CN117820196A - 一种基于偶氮杯芳烃的自包结荧光探针及应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于偶氮杯芳烃自包结荧光探针及应用,具有ICG‑SAC4A或IR780‑SAC4A特征。基于偶氮杯芳烃的乏氧响应特性和对多种染料分子的出色结合能力,以偶氮杯芳烃为基础设计了具有乏氧响应的自包结荧光探针。它不仅可以实现复杂环境中荧光探针的分子水平保护,还能在乏氧情况下有效触发染料分子释放,以满足精准成像的需求。将ICG和IR780分别与偶氮杯芳烃共价连接得到自包结荧光探针ICG‑SAC4A和IR780‑SAC4A。与常规染料相比,基于偶氮杯芳烃的自包结荧光探针可以有效提高染料的稳定性并赋予其乏氧响应性。
Description
技术领域
本发明属于纳米超分子材料技术领域,涉及超分子主客体相互作用。基于偶氮杯芳烃的乏氧响应特性和对多种染料的出色结合能力,以偶氮杯芳烃为基础设计了具有乏氧响应的自包结荧光探针。它不仅可以实现复杂环境中荧光探针的分子水平保护,还能在乏氧情况下有效触发染料的释放,以满足精准成像的需求。
背景技术
花菁染料是荧光成像常用的探针之一。它是由两个氮原子为杂环核组成的,具有荧光稳定、摩尔吸收系数大和荧光量子产率高等优点。常见的花菁染料有ICG和IR780,其最大吸收、发射波长均在近红外区,这使其在荧光成像的诊断和治疗方面得到了广泛的应用。但ICG和IR780依旧面临着水性介质中稳定性差,光稳定性差和急性毒性等问题(参见:W.J. Shan, R. H. Chen, Q. Zhang, J. Zhao, B. B. Chen, X. Zhou, S. F. Ye, S. l.Bi, L. M. Nie, L. Ren, Adv. Mater., 2018, 30, 1707567)。
利用主客体识别的非共价相互作用可以提高花菁类染料的稳定性并降低其生物毒性,但由于稀释效应和生物干扰物导致的主客体解离限制了染料的保护效率。本工作将花菁染料与偶氮杯芳烃共价连接,以自包结的策略不仅实现复杂水平中稳定的染料分子水平保护,还能够在乏氧情况下触发染料分子释放,满足了荧光探针的精准成像需求。
发明内容
本发明的目的是通过花菁类染料与偶氮杯芳烃共价连接,以非浓度依赖的自包结策略实现了稳定的分子水平保护,有效提高了染料的化学稳定性和光稳定性。同时,在乏氧情况下有效触发探针分子释放,满足了精准成像的需求。
实现本发明的技术方案为:
一种偶氮杯芳烃的自包结荧光探针,具有如下的特征:ICG-SAC4A或IR780-SAC4A;
ICG和IR780与偶氮杯芳烃共价连接得到自包结荧光探针ICG-SAC4A或IR780-SAC4A。
本发明进一步公开了所述基于偶氮杯芳烃自包结荧光探针的制备方法,其特征在于按如下的步骤进行:
(1)NH2-PEG-CSAC4A的合成
将单羧基三磺酸偶氮杯[4]芳烃(200 mg,0.18 mmol)溶于N,N-二甲基甲酰胺(25ml)中,将N,N-二异丙基乙胺(44 mg,0.34 mmol)和2-(7-氮杂苯并三氮唑)-N,N,N',N'-四甲基脲六氟磷酸酯(78 mg,0.21 mmol),依次加入N,N-二甲基甲酰胺溶液中,并在室温下搅拌30分钟。将 [2-(2-氨基乙氧基)乙基]氨基甲酸叔丁酯(45 mg,0.22 mmol)加入反应体系中,并将混合物在室温下搅动12小时。在真空中除去溶剂后,获得红色粉末。将红色粉末溶于二甲基亚砜(40 ml)中,再加入三氟乙酸(8 ml),室温搅拌6小时;真空脱溶剂后,将产物在水和甲醇中重结晶,得到产物207 mg,收率90%;
(2)ICG-SAC4A的合成
将染料ICG(386 mg,0.68 mmol)溶于N,N-二甲基甲酰胺(25 ml)中,将N-羟基丁二酰亚胺(232 mg,2.02 mmol)和1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳酰二亚胺(157 mg,1.01mmol),依次加入N,N-二甲基甲酰胺溶液中,并在室温下搅拌30分钟。将NH2-PEG-CSAC4A(690 mg,0.57 mmol)加入反应体系中,在氮气保护下将混合物在室温下搅动12小时。在真空中除去溶剂后,将粗产物在水和甲醇中重结晶,获得ICG-SAC4A 676 mg,收率65%;
(3)IR780-SAC4A的合成
将染料IR780(368 mg,0.68 mmol)溶于N,N-二甲基甲酰胺(25 ml)中,将N-羟基丁二酰亚胺(232 mg,2.02 mmol)和1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳酰二亚胺(157 mg,1.01mmol),依次加入N,N-二甲基甲酰胺溶液中,并在室温下搅拌30分钟。将NH2-PEG-CSAC4A(690 mg,0.57 mmol)加入反应体系中,在氮气保护下将混合物在室温下搅动12小时。在真空中除去溶剂后,将粗产物在水和甲醇中重结晶,获得IR780-SAC4A 697 mg,收率68%;
本发明同时公开了所述基于偶氮杯芳烃自包结荧光探针在提高荧光探针稳定性方面的应用;所述的自包结探针指的是:ICG-SACC4A或IR780-SAC4A, 以及基于偶氮杯芳烃自包结探针在乏氧情况下精准成像的应用;所述的自包结探针指的是:ICG-SAC4A或IR780-SAC4A,实验结果显示:ICG-SAC4A或IR780-SAC4A有效提高了染料的化学稳定性和光稳定性。同时,在乏氧情况下有效触发探针分子释放,满足了精准成像的需求。
本发明更加详细的描述如下:
一种基于偶氮杯芳烃的自包结探针制备方法,有以下步骤:
(1)ICG的合成
反应瓶内加入1H -苯并[e]吲哚,3-(羧甲基)-1,1,2-三甲基-溴(1:1)(352 mg,1.01 mmol)、戊二烯醛缩二苯胺盐酸盐(288 mg,1.01 mmol),用乙酸酐/乙酸(5.0 ml/5.0ml)溶解。在混合均匀后,回流反应4小时。反应完成后,减压旋蒸得到反应混合物399 mg。将上述反应混合物溶于吡啶/乙酸(5.0 ml/5.0 ml),加入3-乙基-1,1,2-三甲基-1H-苯并[e]吲哚-3-碘化物(360 mg,1.01 mmol)。在混合均匀后,回流反应2小时。反应完成后,减压旋蒸得到混合物,通过硅胶柱色谱(二氯甲烷/甲醇 = 30:1)纯化后,得到ICG 366 mg,收率36%;
(2)IR780的合成
反应瓶内加入3H-吲哚,3H-吲哚,1-(羧甲基)-2,3,3-三甲基溴(1:1)(563 mg,1.89 mmol)、 2-氯-3-(羟基亚甲基)-环己-1-烯甲醛(380 mg,2.20 mmol)和醋酸钠(180mg,2.20 mmol),用无水乙醇(25 ml)溶解。在混合均匀后,在氮气保护下,加热至70 摄氏度,反应1.5小时。冷却至室温后,减压旋蒸得到反应混合物。通过硅胶柱色谱法(二氯甲烷/甲醇 = 30:1)纯化,得到红色固体316 mg 。将上述红色固体与1-乙基-2,3,3-三甲基吲哚碘鎓(596 mg,1.89 mmol)在甲苯/1-丁醇(7.0 ml/5.0 ml)中混合。将混合物加热至120 摄氏度,在氮气保护下回流8小时。反应完成并冷却至室温后,通过硅胶柱色谱(二氯甲烷/甲醇 = 30:1)纯化后,得到IR780 460 mg,收率45%;
(3)偶氮杯[4]芳烃NH2-PEG-CSAC4A的合成
杯[4]芳烃(C4A)的合成
根据文献报道的方案合成杯[4]芳烃(C4A)(参见:S.-Y. Yao, K. Cai, D.-S.Guo, Acta Polym. Sin., 2022, 53, 1271-1278.);
单羧基偶氮杯[4]芳烃(MCAC4A)的合成
根据文献报道的方案合成单羧基偶氮杯[4]芳烃(MCAC4A)(参见:S.-Y. Yao, K.Cai, D.-S. Guo, Acta Polym. Sin., 2022, 53, 1271-1278.);
单羧基三磺酸偶氮杯[4]芳烃(CSAC4A)的合成
根据文献报道的方案合成单羧基三磺酸偶氮杯[4]芳烃(CSAC4A)(参见:S.-Y.Yao, K. Cai, D.-S. Guo, Acta Polym. Sin., 2022, 53, 1271-1278.);
NH2-PEG-CSAC4A的合成
将单羧基三磺酸偶氮杯[4]芳烃(200 mg,0.18 mmol)溶于N,N-二甲基甲酰胺(25ml)中,将N,N-二异丙基乙胺(44 mg,0.34 mmol)和2-(7-氮杂苯并三氮唑)-N,N,N',N'-四甲基脲六氟磷酸酯(78 mg,0.21 mmol),依次加入N,N-二甲基甲酰胺溶液中,并在室温下搅拌30分钟。将 [2-(2-氨基乙氧基)乙基]氨基甲酸叔丁酯(45 mg,0.22 mmol)加入反应体系中,并将混合物在室温下搅动12小时。在真空中除去溶剂后,获得红色粉末。将红色粉末溶于二甲基亚砜(40 ml)中,再加入三氟乙酸(8 ml),室温搅拌6小时。真空脱溶剂后,将产物在水和甲醇中重结晶,得到红色产物207 mg,收率90%;
(4)ICG-SAC4A的合成
将染料ICG(386 mg,0.68 mmol)溶于N,N-二甲基甲酰胺(25 ml)中,将N-羟基丁二酰亚胺(232 mg,2.02 mmol)和1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳酰二亚胺(157 mg,1.01mmol),依次加入N,N-二甲基甲酰胺溶液中,并在室温下搅拌30分钟。将NH2-PEG-CSAC4A(690 mg,0.57 mmol)加入反应体系中,在氮气保护下将混合物在室温下搅动12小时。在真空中除去溶剂后,将粗产物在水和甲醇中重结晶,获得ICG-SAC4A 676 mg,收率65%;
(5)IR780-SAC4A的合成
将染料IR780(368 mg,0.68 mmol)溶于N,N-二甲基甲酰胺(25 ml)中,将N-羟基丁二酰亚胺(232 mg,2.02 mmol)和1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳酰二亚胺(157 mg,1.01mmol),依次加入N,N-二甲基甲酰胺溶液中,并在室温下搅拌30分钟。将NH2-PEG-CSAC4A(690 mg,0.57 mmol)加入反应体系中,在氮气保护下将混合物在室温下搅动12小时。在真空中除去溶剂后,将粗产物在水和甲醇中重结晶,获得IR780-SAC4A 697 mg,收率68%;
本发明公开的基于偶氮杯芳烃的自包结荧光探针及其应用所具有的积极效果在于:
本发明通过花菁类染料与偶氮杯芳烃共价连接,以非浓度依赖自包结策略实现了稳定的染料分子水平保护,有效提高了染料的化学稳定性和光稳定性。同时,在乏氧情况下有效触发探针分子释放,满足了精准成像的需求。
附图说明
图1为ICG-SAC4A的核磁氢谱;
图2为IR780-SAC4A的核磁氢谱;
图3为荧光滴定测定单羧基三磺酸偶氮杯[4]芳烃对ICG的络合作用;其中左图为荧光滴定图,右图为荧光滴定数据拟合曲线及结果;
图4为荧光滴定测定单羧基三磺酸偶氮杯[4]芳烃对IR780的络合作用;其中左图为荧光滴定图,右图为荧光滴定数据拟合曲线及结果;
图5为荧光滴定测定单羧基三磺酸偶氮杯[4]芳烃对硅酞菁的络合作用;其中左图为荧光滴定图,右图为荧光滴定数据拟合曲线及结果;
图6为荧光滴定测定ICG-SAC4A对硅酞菁的络合作用;其中左图为荧光滴定图,右图为荧光滴定数据拟合曲线及结果;
图7为荧光滴定测定IR780-SAC4A对硅酞菁的络合作用;其中左图为荧光滴定图,右图为荧光滴定数据拟合曲线及结果;
图8为自包结结合常数结果;
图9为ICG、ICG@CSAC4A和ICG-SAC4A在水,10%胎牛血清干扰物中以及在808 nm激光照射下的稳定性结果;
图10为IR780、IR780@CSAC4A和IR780-SAC4A在水中,10%胎牛血清干扰物以及在808 nm激光照射下的稳定性结果;
图11为ICG、ICG@CSAC4A、ICG-SAC4A以及IR780、IR780@CSAC4A IR780-SAC4A在常氧和乏氧条件下细胞成像结果及荧光量化图。
实施方式
下面通过具体的实施方案叙述本发明。除非特别说明,本发明中所用的技术手段均为本领域技术人员所公知的方法。另外,实施方案应理解为说明性的,而非限制本发明的范围,本发明的实质和范围仅由权利要求书所限定。对于本领域技术人员而言,在不背离本发明实质和范围的前提下,对这些实施方案中的物料成分和用量进行的各种改变或改动也属于本发明的保护范围。本发明所用原料及试剂均有市售。
将共价方式与非共价方式结合,染料与偶氮杯芳烃共价连接,以非浓度依赖自包结策略,实现了稳定的染料分子水平保护,有效提高了染料的化学稳定性和光稳定性。同时,在乏氧情况下有效触发探针分子释放,满足了精准成像的需求。以偶氮杯芳烃和染料为自包结荧光探针的构筑单元。
制备步骤如下:
实施例
ICG和IR780的合成
反应瓶内加入1H -苯并[e]吲哚,3-(羧甲基)-1,1,2-三甲基-溴(1:1)(352 mg,1.01 mmol)、戊二烯醛缩二苯胺盐酸盐(288 mg,1.01 mmol),用乙酸酐/乙酸(5.0 ml/5.0ml)溶解。在混合均匀后,回流反应4小时。反应完成后,减压旋蒸得到反应混合物399 mg。将上述反应混合物溶于吡啶/乙酸(5.0 ml/5.0 ml),加入3-乙基-1,1,2-三甲基-1H-苯并[e]吲哚-3-碘化物(360 mg,1.01 mmol)。在混合均匀后,回流反应2小时。反应完成后,减压旋蒸得到混合物,通过硅胶柱色谱(二氯甲烷/甲醇 = 30:1)纯化后,得到ICG 366 mg,收率36%;
反应瓶内加入3H-吲哚,3H-吲哚,1-(羧甲基)-2,3,3-三甲基溴(1:1)(563 mg,1.89 mmol)、 2-氯-3-(羟基亚甲基)-环己-1-烯甲醛(380 mg,2.20 mmol)和醋酸钠(180mg,2.20 mmol),用无水乙醇(25 ml)溶解。在混合均匀后,在氮气保护下,加热至70 摄氏度,反应1.5小时。冷却至室温后,减压旋蒸得到反应混合物。通过硅胶柱色谱法(DCM/MeOH=30:1)纯化,得到红色固体316 mg 。将上述红色固体与1-乙基-2,3,3-三甲基吲哚碘鎓(596mg,1.89 mmol)在甲苯/1-丁醇(7.0 ml/5.0 ml)中混合。将混合物加热至120 摄氏度,在氮气保护下回流8小时。反应完成并冷却至室温后,通过硅胶柱色谱(二氯甲烷/甲醇 = 30:1)纯化后,得到IR780 460 mg,收率45%。
实施例
NH2-PEG-CSAC4A的合成
杯[4]芳烃(C4A)的合成
根据文献报道的方案合成杯四芳烃(C4A)(参见:S.-Y. Yao, K. Cai, D.-S.Guo, Acta Polym. Sin., 2022, 53, 1271-1278.);
单羧基偶氮杯[4]芳烃(MCAC4A)的合成
根据文献报道的方案合成单羧基偶氮杯[4]芳烃(MCAC4A)(参见:S.-Y. Yao, K.Cai, D.-S. Guo, Acta Polym. Sin., 2022, 53, 1271-1278.);
单羧基三磺酸偶氮杯[4]芳烃(CSAC4A)的合成
根据文献报道的方案合成单羧基三磺酸杯[4]芳烃(CSAC4A)(参见:S.-Y. Yao,K. Cai, D.-S. Guo, Acta Polym. Sin., 2022, 53, 1271-1278.);
NH2-PEG-CSAC4A的合成
将单羧基三磺酸偶氮杯[4]芳烃(200 mg,0.18 mmol)溶于N,N-二甲基甲酰胺(25ml)中,将N,N-二异丙基乙胺(44 mg,0.34 mmol)和2-(7-氮杂苯并三氮唑)-N,N,N',N'-四甲基脲六氟磷酸酯(78 mg,0.21 mmol),依次加入N,N-二甲基甲酰胺溶液中,并在室温下搅拌30分钟。将 [2-(2-氨基乙氧基)乙基]氨基甲酸叔丁酯(45 mg,0.22 mmol)加入反应体系中,并将混合物在室温下搅动12小时。在真空中除去溶剂后,获得红色粉末。将红色粉末溶于二甲基亚砜(40 ml)中,再加入三氟乙酸(8 ml),室温搅拌6小时。真空脱溶剂后,将产物在水和甲醇中重结晶,得到红色产物207 mg,收率90%;
实施例
ICG-SAC4A和IR780-SAC4A的合成
将染料ICG(386 mg,0.68 mmol)溶于N,N-二甲基甲酰胺(25 ml)中,将N-羟基丁二酰亚胺(232 mg,2.02 mmol)和1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳酰二亚胺(157 mg,1.01mmol),依次加入N,N-二甲基甲酰胺溶液中,并在室温下搅拌30分钟。将NH2-PEG-CSAC4A(368 mg,0.68 mmol)加入反应体系中,在氮气保护下将混合物在室温下搅动12小时。在真空中除去溶剂后,将粗产物在水和甲醇中重结晶,获得ICG-SAC4A 676 mg,收率65%;
将染料IR780(368 mg,0.68 mmol)溶于N,N-二甲基甲酰胺(25 ml)中,将N-羟基丁二酰亚胺(232 mg,2.02 mmol)和1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳酰二亚胺(157 mg,1.01mmol),依次加入N,N-二甲基甲酰胺溶液中,并在室温下搅拌30分钟。将NH2-PEG-CSAC4A(368 mg,0.68 mmol)加入反应体系中,在氮气保护下将混合物在室温下搅动12小时。在真空中除去溶剂后,将粗产物在水和甲醇中重结晶,获得IR780-SAC4A 697 mg,收率68%;
单羧基三磺酸偶氮杯[4]芳烃与ICG的键合常数测定:选择罗丹明为荧光探针,罗丹明可以被单羧基三磺酸偶氮杯[4]芳烃包结,同时淬灭其荧光,当染料与单羧基三磺酸偶氮杯[4]芳烃络合后,罗丹明被替换出单羧基三磺酸偶氮杯[4]芳烃空腔,荧光恢复。石英池子中加入罗丹明和单羧基三磺酸偶氮杯[4]芳烃的混合溶液。配制含有和石英池子里相同浓度的罗丹明和单羧基三磺酸偶氮杯[4]芳烃,以及ICG溶液。将该溶液滴加到石英池子中,记录滴加之前和每一次滴加之后的荧光变化 (激发波长为578纳米)。利用竞争拟合公式进行拟合。利用同样的方法,测定了单羧基三磺酸偶氮杯[4]芳烃对IR780的络合情况(图3,图4)。
单羧基三磺酸偶氮杯[4]芳烃与硅酞菁的键合常数测定:硅酞菁可以被单羧基三磺酸偶氮杯[4]芳烃包结,同时淬灭其荧光。石英池子中加入一定浓度的硅酞菁溶液。配制不同浓度的单羧基三磺酸偶氮杯[4]芳烃溶液。将该溶液直接滴加到石英池子中,记录滴加之前和每一次滴加之后的荧光变化 (激发波长为691纳米)。利用拟合公式进行拟合 利用同样的方法,测定了ICG-SAC4A和IR780-SAC4A对硅酞菁的络合情况(图5,图6,图7)。
自包结结合常数的计算:根据文献报道的公式计算 (参见:H. Wu, T. Xia, F.L. Qi, S. Mei, Y. Xia, J. F. Xu, X Zhang CCS Chem., 2023, 5, 823-829.)(图8)。
ICG、ICG@CSAC4A、ICG-SAC4A在水、10%胎牛血清、808 nm光照射下的稳定性测定:在不同条件下(水、10%胎牛血清、808nm光照)花菁染料主客体包结组(ICG@CSAC4A和IR780@CSAC4A)可以有效提高染料的稳定性;自包结组(ICG-SAC4A和IR780-SAC4A)在主客体包结的基础上,进一步提高了染料的稳定性(图9,图10)。
细胞成像测定:根据细胞成像数据量化得平均荧光强度,可以得到偶氮杯芳烃具有明显的乏氧响应特性;自包结组(ICG-SAC4A和IR780-SAC4A)防泄漏效果最好且明显优于常规主客体对组(ICG@CSAC4A和IR780@CSAC4A) (图11)。
以上所述的仅是本发明的优选实施方式,应当指出,对于本领域的普通技术人员来说,在不脱离发明构思的前提下,还可以做出若干变形和改进,这些都属于本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种偶氮杯芳烃的自包结荧光探针,具有如下的特征:ICG-SAC4A或IR780-SAC4A;
2.权利要求1所述一种偶氮杯芳烃的自包结荧光探针的制备方法,其特征在于按如下的步骤进行:
(1)NH2-PEG-CSAC4A的合成
将单羧基三磺酸偶氮杯[4]芳烃(200 mg,0.18 mmol)溶于N,N-二甲基甲酰胺(25 ml)中,将N,N-二异丙基乙胺(44 mg,0.34 mmol)和2-(7-氮杂苯并三氮唑)-N,N,N',N'-四甲基脲六氟磷酸酯(78 mg,0.21 mmol),依次加入N,N-二甲基甲酰胺溶液中,并在室温下搅拌30分钟。将[2-(2-氨基乙氧基)乙基]氨基甲酸叔丁酯(45 mg,0.22 mmol)加入反应体系中,并将混合物在室温下搅动12小时。在真空中除去溶剂后,获得红色粉末。将红色粉末溶于二甲基亚砜(40 ml)中,再加入三氟乙酸(8 ml),室温搅拌6小时;真空脱溶剂后,将产物在水和甲醇中重结晶,得到产物207 mg,收率90%;
(2)ICG-SAC4A的合成
将染料ICG(386 mg,0.68 mmol)溶于N,N-二甲基甲酰胺(25 ml)中,将N-羟基丁二酰亚胺(232 mg,2.02 mmol)和1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳酰二亚胺(157 mg,1.01 mmol),依次加入N,N-二甲基甲酰胺溶液中,并在室温下搅拌30分钟。将NH2-PEG-CSAC4A(690 mg,0.57 mmol)加入反应体系中,在氮气保护下将混合物在室温下搅动12小时。在真空中除去溶剂后,将粗产物在水和甲醇中重结晶,获得ICG-SAC4A 676 mg,收率65%;
(3)IR780-SAC4A的合成
将染料IR780(368 mg,0.68 mmol)溶于N,N-二甲基甲酰胺(25 ml)中,将N-羟基丁二酰亚胺(232 mg,2.02 mmol)和1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳酰二亚胺(157 mg,1.01mmol),依次加入N,N-二甲基甲酰胺溶液中,并在室温下搅拌30分钟。将NH2-PEG-CSAC4A(690 mg,0.57 mmol)加入反应体系中,在氮气保护下将混合物在室温下搅动12小时。在真空中除去溶剂后,将粗产物在水和甲醇中重结晶,获得IR780-SAC4A 697 mg,收率68%。
3.权利要求1所述基于偶氮杯芳烃的自包结荧光探针在用于提高荧光探针稳定性方面的应用。
4.权利要求1所述基于偶氮杯芳烃的自包结荧光探针在用于乏氧情况下精准成像方面的应用。
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