综述：基于Si-罗丹明的探针在金属离子和小分子细胞内成像方面的最新进展

Si-rhodamine探针因高光稳定性和可调近红外发射特性，在细胞成像、超分辨成像及小分子检测中具有重要应用价值。本文系统总结了靶向金属离子（Mg2?、Ca2?等）和小分子（HOCl、NO等）的探针设计原理、反应机制及生物应用，分析了其在复杂细胞环境中的性能优势与现存挑战，并展望了未来研究方向。

　　

徐云佳|田晓菲|艾琪|高宝祥

中国吉利梁大学光电技术学院，杭州310018，浙江，中国

摘要

Si-罗丹明具有卓越的光稳定性和可调的近红外发射波长，使其成为生物成像应用中的多功能工具——包括细胞成像、超分辨率成像、体内成像以及生物小分子的检测。由于人们对基于Si-罗丹明的探针越来越感兴趣，尤其是它们在细胞内检测金属离子和小分子方面的巨大潜力，本文系统总结了这类探针的显著进展。通过详细阐述针对多种分析物（包括金属离子（如Mg²⁺、Ca²⁺、Cu²⁺、Hg²⁺、Zn²⁺）和小分子（如HOCl、NO、甲醛、H₂S）的探针的设计原理、反应机制和生物应用，我们阐明了Si-罗丹明骨架的优异光物理性质如何支撑其在细胞内检测中的强大性能。此外，本文还讨论了该领域仍存在的关键挑战，并指出了未来的发展方向，为后续研究提供了有价值的见解，以开发更先进的基于Si-罗丹明的成像工具。

引言

近年来，罗丹明染料在生物技术中被广泛用作荧光标记物或用于小分子检测。[1]它们出色的光物理性质使其成为可视化生物系统的强大工具[2]、[3]、[4]。传统的罗丹明染料具有含氧的黄蒽核心，通常在绿色到红色的光谱范围内发出荧光[5]。然而，要将它们的发射波长扩展到近红外（NIR）区域，需要对黄蒽骨架进行复杂的修饰以缩小HOMO-LUMO能隙[6]。

基于此，研究人员采用的一种关键策略是用杂原子替换黄蒽核心中的氧原子[7]。这种方法已经探索了半个多世纪，产生了含有碳（C）[8]、硫（S）[9]、磷（P）[10]或碲（Te）[11]的罗丹明类似物。尽管这些杂原子取代的罗丹明早期得到了发展，但由于荧光性质的改善有限且合成路线繁琐，因此受到了有限的关注。2008年的一项重要进展[12]是引入了Si-吡罗宁，用硅替换了黄蒽中的氧原子，使发射波长显著向近红外区域红移，同时保持了高荧光亮度[13]。基于硅罗丹明的良好生物成像潜力，长野及其同事随后开发了一系列覆盖远红到近红外范围的衍生物[14]、[15]、[16]、[17]。这些Si-罗丹明（SiR）具有优异的光稳定性和可调的近红外发射波长，可以通过环的开合切换进行调节，使其在细胞成像[18]、超分辨率成像[19]、体内成像[20]以及生物小分子检测[21]等生物成像研究中得到广泛应用（图1）。

SiR骨架固有的优异光稳定性和近红外发射波长不仅优化了光物理参数；它们还为生物成像中的基本挑战提供了直接的、相互关联的解决方案。具体来说，其近红外发射（>650 nm）显著减少了来自细胞自荧光（主要是400-600 nm）的干扰，以及血红蛋白和水的吸收。这不仅提高了复杂细胞环境中的信噪比，还便于在深层组织中进行成像。此外，该骨架对光漂白的卓越抵抗力利用了这种内在的清晰度，使得长时间激光照射和可靠地追踪动态生理过程（如瞬态离子流或酶活性）成为可能，而不会导致信号显著衰减。总的来说，这些特性扩展了成像范围，使得从高分辨率的细胞研究到整个生物体的体内可视化能够无缝过渡。这种跨尺度能力对于研究本文讨论的病理生理过程（包括神经炎症和肿瘤进展）至关重要。然而，荧光探针在复杂的细胞环境中的实际性能取决于一个关键的协同效应：它不仅取决于报告骨架的光物理特性，还取决于识别部分和响应机制的合理设计。尽管进展迅速，现有的关于SiR探针的综述主要集中在分子优化和广泛的光物理特性描述上，但在我们理解这些设计探针在其预期生理环境中的功能方面仍存在显著空白——特别是在细胞内检测金属离子和小分子方面。这种忽视往往导致体外指标与实际生物效用之间的差异。

为了解决这一空白，本综述不仅仅是对已报道的SiR探针进行编目。相反，我们提供了对其设计逻辑、反应机制以及最重要的是在活细胞中的实际性能的深入分析。探针根据其目标分析物进行分类，包括必需的金属离子（如Mg²⁺、Ca²⁺、Cu²⁺/Cu²⁺、Zn²⁺、Hg²⁺）和小分子（如HOCl、NO、甲醛、H₂S）。对于每个类别，我们详细阐述了SiR骨架与特定识别化学物质的结合如何实现敏感和特异的检测。我们还考虑了关键的实际方面，如生理浓度范围内的响应性、在细胞环境中的特异性、亚细胞定位的准确性，以及探针泄漏或残留光漂白等限制。通过整合化学设计和生物验证的见解，本综述旨在提供一个平衡的、可操作的视角，概述了已取得的成就和持续的挑战。最后，我们提出了未来发展方向，以指导下一代SiR探针的开发，以实现更强大和具有生物学洞察力的细胞内成像。

部分摘录

基于Si-罗丹明的探针的检测机制

由于结构与传统罗丹明相似，基于Si-罗丹明的荧光探针与传统的罗丹明衍生物在分析物检测方面有两个主要的机制类别，如下所述。

Mg²⁺探针

镁离子（Mg²⁺是细胞中最丰富的二价阳离子，在细胞中起着关键生理作用，例如作为600多种酶的辅因子，并参与DNA和蛋白质的结构稳定[30]、[31]。细胞内Mg²⁺稳态的失调与高血压和帕金森病等病理状况有关[32]、[33]。

Hiruta等人[34]设计并合成了一系列Mg²⁺选择性的近红外荧光探针KMG-500（图1a-c）。

总结与展望

本综述系统总结了基于Si-罗丹明的荧光探针在细胞内检测金属离子和小分子方面的显著进展。通过详细阐述针对多种分析物（从金属离子（如Mg²⁺、Ca²⁺、Cu²⁺、Hg²⁺、Zn²⁺）到小分子（如HClO、NO、甲醛、H₂S）的探针的设计原理、反应机制和生物应用，我们阐明了Si-罗丹明优异的光物理性质如何支持这些探针在细胞内检测中的强大性能。

利益冲突声明

作者声明没有利益冲突。

CRediT作者贡献声明

徐云佳：撰写——初稿，研究。高宝祥：撰写——审稿与编辑，监督，资金获取。艾琪：撰写——审稿与编辑，监督。田晓菲：撰写——初稿，研究

未引用的参考文献

[54]、[57]。

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

我们非常感谢国家自然科学基金（项目编号：21274036、22177024）和河北大学的创新培训计划（DC2025322）的财政支持。