一种新型水溶性聚集诱导发光探针的合成_谢样梓.pdf

收稿日期：；修订日期：。基金项目：中国科学院院级重大科研仪器研制项目（）。第一作者简介：谢样梓（），男，汉族，广东汕尾人，硕士研究生，主要从事有机染料方面研究。通信联系人：焦哲，副教授，：；张鹏飞，副研究员，：。合成化学，（），（），快递论文一种新型水溶性聚集诱导发光探针的合成谢样梓，李 莹，罗 媛，蔡林涛，焦 哲，张鹏飞（东莞理工学院 生态环境与建筑工程学院，广东 东莞；中国科学院深圳先进技术研究院 生物医药与技术研究所，广东 深圳）摘要：传统有机染料在稀溶液中表现出强烈的荧光现象，而在聚集态的情况下，因受到聚集诱导淬灭效应（）的影响，荧光强度会大幅度降低，致使光量子产率低，很大程度上限制了有机染料的应用。基于在生物学的研究中，通常以水相的方式进行，然而有机染料水溶性差且生物相容性差。因此，以简单的方法合成水溶性的 染料在研究中具有很大的优势。本文以，（溴苯基）亚甲基双（，二甲基苯胺）和 甲酰基呋喃硼酸作为底物经过 偶联反应得到水溶性聚集诱导发光（）材料。通过，（）等分析表征，确定了产物的结构。通过光物理表征和活细胞共聚焦成像实验证明了本文中合成的分子 具有良好的水溶性以及聚集诱导发光特性，活细胞共定位成像实验结果显示 具有很好的线粒体靶向性。关 键 词：水溶性；染料；聚集诱导发光；有机合成；线粒体；活细胞成像中图分类号：；文献标志码：，（，；，）：，（），（）（，），（），：；有机染料由于其高荧光量子产率，高选择性，高灵敏度等优点而被广泛应用于离子检测，荧光成像，抗体免疫分析等领域。然而，传统有机染料在稀溶液中表现出强烈的荧光现象，而在聚集态的情况下，因受到聚集诱导淬灭效应（）的影响，荧光强度会大幅度降低，致使光量子产率低，很大程度上限制了有机染料的应用。年，等首次提出了聚集诱导发光（）的概念。与 效应相反，具有聚集诱导效应（）的材料在稀溶液中通常只显示出微弱荧光甚至不发光，而在聚集状态显示出强烈的荧光发射，部分聚集诱导发光材料体现在固体荧光发射。目前公认的 机制包括分子内运动限制（）、分子内振动限制（）和分子内旋转限制（）。在稀溶液状态下，材料分子内运动可以促进非辐射衰变通道，从而导致弱发射甚至非发光。在聚集状态或固态下产生强烈荧光。此外，当 分子聚集在目标上时，聚集的量越多，荧光就越亮，这表明它们可以在高浓度下工作，而不考虑传统有机荧光染料遇到的 效应。此外，材料还表现出优异的光稳定性，这有利于长期跟踪。得益于这些优势，基于 分子的荧光探针已成为生物传感和生物成像的理想候选者。等利用在质子化和去质子化时吡啶基单元的电子亲和性和分子构象的变化机理，使其能够在溶液和固态中作为荧光 传感器，并用于检测酸性和碱性有机蒸汽。等合成了一系列具有水杨醛席夫碱结构的化合物，它们具有典型的 特性，在聚集状态下具有各种荧光发射和高荧光量子产率。研究表明其在 传感方面具有潜在的应用前景。等以四苯基乙烯为荧光团开发了一种具有线粒体靶向能力的聚集诱导发光材料，并成功用于线粒体成像。等设计了一种具有聚集诱导发光特性的用于线粒体 成像的荧光探针。该荧光探针具有良好的选择性以及高灵敏度等优异性能。等开发了一种具有聚集诱导发光（）特性的比率型荧光探针并用于 检测和成像。该荧光探针具有稳定性好、灵敏度高和选择性好等优异性能。并且该荧光探针可用于实时可视化活体系统中的，为更深入地理解原位 的生理 病理功能提供了新的线索。相对于传统有机荧光材料，材料在荧光检测、生物成像等方面展现出显著的优势。由于其聚集态下发光效率的增强，间接降低了背景信号的干扰，可实现高对比度的荧光检测，并且光稳定性好、可修饰性强，可 用 于 设 计 具 有 响 应 能 力 的 荧 光 指 示剂。基于在生物学的研究中通常以水相的方式进行，然而有机染料水溶性差以及生物相容性差，因此以简单的方法合成水溶性的 染料在研究中具有很大的优势。线粒体在细胞中起着至关重要的作用，其能够调节细胞中的能量生成、钙循环、蛋白质合成和凋亡途径等生理过程。线粒体形态和数量的动态变化与许多生理和病理过程高度相关。在细胞凋亡早期，线粒体形态会发生改变，受损或不需要的线粒体可以选择性地在线粒体自噬过程中去除。此外，线粒体动力学在控制抗肿瘤免疫反应中也发挥着不可或缺的作用。因此，可视化和跟踪线粒体动力学变化在生理学等领域具有重要意义，具有线粒体靶向能力的荧光探针在监测线粒体功能和研究线粒体相关疾病方面具有重要意义。近年来线粒体靶向荧光探针引起了研究者的广泛兴趣，等设计了一种用于检测线粒体内内源性 的荧光探针，该探针同时利用硼酸驱动的内酰胺形成和消除的猝灭部分来减少背景荧光。等开发了一种比率型荧光探针，可以实现线粒体成像以及 检测。等设计了一种深红色发射的线粒体靶向荧光探针，该荧光探针可以选择性地实时监测莫能菌素或制霉菌素引起的生命系统线粒体粘度变化，并且能够在细胞、斑马鱼和小鼠水平上对炎症模型中的线粒体粘度进行成像。线粒体是由双层膜构成的，在线粒体呼吸过程中，质子膜转运导致形成高度负的线粒体跨膜电位。受此启发，带正合 成 化 学 ，图 探针 合成路线 电荷的荧光化合物已被广泛用作线粒体靶向探针。等开发了一种具有超高信噪比的发射红色荧光的线粒体荧光探针，该荧光探针具有良好的膜渗透性、低毒性、高光稳定性和大的斯托克斯位移等优点，并且作为一种膜电位依赖性探针，成功应用于细胞中线粒体特异性成像。等基于线粒体靶向的三苯基鏻基团开发了一种线粒体靶向 敏感探针，该探针可以定量测量线粒体 变化，并实时监测活细胞中与 相关的生理效应。在本文中，将，（溴苯基）亚甲基双（，二甲基苯胺）和 甲酰基呋喃硼酸作为底物在氩气保护下经过 偶联反应，硅胶柱层析纯化后获得淡黄色固体，进一步地，将淡黄色固体 溶解于乙酸乙酯中用四氯对苯醌氧化，获得反应粗液产物，纯化后获得具有良好水溶性的 染 料 。通 过、和（）分析表征，光物理实验证明了本文中合成的分子 具有良好的水溶性以及聚集诱导发光特性，活细胞共定位成像实验结果显示 成功用于线粒体成像，并且具有很好的靶向性。实验部分 仪器与试剂 型旋转蒸发仪；型溶液输液泵系统；型核磁共振仪（为溶剂，为内标）；型 高 分 辨 质 谱 仪；型紫外分光光度计；型荧光光谱仪；型共聚焦显微镜。所用试剂均为分析纯。合成在氩气保护下，将，（溴苯基）亚甲基双（，二甲基苯胺）（，）和 甲醛基呋喃硼酸（，）溶解在，二甲基甲酰胺 水 ，（）的混合溶液中，加入碳酸钾（，）和四三苯基膦钯（，），回流反应 后，将反应液冷却至室温。用饱和氯化钠溶液（）和二氯甲烷萃取 次，收集有机相后用无水硫酸钠干燥，过滤，旋蒸后得到粗产物。将粗产物进行硅胶柱层析以乙酸乙酯 石油醚 ，作为洗脱剂正相分离，纯化后获得淡黄色固体。进一步地将淡黄色固体 溶解于乙酸乙酯中，在 下，用四氯对苯醌氧化，过程中用 板监测反应，反应完成后通过减压旋蒸获得反应粗液，经硅胶柱层析（甲醇 二氯甲烷 ，）纯化后得到最终化合物。化合物：淡黄色固体；（，）：.（，），.（，.，），.（，.，），.（，.，），.（，.，），.（，.，），.（，.，），.（，），.（，.，）；（，）：.，.，.，.，.，.，.，.，.，.，.，.，.，.；（）.：.，.。：绿色固体 ，产率 ；（，）：.（，），.（，.，），.（，），.（，），.（，.，），.（，）；（，）：.，.，.，.，.，.，第 期 谢样梓等：一种新型水溶性聚集诱导发光探针的合成.，.，.，.，.，.，.，.，.，.，.，.，.，.；（）.：.，.。结果与讨论 发光特性分析为了验证 是否具有 特性，本文首先考察了探针 随着不良溶剂 比例的增加在不同 混合溶液中的荧光光谱性质。图 显示了荧光探针在不同 含量时混合溶液中的荧光光谱，激发波长为 ，测试范围为 ，从光谱中可以观察到探针 在 左右出现明显的荧光特征峰，并且其荧光强度随着溶液中 含量增加而增强。如图 所示，在良性溶剂纯水溶液中的发光较弱，当向水溶液中逐渐加入 时，发光持续增强。当 含量进一步增加时，值急剧增加。当 含量达到时，的发光强度比纯水溶液中高出 倍。溶解度对分子运动的限制有显著影响，因此在不良溶剂 含量增加的时候，分子内运动受限程度也在增加，这是基于探针 表现出荧光强度随着 含量增加而增强的特性。因此，是具有 特性的荧光探针。线粒体成像分析线粒体在细胞中起着至关重要的作用，能够调节细胞中的能量生成、钙循环、蛋白质合成和凋亡等生理过程。线粒体形态和数量的动态变化与许多生理和病理过程高度相关。因此，具有线粒体靶向能力的荧光探针在监测线粒体功能和研究线粒体相关疾病方面具有重要意义。为了进一步验证 的线粒体靶向性，本文用 与商业上可获得的线粒体荧光探针 共染 细胞进行共定位成像。图 显示了 在海拉细胞中的共定位成像效果，通道可以观察到红色荧光，线粒体荧光探针 通道可以观察到绿色荧光，来自 的红色荧光的位置与 的绿色荧光位置良好匹配。个荧光图像之间的 相关系数高达，表明 可以特异性地靶向线粒体，可用于活细胞性线粒体成像。图 探针 在不同 含量（）的 混合物中的 光谱 （）图 探针 在 处的 强度与 含量的线性关系 （）图 探针 在海拉细胞中的共聚焦成像 结论本文以，（溴苯基）亚甲基双（，二甲基苯胺）和 甲酰基呋喃硼酸作为底物成功合成了一种新型可用于线粒体靶向成像的水溶性小分子荧光探针，该荧光探针具有聚集诱导发光特性，使其免受聚集诱导淬灭效应（）的影响，极大提高了其应用范围。合 成 化 学 ，在与商业化的线粒体荧光探针 的荧光共定位成像结果显示两者之间的 相关系数到达，表明 可以特异性地靶向线粒体，可用于活细胞性线粒体成像。该探针合成反应条件温和，后处理简单，并且具有 特性。分子上还可引入修饰基团，用于连接不同的生物活性官能团，进而增加 在生物医学成像领域的应用。参考文献 ，（）：，：，：，：，：，（）：，（）：，（），（）：，（）：，（）：，（）：，：，（）：，：，（）：，：，（）：，（）：，（）：，（）：，（）：，（）：，（）：，第 期 谢样梓等：一种新型水溶性聚集诱导发光探针的合成 ，（）：，：，（）：，（）：，（）：（），（）：，：，（）：，“”，：合 成 化 学 ，