CN108358952B - 一种用于石房蛤毒素荧光检测化合物及检测方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于荧光检测石房蛤毒素的化合物，化合物选自结构式1所示通式化合物的至少一种，其中，R1为具有高共轭结构的有机生色团，R2为过渡金属或稀土的金属螯合物。采用本发明的化合物作为探针，可实现麻痹性贝类毒素石房蛤毒素的荧光检测，本发明的探针化合物可以通过简单的化学反应合成制备，成本低廉，检测的灵敏度高、专一性好、抗干扰能力强，检测时间快、效率高，不需要借助大型的仪器设备、操作简单。本发明在海洋检测、水产养殖和生命健康等方面有着巨大的应用前景。
Figure DDA0001599626240000011

Description

一种用于石房蛤毒素荧光检测化合物及检测方法
技术领域
本发明涉及麻痹性贝类毒素的检测领域，具体涉及一种用于石房蛤毒素荧光检测化合物及检测方法。
背景技术
麻痹性贝类毒素：由部分引起赤潮的藻类分泌的一系列生物毒素，能够阻断人体细胞钠离子通道，造成神经系统传输障碍而产生麻痹性中毒现象。因其强烈毒性，目前尚无特效解毒药。人类摄入超过一定限量的麻痹性贝类毒素时，其致死率高达100％。石房蛤毒素，为贝类神经麻痹中毒的主要毒素之一，也是已知毒性最强的海洋生物毒素之一，对成年人轻度中毒量为110μg，致死剂量为540-1000μg。
目前麻痹性贝类毒素的分析方法繁多，这些方法可归结为生物、理化和免疫化学三种。
生物分析法。对小鼠进行腹腔注射，小鼠产生特殊的抽搐麻痹症状并死亡，根据小鼠死亡时间，判断毒性大小。该方法操作繁琐、灵敏度不高、不适合大规模的现场检测。
理化分析法。将毒素分子通过碱性氧化成为荧光衍生物或有色生物后通过高效液相色谱法、紫外或荧光检测系统进行分析检测。该方法需要使用麻痹性贝类毒素的标准品，这些标准品价格昂贵、难以获得。而且需要使用多种大型仪器。
免疫化学法。通过抗原-抗体的特异性免疫反应来进行分析。该方法检测麻痹性贝类毒素时存在抗体的交叉反应。同样，毒素的抗体价格也非常昂贵、难以获得。
发明内容
本申请提供一种利用水溶性小分子生物荧光探针来检测麻痹性贝毒石房蛤毒素，来实现麻痹性贝类毒素的快速检测。
为了实现上述目的，本申请采用了以下技术方案：
本申请的一方面公开了一种用于荧光检测石房蛤毒素的化合物，化合物选自结构式1所示通式化合物的至少一种，其中，R1为具有高共轭结构的有机生色团，R2为过渡金属或稀土金属的螯合物；
Figure BDA0001599626220000021
需要说明的是，中间部分是二氮杂18冠-6结构，它的作用是捕捉石房蛤毒素。R1是一个具有高共轭结构的有机生色团，R1将接受光子激发并将能量传递给R2，R2是个高度稳定的过渡金属或稀土金属的螯合物结构，R2将得到的能量以可见光区的过渡金属或稀土金属的特征荧光发射出去。通过结构式1所示化合物的光物理性质和滴定研究，数据结果显示，在探针结构式1所示的化合物的水溶液中对石房蛤毒素滴定，金属的特征荧光发光强度增加了100％以上。通过工作曲线拟合，发现结构式1所示的化合物和石房蛤毒素是以1:1的比率结合。阳离子的选择性测试结果表明结构式1所示的化合物能够有效地专一地选择检测石房蛤毒素。
优选的，R1选自如下结构式中的一种：
Figure BDA0001599626220000022
优选的，R2选自如下结构式中的一种：
Figure BDA0001599626220000031
进一步优选的，化合物为结构式2所示的化合物EuL1为：
Figure BDA0001599626220000032
需要说明的是，化合物EuL1中间部分是二氮杂18冠-6结构，它的作用是捕捉石房蛤毒素。二氮杂18冠-6结构的一边是一个具有高共轭结构的有机生色团，有机生色团将接受光子激发并将能量传递给另一边的铕金属络合物结构，铕金属络合物结构高度稳定，铕金属络合物结构将得到的能量以可见光区的铕金属光发射出去。根据数据结果显示，在探针化合物EuL1的水溶液进行石房蛤毒素滴定，铕金属荧光发光强度增加了将近6倍。通过工作曲线拟合，发现化合物EuL1和石房蛤毒素是以1:1的比率结合。阳离子的选择性测试结果表明化合物EuL1能够有效地专一地选择检测石房蛤毒素。石房蛤毒素与化合物EuL1结合方式如下：
Figure BDA0001599626220000041
通过分子力学函数MM2计算，结果初步认为，在没有石房蛤毒素的时候，铕金属中心和生色团的距离比较远。随着石房蛤毒素的加入，石房蛤毒素中的氨基甲酸酯基团和胍基会与探针的氮杂18冠-6部位、生色团的π体系和铕金属配合物结合(如图1所示)，拉近了生色团和铕金属中心的距离，能量传递得到了进一步的增强，因此铕金属荧光发射强度增加。与此同时，由于其他干扰离子没有这些官能团，所以对石房蛤毒素的专一识别性得到了体现。
本申请的第二方面公开了具有结构式1的化合物在荧光检测石房蛤毒素的用途。
本申请的第三方面公开了一种荧光检测石房蛤毒素的方法：
检测溶液配制步骤：包括将至少一种具有结构式1的化合物配制成水溶液，即获得所述检测溶液；
滴定检测步骤：包括将待测样品滴定到所述检测溶液中，并用荧光仪检测滴定过程中荧光强度的变化，根据荧光强度的变化分析检测所述石房蛤毒素。
优选的，化合物为结构式2表示的化合物，所述水溶液中化合物的浓度为5-100μM，
Figure BDA0001599626220000051
优选的，采用280nm的激发波长，用荧光仪测定550-750nm范围内铕的特征荧光发射峰。
优选的，结构式2表示的化合物的水溶液浓度为10-50μM。
由于采用以上技术方案，本申请的有益效果在于：
本申请的化合物，利用其二氮杂18冠-6结构捕捉石房蛤毒素后发生构象改变，促进有机生色团R1和金属螯合物R2之间的能量传递，从而使荧光强度增强的特征，实现了石房蛤毒素的荧光检测。本申请的化合物，能溶于水，可以很好的对各种水体或食物中的石房蛤毒素进行定性或定量检测。并且，本申请的化合物可以通过简单的化学反应合成制备，成本低廉。本申请化合物的灵敏度高、专一性好、抗干扰能力强。采用本申请的化合物对石房蛤毒素进行检测，时间快、效率高，而且不需要借助大型的仪器设备、操作简单。本申请用于荧光检测石房蛤毒素的化合物和石房蛤毒素检测方法在海洋检测、水产养殖和生命健康等方面有着巨大的应用前景。
附图说明
图1为石房蛤毒素与探针组合物结合示意图；
图2为一种实施例探针EuL1的化学结构；
图3为50μM EuL1水溶液中加入5-100μM范围石房蛤毒素前后615nm荧光强度的比值曲线图及绘制的工作曲线图；
图4为为50μM EuL1水溶液中加入15μM范围石房蛤毒素、15μM其余麻痹性贝类毒素和60μM的阳离子前后615nm荧光强度的比值柱形图。
具体实施方式
小分子化学荧光探针成像技术在研究生物疾病的发生以及检测生命代谢物方面是一种非常重要的手段。发展一种高发光性和耐光性的荧光探针以用于生物分析是目前的一个研究热点。优点包括检测时限短，保留时间长，剂量低，毒性低以及可视化颜色变化的发光。同时，相对于其他的毒素检测手段，小分子荧光探针探针具有检测精确快速、可以原位检测样品、结实耐用以及可以多次重复利用不破坏目标分子毒素的巨大优势。2007年，Gawley教授报道了带有冠醚环的探针分子能够与麻痹性贝类毒素产生相互作用，通过荧光分光检测的方法检测麻痹性贝类毒素，但是Gawley教授报道的带有冠醚环的探针分子是有机小分子，不溶于水，在实际应用比如海洋、食品等检测中实用性不高。为实现小分子生物荧光探针来检测麻痹性贝毒石房蛤毒素，从而达到麻痹性贝类毒素的快速检测，本申请在对小分子生物探针和麻痹性贝毒石房蛤毒素检测进行长期的实践和研究的过程中发现，合成如结构式1所示的化合物，该化合物溶于水，在作为探针检测麻痹性贝毒石房蛤毒素时灵敏度高、专一性好、抗干扰能力强，技术效果非常显著。
Figure BDA0001599626220000061
结构式1所示的化合物，其中，R1、R2分别为高共轭结构的有机生色团和高度稳定的过渡金属络合物或稀土金属的螯合物结构。具有高共轭结构的有机生色团将接受光子激发并将能量传递给过渡金属络合物或稀土金属螯合物结构，高度稳定的过渡金属络合物或稀土金属螯合物结构将得到的能量以可见光区的过渡金属或稀土金属的特征光发射出去。通过结构式1所示化合物的光物理性质和滴定研究，数据结果显示，在探针结构式1所示的化合物的水溶液进行石房蛤毒素滴定，过渡金属或稀土的特征金属荧光发光强度增加了100％以上。通过工作曲线拟合，发现结构式1所示的化合物和石房蛤毒素是以1:1的比率结合。阳离子的选择性测试结果表明结构式1所示的化合物能够有效地专一地选择检测石房蛤毒素。
本申请的优选方案中，高共轭结构的有机生色团选自如下结构式中的一种：
Figure BDA0001599626220000072
本申请的另一个优选方案中，过渡金属络合物或稀土金属螯合物选自如下结构式中的一种：
Figure BDA0001599626220000071
本申请的一个最优实施例中，小分子探针的结构式如结构式2所示的化合物EuL1：
Figure BDA0001599626220000081
本实施例中，中间部分是二氮杂18冠-6结构，它的作用是捕捉石房蛤毒素。二氮杂18冠-6结构的一边是一个具有高共轭结构的有机生色团，有机生色团将接受光子激发并将能量传递给另一边的铕金属络合物结构，铕金属络合物结构高度稳定，铕金属络合物结构将得到的能量以可见光区的铕金属光发射出去。根据数据结果显示，在探针结构式2所示的化合物EuL1的水溶液进行石房蛤毒素滴定，铕金属荧光发光强度增加了将近6倍。通过工作曲线拟合，发现化合物EuL1和石房蛤毒素是以1:1的比率结合。阳离子的选择性测试结果表明结构式2所示的化合物能够有效地专一地选择检测石房蛤毒素。石房蛤毒素与结构式2所示的化合物结合方式如下：
Figure BDA0001599626220000082
通过分子力学函数MM2计算，结果初步认为，在没有石房蛤毒素的时候，铕金属中心和生色团的距离比较远。随着石房蛤毒素的加入，石房蛤毒素中的氨基甲酸酯基团和胍基会与探针的氮杂18冠-6部位、生色团的π体系和铕金属配合物结合(如图1所示)，拉近了生色团和铕金属中心的距离，能量传递得到了进一步的增强，因此铕金属荧光发射强度增加。与此同时，由于其他干扰离子没有这些官能团，所以对石房蛤毒素的专一识别性得到了体现。
本实施例中结构式2的化合物EuL1可按以下步骤制备：
Figure BDA0001599626220000091
本申请提供具有结构式1的化合物在荧光检测石房蛤毒素的用途，包括但不限于在海洋和食品领域中的应用。
本申请提供一种荧光检测石房蛤毒素的方法，所述方法包括将具有结构式1的化合物的水溶液与样品接触，并检测紫外可见光谱或荧光发射光谱信号。
可检测荧光发射光谱550-750nm范围内的发射强度，其中荧光发射光谱中550-750nm范围内的发射强度与石房蛤毒素的浓度成正比。
本申请检测的样品可以是来自环境的待测样品，包括海水、湖泊水、工业废水等，也可以是怀疑受石房蛤毒素污染的食品等。
本申请可采用本领域常规的荧光仪进行检测。
在使用本发明化合物与样品接触之前，可先对样品进行预处理，包括，例如对于食物溶于双蒸水中，然后过滤除去残渣等等。这些预处理可根据不同检测对象而不同，但都属于本领域的常规预处理手段。
下面通过具体实施例结合附图对本发明作进一步详细说明。
实施例1：化合物EuL1的制备及鉴定
按以下步骤制备化合物EuL1：
Figure BDA0001599626220000101
化合物EuL1的制备及鉴定数据：
往烧瓶加入1当量化合物1，1.5当量化合物2，0.1当量Pd(PPh3)2Cl2和0.03当量CuI，加入THF使其溶解，45℃下反应。反应结束后，加入水淬灭，并用乙酸乙酯萃取。萃取所得有机相用无水硫酸钠干燥后减压除去溶剂，残余物硅胶柱层析分离纯化，得化合物3。采用核磁共振氢谱和核磁共振碳谱的鉴定结果如下：1H NMR(CDCl3,500MHz):δ8.55(br,1H),7.50(d,J＝8.7Hz,2H),7.44(br,1H),7.39(br,1H),6.91(d,J＝8.8Hz,2H),4.83(br,1H),3.97(t,J＝6.6Hz,2H),1.06(t,J＝7.4Hz,3H)；13C NMR(CDCl3,125MHz):δ160.8,158.1,145.0,137.0,134.0,125.1,124.0,114.9,112.9,99.5,85.2,69.8,62.5,10.4；结果显示为得到的产物为化合物3。
0℃下往溶有化合物3的二氯甲烷溶液中加入1.2当量MsCl和1.2当量Et3N，0℃下反应。反应结束后，加入饱和NH4Cl溶液淬灭，并用乙酸乙酯萃取。萃取所得有机相用无水硫酸钠干燥后减压除去溶剂，残余物加入DMF溶解。加入0.1当量TBAI和1.2当量NaN3，室温下反应。反应结束后，加入水淬灭，并用乙酸乙酯萃取。萃取所得有机相用无水硫酸钠干燥后减压除去溶剂，残余物加入THF和水溶解。加入1.2当量PPh3,室温下反应。反应结束后减压除去溶剂，残余物硅胶柱层析分离纯化，得化合物4。采用核磁共振氢谱和核磁共振碳谱的鉴定结果如下：1H NMR(CDCl3,500MHz):δ8.53(d,J＝5.0Hz,1H),7.47(d,J＝8.7Hz,2H),7.38(s,1H),7.24(d,J＝5.0Hz,1H),6.89(d,J＝8.7Hz,2H),3.99(s,3H),3.95(t,J＝6.6Hz,2H),1.84(t,J＝7.1Hz,3H)；13C NMR(CDCl3,75MHz):δ161.7,159.9,149.2,133.4,132.4,123.4,122.9,114.6,113.8,94.2,85.7,69.6,47.5,10.5；结果显示得到的产物为化合物4。
0℃下往溶有化合物4的二氯甲烷溶液中依次加入1.1当量溴乙酸,1.1当量EDCI，0℃下反应。反应结束后，加入饱和NaHCO3溶液淬灭，并用乙酸乙酯萃取。萃取所得有机相用无水硫酸钠干燥后减压除去溶剂，残余物硅胶柱层析分离纯化，得化合物5。采用核磁共振氢谱和核磁共振碳谱的鉴定结果如下：1H NMR(CDCl3,500MHz):δ8.53(d,J＝5.1Hz,1H),7.70(br,1H),7.48(dd,J＝7.1Hz,1.8Hz,2H),7.34(s,1H),7.29(s,1H),7.28(s,1H),6.90,(dd,J＝7.1Hz,1.8Hz,2H),4.60(d,J＝5Hz,2H),3.97-3.95(m,4H),1.06(t,J＝7.4Hz,3H)；13C NMR(CDCl3,125MHz):δ165.6,160.1,155.6,149.0,133.5,132.8,124.2,123.5,114.7,113.7,94.9,85.4,69.6,44.8,28.9,10.4；结果显示得到的产物为化合物5。
往溶有化合物5的乙腈溶液中依次加入1.5当量二氮杂18冠-6,2当量NaHCO3，50℃下反应。反应结束后，加入水淬灭，并用乙酸乙酯萃取。萃取所得有机相用无水硫酸钠干燥后减压除去溶剂，残余物硅胶柱层析分离纯化，得化合物6。采用核磁共振氢谱和核磁共振碳谱的鉴定结果如下：1H NMR(CDCl3,500MHz):δ8.51(m,2H),7.41(d,J＝8.7Hz,2H),7.34(s,1H),7.24(d,J＝5.0Hz,1H),6.87(d,J＝8.8Hz,2H),4.68(d,J＝6.3Hz,2H),3.94(t,J＝6.6Hz,2H),3.76(brs,4H),3.54(brs,12H),3.23(brs,2H),2.90(brs,4H),2.82(brs,4H),1.03(t,J＝7.4,3H)；13C NMR(CDCl3,75MHz):δ172.1,160.0,158.9,148.9,133.2,132.6,123.7,122.9,114.7,113.5,94.5,85.7,70.5,69.7,69.6,68.8,66.8,58.4,58.2,48.3,44.3,10.4；结果显示得到的产物为化合物6。
0℃下往溶有化合物6的DMF溶液中依次加入1.2当量HATU,2当量DIPEA和0.9当量化合物7，自然升温至室温下反应。反应结束后，加入水淬灭，并用乙酸乙酯萃取。萃取所得有机相用无水硫酸钠干燥后减压除去溶剂，残余物硅胶柱层析分离纯化，得化合物8。采用核磁共振氢谱和核磁共振碳谱的鉴定结果如下：1H NMR(CDCl3,500MHz):δ8.54(brs,1H),8.48(d,J＝5.5Hz,1H),7.46(d,J＝8.5Hz,2H),7.38(s,1H),7.24(d,J＝5.0Hz,1H),6.89(d,J＝9.0Hz,2H),4.61(d,J＝6.0Hz,2H),3.96(t,J＝6.5Hz,2H),3.65-3.34(m,26H),2.84-2.77(m,8H),2.36-2.31(m,8H),2.06-2.01(m,8H),1.45(s,9H),1.43(s,18H),1.05(t,J＝7.3,3H)；13C NMR(CDCl3,125MHz):δ172.8,172.7,171.4,160.1,158.5,148.9,133.4,132.7,123.8,123.3,114.8,113.8,94.6,85.7,81.8,81.6,70.9-69.7(m),55.9,55.7,55.1,53.4,47.8,47.3,44.5,27.2,22.7,10.4；结果显示得到的产物为化合物8。
化合物8溶于二氯甲烷/三氟乙酸中，室温下反应。反应结束后减压除去溶剂，残余物用水溶解。用Et3N调pH至7，加入1.05当量Eu(OTf)3,60℃下反应。反应结束后减压除去溶剂，残余物用乙腈重结晶，得化合物EuL1。采用高分辨质谱鉴定结果如下：HRMS(ESI)m/zcalcd.for C46H65EuN8O13(M+H)+1091.3956,found 1091.3976，结果显示所鉴定的化合物为EuL1。
实施例2
探针EuL1的荧光滴定：
配制检测溶液：将探针化合物EuL1溶于双蒸水中，探针EuL1水溶液浓度为50μM；
滴定检测：以280nm为激发波长，用荧光仪测定550-750nm范围内铕的特征荧光发射峰。往50μM EuL1水溶液加入的不同浓度的石房蛤毒素，以280nm为激发波长，用荧光仪测定550-750nm范围内铕的特征荧光发射峰，发现荧光强度增强。当石房蛤毒素浓度在5-100μM范围时，与没有加入石房蛤毒素时615nm的峰高的比值为3.0-5.4，荧光强度增大5倍。以石房蛤毒素浓度为横坐标，加入石房蛤毒素前后615nm荧光强度的比值为纵坐标作图(参见图3)，得工作曲线：y＝0.0395x+3.4503(R2＝0.9993)。
灵敏度测试：
以280nm为激发波长，用荧光仪测定550-750nm范围内铕的特征荧光发射峰，测定50μM EuL1水溶液的615nm荧光强度三次，得出平均值，并计算每一次荧光强度与平均值之间的比值，分别为1.027、1.033和1.013。最后计算出空白样品的标准偏差(σ＝0.00838)。检测限为3倍标准偏差与标准曲线斜率之比，3σ/0.0395＝0.6μM，即检测限为180ng/mL.
特异性测试：
配置检测溶液：将探针化合物EuL1溶于双蒸水中，探针EuL1水溶液浓度为10μM；
滴定检测：往10μM EuL1的水溶液中加入15μM的其他毒素或60μM的阳离子，以280nm为激发波长，用荧光仪测定550-750nm范围内铕的特征荧光发射峰，测定加入毒素或阳离子前后615nm荧光强度的比值。加入石房蛤毒素后荧光增强了将近6倍，加入其余麻痹性贝类毒素：新石房蛤毒素、脱氨甲酰基石房蛤毒素和脱氨甲酰基新石房蛤毒素，和常见能够与冠醚络合的阳离子：钾离子、钠离子和钙离子后荧光强度仅增强了2倍左右。测试数据如下表1，测试数据柱形图参见图4：
Figure BDA0001599626220000131
上述实验结果显示，EuL1水溶液能有效的进行荧光检测石房蛤毒素，当石房蛤毒素浓度在5-100μM范围时，与没有加入石房蛤毒素时615nm的峰高的比值为3.0-5.4，荧光强度增大5倍；通过灵敏度测试，10μM EuL1水溶液的615nm荧光下，测试石房蛤毒素的测限为180ng/mL，灵敏性好；特异性测试实验反应EuL1对石房蛤毒素的检测具有非常好的特异性，同时该实验用10μM的探针就能有效检测浓度为15μM石房蛤毒素，也进一步说了采用EuL1检测石房蛤毒素的灵敏性高，抗干扰能力强。
采用本申请的其他化合物的其他实施方式进行上述石房蛤毒素的相关实验，实验结果与实施例1实施例2的EuL1的结果基本相同。
以上应用了具体个例对本发明进行阐述，只是用于帮助理解本发明，并不用以限制本发明。对于本发明所属技术领域的技术人员，依据本发明的思想，还可以做出若干简单推演、变形或替换。

Claims (6)

1.一种用于荧光检测石房蛤毒素的化合物，其特征在于，所述化合物为结构式2所示的化合物；
Figure FDA0002941593660000011
2.如权利要求1所述的化合物在荧光检测石房蛤毒素的用途。
3.一种荧光检测石房蛤毒素的方法，其特征在于：
检测溶液配制步骤：包括将权利要求1所述的化合物配制成水溶液，即获得所述检测溶液；
滴定检测步骤：包括将待测样品滴定到所述检测溶液中，并用荧光仪检测滴定过程中荧光强度的变化，根据荧光强度的变化分析检测所述石房蛤毒素。
4.如权利要求3所述的检测方法，其特征在于，所述化合物在所述水溶液中的浓度为5-100μM。
5.如权利要求4所述的检测方法，其特征在于，所述用荧光仪检测滴定过程中荧光强度的变化，具体包括，采用280nm的激发波长，用荧光仪测定550-750nm范围内铕的特征荧光发射峰。
6.如权利要求4或5所述的检测方法，其特征在于，所述结构式2表示的化合物的水溶液浓度为10-50μM。
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Responsive Two-Photon Induced Europium Emission as Fluorescent Indicator for Paralytic Shellfish Saxitoxin;Shuzhong He et al.;《ORGANIC LETTERS》;20110906;第13卷(第19期);第5036-5039页 *
Shuzhong He et al..Responsive Two-Photon Induced Europium Emission as Fluorescent Indicator for Paralytic Shellfish Saxitoxin.《ORGANIC LETTERS》.2011,第13卷(第19期),第5036-5039页. *

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