PyQ体系（即PyQ1-PyQ4）显示出不同程度的荧光溶剂变色效应，范围在7–100纳米之间。时间分辨研究表明，PyQ1在水中具有最长的荧光寿命（4.74纳秒），这是由于其广泛的氢键网络和簇的形成；而PyQ4在极性溶剂中的长寿命则归因于其高度稳定的极性激发态。Kamlet-Taft和Catalán的溶剂变色分析表明，溶剂氢键供体（HBD）在发射位移中起着重要作用，特别是在PyQ2中，其贡献率接近98.65%。所研究的探针对人类血清白蛋白（HSA）表现出显著的荧光增强和高选择性，检测限范围为0.062至0.134微摩尔，使其成为诊断血清白蛋白的有希望的候选物。分子动力学模拟结果表明，PyQ1和PyQ3保持了最稳定的相互作用，这得益于与关键残基的持续氢键连接和π–π堆叠。总体而言，本研究的分子水平研究强调了这类化合物作为探测均匀和/或界面区域液体环境的潜在荧光报告剂的适用性，同时具备针对人类血清白蛋白的独特传感应用优势。

引言

多吡啶衍生物是一类重要且被广泛研究的杂环化合物，由于它们独特的电子性质[1]、结构可调性[2]以及在多个学科中的广泛应用潜力[3][4][5]而受到极大关注。多吡啶框架的一个显著特征是它们倾向于与各种金属离子形成高度稳定的复合物，包括过渡金属[6][7][8]和镧系元素[9]。这种稳定性，加上多吡啶配体的模块化和合成灵活性，使得可以精细调节其结构、电子和空间性质以适应特定应用[10]。此外，基于喹啉的框架具有延长的π共轭和有利的发射性质，在设计合适的荧光团单元方面特别多功能[11,12]。

含有吡啶-喹啉衍生物的荧光化合物也因其溶剂依赖性的光物理性质而被研究[13][14][15][16][17]。例如，先前的研究报告称，一种含有喹啉-2-基团的环戊[c]吡啶和二乙氨基团的化合物在从正庚烷到DMSO的溶剂变化中表现出强烈的正溶剂变色现象[18]。类似的现象也在推拉型荧光团（如2-(5-芳基吡啶-2-基)-6-(杂)芳基喹啉衍生物中观察到，这些化合物的共轭和荧光量子产率可提高至73.9%[19]。

生物活性的吡啶-喹啉衍生物也因其治疗潜力而被广泛研究，特别是在抗菌[20][21][22]和抗癌研究[24][25][26]中。例如，一系列含有取代吡唑和吡啶环的4H-喹啉衍生物被报道对表皮生长因子受体和β-酮酰基载体蛋白合成酶III表现出显著的抑制活性，这突显了它们作为多功能治疗剂的潜力[27]。另一方面，文献中也报道了(5-(2-氯喹啉-3-基)-3-(芳基)-4,5-二氢-1H-吡唑-1-基)(吡啶-4-基)甲酮衍生物的有效抗菌和抗真菌活性[28]。鉴于其有前景的生物活性和药理学相关性，研究吡啶-喹啉骨架与蛋白质等生物大分子的分子相互作用模式至关重要。

最近，报道了一系列新型2-吡啶基喹啉衍生物的合成，这些衍生物对水介质中的Cu(II)离子具有异常高的灵敏度[29]。结果表明，在激发状态下，PyQ探针中的电荷向金属离子迁移，导致几乎完全的荧光猝灭。此外，初步结果还表明溶剂对荧光行为有显著影响，当环境从非极性溶剂变为极性/质子性溶剂时，PyQ1的荧光会发生约100纳米的位移。值得注意的是，特别是对于激发状态下的溶质-溶剂相互作用，定量理解对于开发更高效的荧光系统以适应生物和环境应用是不可或缺的。基于此，本研究系统地考察了不同溶剂环境对PyQ1-PyQ4衍生物的光物理行为和构象动态的影响（图1）。通过实验分析和综合理论计算结果，量化了所有体系在各种溶剂中的调制光物理性质。此外，考虑到上述含有吡啶和吡唑环结构的基元的治疗潜力，了解PyQ体系与血清蛋白的相互作用也很重要。受这些想法的启发，本研究详细报道了PyQ1-PyQ4与人类血清白蛋白（HSA）的荧光研究，以阐明其结合程度和相互作用机制。通过结合光谱分析与分子建模和模拟研究，本研究旨在全面了解这些多功能化合物在生物学相关受限液体环境中的物理化学行为和分子水平相互作用模式。

试剂和化学品

所研究化合物（PyQ1-PyQ4）的完整合成程序在其他地方有报道[29]。合成体系的光谱表征和分析数据作为补充文本（ST1）提供。所有使用的试剂和化学品均为最高分析和/或光谱级（纯度≥99%），购自印度TCI Chemicals公司，无需进一步纯化。使用Elix 10水纯化系统（Millipore India Pvt. Ltd.）获得纯化水。

稳态吸收和荧光发射光谱

表1提供了所有研究体系的详细溶剂依赖性光谱参数。图1中还提供了一些代表性光谱曲线，完整数据集收录在补充信息中（图S1–S2）。所有四种化合物都表现出与溶剂无关的吸收行为，吸收峰始终集中在340–350纳米范围内。虽然吸收光谱基本保持不变，表明电子跃迁主要局限于

结论

本研究提供了对一系列2-吡啶-2-基喹啉（PyQ）衍生物的溶剂变色行为、蛋白质结合亲和力和传感潜力的全面分子水平见解。PyQ1-PyQ3表现出正溶剂变色效应，主要由特定的氢键相互作用驱动；而PyQ4则表现出以极性为主的响应，这归因于其增强的ICT特性。与HSA的相互作用研究表明，结合诱导了激发态的松弛变化。

CRediT作者贡献声明

Dipak Chamlagai：撰写——原始草稿、研究、数据管理。Iaimanda Nonglamin：撰写——审阅与编辑、研究、数据管理。Pynskhemborlang T. Phanrang：撰写——审阅与编辑、数据管理。Semen Yesylevskyy：撰写——审阅与编辑、数据管理。Sufal Das：撰写——审阅与编辑、数据管理。Themmila Khamrang：数据管理。Marappan Velusamy：撰写——审阅与编辑。Sivaprasad Mitra：撰写——审阅与编辑、监督、项目管理。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

致谢

衷心感谢东北山大学计算机中心提供的计算设施。