CN114539239A - 一种基于吡啶鎓盐的aie光敏剂及其制备方法和应用 - Google Patents

一种基于吡啶鎓盐的aie光敏剂及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于吡啶鎓盐的AIE光敏剂及其制备方法和应用，属于生物医学材料技术领域。本发明提供的AIE光敏剂中，三苯胺衍生物作为给体不仅具有很强的给电子能力，同时具有典型的螺旋桨结构，赋予材料聚集诱导发光(AIE)性质。通过吡啶阳离子化引入具有更强电子接受能力的新受体‑吡啶鎓基团，从而实现更好的HOMO‑LUMO分离及更低的ΔEST，进而促进更有效的ISC过程。此外，引入阳离子受体还增加了分子内电荷转移(ICT)效应，增强了电子的分离和转移能力，极大地促进了I型ROS的产生。实验结果表明，基于吡啶鎓盐的AIE光敏剂具有高效的ROS产生效率，尤其是高效的HO·的产生效率。

Description

一种基于吡啶鎓盐的AIE光敏剂及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及生物医学材料技术领域，尤其涉及一种基于吡啶鎓盐的AIE光敏剂及其制备方法和应用。
背景技术
光动力治疗作为一种新兴的无创治疗方式受到了广泛关注。PDT通过结合疾病部位积累的光敏剂、光和氧气发生一系列的光化学反应以产生有毒的活性氧(ROS)来杀伤癌细胞或者微生物。在光照射下，光敏剂可以被激发到其单重激发态，从该状态它可以通过辐射跃迁产生荧光或经历系间穿越(ISC)到三重态并进一步与周围的氧气或底物发生反应，生成ROS。作为一种剧毒物质，ROS可以通过多种方式引发微生物的死亡。此外，活性氧的短作用半径和寿命也有助于将损伤限制在接受特定光照射的癌细胞或微生物上，从而最大限度地减少对正常组织的副作用，大大提高治疗的准确性。因此，PDT已被公认为一种非侵入性的疾病治疗方式。
处于T1态的光敏剂可以通过电子转移产生自由基型活性氧(I型光敏剂)，例如超氧自由基(O2 ·-)或羟基自由基(HO·)或能量转移生成单线态氧(1O2，II型光敏剂)。与II型PDT相比，I型PDT中的氧气可以通过细胞内超氧化物歧化酶(SOD)介导的歧化反应回收，因此，I型PDT对氧的依赖性较低，更加适应肿瘤及微生物病原体的乏氧环境，在光动力治疗中更具潜力。因此，开发能够产生高效的自由基活性氧的光敏剂至关重要。但是目前的研究主要集中在II型光敏剂，对I型光敏剂的研究较少。虽然目前已经有一些基于苯并吩噻嗪衍生物或者Bodipy衍生物的I型光敏剂，但不幸的是，由于强烈的分子间π-π相互作用，这些光敏剂都受到聚集引起的猝灭(ACQ)效应的影响，这将严重损害它们在肿瘤或者细菌感染区域积累后的荧光信号和光动力效应。
2001年，聚集诱导发光(AIE)概念的提出打破了传统光敏剂面临的窘境。与传统荧光团不同，聚集诱导发射(AIE)荧光团在分子状态下几乎不发光，但在聚集体中表现出增强的荧光，为生物成像和治疗诊断学提供了新的机会。AIE荧光团(AIEgens)通常具有螺旋桨结构，在单分子状态时，能量由于分子运动被耗散。然而，在聚集态，由于聚集态分子内运动受到限制(RIM)，非辐射跃迁途径被抑制，辐射跃迁和ISC过程被打开。考虑到这些有机荧光团在水溶液中的聚集是自然发生的过程，因此AIEgens表现出更强的荧光和更高的ROS生成效率，有利于成像引导光动力治疗。
尽管AIE分子具有显著的聚集发光增强的优势，但目前所报道的具有AIE性质的光敏剂材料体系仍然不完善，可以同时产生高效的自由基型活性氧的AIE光敏剂更是屈指可数。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于吡啶鎓盐的AIE光敏剂及其制备方法和应用，该制备方法反应简单、原料易得、得到的AIE光敏剂产率高。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
本发明提供了一种基于吡啶鎓盐的AIE光敏剂，所述AIE光敏剂具有以下结构通式：
Figure BDA0003554498820000021
其中，R1为给电子基团，A为辅助受体，π为芳香环，R2为烷基链，X为阴离子。
进一步的，所述R1为H原子、甲基、乙基、丙基、丁基、异丙基、异丁基、叔丁基、甲氧基、羟基、二甲氨基或二乙胺基；
所述R2为甲基、乙基、丙基或丁基。
进一步的，所述π为苯环、吡啶环、噻吩环、二噻吩或呋喃环；
所述阴离子为碘离子、溴离子、氯离子、氢氧根离子、四氟硼酸根离子、硝酸根离子、硫酸根离子或六氟磷酸根离子。
进一步的，所述辅助受体A包含下列a-h结构中的一种：
Figure BDA0003554498820000031
本发明提供了一种基于吡啶鎓盐的AIE光敏剂的制备方法，包括以下步骤：
(1)含R1的三苯胺和二溴取代的辅助受体A为原料，通过偶联反应得到单边溴取代产物；
(2)将单边溴取代产物与联硼酸频那醇酯在催化剂的作用下反应得到化合物A，将化合物A与吡啶类衍生物反应得到中间产物；
(3)将步骤(2)得到的中间产物与丙二腈反应后成盐即得到基于吡啶鎓盐的AIE光敏剂。
进一步的，所述步骤(1)中，以R1给体取代的三苯胺和二溴取代的辅助受体A的摩尔比为1：1.5～2.5，所述偶联反应的催化剂为四(三苯基膦)钯，所述催化剂的用量为二溴取代的辅助受体A摩尔量的1～3％；
所述偶联反应的温度为50～70℃，偶联反应的时间为10～14h。
进一步的，所述步骤(2)中，单边溴取代产物、联硼酸频那醇酯和催化剂的摩尔比为1：3～5：0.01～0.05，所述催化剂为1,1'-双二苯基膦二茂铁二氯化钯。
进一步的，所述单边溴取代产物与联硼酸频那醇酯反应的温度为100～150℃，反应的时间为40～50h；所述化合物A与吡啶类衍生物反应的温度为50～70℃，反应的时间为10～15h；
所述吡啶类衍生物包含(4-溴苯基)(吡啶-3-基)甲酮，所述化合物A与吡啶类衍生物的摩尔比为1：0.5～1.5。
进一步的，所述步骤(3)中，中间产物与丙二腈的摩尔比为0.5～1.5：2～4；
所述中间产物与丙二腈反应的温度为30～50℃，反应的时间为4～6h；所述成盐的温度为100～120℃，成盐的时间为3～5h。
本发明提供了一种基于吡啶鎓盐的AIE光敏剂在微生物成像或在光动力抗耐药菌细菌感染中的应用。
本发明的有益效果：
(1)本发明的基于吡啶鎓盐的AIE光敏剂，为I型光敏剂的设计提供思路，为传统PDT中的荧光聚集猝灭以及乏氧治疗等关键问题提供方法。
(2)本发明提供的基于吡啶鎓盐的AIE光敏剂所涉及的反应均为经典反应，原料易得，产率较高。
(3)本发明提供的基于吡啶鎓盐的AIE光敏剂具备高效的I型ROS的产生能力，与成盐前的光敏剂相比，其I型ROS的产生能力大幅提升，因此，光敏剂阳离子化的方法有望成为一种通用的自由基型光敏剂的设计方法。
(4)本发明提供的基于吡啶鎓盐的AIE光敏剂具有对多种微生物的广谱靶向性，可以对多种微生物进行成像。
(5)本发明提供的基于吡啶鎓盐的AIE光敏剂具备卓越的抗菌性能，可以有效杀灭细菌并促进感染伤口的恢复，其效果优于临床抗生素万古霉素。
附图说明
图1为实施例1(A)和实施例2(B)所得光敏剂在不同正己烷含量条件下的荧光光谱图；
图2为光照条件下，DCFH-DA探针(用于检测总活性氧)加入实施例1和实施例2所得光敏剂后的荧光强度变化图，其中，A～D图分别为DCFH-DA(空白对照)、TBZPyI+DCFH-DA、CTBZPyI+DCFH-DA、MB+DCFH-DA荧光强度变化图，E图为A-D组DCFH-DA荧光强度变化(I/I0)随时间变化的汇总图；
图3为光照条件下，ABDA探针(用于II型活性氧检测)加入实施例1和实施例2所得光敏剂后的吸光度变化图，其中，A～D图分别为ABDA(空白对照)、TBZPyI+ABDA、CTBZPyI+ABDA、MB+ABDA吸光度变化图，E图为A-D组ABDA吸光度变化(A/A0)随时间变化的汇总图；
图4为光照条件下，HPF探针(用于I型活性氧的检测)加入实施例1和实施例2所得光敏剂后的荧光强度变化图，其中，A～D图分别为HPF(空白对照)、TBZPyI+HPF、CTBZPyI+HPF、MB+HPF荧光强度变化图。E图为A-D组HPF的荧光变化(I/I0)随时间变化的汇总图；
图5为用CTBZPyI孵育的MRSA、金黄色葡萄球菌、大肠杆菌和白色念珠菌的荧光及明场CLSM图像；
图6为有无光照射下PBS组、CTBZPyI组、万古霉素组及CTBZPyI的抗菌效果图(A)及细菌存活率图(B)；
图7为有无光照射下PBS组、CTBZPyI组的SEM图；
图8为(A)光动力治疗组及其他对照组伤口愈合过程中的相对伤口面积及(B)体重变化图。
具体实施方式
本发明提供了一种基于吡啶鎓盐的AIE光敏剂，所述AIE光敏剂具有以下结构通式：
Figure BDA0003554498820000051
其中，R1为给电子基团，A为辅助受体，π为芳香环，R2为烷基链，X为阴离子。
在本发明中，所述R1为H原子、甲基、乙基、丙基、丁基、异丙基、异丁基、叔丁基、甲氧基、羟基、二甲氨基或二乙胺基，优选为H原子、甲基、乙基或甲氧基。
在本发明中，所述R2为甲基、乙基、丙基或丁基，优选为甲基。
在本发明中，所述π为苯环、吡啶环、噻吩环、二噻吩或呋喃环，优选为苯环、吡啶环或呋喃环。
在本发明中，所述阴离子为碘离子、溴离子、氯离子、氢氧根离子、四氟硼酸根离子、硝酸根离子、硫酸根离子或六氟磷酸根离子，优选为碘离子、溴离子或硝酸根离子。
在本发明中，所述辅助受体A包含下列a-h结构中的一种：
Figure BDA0003554498820000061
优选为结构式a或b。
本发明提供了一种基于吡啶鎓盐的AIE光敏剂的制备方法，包括以下步骤：
(1)含R1的三苯胺和二溴取代的辅助受体A为原料，通过偶联反应得到单边溴取代产物；
(2)将单边溴取代产物与联硼酸频那醇酯在催化剂的作用下反应得到化合物A，将化合物A与吡啶类衍生物反应得到中间产物；
(3)将步骤(2)得到的中间产物与丙二腈反应后成盐即得到基于吡啶鎓盐的AIE光敏剂。
在本发明中，所述步骤(1)中，以R1给体取代的三苯胺和二溴取代的辅助受体A的摩尔比为1：1.5～2.5，优选为1：2.0。
在本发明中，所述偶联反应的催化剂优选为四(三苯基膦)钯(Pd(PPh3)4)，所述催化剂的用量为二溴取代的辅助受体A摩尔量的1～3％，优选为2～2.5％。
在本发明中，所述偶联反应的温度为50～70℃，偶联反应的时间为10～14h；优选的，偶联反应的温度为55～65℃，偶联反应的时间为11～13h；进一步优选的，偶联反应的温度为60℃，偶联反应的时间为12h。
在本发明中，所述步骤(2)中，单边溴取代产物、联硼酸频那醇酯和催化剂的摩尔比为1：3～5：0.01～0.05，优选为1：3～4：0.02～0.04，进一步优选为1：4：0.03。
在本发明中，所述步骤(2)中催化剂优选为1,1'-双二苯基膦二茂铁二氯化钯(Pd(dppf)Cl2)。
在本发明中，所述单边溴取代产物与联硼酸频那醇酯反应的温度为100～150℃，反应的时间为40～50h；优选的，反应的温度为110～140℃，反应的时间为42～48h；进一步优选的，反应的温度为120～130℃，反应的时间为45h。
在本发明中，所述化合物A与吡啶类衍生物反应的温度为50～70℃，反应的时间为10～15h；优选的，反应的温度为55～65℃，反应的时间为11～14h；进一步优选的，反应的温度为60℃，反应的时间为12～13h。
在本发明中，所述吡啶类衍生物优选为(4-溴苯基)(吡啶-3-基)甲酮，所述化合物A与吡啶类衍生物的摩尔比为1：0.5～1.5，优选为1：1.0～1.2，进一步优选为1：1.2。
在本发明中，所述步骤(3)中，中间产物与丙二腈的摩尔比为0.5～1.5：2～4，优选为0.8～1.2：2～3，进一步优选为1.0：2。
在本发明中，所述中间产物与丙二腈反应的温度为30～50℃，反应的时间为4～6h；优选的，反应的温度为35～45℃，反应的时间为5～6h；进一步优选的，反应的温度为40℃，反应的时间为5h。
在本发明中，所述成盐的温度为100～120℃，成盐的时间为3～5h；优选的，成盐的温度为105～115℃，成盐的时间为4～5h；进一步优选的，成盐的温度为110℃，成盐的时间为4h。
在本发明中，辅助受体和π桥的引入有利于HOMO-LUMO更好的分离，减小S1态自旋相反的价电子的排斥，有助于降低ΔEST，增强ISC过程，获得更强的ROS产生能力。进一步地，吡啶阳离子化导致另一个新的受体(甲基吡啶鎓基团)的形成。新的受体具有更强的吸电子能力，增强的D-A对有利于改善HOMO-LUMO分离以实现ΔEST的进一步降低。此外，阳离子化还加速了电子分离和跃迁的过程，这对于自由基型ROS的产生是必不可少的。因此，本发明材料具有高效的ROS产生能力特别是I型活性氧的产生能力，在荧光成像介导的光动力杀菌抗感染治疗中具有良好的应用前景。
本发明提供了一种基于吡啶鎓盐的AIE光敏剂在微生物成像或在光动力抗耐药菌细菌感染中的应用。
下面结合实施例对本发明提供的技术方案进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。
实施例1
基于吡啶鎓盐的AIE光敏剂(TBZPyI)
Figure BDA0003554498820000081
合成路线如下：
Figure BDA0003554498820000082
(二苯氨基)苯基硼酸(1.45g，5mmol)、4,7-二溴-2,1,3-苯并噻二唑(3.00g，10mmol)、Pd(PPh3)4(288.89mg，0.25mmol)和K2CO3(6.90g，50mmol)溶解在THF/水混合物(v/v＝60/20)中。反应在60℃，N2气氛下反应12小时。将反应混合物冷却至环境温度后，将其用DCM萃取三次并用水洗涤。分离DCM层并用Na2SO4干燥。蒸发溶剂后，粗产物通过柱层析法分离纯化，使用石油醚/DCM(2/1，v/v)作为洗脱剂，得到橙色固体TBZ-Br(1.81g，79％产率)。
1HNMR(500MHz,CDCl3)δ7.89(d,J＝7.6Hz,1H),7.80(d,J＝8.7Hz,2H),7.54(d,J＝7.6Hz,1H),7.30(t,J＝7.9Hz,4H),7.19(dd,J＝8.1Hz,6H),7.08(t,J＝7.3Hz,2H)。
将TBZ-Br(1.8g，4mmol)、联硼酸频那醇酯(4.06g，16mmol)、乙酸钾(1.8g，20mmol)、Pd(dppf)Cl2(87.8mg，0.12mmol)溶解在超干1,4-二氧六环中(50mL)。在N2气氛下于120℃下反应48小时。将反应混合物冷却至环境温度后，将其用DCM萃取三次并用水洗涤。分离DCM层并用Na2SO4干燥。蒸发溶剂后，粗产物通过柱层析法分离纯化，使用石油醚/DCM(1/1，v/v)作为洗脱剂，得到橙色固体TBZ-BOOH(1.05g，52.0％产率)。
(4-溴苯基)(吡啶-3-基)甲酮(262.1mg，1mmol)、TBZ-BOOH(505.44mg，1mmol)、Pd(PPh3)4(34.67mg，0.03mmol)和K2CO3(1.38g，10mmol)溶解在THF/水混合物(v/v＝20/8)。在N2气氛下于60℃进行12小时。将反应混合物冷却至环境温度后，将其用DCM萃取三次并用水洗涤。分离DCM层并用Na2SO4干燥。蒸发溶剂后，粗产物通过柱层析法分离纯化，使用石油醚/DCM(1/2，v/v)作为洗脱剂，得到橙红色固体TBZ-BD(387mg，69％产率)。
1HNMR(400MHz,CDCl3)δ9.10(s,1H),8.86(s,1H),8.25(d,J＝7.2Hz,1H),8.16(d,J＝7.8Hz,2H),8.00(d,J＝7.9Hz,2H),7.92–7.85(m,3H),7.80(d,J＝7.4Hz,1H),7.54(s,1H),7.31(t,J＝7.8Hz,4H),7.21(t,J＝8.4Hz,6H),7.09(d,J＝7.3Hz,2H)。
将TBZ-BD(56mg，0.1mmol)和丙二腈(26.4mg，0.3mmol)溶解在二氯甲烷(10mL)中，在0℃条件下缓慢注入四氯化钛(0.1mL)。将反应混合物搅拌30分钟后，注入哌啶(0.1mL)并再搅拌30分钟。然后将混合物在40℃加热4小时。将混合物冷却至室温后，加入水(30mL)淬灭并用二氯甲烷萃取混合物。收集有机层并用盐水洗涤，经Na2SO4干燥并减压浓缩。使用石油醚/乙酸乙酯(4/1，v/v)作为洗脱剂通过柱层析法分离纯化得到红色固体TBZPy(36mg，59％产率)。
1HNMR(400MHz,CDCl3)δ8.85(s,1H),8.72(s,1H),8.18(d,J＝7.9Hz,2H),7.95(d,J＝7.6Hz,1H),7.92–7.85(m,3H),7.80(d,J＝7.4Hz,1H),7.64(d,J＝8.0Hz,2H),7.53(dd,J＝6.8,4.4Hz,1H),7.30(t,J＝7.8Hz,4H),7.21(t,J＝7.9Hz,6H),7.08(t,J＝7.3Hz,2H)。
向TBZPy(20mg，0.033mmol)的甲苯溶液中加入碘甲烷(0.1mL)以形成反应混合物。将反应混合物在氮气环境下，110℃加热搅拌4小时。收集沉淀，用甲苯洗涤，然后在PE和DCM的混合溶剂中重结晶，得到黑红色固体(20mg，产率83.3％)。
1HNMR(400MHz,CD2Cl2)δ9.19(s,2H),8.47(s,1H),8.26(s,3H),7.99(s,2H),7.91(d,J＝9.2Hz,3H),7.82(d,J＝7.4Hz,1H),7.32(t,J＝7.6Hz,4H),7.18(d,J＝7.9Hz,5H),7.14–7.04(m,3H),4.68(s,3H)。
实施例2
基于吡啶鎓盐的高效的AIE光敏剂(CTBZPyI)。
Figure BDA0003554498820000101
合成路线如下：
Figure BDA0003554498820000102
4,4'-二甲氧基-4”-硼酸三苯胺(1.62g，4.64mmol)、4,7-二溴-2,1,3-苯并噻二唑(2.726g，9.28mmol)、Pd(PPh3)4(160.74mg，0.14mmol)和K2CO3(6.41g，46.4mmol)溶解在THF/水混合物(v/v＝60/20)中。反应在60℃，N2气氛下反应12小时。将反应混合物冷却至环境温度后，将其用DCM萃取三次并用水洗涤。分离DCM层并用Na2SO4干燥。蒸发溶剂后，粗产物通过柱层析法分离纯化，使用石油醚/DCM(2/1，v/v)作为洗脱剂，得到橙色固体CTBZ-Br(1.05g，43.75％产率)。
1HNMR(500MHz,CDCl3)δ7.87(d,J＝7.6Hz,1H),7.75(s,2H),7.56–7.46(m,1H),7.21–6.95(m,6H),6.87(d,J＝7.4Hz,4H),3.81(s,6H).
将CTBZ-Br(518.43mg，1mmol)、联硼酸频那醇酯(1.016g，4mmol)、乙酸钾(470.7mg，5mmol)、Pd(dppf)Cl2(21.9mg，0.03mmol)溶解在超干1,4-二氧六环中(30mL)。在N2气氛下于120℃下反应48小时。将反应混合物冷却至环境温度后，将其用DCM萃取三次并用水洗涤。分离DCM层并用Na2SO4干燥。蒸发溶剂后，粗产物通过柱层析法分离纯化，使用石油醚/DCM(1/1，v/v)作为洗脱剂，得到橙色固体CTBZ-BOOH(234.6g，41.5％产率)。
(5-溴苯基)(吡啶-3-基)甲酮(173mg，0.66mmol)、CTBZ-BOOH(410.55mg，0.77mmol)、Pd(PPh3)4(23mg，0.02mmol)和K2CO3(912.19g，6.6mmol)溶解在THF/水混合物(v/v＝6/3)。在N2气氛下于60℃进行12小时。将反应混合物冷却至环境温度后，将其用DCM萃取三次并用水洗涤。分离DCM层并用Na2SO4干燥。蒸发溶剂后，粗产物通过柱层析法分离纯化，使用石油醚/DCM(1/2，v/v)作为洗脱剂，得到红色固体CTBZ-BD(356mg，86％产率)。
1HNMR(500MHz,CDCl3)δ9.09(s,1H),8.85(d,J＝3.4Hz,1H),8.22(dd,J＝6.2,1.7Hz,1H),8.15(d,J＝8.3Hz,2H),7.99(d,J＝8.3Hz,2H),7.85(dd,J＝8.0,4.4Hz,3H),7.76(d,J＝7.4Hz,1H),7.52(dd,J＝7.8,4.9Hz,1H),7.15(d,J＝8.6Hz,4H),7.06(d,J＝8.5Hz,2H),6.87(d,J＝8.9Hz,4H),3.82(s,6H).
将CTBZ-BD(310.09mg，0.5mmol)和丙二腈(99.09mg，1.5mmol)溶解在二氯甲烷(20mL)中，在0℃条件下缓慢注入四氯化钛(0.2mL)。将反应混合物搅拌30分钟后，注入哌啶(0.2mL)并再搅拌30分钟。然后将混合物在40℃加热4小时。将混合物冷却至室温后，加入水(30mL)淬灭并用二氯甲烷萃取混合物。收集有机层并用盐水洗涤，经Na2SO4干燥并减压浓缩。使用石油醚/乙酸乙酯(2/1，v/v)作为洗脱剂通过柱层析法分离纯化得到红色固体CTBZPy(187mg，56％产率)。
1HNMR(500MHz,CDCl3)δ8.85(d,J＝3.3Hz,1H),8.71(s,1H),8.17(d,J＝8.4Hz,2H),7.93(d,J＝7.9Hz,1H),7.86(d,J＝7.3Hz,3H),7.77(d,J＝6.2Hz,1H),7.63(d,J＝8.4Hz,2H),7.52(dd,J＝7.8,4.9Hz,1H),7.22–6.97(m,6H),6.88(d,J＝8.1Hz,4H),3.82(s,6H).
向CTBZPy(66.9mg，0.1mmol)的甲苯溶液中加入碘甲烷(0.1mL)以形成反应混合物。将反应混合物在氮气环境下，110℃加热搅拌4小时。收集沉淀，用甲苯洗涤，然后在PE和DCM的混合溶剂中重结晶，得到黑色固体(40mg，产率49.3％)。
1HNMR(500MHz,CDCl3)δ8.85(d,J＝3.3Hz,1H),8.71(s,1H),8.17(d,J＝8.4Hz,2H),7.93(d,J＝7.9Hz,1H),7.86(d,J＝7.3Hz,3H),7.77(d,J＝6.2Hz,1H),7.63(d,J＝8.4Hz,2H),7.52(dd,J＝7.8,4.9Hz,1H),7.22–6.97(m,6H),6.88(d,J＝8.1Hz,4H),3.82(s,6H).
实验例1
基于吡啶鎓盐的高效的AIE光敏剂(TBZPyI和CTBZPyI)的AIE特性表征。
图1为实施例1和实施例2所得光敏剂在不同正己烷条件下的荧光光谱图。图1A是TBZPyI(10μM)在不同正己烷体积分数的正己烷/四氢呋喃混合溶剂中的发射光谱，图1B是CTBZPyI(10μM)在不同正己烷体积分数的正己烷/四氢呋喃混合溶剂中的发射光谱。其中，fw(vol％)表示正己烷的含量。对于AIE光敏剂而言，正己烷属于不良溶剂，而四氢呋喃属于它们的良溶剂。所有光敏剂在分子状态下(在良溶剂中，例如THF)都表现出微弱的荧光。随着不良溶剂(正己烷)的加入，其荧光强度逐渐增强，呈现出典型的聚集诱导发射(AIE)特性。该现象归因于聚集体形成后分子内运动受到限制(RIM)。
实验例2
基于吡啶鎓盐的高效的AIE光敏剂(TBZPyI和CTBZPyI)的ROS种类鉴定。
选择典型的ROS指示剂2,7-二氯二氢荧光素(DCFH)来验证AIE光敏剂在光照下产生的总ROS。ROS可以将非荧光的DCFH氧化为绿色荧光的DCF，在荧光光谱上展现为500～650nm范围内的荧光增强。图2为光照条件下(20mWcm-2)，DCFH-DA探针(5μM)加入光敏剂(5μM)后的荧光强度变化图。其中，A-D图除加入的光敏剂种类不同外，其他变量如光照强度、探针浓度、光敏剂浓度、操作步骤等严格保持一致。A～D分别为DCFH-DA(空白对照)、TBZPyI+DCFH-DA、CTBZPyI+DCFH-DA、MB+DCFH-DA。如图2A-D所示，在20mWcm-2的白光照射下，所有光敏剂均可显示诱导DCFH荧光增强。图2E为光照条件下，DCFH探针加入光敏剂后的荧光强度变化汇总图。从图中可以看出TBZPyI和CTBZPyI表现出快速高效的ROS生成能力，相同条件下DCFH的荧光强度增强了791.6和821.6倍，远高于市售光敏剂亚甲蓝(MB，324.6倍)。这充分展示了本发明光敏剂高效的ROS产生能力。
ABDA被1O2氧化后形成内过氧化物，吸光度下降，应用于II型活性氧的检测。图3为光照条件下(20mWcm-2)，ABDA探针(10μM)加入光敏剂(50μM)后的吸光度变化图。其中，A-D图除加入的光敏剂种类不同外，其他变量如光照强度、探针浓度、光敏剂浓度、操作步骤等严格保持一致。A～D分别为ABDA(空白对照)、TBZPyI+ABDA、CTBZPyI+ABDA、MB+ABDA。如图3A-D，ABDA本身对光不敏感，在光照条件下，其吸光度几乎不会下降。而加入光敏剂后，ABDA的吸光度都有一定程度的下降。图3E为光照条件下，ABDA探针加入光敏剂后的吸光度变化汇总图。在白光照射3分钟的条件下，ABDA在CTBZPyI水溶液中的吸光度降低了50％，而TBZPyI的1O2产生效率更是优于市售光敏剂MB。
HPF，一种对HO·有特异性响应的探针来表征自由基ROS的产生。图4为光照条件下(20mWcm-2)，HPF探针(10μM)加入光敏剂(10μM)后的荧光变化图。其中，A-D图除加入的光敏剂种类不同外，其他变量如光照强度、探针浓度、光敏剂浓度、操作步骤等严格保持一致。A～D分别为HPF(空白对照)、TBZPyI+HPF、CTBZPyI+HPF、MB+HPF。添加AIE光敏剂后，在光照条件下可以清楚地观察到HPF荧光信号的增强(图4A-D)。图4E为光照条件下，HPF探针加入光敏剂后的荧光强度变化汇总图。加入TBZPyI、CTBZPyI后，HPF的荧光强度相比于初始强度增强了47.5和172.9倍，说明我们的材料不仅可以有优异的单线态氧产生能力，而且可以产生高效的自由基型活性氧，有潜力用在乏氧光动力治疗上。
实验例3
CTBZPyI对多种微生物的靶向及成像。
图5为用CTBZPyI孵育的MRSA、金黄色葡萄球菌、大肠杆菌和白色念珠菌的荧光及明场CLSM图像。MRSA(耐甲氧西林金黄色葡萄球菌)、金黄色葡萄球菌(革兰氏阳性菌)、大肠杆菌(革兰氏阴性菌)和白色念珠菌(真菌)与CTBZPyI(5μM)在PBS缓冲液中孵育20分钟，并通过共聚焦激光扫描显微镜进一步成像(CLSM)。从图中可以看出，在这些细菌和真菌的表面和内部都可以发现来自CTBZPyI的亮红色荧光，表明CTBZPyI具有对各种病原体的普遍结合力。这种广谱选择性的原因可能是分子在阳离子化后带正电荷，容易通过电荷相互作用附着在病原体表面。
实验例4
CTBZPyI的体外抗菌性能探索
图6为有无光照射下PBS组、CTBZPyI组、万古霉素组的(A)抗菌效果图及(B)细菌存活率。其中万古霉素为临床抗生素。采用平板菌落计数法评估CTBZPyI对MRSA的抗菌作用，选择临床抗菌药物万古霉素(Van)进行对照。在未加入CTBZPyI处理时，MRSA可以在黑暗或光照条件下保持活力，细菌存活率接近100％(PBS和PBS+L组)。CTBZPyI本身对MRSA表现出显示的暗毒性，细菌抑制率为80％，这应归因于阳离子甲基吡啶鎓盐部分的存在。进一步的光照可导致细菌抑制率大幅提高，达到99.8％，抗菌效果远超临床抗生素万古霉素。
图7为扫描电子显微镜(SEM)记录的光动力后MRSA的形貌图。在光照射下进行PBS处理不会影响MRSA的完整性，依然可以观察到具有清晰锐利边缘的光滑的细菌膜。但在用CTBZPyI进行光动力处理后，可以清楚地看到细菌膜的肿胀、分裂和塌陷。
CFU平板计数和SEM实验均显现出CTBZPyI优异的体外光动力杀菌效果，这表明本发明的光敏剂在开发为优良抗菌剂方面具有巨大潜力。
实验例5
CTBZPyI体内光动力治疗耐药菌感染效果评估
在小鼠体内建立了MRSA感染后的皮肤伤口模型来评估光动力治疗对细菌感染后伤口愈合能力的影响。将感染MRSA的小鼠随机分为6组，每组3～4只小鼠，在MRSA接种24h后进行不同的处理。将PBS、CTBZPyI(50μM；50μL)或万古霉素(50μM；50μL)喷洒在伤口上，并将光照组暴露于白光照射(100mWcm-2)15分钟。隔天给药并不断监测感染区域的愈合过程。图8A为伤口愈合过程中的相对伤口面积。从图中可以看出，各组感染的伤口面积随着治疗时间的增加而不断缩小。CTBZPyI+L组在所有组中治疗效果明显优于其他组。治疗后的第11天测量相对伤口面积的结果表明，CTBZPyI+L组的伤口面积减少到1.4％，优于万古霉素组(5.5％)。这些结果清楚地表明，阳离子AIE光敏剂CTBZPyI可以有效杀灭细菌并促进感染伤口的恢复，其效果优于临床抗生素万古霉素。图8B说明了所有实验组的小鼠体重增长趋势相同，证明了本发明的光敏剂具有良好的生物相容性。
由以上实施例及实验例可知，本发明提供了一种基于吡啶鎓盐的AIE光敏剂及其制备方法和应用。本发明的制备方法反应简单、原料易得、得到的AIE光敏剂产率高。通过实验验证发明，本发明的光敏剂具有对多种微生物的广谱靶向性，可以对多种微生物进行成像，还具备卓越的抗菌性能，可以有效杀灭细菌并促进感染伤口的恢复，其效果优于临床抗生素万古霉素。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于吡啶鎓盐的AIE光敏剂，其特征在于，所述AIE光敏剂具有以下结构通式：
Figure FDA0003554498810000011
其中，R1为给电子基团，A为辅助受体，π为芳香环，R2为烷基链，X为阴离子。
2.根据权利要求1所述的AIE光敏剂，其特征在于，所述R1为H原子、甲基、乙基、丙基、丁基、异丙基、异丁基、叔丁基、甲氧基、羟基、二甲氨基或二乙胺基；
所述R2为甲基、乙基、丙基或丁基。
3.根据权利要求1或2所述的AIE光敏剂，其特征在于，所述π为苯环、吡啶环、噻吩环、二噻吩或呋喃环；
所述阴离子为碘离子、溴离子、氯离子、氢氧根离子、四氟硼酸根离子、硝酸根离子、硫酸根离子或六氟磷酸根离子。
4.根据权利要求3所述的AIE光敏剂，其特征在于，所述辅助受体A包含下列a-h结构中的一种：
Figure FDA0003554498810000012
5.权利要求1～4任一项所述基于吡啶鎓盐的AIE光敏剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)含R1的三苯胺和二溴取代的辅助受体A为原料，通过偶联反应得到单边溴取代产物；
(2)将单边溴取代产物与联硼酸频那醇酯在催化剂的作用下反应得到化合物A，将化合物A与吡啶类衍生物反应得到中间产物；
(3)将步骤(2)得到的中间产物与丙二腈反应后成盐即得到基于吡啶鎓盐的AIE光敏剂。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中，以R1取代的三苯胺和二溴取代的辅助受体A的摩尔比为1：1.5～2.5，所述偶联反应的催化剂为四(三苯基膦)钯，所述催化剂的用量为二溴取代的辅助受体A摩尔量的1～3％；
所述偶联反应的温度为50～70℃，偶联反应的时间为10～14h。
7.根据权利要求5或6所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中，单边溴取代产物、联硼酸频那醇酯和催化剂的摩尔比为1：3～5：0.01～0.05，所述催化剂为1,1'-双二苯基膦二茂铁二氯化钯。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述单边溴取代产物与联硼酸频那醇酯反应的温度为100～150℃，反应的时间为40～50h；所述化合物A与吡啶类衍生物反应的温度为50～70℃，反应的时间为10～15h；
所述吡啶类衍生物包含(4-溴苯基)(吡啶-3-基)甲酮，所述化合物A与吡啶类衍生物的摩尔比为1：0.5～1.5。
9.根据权利要求6或8所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中，中间产物与丙二腈的摩尔比为0.5～1.5：2～4；
所述中间产物与丙二腈反应的温度为30～50℃，反应的时间为4～6h；所述成盐的温度为100～120℃，成盐的时间为3～5h。
10.权利要求1～4任一项所述基于吡啶鎓盐的AIE光敏剂在微生物成像或在光动力抗耐药细菌感染中的应用。
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