CN104893710B - 一种荧光探针及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种荧光探针及其制备方法和应用。所述的荧光探针具有如(I)所示的结构式,这类化合物用作检测半胱氨酸的荧光探针,其本身在750nm处没有荧光,与半胱氨酸作用后750nm处的荧光发生增强,且荧光强度正比于半胱氨酸浓度,从而指示半胱氨酸的存在或定量测定半胱氨酸的浓度。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于Cy7的荧光探针及其在检测半胱氨酸(Cys)中的应用。
背景技术
L-半胱氨酸是一种具有生理功能的氨基酸,是组成蛋白质的20多种氨基酸中唯一具有还原性基团巯基(-SH)的氨基酸。含巯基的半胱氨酸(Cysteine,Cys)与高半胱氨酸(Homocysteine,Hey)是同时表达在真核细胞内的含巯基的氨基酸,分子结构只有一个亚甲基的区别,功能差异则非常明显。Cys作为人体必须的氨基酸之一,是参与蛋白质合成的20中氨基酸中的一种,同时也是构建重要的谷胱甘肽的三个氨基酸之一,而Hey为甲硫氨酸代谢的中间产物,本身不参与蛋白质的合成,体内高半胱氨酸含量的大小与许多疾病相关联。现代医学研究表明,细胞内Hey的高表达与心血管疾病及阿尔茨海默与进行性老年痴呆有直接关联。因此,研制高选择性地识别半胱氨酸和高半胱氨酸的荧光探针具有十分重要的意义。
正是因为半胱氨酸具有如此重要的生理和病理学意义,对存在于生物系统中的半胱氨酸检测引起了人们的广泛重视。荧光探针是有效检测生命体内半胱氨酸的手段之一。一个具有应用前景的荧光探针应具有作用前后荧光变化明显、对目标分子响应快、选择性好、合成简单等优点。近年来,能够应用于检测活细胞中半胱氨酸的荧光探针如雨后春笋般涌现了。在可见光区更长区段(对生物组织伤害更小)的检测半胱氨酸的荧光探针仍具有重要意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种可用于选择性检测半胱氨酸的荧光探针。
本发明采用的技术方案如下:一种荧光探针,所述的荧光探针的结构式如(Ⅰ)所示:
上述的荧光探针的制备方法,包括如下步骤:
1)中间体1的合成:在N2保护下,将Cy7荧光染料、无水乙腈和甲胺水溶液混合后,于常温下反应,TLC跟踪反应终点,将反应物过硅胶柱(200-300目的硅胶柱),干燥,得中间体1;中间体1的结构如(II)所示:
优选的,Cy7荧光染料与甲氨的摩尔比为1:1-1.5;
TLC跟踪反应终点的展开剂为,按体积比,乙酸乙酯:甲醇=2-4:1。
2)中间体2的合成:在N2保护下,于冰水浴中,将硫代乙酸和2-碘乙醇混合,缓慢滴加1,8-二氮杂二环十一碳-7-烯(DBU),滴加完成后,将混合液置于室温下反应,TLC追踪反应终点,反应物过硅胶柱,得中间体2;中间体2的结构如(Ⅲ)所示:
优选的,硫代乙酸、DBU和2-碘乙醇的摩尔比为1-1.5:1-1.5:1;
TLC跟踪反应终点的展开剂为二氯甲烷。
3)中间体3的合成:在N2保护下,于冰水浴中,将中间体1、无水二氯甲烷和三乙胺混合,缓慢滴加三光气【双(三氯甲基)碳酸酯】的甲苯溶液,滴加完成后,将混合液置于室温下搅拌反应,TLC追踪反应终点,至反应液由蓝色变为绿色,将反应液在真空状态下旋干,无水乙醚洗涤,收集滤饼,得中间体3;中间体3的结构如(Ⅳ)所示:
优选的,中间体1、三乙胺与三光气的摩尔比为1:15-25:5-7;
TLC跟踪反应终点的展开剂为,按体积比,乙酸乙酯:甲醇=10:1。
4)荧光探针的合成:在N2保护下,将中间体2、中间体3和三乙胺混合,于30-40℃下反应,TLC追踪反应终点,得到目标产物荧光探针;其结构式如(I)所示。
优选的,三乙胺、中间体2和中间体3的摩尔比为1-1.5:2-2.5:1-1.5。TLC跟踪反应终点的展开剂为乙酸乙酯:甲醇=10:1。
本发明的荧光探针,采用Cy7作为荧光母体,在Cy7母体上引入硫酯类结构,使得探针能够测定半胱氨酸,与半胱氨酸发生反应,指示半胱氨酸的存在或定量测定半胱氨酸的浓度。
本发明的荧光探针,可对半胱氨酸定性检测。应用于定性检测半胱氨酸时,其是与半胱氨酸作用后,从而导致荧光改变;此过程可用于定性检测半胱氨酸。
本发明的荧光探针,可对半胱氨酸定量检测。将浓度呈梯度变化的半胱氨酸的PB缓冲液分别加入荧光探针的PB缓冲液中,反应达到平衡后,分别测定各样品的荧光强度,然后以半胱氨酸的浓度为横坐标、反应后体系的荧光强度为纵坐标作图,即可根据荧光强度从图中读出待测溶液中半胱氨酸的含量。此过程可用于定量检测半胱氨酸。
本发明的荧光探针,荧光探针本身在750nm处没有荧光,与半胱氨酸作用后750nm处荧光发生增强,且荧光强度正比于半胱氨酸浓度,从而指示半胱氨酸的存在或定量测定半胱氨酸的浓度。因此,本发明的荧光探针,可用于定性和/或定量检测半胱氨酸。
上述的应用,方法如下:分别将上述的荧光探针和待测物溶于PH=5-9的磷酸盐缓冲溶液中,分别取两种溶液,然后加入体积比为1:1的PH=5-9磷酸盐缓冲溶液和二甲基亚砜(DMSO)的混合液,混合均匀,得工作液,测量该工作液在λex=650nm,λem=750nm下的荧光发射光谱。
本发明的有益效果:本发明的荧光探针,在半胱氨酸存在下荧光发生显著增强,可用于高选择性、高灵敏性地定性及定量检测半胱氨酸。这对于深入研究半胱氨酸在生物体内生理和病理过程的动力学机理具有重要意义。
附图说明
图1是实施例1合成的荧光探针的1H NMR。
图2是实施例1合成的荧光探针的13CNMR。
图3是实施例2中荧光探针与半胱氨酸响应后的紫外可见吸收光谱;
其中,图3a:空白;图3b:半胱氨酸终浓度10uM;图3c:半胱氨酸终浓度20uM;图3d:半胱氨酸终浓度40uM;图3e:半胱氨酸终浓度60uM;图3f:半胱氨酸终浓度80uM;图3g:半胱氨酸终浓度100uM。
图4是实施例2中荧光探针与半胱氨酸响应后的荧光发射光谱;
其中,图4a:空白;图4b:半胱氨酸终浓度10uM;图4c:半胱氨酸终浓度20uM;图4d:半胱氨酸终浓度40uM;图4e:半胱氨酸终浓度60uM;图4f:半胱氨酸终浓度80uM;图4g:半胱氨酸终浓度100uM。
图5是荧光探针与不同浓度下半胱氨酸反应速率的动力学示意图;
其中,图5a:空白;图5b:半胱氨酸终浓度10uM;图5c:半胱氨酸终浓度20uM;图5d:半胱氨酸终浓度40uM;图5e:半胱氨酸终浓度60uM;图5f:半胱氨酸终浓度80uM;图5g:半胱氨酸终浓度100uM。
图6是本发明荧光探针对半胱氨酸的选择性示意图;
其中,图6a:空白;图6b:抗坏血酸;图6c:甘氨酸;图6d:组氨酸;图6e:半胱氨酸;图6f:二硫苏糖醇;图6g:色氨酸;图6h:谷胱甘肽;图6i:谷氨酸;图6j:过氧化氢。
图7是本发明荧光探针在不同pH下的荧光强度示意图。
图8是本发明荧光探针对半胱氨酸的定量检测示意图。
图9是本发明荧光探针对半胱氨酸的检出限示意图。
具体实施方式
以下实施例用于进一步说明本发明,但本发明不限于实施例。
实施例1一种荧光探针的合成
1)中间体1的合成:在N2保护下,将Cy7-Cl(七甲川花菁)1.28g(2.0mmol)置于100mL三口瓶中,加入50mL无水乙腈和甲胺水溶液(将0.061g(2.0mmol)甲胺溶于20ml水中),常温反应3小时。TLC追踪反应终点(展开剂为乙酸乙酯:甲醇=3:1(v/v)),反应后,将反应产物过硅胶柱(硅胶的颗粒大小为200-300目的),收集流出液,真空状态下用旋转蒸发仪旋干,得到蓝色粉末状产物1g,即中间体1,产率为79%。
2)中间体2的合成:在N2保护下,将0.874g(11.5mmol)硫代乙酸置于100mL三口瓶中,将三口瓶置于冰浴中,加入1.72g(10.0mmol)2-碘乙醇,再将1.749g(11.5mmol)DBU缓慢滴加于反应液中,滴加完成后,将混合液置于室温下反应,TLC追踪反应终点(用纯二氯甲烷作为展开剂),反应后,将反应产物过硅胶柱(硅胶的颗粒大小为200-300目的),收集滤液,得到黄色油状液体0.5g,即中间体2,产率为42%。
3)中间体3的合成:在N2保护下,将0.127g(0.2mmol)中间体1置于50mL三口瓶中,加入50mL无水二氯甲烷中(必须保证绝对无水),加入0.404g(4mmol)三乙胺,将三口瓶置于冰浴中,将0.386g(1.3mmol)固体三光气溶于2mL甲苯中,用恒压滴液漏斗缓慢的滴加到反应液中,滴加完成后,将混合液置于室温下反应,搅拌约3小时,TLC追踪反应终点(展开剂为,按体积比,乙酸乙酯:甲醇=10:1),直至反应液由蓝色变为绿色。将反应物在真空状态下旋干,无水乙醚60mL×3进行洗涤,将滤饼收集,得到0.03g绿色固体,即中间体3,产率为22%。
4)荧光探针的合成:在N2保护下,将0.109g(0.14mmol)中间体3置于100mL三口瓶中,将0.034g(0.28mmol)中间体2加入到反应瓶中,加入0.014g(0.14mmol)三乙胺,35℃反应,TLC追踪反应终点(展开剂为,按体积比,乙酸乙酯:甲醇=10:1),直至中间体3完全反应完毕,过滤,干燥,得到0.005g绿色的固体粉末,即为荧光探针,产率为5%。荧光探针的结构式如(I)所示。
将获得的荧光探针做核磁共振氢谱图,结果如图1:1H NMR(400MHz,CDCl3)δ(ppm):7.56-7.48(d,2H),7.43-7.38(t,2H),7.37-7.33(d,2H),7.26-7.22(t,4H),7.19-7.14(d,2H),6.37-6.28(d,2H),5.32-5.29(s,2H),4.35-4.29(m,3H),4.16-4.06(t,2H),3.37-3.33(s,2H),3.31-3.04(t,2H),2.89-2.77(m,2H),2.77-2.66(m,2H),2.00-1.96(s,3H),1.67-1.64(s,6H),1.50-1.44(t,6H),1.27-1.24(s,4H),1.00-0.96(t,2H)。
将获得的荧光探针做核磁共振碳谱图,结果如图2:13CNMR(100MHz,DMSO,ppm):171.717,170.367,168.469,167.825,153.012,141.813,141.349,141.058,132.073,130.908,128.758,128.366,125.533,122.508,110.694,101.930,65.573,63.554,62.641,53.793,49.228,40.358,38.459,31.919,30.608,29.621,29.337,29.116,29.110,28.557,28.205,27.238,25.354,22.689,20.829,20.526,19.202,14.105,13.688,12.611。
实施例2荧光探针与半胱氨酸响应后的性能研究
将荧光探针溶于0.1M,pH=7.40的PB缓冲液(磷酸盐缓冲溶液)中,配制成浓度为2000uM的荧光探针溶液,作为荧光探针储备液。
将半胱氨酸溶于0.1M,pH=7.40的PB缓冲液中,分别配制成浓度为100uM、200uM、400uM、600uM、800uM、1000uM的半胱氨酸溶液,作为半胱氨酸储备液。
(一)紫外吸收与荧光发射
取20uL浓度为2000uM的荧光探针溶液和20uL不同浓度的半胱氨酸溶液,加入到全波长扫描式多功能读数仪中的96孔酶标板中,同时每孔酶标板中另加入160uL体积比为1:1的PB缓冲液(pH=7.40,浓度为0.1M)和DMSO的混合液,混合均匀,得工作液,测量该工作液的紫外可见吸收光谱和发射光谱,同时做空白(空白中只是不加荧光探针,其它相同),结果如图3和图4所示。
由图3和图4可见,随着半胱氨酸浓度的增大,750nm处的荧光强度在增加。探针的最大吸收在800nm处,最大发射波长在750nm处。结果显示探针响应后的最大激发波长为650nm、最大发射波长为750nm。
(二)荧光探针的动力学试验
在96孔酶标板中分别加入160uL体积比为1:1的PB缓冲液(0.1M,pH=7.40)和DMSO的混合液,然后分别加入20uL的2000uM的荧光探针溶液,再分别加入20uL的100uM、200uM、400uM、600uM、800uM和1000uM的半胱氨酸溶液,混合均匀,得工作液。在全波长扫描式多功能读数仪下测量该工作液的荧光发射光谱,λex=650nm,光栅宽度为5nm,λem=750nm,监测其荧光强度变化情况,同时做空白(空白中只是不加荧光探针,其它相同)。结果如图5所示。
由图5可见,在空白组中,探针的荧光强度几乎没有变化,随着半胱氨酸浓度的逐渐增加探针荧光强度不断变化。可知,探针可以稳定的响应半胱氨酸。且随着时间的增长,荧光强度在增大。
(三)荧光探针的选择性试验
分别将组氨酸、甘氨酸、半胱氨酸、抗坏血酸、二硫苏糖醇、色氨酸、谷胱甘肽、谷氨酸和过氧化氢溶于PB缓冲溶液(0.1M,PH=7.4)中,分别得到浓度为20mM组氨酸溶液;20mM甘氨酸溶液;1000uM半胱氨酸溶液;20mM抗坏血酸溶液;200uM二硫苏糖醇溶液;20mM色氨酸溶液;200uM谷胱甘肽溶液;20mM谷氨酸溶液;20mM过氧化氢溶液。
在160ul体积比为1:1的PB缓冲液(0.1M,PH=7.4)和DMSO的混合液中,加20ul荧光探针溶液(2000uM),然后分别加入20ul的20mM组氨酸溶液;20mM甘氨酸溶液;1000uM半胱氨酸溶液;20mM抗坏血酸溶液;200uM二硫苏糖醇溶液;20mM色氨酸溶液;200uM谷胱甘肽溶液;20mM谷氨酸溶液和20mM过氧化氢溶液,混合均匀,分别得到工作液。使用全波长扫描式多功能读数仪及96孔酶标板进行测量。分别测量不同工作液的荧光发射光谱,光栅宽度为5nm,λem=750nm。
荧光探针对半胱氨酸的选择性实验结果如图6所示。图6中,纵坐标表示荧光强度,横坐标表示时间的变化。由图6可见,荧光探针对半胱氨酸具有很好的选择性,对体系荧光显著增强。测定条件下,相比于半胱氨酸,其他物质导致的荧光增强可以忽略。
(四)不同的PH对荧光探针荧光强度的影响
在96孔酶标板中分别加入160uL体积比为1:1的PB缓冲液(0.1M)和DMSO的混合液,加入20uL的1000uM半胱氨酸溶液,加入20uL的2000uM的荧光探针液。其中PB(0.1M)的PH分别为1.5、2.5、3.5、4.5、5.5、6.5、7.5、8.5、9.5、10.5。利用全波长扫描式多功能读数仪分别对该十个不同PH条件下的反应液在相同的时间点进行单点扫描,以不同的十个PH作为横坐标,以不同的荧光强度作为纵坐标进行绘图,结果如图7所示。
由图7可见,在pH为1.5到10.5的pH条件下,荧光探针的荧光在半胱氨酸作用下可以显著增强,pH对该探针有影响,且在PH=7.4左右的生理PH下荧光强度最强。PH=7.4与生物的生理条件下的酸碱度是接近的,这也说明该荧光探针较适合应用于生物体内从而进行生物检测。
实施例3荧光探针对半胱氨酸的定量检测
(一)定量检测
将荧光探针溶于0.1M,pH=7.40的PB缓冲液(磷酸盐缓冲溶液)中,配置成浓度为2000uM的荧光探针溶液,作为标准溶液。
将半胱氨酸溶于0.1M,pH=7.40的PB缓冲液中,分别配制成浓度为100uM、200uM、400uM、600uM、800uM和1000uM的半胱氨酸溶液,作为标准溶液。
取160ul体积比为1:1的PB缓冲液(0.1M、PH=7.4)和DMSO的混合溶液,加入20uL浓度为2000uM的标准荧光探针溶液和20uL不同浓度(0uM-1000uM)的标准半胱氨酸溶液,混合均匀,作为标准工作溶液。使用全波长扫描式多功能读数仪及96孔酶标板进行测量。测量该标准工作液的荧光发射光谱,λex=650nm,光栅宽度为5nm,λem=750nm,以荧光强度为纵坐标,半胱氨酸浓度为横坐标,做标准曲线,结果如图8所示。由图8可见,当半胱氨酸的浓度在100uM以下时,荧光探针的荧光强度与半胱氨酸的浓度呈现很好的线性关系。相应的线性回归方程为F750nm=0.1763×C半胱氨酸+2.9428,其线性相关系数为R=0.9873,其中,F为荧光强度,C半胱氨酸为半胱氨酸的浓度。
(二)荧光探针对半胱氨酸的检出限
于160ul体积比为1:1的PB缓冲液(0.1M、PH=7.4)和DMSO的混合溶液中,加20uL荧光探针溶液(2000uM)以及20uL不同浓度(0uM-1000uM)的半胱氨酸溶液。使用全波长扫描式多功能读数仪及96孔酶标板进行测量。测量该工作液的荧光发射光谱,λex=650nm,光栅宽度为5nm,λem=750nm。将750nm处的荧光强度F、最小荧光强度Fmin和最大荧光强度Fmax数据,利用归一化公式:(F-Fmin)/(Fmax-Fmin)计算得到的数据作为纵坐标,对半胱氨酸的浓度(uM)取对数Log[半胱氨酸],作为横坐标。做一条线性回归曲线。该曲线与横坐标的交点即是荧光探针对半胱氨酸的检出限。结果如图9所示,由图9可见,该探针的检出限是1.388×10-5M。
Claims (9)
1.一种荧光探针,其特征在于所述的荧光探针的结构式如(Ⅰ)所示:
2.一种权利要求1所述的荧光探针的制备方法,其特征在于包括如下步骤:
1)中间体1的合成:在N2保护下,将Cy7荧光染料、无水乙腈和甲胺水溶液混合后,于常温下反应,TLC跟踪反应终点,将反应物过硅胶柱,干燥,得中间体1;所述的中间体1的结构如(II)所示:
2)中间体2的合成:在N2保护下,于冰水浴中,将硫代乙酸和2-碘乙醇混合,缓慢滴加1,8-二氮杂二环十一碳-7-烯,然后将混合液于室温下反应,TLC追踪反应终点,将反应物过硅胶柱,得中间体2;所述的中间体2的结构如(Ⅲ)所示:
3)中间体3的合成:在N2保护下,于冰水浴中,将中间体1、无水二氯甲烷和三乙胺混合,缓慢滴加三光气的甲苯溶液,然后将混合液于室温下搅拌反应,TLC追踪反应终点,至反应液由蓝色变为绿色,将反应液在真空状态下旋干,无水乙醚洗涤,收集滤饼,得中间体3;所述的中间体3的结构如(Ⅳ)所示:
4)荧光探针的合成:在N2保护下,将中间体2、中间体3和三乙胺混合,于30-40℃下反应,TLC追踪反应终点,得到目标产物荧光探针。
3.根据权利要求2所述的荧光探针的制备方法,其特征在于:步骤1)中,Cy7荧光染料与甲胺的摩尔比为1:1-1.5;TLC跟踪反应终点的展开剂为,按体积比,乙酸乙酯:甲醇=2-4:1。
4.根据权利要求2所述的荧光探针的制备方法,其特征在于:步骤2)中,硫代乙酸、1,8-二氮杂二环十一碳-7-烯和2-碘乙醇的摩尔比为1-1.5:1-1.5:1;TLC跟踪反应终点的展开剂为二氯甲烷。
5.根据权利要求2所述的荧光探针的制备方法,其特征在于:步骤3)中,中间体1、三乙胺与三光气的摩尔比为1:15-25:5-7;TLC跟踪反应终点的展开剂为,按体积比,乙酸乙酯:甲醇=10:1。
6.根据权利要求2所述的荧光探针的制备方法,其特征在于:步骤4)中,三乙胺、中间体2和中间体3的摩尔比为1-1.5:2-2.5:1-1.5;TLC跟踪反应终点的展开剂为乙酸乙酯:甲醇=10:1。
7.权利要求1所述的荧光探针在半胱氨酸的定性和/或定量检测中的应用。
8.根据权利要求7所述的应用,其特征在于方法如下:分别将权利要求1所述的荧光探针和待测物溶于pH=5-9的磷酸盐缓冲溶液中,分别取两种溶液,然后加入体积比为1:1的pH=5-9磷酸盐缓冲溶液和二甲基亚砜的混合液,混合均匀,得工作液,测量该工作液在λex=650nm,λem=750nm下的荧光发射光谱。
9.根据权利要求8所述的应用,其特征在于:所述的磷酸盐缓冲溶液的pH=7.4。
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