CN115280136A - 聚集诱导发光探针及其应用 - Google Patents

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CN115280136A CN202180018816.5A CN202180018816A CN115280136A CN 115280136 A CN115280136 A CN 115280136A CN 202180018816 A CN202180018816 A CN 202180018816A CN 115280136 A CN115280136 A CN 115280136A
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Abstract

本发明公开了一种对pH变化和聚集诱导发光(AIE)特性表现出单调或非单调响应的AIE探针。本发明还公开了检测白蛋白和胺气的方法。

Description

聚集诱导发光探针及其应用
交叉引用相关申请
本发明要求美国临时专利申请系列号的优先权和权益。2020年3月2日提交的美国专利第63/100,195号，其公开内容以引用方式全文并入。
技术领域
本发明公开了一种涉及对酸碱值(pH)变化表现出单调或非单调响应的聚集诱导发光(AIE)特性的发光物，及其应用。
背景技术
在包装和运输生食时必须考虑对人体的健康影响和食品安全。通过保持低温抑制让食物变质的微生物生长的冷藏过程，大幅增加了生食可以运输的距离。许多方法已用来监控运输过程中生食的储存情况，许多方法已用来监控运输过程中生食的储存情况，例如时间-温度指示器(TTI)，能显示生食材料是否已在较高温条件下长时间储存。然而，保持冷藏温度只能减缓食物腐败的过程，事实上，在0℃储存的虹鳟鱼中仍然有微生物分解产生的生物胺类，例如腐胺和尸胺。
生物胺是食品新鲜度的良好指标，因为它们是微生物发酵的产物。在食物变质过程中，微生物通过脱氨作用分解氨基酸产生氨，并通过脱羧作用产生生物胺，如尸胺、腐胺、亚精胺、精胺等。这些生物胺的存在不仅代表着食物变质，而且也会对人体健康产生不利影响，因此监测食品中的生物胺含量十分重要。检测生物胺存在的系统提供了一种比仅监测温度变化的TTI系统，更直接的食品安全和卫生监测方法。
生物胺的检测可以通过利用其基本性质来实现，使用探针或传感器在质子化/去质子化时显示光物理变化。事实上，有许多分子种类由于生物胺的存在，在质子化/去质子化时具有可见的颜色变化(即吸收变化)，这种视觉变化可以很容易地被观察到。
用于检测生物胺的理想系统将不仅显示吸收将更进一步显示放光发射变化。发光系统可以对变化更加敏感，且更显著容易直观识别。
刺激-响应(stimulus-response，S/R)性荧光探针被广泛用于检测局部环境变化，例如极性、pH、温度、粘度、聚集状态。通常，科学家的目标是设计具有单调S/R表现的系统(例如增加刺激→增加响应)，而非单调S/R系统(例如刺激→响应1→响应2)很少被发明。
发明内容
为了克服上述习知技术的缺点，本发明提供下列各种实施例来解决上述问题。
本发明的一实施例提供一种聚集诱导发光(aggregation-induced emission，AIE)探针。前述AIE探针包含一表现聚集诱导发光特性的化合物，前述化合物包含一主链结构：
Figure BDA0003830072390000021
其中R选自：
Figure BDA0003830072390000022
其中R’由以下基团组成：
Figure BDA0003830072390000023
其中R”、R”’、R””、R””’各自独立地选自-H、-CH3和-CH2CH3。
另一实施例中则提供了一种检测样品食物腐败的方法。该方法包括：
将本发明中的AIE探针施用于样品；
加入AIE探测后等待一段时间；
通过测量发光情况来检测食物腐败与否。
又一实施例中，再提供了一种检测样品中食物腐败的方法。前述方法包含：
将本发明的AIE探针施用于包装样品中；
等待第一时间段，此时腐败样品产生气态胺，并且气态胺的浓度随时间和/或温度增加，达到第一阈值浓度；
前述AIE探针暴露于前述第一阈值浓度下，转变颜色为响应于第一阈值浓度的第一颜色，用来检测食物的腐败级别1；
等待第二时间段，腐败样品中继续产生气态胺，进而达到第二阈值浓度，此浓度大于第一阈值浓度；和
相同的AIE探针持续暴露于前述第二阈值浓度下，AIE探针转变颜色为响应于第二阈值浓度的第二颜色，用来检测食物的腐败级别2。
以上所述仅为本发明技术方案的概要，下面结合附图提供本发明的优选实施例，以使本领域一般性技术人员更易理解本发明所述操作流程及其目的、特征和优点，并据此做出本发明。
附图说明
参照附图阅读以下完整实施例的详细描述，可充分理解本发明，其中：
图1显示ASQ在氘代二甲基亚砜(DMSO-d6)中的1H NMR谱。
图2显示了ASQ高解析质谱。
图3(A)显示ASQ在纯乙醇和乙醇/水混和物中各水分数(fw)的发射光谱。(B)显示在不同fw值下的荧光放射强度(I/I0)(红线)和放光波长(蓝线)曲线。I0为在fw＝0时的放光强度、[ASQ]＝100μM、λex＝430nm。
图4(A)显示ASQ对HAS的荧光响应。(B)在542nm处，I/I0对HSA浓度的线性图。I0为HAS浓度为0mg/L时的强度。(C)为ASQ对白蛋白的选择性研究。I0为空白样品的强度，[生物分子]＝1mg/mL。[ASQ]＝100μM，λex＝430nm。
图5(A)为颜色变化照片，(C)为在溶液中添加TFA和在滤纸上用TFA气体处理对质子化的发光响应。(B)为添加TFA后ASQ溶液的吸收光谱、(D)则为此PL光谱。TFA/ASQ当量＝0～200和1500～65000。
图6(A)显示了氨气熏时ASQ-2H+的双荧光变化。(B)展示在24小时内鲑鱼肉(顶部)和小解剖鱼(底部)的食物腐败检测。
具体实施方式
在申请中，被叙述为元素或化合物基团其包括列表中的任一元素或化合物基团，应被理解为该元素或化合物基团可以是列举中的任何一个或者该元素或化合物基团可为任意两个或更多个列举元素或基团的组合体。此外，应当理解，在不背离现在指导的宗旨和范围的情况下，本文所述的元素、化合物基团特性、设备装置或方法将可以以多种方式组合，无论是本文中明确的还是暗示的。
除非另有明确说明，否则术语“包含”、“包括”、“拥有”或“具有”的使用通常被接受理解为开放式且非限制性的。
此处使用单数时同时包含复数(反之亦然)，除非另有明确说明。此外，在定量值前使用术语“约”的描述下，本专利中同时包括具体的定量值本身，除非另有明确说明。当本文使用术语“约”时是指与标准值相差±10％范围内，除非另有说明或推断。
步骤顺序和执行某操作程序之间是无相应紧要关系，只要专利中的指导守则仍然有效。此外，是可以同时执行两个或是多于两个动作。
发光物研究中，给体-受体(D-A)结构在溶剂系统中发生扭曲的分子内电荷转移(twisted intramolecular charge transfer，TICT)的溶剂效应是非常常见的，其特点是随着溶剂极性增加时，发光会发生大幅度的红移同时发光会减弱。如果给体(donor，D)和受体(acceptor.A)都有含氮部分，它们则可被预期质子化。给体上发生质子化将削弱D-A的相互作用，导致发射蓝移；而受体上的质子化可以增强D-A的相互作用，从而产生发射红移。因此，通过组装可质子化的给体和受体，得到分子对pH变化表现出非单调的颜色(波长，λ)变化。这是本发明的主要设计策略。此外，为了扩展这一想法，本发明还提供了具有质子化/去质子化能力的给体单元和受体单元的其他结构的分子。
在本发明的一个优先选择实施例中，我们设计了对pH变化表现出非单调响应的聚集诱导发光体(AIEgen)，并使用其中之一，即4-(二甲基氨基)苯乙烯基)喹喔啉-2(1H)-以一(ASQ)为例，证明在白蛋白和胺气(amine gas)检测中的可行性。在本发明中，“聚集诱导发光体(AIEgen)”、“发光体(luminogen)”、“AIE探针(AIE probe)”、“AIE传感器(AIEsensor)”、“探针(probe)”和“传感器(sensor)”可互换使用。
白蛋白的检测：血液和尿白蛋白检测对于健康状况检查和监测慢性肾病具有临床意义。然而，目前的仪器或基于免疫测定的技术既昂贵又耗时。荧光法在成本、时间效率、灵敏度、特异性等方面具有优势，因此主要基于两种设计方法发明了用于白蛋白检测的不同荧光剂：
(1)具有聚集诱导发光(AIE)特性的荧光剂对环境条件敏感。它们在自由状态下发光较弱，但在与白蛋白结合后由于分子运动受限机制而发光(例如US20130177991A1)。
(2)具有扭曲的分子内电荷转移(TICT)效应的荧光剂对环境极性变化敏感。它们在极性水溶液中发光较弱，但在与白蛋白的非极性空腔结合后发光增强(例如CN105838355A)。
在本发明中，能同时表现出AIE和TICT特性的探针在对生物流体中的白蛋白进行特异性和定量分析方面很有前途，并且具有低价、快速、及时和当场检测的优势。此外，作为生物兼容性材料的杂化AIEgen-白蛋白纳米复合材料已越来越多地用于药物输送、生物成像、光热疗法等。所以，这些探针在不同的白蛋白相关应用中是极具潜力的选择。
胺气检测：生物胺是微生物发酵的产物，是食品腐败的良好指标，尤其在海鲜食品。为了实现对食品新鲜度的快速实时监测，光学方法(即吸收法、荧光法)是一种比气相色谱法等其他分析方法更直接、灵敏、直观的方式。首先，探针应该对pH敏感，在质子化/去质子化时显示吸收/荧光变化。同时，它们将在固态下被使用，因此需要具备AIE特性。在以前的发明中(例如WO2018210272A1)，探针的荧光将在生物胺存在时被点亮(亮度1→亮度2)。然而，在本发明中，探针的荧光不仅有亮度的变化，还有颜色的变化(颜色1→颜色2)。特别是，如果探针上电子给体和受体部分(例如ASQ)有两个可质子化位点，则光学性质的变化可能是非单调的(例如颜色1→颜色2→颜色3)。所以，本发明的探针同时具有AIE活性和pH敏感特性，表现出不同模式的荧光响应，非常适用于不同pH及胺气环境检测的相关应用，其中包括食品安全监测。
在本发明的第一实施例中，提供了一种AIE探针。AIE探针包含表现出聚集诱导发光特性的化合物，其中所述化合物包含主链结构：
Figure BDA0003830072390000061
其中R选自以下组合:
Figure BDA0003830072390000062
其中R’是
Figure BDA0003830072390000063
其中R”和R”’各自独立地选自-H、-CH3和-CH2CH3。
在此实施例中，杂环电子受体单元上未取代的亚胺氮和R电子给体单元上的氮皆可被质子化。此外，质子化的亚胺氮也可被去质子化。
本发明第二实施例中，提供了一种AIE探针。AIE探针包含表现出聚集诱导发光特性的化合物，其中所述化合物包含主链结构：
Figure BDA0003830072390000064
其中R选自以下组合:
Figure BDA0003830072390000065
Figure BDA0003830072390000071
其中R’选自以下组合:
Figure BDA0003830072390000072
其中R”、R”’、R””、R””’各自独立地选自-H、-CH3和-CH2CH3。
在此实施例中，杂环电子受体单元和R电子给体单元可以被质子化(protonated)[或质子加载(proton loaded)]。此外，质子化杂环电子受体单元和R电子给体单元也可以去质子化(deprotonated)[或质子卸除(proton unloaded)]。在本发明中，“质子化”和“质子加载”可以互换使用；“去质子化”和“质子卸除”可以互换使用。
实施例中，质子化的杂环电子受体单元引起光吸收和光发射的可检测红移。质子化的R电子给体单元引起光吸收和光发射的可检测蓝移。
去质子化的杂环电子受体单元引起光吸收和光发射的可检测蓝移。去质子化的R电子给体单元导致光吸收和光发射的可检测红移。
在此实施例的一个范例中，AIE探针在暴露于胺时表现出聚集诱导发光，例如气态胺。
在第三个实施例中，提供了一种检测样品中食物腐败的方法。前述方法包括：
将本发明的AIE探针施用于样品；
施用AIE探测后等待一段时间；以及，
通过测量光发射来检测食物腐败的情况。
在本实施例中，将AIE探针施用于样品之前，可以先将AIE探针加载到固体基质(例如滤纸条)上。
此外，光发射可以是UV激发的吸收颜色变化和/或荧光放射响应。
该实施例的一个示例中，还包括通过观察吸收颜色变化和/或荧光放射颜色变化来确定食品安全性。
在第四实施例中，提供了一种检测样品中食物腐败的方法。该方法包括：
将本发明的AIE探针施用于包装样品；
等待第一时间段，此时腐败样品产生气态胺，并且气态胺的浓度随时间和/或温度增加，达到第一阈值浓度；
前述AIE探针暴露于前述第一阈值浓度下，转变颜色为响应于第一阈值浓度的第一颜色，用来检测食物的腐败级别1；
等待第二时间段，腐败样品中继续产生气态胺，进而达到第二阈值浓度，此浓度大于第一阈值浓度；和
相同的AIE探针持续暴露于前述第二阈值浓度下，AIE探针转变颜色为响应于第二阈值浓度的第二颜色，用来检测食物的腐败级别2。
在本实施例中，在将AIE探针施用于样品之前，可以先将AIE探针加载到固体基质(例如滤纸条)上。
此外，第二颜色不同于第一颜色。
而且，“转变为第一颜色”是响应于紫外激发的吸收颜色和/或荧光放射变化；“转变为第二种颜色”是响应于紫外激发的吸收颜色和/或荧光放射变化。
在本实施例的一个示例中，还包括通过观察吸收颜色变化和/或荧光放射颜色变化来确定食品安全性。
第五实施例中，提供了一种用于监测食品安全的试剂盒。前述试剂盒包括：本发明的AIE探针和固体基质，其中将AIE探针装载到固体基质(例如滤纸条)上和包装食品中。
第六个实施方案中，提供了一种发光杂化纳米复合材料，其包含本发明的AIE探针和白蛋白。
提供以下实施例以进一步说明和促进对本专利技术的理解，并且不以任何方式故意限制本发明。
范例
范例一、合成二氢喹喔啉衍生物
ASQ是由3-甲基-2(1H)-喹喔啉和4-(二甲氨基)苯甲醛衍生物进行缩合反应合成取得。下面提供示范例及反应过程：
Figure BDA0003830072390000091
在圆底烧瓶中加入1.6克的3-甲基-2(1H)-喹喔啉和1.49克的4-(二甲氨基)苯甲醛混合并加热至160℃，之后将5毫升哌啶加入此混合物中。会观察到混合物由淡黄色迅速变红，10分钟后将50毫升乙醇加入混合物中。然后过滤悬浮液并用乙醇(15毫升×3)洗涤固体产物。洗涤后的产物通过管柱层析进一步纯化。ASQ的化学结构和纯度通过核磁共振(NMR)和高分辨率质谱(HRMS)技术进行确认(如图1和2)。
范例二、ASQ的AIE特性
ASQ的AIE特性在以乙醇和水的混合溶液中被量测，水当作不良溶剂被加入ASQ的乙醇溶液中。因为溶液极性的增加(图3，fw＝0～60％)，一开始光激放光强度会减少且光谱会红移。，随着聚集体数的增加，放光强度会增强(图3，fw＝60～70％)。
范例三、ASQ的白蛋白检测
白蛋白是血液中具有多个极性或非极性结合位点的基质载体。ASQ是白蛋白的合适基质。当白蛋白添加进含ASQ的PBS缓冲溶液中时，发射将大幅增强(图4A)。荧光强度和白蛋白浓度之间存在非常好的线性关系(图4B)。同时，ASQ对白蛋白具有良好的选择性，因为它与其他常见的生物分子(如血红蛋白)不会接合产生放光(图4C)。
范例四、ASQ对质子化/pH的响应
在溶液状态或固态下，ASQ在连续添加三氟乙酸(trifluoroacetic acid，TFA)或气态TFA时准确显示两种外观颜色和荧光放射变化(图5A/C)。该过程通过添加三乙基胺(trimethylamine，TEA)或气态TEA来逆转。图5B和5D显示出依序的质子化过程中吸收和荧光放射变化。二氯甲烷中ASQ的在445nm(λab@445nm)处有一个吸收峰，在570nm(λf@570nm)处有一个荧光放射峰。当[TFA]/[ASQ]比值从0增加到200左右时，445nm吸收峰逐渐下降；而在643nm的吸收峰上升；570nm荧光放射峰也下降，但447nm的荧光放射峰将增强。当[TFA]/[ASQ]比值从1500进一步增加到65000时，643nm吸收峰下降，435nm吸收峰增加。似乎吸收光谱逐渐切换回初始模式，荧光放射光谱呈现类似的“向后”偏移，即447nm荧光放射峰下降而512nm荧光放射峰增加。总之，在降低pH值时，荧光放射先蓝移，然后红移，因此对质子化刺激产生非单调响应。
实施例5、ASQ的生物胺气体检测
ASQ可以作为挥发性碱性气体例如生物胺气体的传感器。蛋白质变质时会产生具臭味的胺类物质，这是食物变质的指标。预酸化的ASQ-2H+外观呈黄色并发出黄色荧光放射。当被ASQ-2H+染色的试纸暴露在氨气环境中时，ASQ-2H+开始逐渐去质子化，变为ASQ-H+，呈现外观蓝色和蓝色荧光放射，然后是橙色和橙色荧光放射的ASQ(图6A)。非单调变化的两种趋势可以帮助人们以简明的方式区分易腐食品的新鲜度。使用可食用的鲑鱼肉和去内脏的死鱼作为示范，在相同条件下存放24小时后，鲑鱼肉包装试纸呈蓝色，死鱼包装试纸呈橙色，说明变质死鱼产生的胺含量较高(图6B)。因此，与以往报道只观察到一种颜色或强度变化趋势不同，ASQ系统不仅可以告诉我们食物是否变质，还可以通过明显的颜色变化梯度显示食物变质的严重程度。在这种情况下，非单调S/R系统肯定能比正常的单调S/R系统提供更多信息。
以上实施例仅用于说明本发明的原理，不应理解为对本专利发明的任何限制。上述实施例可以由本领域普通技术人员调整而不背离如以下所附权利要求所限定的本专利发明的范围。

Claims (20)

1.一种AIE探针，其包含表现出聚集诱导发光(AIE)特性的化合物，其中所述化合物包含主链结构：
Figure FDA0003830072380000011
其中R选自以下组合:
Figure FDA0003830072380000012
其中R’由以下基团组成：
Figure FDA0003830072380000013
其中R”、R”’、R””、R””’各自独立地选自-H、-CH3和-CH2CH3。
2.根据权利要求1所述的AIE探针，其特征在于，所述化合物包含主链结构：
Figure FDA0003830072380000014
其中R选自以下组合:
Figure FDA0003830072380000021
其中R’是
Figure FDA0003830072380000022
其中R”和R”’各自独立地选自-H、-CH3和-CH2CH3。
3.根据权利要求2所述的AIE探针，其特征在于，杂环电子受体单元上的未取代亚胺氮和R电子给体单元上的氮可以被质子化。
4.根据权利要求1所述的AIE探针，其特征在于，杂环电子受体单元和所述R电子给体单元可以被质子化。
5.根据权利要求4所述的AIE探针，其特征在于，杂环电子受体单元被质子化将引起光吸收和光发射的可检测红移。
6.根据权利要求4所述的AIE探针，其特征在于，R电子给体单元被质子化将引起光吸收和光发射的可检测蓝移。
7.根据权利要求4所述的AIE探针，其特征在于，杂环电子受体单元去质子化发生光吸收和光发射的可检测蓝移。
8.根据权利要求4所述的AIE探针，其特征在于，R电子给体单元去质子化发生光吸收和光发射的可检测红移。
9.根据权利要求1所述的AIE探针，其特征在于，所述AIE探针在暴露于胺时表现出聚集诱导发光。
10.根据权利要求9所述的AIE探针，其特征在于，所述胺是气态胺。
11.一种检测样品中食物腐败方法，包括：
将权利要求1的AIE探针施用于样品；
施予AIE探测后等待一段时间；以及，
通过测量光发射来检测食物腐败的情况。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述AIE探针施用于所述样品之前将AIE探针加载到固体基质上。
13.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述光发射是吸收颜色变化。
14.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述光发射是响应于UV激发的荧光放射。
15.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，还包括通过观察吸收颜色变化和/或荧光放射颜色变化来确定食品安全性。
16.一种检测包装样品中食品腐败变质的方法，包括：
将权利要求1的AIE探针施用于包装样品；
等待一第一时间段，此时腐败样品产生气态胺，并且气态胺的浓度随时间和/或温度增加，达到一第一阈值浓度；
权利要求1的AIE探针暴露于前述第一阈值浓度下，转变颜色为响应于第一阈值浓度的第一颜色，用来检测食物的腐败级别1；
等待一第二时间段，腐败样品中继续产生气态胺，进而达到一第二阈值浓度，此浓度大于第一阈值浓度；和
相同的AIE探针持续暴露于前述第二阈值浓度下，AIE探针转变颜色为响应于第二阈值浓度的第二颜色，用来检测食物的腐败级别2。
17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，所述AIE探针施用于所述样品之前将所述AIE探针加载到固体基质上。
18.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，所述第二颜色不同于所述第一颜色。
19.一种用于监测食品安全的试剂盒，包括：如权利要求1所述的AIE探针和固体基底，其中AIE探针装载在固体基底和包装食品上。
20.一种光放射杂化纳米复合材料，包含权利要求1的AIE探针和白蛋白。
CN202180018816.5A 2020-03-02 2021-03-02 聚集诱导发光探针及其应用 Pending CN115280136A (zh)

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