具有聚集誘導熒光增強特性的氟離子傳感器的合成及應用
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種具有聚集誘導熒光增強特性的氟離子傳感器的合成及應用。本發(fā)明以二苯甲酮衍生物為起始原料合成目標化合物1。本發(fā)明開展了目標化合物1對各種陰離子的檢測研究，發(fā)現(xiàn)其對氟離子具有很好的檢測效果，與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有合成原料易得、目標化合物熒光量子產(chǎn)率高、抗光漂白能力強，避免了傳統(tǒng)熒光染料不宜在高濃度下檢測的缺點，并且該目標化合物1成功用于細胞內(nèi)氟離子的檢測。因此，其在對環(huán)境或體內(nèi)氟離子的檢測方面具有很大的應用前景。
【專利說明】
具有聚集誘導熒光増強特性的氟離子傳感器的合成及應用
技術領域
[0001] 本發(fā)明屬于生物化學材料領域，涉及一種氟離子熒光傳感器的合成方法及應用。
【背景技術】
[0002] 氟離子是生物體中最重要的陰離子之一，是維持牙齒和骨骼正常生長的必需物 質(zhì)，低濃度的氟離子對牙齒健康和骨質(zhì)疏松的治療具有重要作用，當體內(nèi)氟離子濃度偏高 時會導致氟斑牙、氟骨癥、骨癌、抑制胚胎神經(jīng)傳遞素的生物合成等疾病，所以嚴格掌握氟 離子的攝入量是十分必要的。目前，對于氟離子的檢測主要采用分光光度法和電化學法，前 者由于受光源的非單色性，溶液對光的散射等因素的影響，常常會出現(xiàn)測量結果偏離 Lambert-Beer定律的現(xiàn)象，導致測量誤差。后者則存在電極已被污染、零點和滿刻度經(jīng)常需 要標定、維護成本高等缺點，在實際應用中受到了一定的限制。而熒光傳感器由于具有操作 簡單、選擇性強、靈敏度高等優(yōu)點，近年來成為了氟離子檢測重要研究熱點。
[0003] 聚集誘導熒光增強(AIE)，即在溶液狀態(tài)下呈現(xiàn)無熒光或弱熒光，但是在聚集態(tài)呈 現(xiàn)強熒光。具有AIE效應的熒光分子由于具有高熒光量子產(chǎn)率、強抗漂白性、無需低濃度下 檢測等優(yōu)點，為Turn-on型的熒光傳感器分子的設計提出了新的思路。其中四苯乙烯類分子 (tetraphenylethylene，TPE)更是設計AIE類焚光傳感器的熱門分子。本發(fā)明利用TPE分子 的AIE特性，通過調(diào)節(jié)TPE分子的聚集/解聚過程，設計一種基于TPE分子的氟離子熒光傳感 器，具有選擇性強、靈敏度高、抗漂白能力強、能夠在活細胞中檢測氟離子的特點。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的內(nèi)容是一種具有聚集誘導熒光增強特性的氟離子傳感器的合成及應用。 實現(xiàn)本發(fā)明目的的技術解決方案是:一種氟離子焚光傳感器，具有如下結構：
[0006] 該目標化合物具有聚集誘導熒光增強特性，即在溶解狀態(tài)下具有弱熒光，聚集狀 態(tài)下具有強熒光。
[0007] -種氟離子熒光傳感器的合成方法，合成路線如下：
[0009] 第一步:4-溴二苯甲酮與4-甲氧基二苯甲酮在四氯化鈦作用下發(fā)生McMurry反應， 生成具有AIE特性的化合物2;
[0010] 第二步：化合物2與4-吡啶硼酸在[1，1'_雙（二苯基磷）二茂鐵]二氯化鈀（Pd (dppf)Cl2)的催化下發(fā)生Suzuki偶聯(lián)反應，生成化合物3;
[0011]第三步:對羥基苯甲醛與三異丙基氯硅烷在DBU的作用下室溫下反應生成化合物 5；
[0012]第四步:化合物5和還原劑硼氫化鈉反應后，被還原為化合物6;
[0013]第五步:化合物6與三溴化磷反應后生成化合物7;
[0014] 第六步:化合物7與化合物3在甲苯中回流得到目標化合物1，利用柱層析法進行分 離后，結構經(jīng)1HNMR， 13CNMR，HR-MS鑒定。
[0015] -種氟離子熒光傳感器的應用研究：
[0016] 在目標化合物1中含有一個吡啶鹽結構，賦予了該化合物一定的水溶性，因此，該 傳感器可以用于水樣檢測，簡單實用，對環(huán)境、人體污染低。在本發(fā)明中，用于檢測氟離子的 溶劑為溶液(含1 %的DMS0，樣品濃度為5μΜ)，向溶液中加入ΙΟμΜ氟離子后，監(jiān)測熒光強 度隨時間的變化情況，結果表明，在37°C下15min后熒光強度基本達到飽和。
[0017] 在5μΜ目標化合物1的PBS溶液中，加入不同濃度的氟離子，在37°C下孵化15min后， 測定目標化合物1的熒光強度隨氟離子濃度的變化情況。在2.5μΜ至5μΜ氟離子濃度范圍內(nèi) 目標化合物1的熒光強度呈現(xiàn)良好的線性關系。
[0018] 目標化合物1與氟離子作用后發(fā)生硅醚鍵的斷裂，進一步發(fā)生消除反應生成化合 物4-11161：11716116〇5^1〇11613-2,5-(116110116和化合物3。而化合物3較化合物1在水中的溶解性 差，所以形成聚集態(tài)，熒光強度大大增強。為了了解目標化合物1對氟離子的選擇性，本發(fā)明 對其他陰離子如:Cl-，Br-，I-，Ac-，Η2ΡΟ4-，HP〇4 2-，Br〇3-，Ν〇2-，Ν〇3-，OH-，S〇42-與目標化合物 1 的 反應前后的熒光強度也進行了測定，結果表明，除氟離子外其他陰離子與目標化合物1的反 應前后的熒光強度均沒有明顯增強。
[0019] HeLa細胞氟離子傳感熒光成像：目標化合物1用二甲基亞砜(DMS0)溶解準確配制 成ImM的母液，然后再用培養(yǎng)基稀釋成5μΜ的稀釋液。移取200yL的稀釋液加入到細胞培養(yǎng)皿 中，于室溫下孵育15min，用roS緩沖溶液沖洗細胞培養(yǎng)皿洗去多余染料分子。其中一半細胞 加入ΙΟμΜ四丁基氟化銨水溶液，繼續(xù)在37 °C、5 % C02、100 %飽和濕度的培養(yǎng)箱中培養(yǎng)15min 后，倒出培養(yǎng)基，用新鮮培養(yǎng)基清洗細胞3遍。在405nm激發(fā)下用共聚焦熒光顯微鏡觀察細胞 的熒光成像情況，采集450-550nm的熒光信號進行熒光成像。
[0020] 發(fā)明人通過設計與合成，將目標化合物1成功用于氟離子檢測。與現(xiàn)有技術相比， 本發(fā)明合成簡單，較易大規(guī)模生產(chǎn)和應用，克服了傳統(tǒng)染料分子易漂白、僅能在稀溶液中檢 測的缺點。
【附圖說明】
[0021] 圖1(a)在5μΜ化合物1的PBS緩沖溶液中加入不同濃度的氟離子，37°C孵化15min后 的焚光發(fā)射光譜；（b)在504nm處焚光強度與氟離子濃度的關系圖。
[0022] 圖2在5μΜ化合物1的PBS緩沖溶液中加入5μΜ不同陰離子，37°C孵化15min后，在 504nm處熒光強度柱狀圖。
[0023]圖3化合物1與HeLa細胞在存在和不存在氟離子的情況下，37°C下孵化30min后的 激光共聚焦顯微成像照片。（a)化合物1與HeLa細胞在37°C下孵化30min后的明場照片；（b) 化合物1與HeLa細胞在37 °C下孵化30min后的熒光照片；（c)為(a)與(b)的疊加圖；（d)化合 物1與HeLa細胞在37°C下孵化15min，再與氟離子孵化15min后的明場照片；（e)化合物1與 HeLa細胞在37°C下孵化15min，再與氟離子孵化15min后的熒光照片；（f)為(d)與(e)的疊加 圖。
【具體實施方式】
[0024]本實施例中所用的原料均為已知化合物，可以由商業(yè)途徑獲得，或可按相關文獻 設計方法合成。
[0025] 實施例1
[0026]目標化合物1的合成
[0028] (1)化合物2的合成:將鋅粉（1 · 56g，24mmo 1)、4-溴二苯甲酮(313mg，1 · 2mmo 1)和4- 甲氧基二苯甲酮(212mg, 1 .Ommol)加入無水四氫咲喃中，將懸浮液在攪拌下冷卻到0°C。然 后用注射器緩慢滴入四氯化鈦(2.2768，12!11111〇1)，0°(：下繼續(xù)攪拌30 1^11后，混合液回流411。 冷卻，攪拌下滴入碳酸鈉溶液直至無氣泡產(chǎn)生為止。加入二氯甲烷和飽和食鹽水分液、萃 取，有機相用飽和食鹽水洗滌三次，有機相用無水硫酸鈉干燥、濃縮、柱層析分離后得到化 合物2,產(chǎn)率為25 %。
[0029] (2)化合物3的合成：將化合物2(22〇11^，0.5111111〇1)、4-吡啶苯硼酸（9〇11^， Ο · 73mmol)、Pd(dppf)Cl2(80mg，0 · lOOmmol)、CH2Cl2(lmL)、BiuNI(25mg，0 · 068mmol)和碳酸 鉀水溶液(2M，1 OmL)加入甲苯中，將混合液在氮氣保護條件下回流16h。冷卻，加入二氯甲烷 和飽和食鹽水分液、萃取，有機相用飽和食鹽水洗滌三次，有機相用無水硫酸鈉干燥、濃縮、 柱層析分離后得到化合物3，產(chǎn)率80 %。4 NMR(400MHz，CDC13) δ8.65(br，2H)，7.67 (br，2H)， 7.48-7.43(m,2H),7.21-7.04(m,12H),6.96(dd,J=12.2,8.7Hz,2H),6.69-6.94(m,2H), 3·76(s,3H)·HR-MS:440·20082,[M+H] +。
[0030] (3)化合物5、6、7按照文獻報道方法(Anal Chim Acta.2014,849:36-42.)合成。
[0031] (4)化合物1的合成:將化合物3和化合物7溶于甲苯中，80 °C下反應4h。生成淺紅色 固體結晶物，過濾，濾餅用甲醇溶解后進行柱層析分離得到化合物1，產(chǎn)率85%。核磁和質(zhì)譜 表征數(shù)據(jù)：111匪1?(40冊泡，]\^00)38.92(1^，2!1)，8.39-8.27(111，2!1)，7.78((1(1，了=14.9， 8.6Hz,2H),7.43(dd,J=8.9,2.3Hz,2H),7.31-7.20(m,3H),7.18-6.89(m,13H),6.68(t,J = 8.6Hz,2H),5.71(s,2H),3.72(d ,J = 4.4Hz,3H),1.26(m,3H),1.12(d ,J = 7.3Hz,18H).13C 匪R(101MHz，Me0D)Sl58.85，158.69，157.39，155.87，148.96，148.86，144.01，143.39, 143.30,143.15,142.85,142.83,138.74,138.66,135.34,135.28,132.48,132.28,132.19, 131.08.131.04.131.02.130.96.130.58.129.58.128.51.127.76.127.65.127.42.127.31, 127.22.126.75.126.50.126.46.125.94.124.32.120.51.113.10.112.87.62.95.54.31, 17·03,12.48.HR-MS:702.37643,[M]+。
[0032] 實施例2
[0033] 氟離子傳感器性能測試
[0034] (1)氟離子傳感器響應速度測定：取10yL化合物1的DMS0溶液（ImM)于2mL PBS緩沖 溶液中，然后加入20此四丁基氟化銨的水溶液（lmM)。混合溶液在37°C下孵化，然后測定在 不同孵化時間時混合液的熒光發(fā)射光譜(E x=344nm)，15min后熒光強度基本達到飽和。 [0035] (2)氟離子傳感器熒光滴定測試:取10yL化合物1的DMS0溶液（ImM)于2mL PBS緩沖 溶液中，然后加入不同量的四丁基氟化銨水溶液（ImM)?；旌先芤涸?7 °C下孵化15min后，然 后測定加入不同濃度四丁基氟化銨后溶液的熒光發(fā)射光譜(Ex = 344nm)，在2.5μΜ至5μΜ氟 離子濃度范圍內(nèi)混合液的熒光強度呈現(xiàn)良好的線性關系(如圖1所示）。
[0036] (3)氟離子傳感器的離子選擇性測試:取10yL化合物1的DMS0溶液（ImM)于2mL roS 緩沖溶液中，然后加入1 〇yL不同的陰離子水溶液(鈉鹽）（ImM)，如:Cr，Br' Γ，Α0-，H2P〇4一， HP〇42-，Br03-，N〇2-，N〇3-，OH-，S〇42-?；旌先芤涸?7 °C下孵化15min后，然后測定加入不同陰離 子后溶液的熒光發(fā)射光譜(Ex = 344nm)。結果表明，除氟離子外其他陰離子與目標化合物1 的反應前后的熒光強度均沒有明顯增強(如圖2所示），說明該熒光傳感器可以選擇性識別 氟離子。
[0037] 實施例3
[0038] HeLa細胞激光共聚焦熒光顯微成像:HeLa細胞經(jīng)過復蘇接種于含10 %胎牛血清的 培養(yǎng)基中，然后在37 °C、5 % C02、100 %飽和濕度的培養(yǎng)箱中培養(yǎng)。然后在18mm蓋玻片上培養(yǎng) 24h，待用。
[0039] 將HeLa細胞浸入含5μΜ化合物1的培養(yǎng)基中，在37°C、5 %⑶2、100 %飽和濕度的培 養(yǎng)箱中培養(yǎng)15min后，倒出培養(yǎng)基，用新鮮培養(yǎng)基清洗細胞3遍。然后再加入新鮮培養(yǎng)基，其 中一半細胞加入1〇μΜ四丁基氟化銨水溶液(20yL，ImM)，另一半細胞不做任何處理，繼續(xù)在 37°C、5 % C02、100 %飽和濕度的培養(yǎng)箱中培養(yǎng)15min后，倒出培養(yǎng)基，用新鮮培養(yǎng)基清洗細 胞3遍。分別對無氟離子孵化和經(jīng)氟離子孵化的HeLa細胞在激光共聚焦熒光顯微鏡下觀察， 并對其進行明場和暗場下拍照(如圖3所示）。
【主權項】
1. 一種氣離子巧光傳感器，其特征在于:所述氣離子巧光傳感器具有如下結構：2. 根據(jù)權利要求1所述的目標化合物1，其特征在于:含有Ξ異丙基娃基作為觸發(fā)基團。3. 根據(jù)權利要求1所述的目標化合物1，其特征在于:含有四苯乙締結構作為巧光信號 基團。4. 根據(jù)權利要求1所述氣離子巧光傳感器目標化合物1的合成方法： 第一步:4-漠二苯甲酬與4-甲氧基二苯甲酬在四氯化鐵作用下發(fā)生McMur巧反應，生成 具有AIE特性的化合物2; 第二步:化合物2與4-化晚棚酸在[1，Γ-雙(二苯基憐)二茂鐵]二氯化鈕(Pd(化時)Cb) 的催化下發(fā)生Suzuki偶聯(lián)反應，生成化合物3; 第Ξ步:對徑基苯甲醒與Ξ異丙基氯硅烷在DBU的作用下室溫下反應生成化合物5; 第四步:化合物5和還原劑棚氨化鋼反應后，被還原為化合物6; 第五步:化合物6與Ξ漠化憐反應后生成化合物7; 第六步：化合物7與化合物3在甲苯中回流得到目標化合物1，利用柱層析法進行分離 后，結構經(jīng) iHNMR，"CNIR，HR-MS 鑒定。5. 根據(jù)權利要求1所述氣離子巧光傳感器在氣離子巧光檢測中的應用，其特征在于:可 選擇性檢測氣離子。6. 根據(jù)權利要求1所述氣離子巧光傳感器在氣離子巧光檢測中的應用，其特征在于:可 同時用于細胞內(nèi)氣離子的檢測。
【文檔編號】C07F7/18GK105969339SQ201610323883
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年5月16日
【發(fā)明人】王建國, 姜國玉, 吳勇權, 范小林, 李勛
【申請人】贛南師范學院