蔣 琳，蔡麗波，周 歡，王嬋娟，章明芳，董 琳，尹守春

(杭州師范大學(xué)材料與化學(xué)化工學(xué)院，浙江 杭州 310036)

新型BODIPY熒光探針的光譜性能研究

蔣 琳，蔡麗波，周 歡，王嬋娟，章明芳，董 琳，尹守春

(杭州師范大學(xué)材料與化學(xué)化工學(xué)院，浙江 杭州 310036)

設(shè)計合成了一種新型的BODIPY近紅外熒光探針分子1，并采用紫外-可見吸收光譜、熒光光譜研究了其對各種金屬離子的響應(yīng).結(jié)果表明：在乙腈溶液中，采用630 nm激發(fā)波長時，在所有的檢測金屬離子(Na+, K+, Mg2+, Ca2+, Ba2+, Cu2+, Zn2+, Cd2+, Fe2+, Pb2+, Ni2+, Co2+, Hg2+，Ag+)中，1對Cu2+具有高度選擇性；Cu2+的加入導(dǎo)致1的乙腈溶液在636 nm處顯示一個很強(qiáng)的紅色吸收峰，在662 nm處顯示一個很強(qiáng)的熒光發(fā)射峰；同時，由于發(fā)生了顯著的顏色變化，1也可以作為對Cu2+的比色傳感器.

BODIPY；熒光探針；Cu2+

0 引 言

Cu2+是生物體系中不可缺少的過渡金屬離子，在有機(jī)體的許多基礎(chǔ)生理過程中起著核心作用.如果人體中Cu2+含量不足，將會引起一些神經(jīng)性的疾病，如門克斯病、威爾遜病和阿爾茲海默氏癥[1].Cu2+也是現(xiàn)代環(huán)境污染的重要來源[2].因此，在過去的幾十年里，科學(xué)家們一直致力于設(shè)計發(fā)展用來檢測Cu2+的熒光化學(xué)傳感器.目前，大多數(shù)已報道的Cu2+熒光探針是以“關(guān)閉”(即淬滅)模式進(jìn)行工作的，這主要是因為Cu2+具有順磁性.從靈敏度的角度而言，金屬離子絡(luò)合后導(dǎo)致熒光增強(qiáng)(“開啟”)的熒光探針比那些金屬離子絡(luò)合后導(dǎo)致熒光淬滅(“關(guān)閉”)的靈敏度更高[3-5].雖然最近已報道了一些對Cu2+具有選擇性“開啟”響應(yīng)的熒光探針[6-9].但是這些熒光探針分子在實踐應(yīng)用中還有些缺陷，如對其它金屬離子的交叉靈敏性和熒光量子產(chǎn)率較低.因此，發(fā)展新的對Cu2+具有選擇性的“開啟”熒光探針是非常重要和必要的.

BODIPY(4,4-二氟-4-硼-3a,4a-二氮雜-s-引達(dá)省)是一類性能優(yōu)異的熒光染料，其在可見光區(qū)域有尖而強(qiáng)的吸收和發(fā)射、高的摩爾吸收系數(shù)和熒光量子產(chǎn)率，對光和化學(xué)有較好的穩(wěn)定性.而且BODIPY熒光染料易于進(jìn)行化學(xué)結(jié)構(gòu)修飾，這可使其吸收和發(fā)射譜帶紅移至紅外或近紅外區(qū)[10].在這個波長范圍的熒光探針由于減弱了生物體自身的熒光發(fā)射和對活細(xì)胞的光損傷，非常適合于對細(xì)胞進(jìn)行檢測[11].

筆者曾合成了一種含BODIPY和二(2-甲基吡啶)胺的熒光染料分子1(圖1)，并研究了其分子內(nèi)能量轉(zhuǎn)移性能[12].由于二(2-甲基吡啶)胺可以與許多金屬離子發(fā)生配位作用，因此本文將研究熒光染料分子1對金屬離子的響應(yīng)性能.

圖1 化合物1的結(jié)構(gòu)式Fig. 1 The structure of compound 1

1 實驗部分

1.1 主要實驗試劑

金屬鹽：AgClO4, Ba(ClO4)2, Ca(ClO4)2, Cd(ClO4)2, Co(OAc)2·4H2O, Cu(ClO4)2·6H2O, FeCl2·4H2O, Hg(ClO4)2, KClO4, Mg(ClO4)2，NaClO4, Ni(ClO4)2·6H2O, Pb(ClO4)2·3H2O和Zn(ClO4)2，均從 Aldrich公司購買；光譜級乙腈從 Acros公司購買.

1.2 使用儀器

目標(biāo)化合物1已經(jīng)1H NMR,13C NMR和ESI-MS等進(jìn)行詳細(xì)的結(jié)構(gòu)表征[12].采用Perkin Elmer Lambda 40 UV-可見分光光度計測試紫外可見吸收光譜，HITACHI F-2700 熒光分光光度計用于測試穩(wěn)態(tài)發(fā)射光譜.

1.3 實驗方法

分別配置2 μmol/L的1的乙腈溶液和3 mmol/L的金屬水溶液.在測試1對不同金屬離子的響應(yīng)時，將50 μL的上述金屬溶液滴加到3 mL上述1的乙腈溶液中.在競爭實驗時，將20 μL的Cu2+水溶液滴加到3 mL1的乙腈溶液中，均勻混合2 min后，再分別加入100 μL所有測試的金屬離子水溶液.

2 結(jié)果與討論

2.1 紫外-可見吸收光譜

1的乙腈溶液在540 nm處顯示一個對應(yīng)于BODIPY生色基團(tuán)S0→S1的躍遷的最大吸收峰，如圖2所示.當(dāng)分別加入Na+, K+, Mg2+, Ca2+, Ba2+, Zn2+, Cd2+, Fe2+, Pb2+, Ni2+, Co2+, Hg2+, Ag+離子后，1的紫外可見吸收光譜基本沒有變化；而加入Cu2+后，1的紫外可見吸收光譜發(fā)生了很大變化:540 nm處的最大吸收峰明顯降低，636 nm處則出現(xiàn)一個新的強(qiáng)吸收峰.圖3所示為Cu2+對1的滴定曲線?？梢?，隨著Cu2+濃度的增加，1在540 nm處吸收峰的強(qiáng)度逐漸降低，同時636 nm處吸收峰的強(qiáng)度逐步增強(qiáng).這一過程可以通過肉眼直接觀察：隨著Cu2+濃度的增加，1的乙腈溶液的顏色由原來的粉紅逐漸變?yōu)樗{(lán)色.因此，1可以作為對Cu2+的比色傳感器.

1的濃度為2 μmol/L，檢測離子的濃度為50 μmol/L.圖2 在1的CH3CN溶液中加入不同金屬離子的紫外可見吸收光譜Fig. 2 UV-vis absorption of 1 in CH3CN upon addition of different metal ions

圖3 不同濃度Cu2+ (0,0.5,1,2,4,6,8,12,16,20 μmol/L)存在下，1在CH3CN中的紫外可見吸收光譜Fig. 3 UV-vis absorption spectra of 1 in the presence of different concentrations of Cu2+ (0, 0.5,1,2,4,6,8,12,16,20 μmol/L) in CH3CN

2.2 熒光發(fā)射光譜

采用630 nm激發(fā)波長，考察在1的CH3CN溶液(2 μmol/L)中加入各種金屬離子(50 μmol/L)時相應(yīng)的熒光發(fā)射光譜的變化.如圖4所示，1的乙腈溶液幾乎沒有熒光發(fā)射；分別加入Na+, K+, Mg2+, Ca2+, Ba2+, Zn2+, Cd2+, Fe2+, Pb2+, Ni2+, Co2+, Hg2+, Ag+后，1與金屬離子的混合物溶液依然沒有熒光.這主要是因為1和1與金屬離子的混合物在630 nm處幾乎沒有吸收.但當(dāng)1的CH3CN溶液中加入Cu2+時，662 nm處出現(xiàn)了一個新而強(qiáng)的熒光發(fā)射峰.這表明，在630 nm波長激發(fā)下，1對于Cu2+具有很高的選擇性.

圖4 在1的CH3CN溶液中加入不同金屬離子的熒光發(fā)射光譜 (λex = 630 nm)Fig. 4 Fluorescence emission spectra of 1 in CH3CN upon addition of different metal ions(λex = 630 nm)

圖5 在1的CH3CN溶液中加入不同濃度Cu2+(0, 0.5, 1, 2,4, 6, 8, 12, 16, 20 μmol/L)的熒光發(fā)射光譜(λex=630 nm)Fig. 5 Fluorescence emission spectra of 1 in CH3CN upon addition of different concentrations of Cu2+(0, 0.5, 1,2, 4, 6, 8, 12, 16, 20 μmol/L) (λex=630 nm)

圖5所示為1在不同Cu2+濃度存在條件下的熒光滴定實驗.當(dāng)激發(fā)波長為630 nm時，隨著Cu2+濃度的增加，662 nm處的熒光強(qiáng)度也隨著逐步增強(qiáng).當(dāng)Cu2+濃度增加到20 μmol/L時，1的熒光強(qiáng)度由原來的基線背景水平增加到最大的強(qiáng)度；進(jìn)一步增加Cu2+濃度，熒光強(qiáng)度沒有進(jìn)一步增強(qiáng).未絡(luò)合的1幾乎沒有熒光發(fā)射，這可能是由于二(2-甲基吡啶)胺部分的氮原子和強(qiáng)缺電子BODIPY受體上的激發(fā)態(tài)發(fā)生了分子內(nèi)電荷轉(zhuǎn)移(ICT)過程導(dǎo)致了熒光淬滅.當(dāng)1和Cu2+絡(luò)合后，胺的供電子性減弱，抑制了ICT過程，從而提高了熒光發(fā)射強(qiáng)度.

激發(fā)波長：630 mm;發(fā)射波長：662 nm;F1+Cu：僅Cu2+存在時1的熒光信號；F1+Ca+M：Cu2+與其它競爭離子混合時1的熒光信號.圖6 1和20 μmol/L Cu2+的CH3CN溶液中加入選擇金屬離子后的熒光響應(yīng)Fig. 6 Fluorescence response of 1 containing 20 μmol/L of Cu2+ to the selected metal ions

2.3 競爭實驗

為了進(jìn)一步考察1是否可作為對Cu2+具有選擇性的熒光探針，筆者研究了1的競爭實驗.將100μmol/L的Na+,Mg2+,Ca2+,Ba2+,Cu2+,Zn2+,Cd2+,Fe2+,Pb2+,Ni2+,Co2+,Ag+，Hg2+分別加入到含20 μmol/L Cu2+的1的乙腈溶液中，檢測這些金屬離子加入后的熒光發(fā)射光譜，然后將其與僅含20 μmol/L Cu2+的1乙腈溶液的熒光光譜進(jìn)行對比，考察這些金屬離子的加入是否對僅含20 μmol/L Cu2+的1乙腈溶液在662 nm處熒光強(qiáng)度(I662)有影響.從圖6可以看出：除了Ag+外，其它競爭離子的加入對Cu2+的檢測幾乎沒有干擾或者只有很小干擾；而Ag+可以部分淬滅1-Cu2+的熒光發(fā)射.因此，除去Ag+，化合物1對于Cu2+的檢測不受其它金屬離子的影響，即使這些金屬離子的濃度為Cu2+濃度的5倍.

3 結(jié) 論

本文報道了一個新的含有BODIPY和二(2-甲基吡啶)胺為識別基團(tuán)的近紅外熒光化學(xué)傳感器1.在激發(fā)波長630 nm激發(fā)下，所有檢測金屬離子中僅有Cu2+導(dǎo)致1的乙腈溶液顯示了一個很強(qiáng)的紅色吸收峰，并且熒光發(fā)射有明顯的增強(qiáng).因此，1可以用于Cu2+的檢測.

[1] Que E L, Domaille D W, Chang C J. Metals in neurobiology: probing their chemistry and biology with molecular imaging[J]. Chem Rev,2008,108(5):1517-1549.

[2] Barnham K J, Masters C L, Bush A I. Neurodegenerative diseases and oxidative stress[J]. Nat Rev Drug Discovery,2004,3(3):205-214.

[3] Kim S H, Kim J S, Park S M,etal. Hg2+-selective off-on and Cu2+-selective on-off type fluoroionophore based upon cyclam[J]. Org Lett,2006,8(3): 371-374.

[4] Xie Juan, Ménand M, Maisonneuve S,etal. Synthesis of bispyrenyl sugar-aza-crown ethers as new fluorescent molecular sensors for Cu(II) [J]. J Org Chem,2007,72(16):5980-5895.

[5] Jung H S, Kwon P S, Lee J W,etal. Coumarin-derived Cu2+-selective fluorescence sensor: synthesis, mechanisms, and applications in living cells[J]. J Am Chem Soc,2009,131(5):2008-2012.

[6] Wen Zhenchang, Yang Rui, He Hui,etal. A highly selective charge transfer fluoroionophore for Cu2+[J]. Chem Commun,2006:106-108.

[7] Li Guangke, Xu Zhenxiang, Chen Chuanfeng,etal. A highly efficient and selective turn-on fluorescent sensor for Cu2+ion based on calix[4]arene bearing four iminoquinoline subunits on the upper rim[J]. Chem Commun,2008:1774-1776.

[8] Zhao Yan, Zhang Xiaobing, Han Zhixiang,etal. Highly sensitive and selective colorimetric and off-on fluorescent chemosensor for Cu2+in aqueous solution and living cells[J]. Anal Chem,2009,81(16):7022-7030.

[9] Goswami S, Sen D, Das N K. A new highly selective, ratiometric and colorimetric fluorescence sensor for Cu2+with a remarkable red shift in absorption and emission spectra based on internal charge transfer[J]. Org Lett,2010,12(4):856-859.

[10] Loudet A, Burgess K. BODIPY dyes and their derivatives: syntheses and spectroscopic properties[J]. Chem Rev,2007,107(11):4891-4932．

[11] Smith B A, Akers W J, Leevy W M,etal. Optical imaging of mammary and prostate tumors in living animals using a synthetic near infrared Zinc(II)-dipicolylamine probe for anionic cell surfaces[J]. J Am Chem Soc,2010,132(1):67-69.

[12] Yin Shouchun, Leen V, Jackers C,etal. Oligo(p-phenylene ethynylene)-BODIPY derivatives: synthesis, energy transfer and quantum chemical calculations[J]. Chem Eur J,2011,17(47):13247-13257.

SpectroscopicPropertiesofaNewBODIPYFluorescenceProbe

JIANG Lin, CAI Li-bo, ZHOU Huan, WANG Chan-juan,ZHANG Ming-fang, DONG Lin, YIN Shou-chun

(College of Material, Chemistry and Chemical Engineering, Hangzhou Normal University, Hangzhou 310036, China)

The paper designed and synthesized a new BODIPY near-infrared (NIR) fluorescent chemosensor1, and researched on the responses of1to different metal ions by UV-visible absorption spectra and fluorescence spectra. The results show that among all tested metal ions (Na+, K+, Mg2+, Ca2+, Ba2+, Cu2+, Zn2+, Cd2+, Fe2+, Pb2+, Ni2+, Co2+, Hg2+, Ag+),1displays a high selectivity for Cu2+upon excitation at 630 nm in CH3CN. The addition of Cu2+causes the appearance of a strong red absorption peak at 636 nm and a strong emission peak at 662 nm in CH3CN of1. Meanwhile, because of the distinct color changes,1also can be used as the colorimetric senor for Cu2+.

BODIPY; fluorescence probe; Cu2+

2012-06-03

國家重大研究計劃培育項目(91127032);國家自然科學(xué)基金項目(21174035);浙江省自然科學(xué)基金項目(Y4100287);浙江省新材料及加工工程省重中之重學(xué)科開放課題(20110943)；杭州師范大學(xué)優(yōu)秀中青年教師支持計劃項目(HNUEYT 2011-01-019).

尹守春(1976—)，男，副教授，主要從事超分子化學(xué)、光電功能高分子和熒光探針方面的研究.E-mail: yinsc@ustc.edu

10.3969/j.issn.1674-232X.2012.06.001

O657.39

A

1674-232X(2012)06-0481-04