一种可选择性检测生物巯基化合物的荧光化学传感器、制备方法及应用

摘要

一种可选择性检测生物巯基化合物的荧光化学传感器，其特征在于，它具有如下所示的结构式：式中，R为以下结构中的一种：本发明的荧光化学传感器具有所用原料易得，合成方法简单，反应条件容易控制等优点，并且产物分子量子产率高，能选择性识别含巯基化合物，并将半胱氨酸与谷胱甘肽和同型半胱氨酸区分开来，灵敏度高。

说明书

技术领域

本发明涉及一种可选择性检测生物巯基化合物的荧光化学传感器、制备方法及应用，属于化学传感器技术领域。

背景技术

含巯基的生物分子，如半胱氨酸（Cys）、同型半胱氨酸（Hcy）、谷胱甘肽（GSH），在维持生物体系稳定方面发挥着重要作用。半胱氨酸参与体内生物蛋白酶和体内氧化还原反应过程，其缺乏会导致如神经中毒、肝损伤、头发脱色、水肿等病症的发生；作为蛋氨酸代谢的中间产物，同型半胱氨酸是引起血管硬化的一个重要因素，血浆中同型半胱氨酸的含量偏高可能引发神经管缺陷、骨质疏松症、阿兹海默症、心血管病等一系列疾病；谷胱甘肽作为细胞内含量最多的含巯基生物分子，是体内重要抗氧化剂，它可以清除体内过量的自由基，在防卫机体免受自由基伤害、抗肿瘤及抗衰老等方面均具有重要作用。由于它们在生物系统中扮演着非常重要的角色，所以对它们进行有效的检测显得尤为重要。

检测含巯基化合物传统的分析方法包括：质谱法、气相色谱法、高效液相色谱法、电化学方法等。但这些方法普遍存在操作复杂、仪器昂贵等缺点。而荧光化学传感器由于其具有灵敏度高、操作简单、成本低廉，以及可以进行原位和活体检测等优点被广泛应用于含巯基化合物的检测中。近年来，一些反应型硫醇传感器相继被报道，但由于含巯基化合物结构和性质的相似，能将半胱氨酸和同型半胱氨酸、谷胱甘肽这三种物质区分开来的传感器分子还非常少。

发明内容

本发明要解决的第一个技术问题是提供一种可选择性检测生物巯基化合物的荧光化学传感器，该传感器能将半胱氨酸与同型半胱氨酸和谷胱甘肽区分开来。

本发明要解决的第二个技术问题是一种可选择性检测生物巯基化合物的荧光化学传感器的制备方法。

本发明要解决的第三个技术问题是一种可选择性检测生物巯基化合物的荧光化学传感器的应用。

本发明提供一种可选择性检测生物巯基化合物的荧光化学传感器，它具有如下所示的结构式：

式中，R为以下结构中的一种：

式（Ⅰ）荧光化学传感器的制备方法，包括如下步骤：

称取BODIPY主体化合物溶于乙腈中，加入对硝基苯硫酚和三乙胺，室温下搅拌，得到式（Ⅰ）所示的荧光传感器分子；

所述BODIPY主体化合物的结构式为：

式（Ⅱ）荧光化学传感器的制备方法，包括如下步骤：

称取BODIPY主体化合物溶于乙腈中，通N₂，加入对硝基苯酚和三乙胺，N2保护下回流，得到式（Ⅱ）所示的荧光传感器分子；

所述BODIPY主体化合物的结构式为：

一种可选择性检测生物巯基化合物的荧光化学传感器的制备方法，包括以下步骤：

①式（Ⅰ）所示的荧光传感器分子的合成：称取1摩尔当量的BODIPY主体化合物溶于乙腈中，加入1.5-2摩尔当量的对硝基苯硫酚和2-10摩尔当量的三乙胺，室温下搅拌5-15分钟，减压蒸馏除去溶剂，残留物进行柱层析，得到式（Ⅰ）所示的荧光传感器分子；

②式（Ⅱ）所示的荧光传感器分子的合成：称取1摩尔当量的BODIPY主体化合物溶于乙腈中，通N2，加入2-10摩尔当量的对硝基苯酚和5-20摩尔当量的三乙胺，回流3-10小时，减压蒸馏除去溶剂，残留物进行柱层析得到式（Ⅱ）所示的荧光传感器分子；

所述BODIPY主体化合物的结构式为：

它的合成可参考相关文献。

例如：BODIPY主体化合物A的合成包括以下步骤：

①向1摩尔当量对甲基苯甲醛和20-25摩尔当量吡咯的混合溶液中缓慢滴加0.08-0.12摩尔当量的三氟乙酸，室温下搅拌10-15分钟，得到B；

②将1摩尔当量B溶于四氢呋喃中，通N₂，与2-2.5摩尔当量N-氯代丁二酰亚胺在-78℃的条件下反应2-3小时，得到C；

③将1摩尔当量C溶于二氯甲烷中，通N₂，接着将1-1.2摩尔当量二氯二氰基对苯醌的二氯甲烷溶液逐滴加入其中，室温下反应1-1.5小时，得到D；

④将1摩尔当量D溶于二氯甲烷中，加入8-10摩尔当量三乙胺，室温搅拌1-1.5小时，接着加入15-20摩尔当量三氟化硼乙醚，在黑暗无光条件下反应12-15小时，得到E；

⑤称取1摩尔当量的E溶于甲苯中，通N₂，加入0.2-0.3摩尔当量的碘化亚铜和0.12-0.15摩尔当量的双三苯基磷二氯化钯，然后加入1-1.5摩尔当量的三甲基硅乙炔和15-20摩尔当量的三乙胺，在65℃条件下反应1-3小时，得到化合物F

⑥称取1摩尔当量的F和2-10摩尔当量的G（市售）溶于二氯甲烷中，加入0.1-2摩尔当量的碘化亚铜，通N₂，加入1-1.2摩尔当量的四丁基氟化铵，在0℃条件下反应5-10小时。反应混合物溶液用饱和食盐水洗涤2-3次，有机层用无水硫酸镁干燥，过滤，减压蒸馏除去二氯甲烷，剩余物进行柱层析，得到BODIPY主体化合物A。

本发明提供一种可选择性检测生物巯基化合物的荧光化学传感器的应用，上述荧光化学传感器可用来检测含巯基化合物。

进一步地，所述可选择性检测生物巯基化合物的荧光化学传感器能够将半胱氨酸与谷胱甘肽和同型半胱氨酸区分开来。

所述荧光化学传感器用来检测含巯基化合物，是在乙腈/4-羟乙基哌嗪乙磺酸（HEPES）缓冲溶液（v/v=2/8,20mM,pH=7.4）中，用所述荧光化学传感器对含巯基化合物进行检测。

本发明具有以下优点：

本发明的荧光化学传感器具有所用原料易得，合成方法简单，反应条件容易控制等优点，并且产物分子量子产率高，能选择性识别含巯基化合物，并将半胱氨酸与谷胱甘肽和同型半胱氨酸区分开来，灵敏度高。

附图说明

图1为式Ⅰ所示荧光化学传感器(10μmol/L)在乙腈/HEPES缓冲溶液（v/v=2/8,20mM,pH=7.4）中对不同浓度的Cys响应的吸收光谱。

图2为式Ⅰ所示荧光化学传感器在乙腈/HEPES缓冲溶液（v/v=2/8,20mM,pH=7.4）中对不同浓度的Cys响应的荧光发射光谱。

图3为式Ⅰ所示荧光化学传感器在乙腈/HEPES缓冲溶液（v/v=2/8,20mM,pH=7.4）中对不同浓度的GSH响应的荧光发射光谱。

图4为式Ⅰ所示荧光化学传感器在乙腈/HEPES缓冲溶液（v/v=2/8,20mM,pH=7.4）中对不同浓度的Hcy响应的荧光发射光谱。

图5为式Ⅰ所示荧光化学传感器在乙腈/HEPES缓冲溶液（v/v=2/8,20mM,pH=7.4）中对Cys、GSH、Hcy和其他19种氨基酸响应的荧光发射光谱。

图6为式Ⅰ所示荧光化学传感器在乙腈/HEPES缓冲溶液（v/v=2/8,20mM,pH=7.4）对Cys、GSH、Hcy和其他19种氨基酸的选择性荧光发射光谱。

图7为式Ⅱ所示荧光化学传感器在乙腈/HEPES缓冲溶液（v/v=2/8,20mM,pH=7.4）中对Cys、GSH和Hcy的吸收光谱。

图8为式Ⅱ所示荧光化学传感器在乙腈/HEPES缓冲溶液（v/v=2/8,20mM,pH=7.4）中对Cys、GSH和Hcy的荧光发射光谱。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明进行具体说明。

下述实施例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。

实施例1

一种可选择性检测生物巯基化合物的荧光化学传感器的制备方法、应用：

（1）BODIPY主体化合物的合成：

①称取8g（66.6mmol）对甲基苯甲醛，加入100mL（1441mmol）吡咯，搅拌过程中向其中缓慢滴加三氟乙酸0.5mL（6.7mmol），室温下搅拌10分钟，减压蒸馏除去吡咯得到黑色粘稠液体，对残余物进行柱层析得到式（B）所示化合物：

②将2g（8.5mmol）式B所示化合物溶于100mL四氢呋喃中，通N₂，冷却到-78℃，加入2.3g（17.2mmol）N-氯代丁二酰亚胺，在-78℃条件下搅拌2小时，然后置于冰箱中冷藏18小时，将溶剂蒸出，残留物用100mL二氯甲烷稀释，用蒸馏水洗3次，有机层用无水硫酸镁干燥，过滤，柱层析得到式C所示化合物：

③称取1.6g（5.3mmol）式C所示化合物溶解在50mL二氯甲烷中，通N₂，然后在搅拌过程中将1.2g（5.3mmol）二氯二氰基对苯醌溶解于20mL二氯甲烷的溶液逐滴加入到化合物C的溶液中，滴加完毕后室温下继续搅拌1小时。反应溶液用饱和碳酸氢钠溶液洗涤2次，取有机层用无水硫酸镁干燥，减压除去二氯甲烷，残留物进行柱层析得到式D所示化合物：

④称取1.1g（3.6mmol）式D所示化合物溶于120mL二氯甲烷中，加入5mL（36mmol）三乙胺，室温下搅拌1小时，再加入7mL（57mmol）三氟化硼乙醚复合物，在黑暗无光条件下搅拌12小时，反应溶液用蒸馏水洗涤2次，有机层用无水硫酸镁干燥，过滤，减压蒸馏除去溶剂，残留物进行柱层析，得到式E所示化合物：

⑤称取500mg（1.4mmol）式E所示化合物溶于15mL甲苯中，加入55mg（0.28mmol）碘化亚铜和140mg（0.2mmol）双三苯基磷二氯化钯，通N₂，加入200mg（2.1mmol）三甲基硅乙炔和4mL（28mmol）三乙胺，在65℃条件下反应2小时，除去溶剂，柱层析得到式F所示化合物：

⑥称取100mg（0.25mmol）式F所示化合物和280mg（1.28mmol）化合物G（结构式如下所示）溶于二氯甲烷中，通N₂，加入80mg（0.25mmol）四丁基氟化铵三水和48mg（0.25mmol）碘化亚铜，在0℃条件下反应5-10小时。反应混合物溶液用饱和食盐水洗涤2-3次，有机层用无水硫酸镁干燥，过滤，减压蒸馏除去二氯甲烷，剩余物进行柱层析，得到BODIPY主体化合物A。

（2）称取100mg（0.18mmol）BODIPY主体化合物A溶于乙腈中，加入55mg（0.36mmol）对硝基苯硫酚和125μL（0.9mmol）三乙胺，室温下搅拌5-15分钟。减压蒸馏除去溶剂，残留物进行柱层析得到式（Ⅰ）所示的荧光传感器分子：

配制1mmol/L的式（Ⅰ）所示化合物的乙腈溶液。

式（Ⅰ）所示化合物对Cys的吸收、发射光谱测试：使用乙腈/HEPES缓冲溶液（v/v=2/8,20mM,pH=7.4）分别配制0、10、20、40、60、80、100、200、300、500μmol/L的Cys溶液。取2mL上述不同浓度的Cys溶液于10个比色皿中，向比色皿中加入20μL式（Ⅰ）所示化合物的乙腈溶液，所得式（Ⅰ）所示化合物溶液浓度为10μmol/L；在37℃条件下反应40分钟后检测溶液的吸收光谱，如图1所示；检测荧光发射光谱，如图2所示。

式（Ⅰ）所示化合物对GSH的荧光发射光谱测试：使用乙腈/HEPES缓冲溶液（v/v=2/8,20mM,pH=7.4）分别配制0、10、20、40、60、80、100、150、200、300μmol/L的GSH溶液。取2mL上述不同浓度的GSH溶液于10个比色皿中，向比色皿中加入20μL式（Ⅰ）所示化合物的乙腈溶液，所得式（Ⅰ）所示化合物溶液浓度为10μmol/L；在37℃条件下反应40分钟后检测溶液的荧光发射光谱，如图3所示。

式（Ⅰ）所示化合物对Hcy的荧光发射光谱测试：使用乙腈/HEPES缓冲溶液（v/v=2/8,20mM,pH=7.4）分别配制0、10、20、40、60、80、100、150、200、300、500μmol/L的Hcy溶液。取2mL上述不同浓度的Hcy溶液于11个比色皿中，向比色皿中加入20μL式（Ⅰ）所示化合物的乙腈溶液，所得式（Ⅰ）所示化合物溶液浓度为10μmol/L；在37℃条件下反应40分钟后检测溶液的荧光发射光谱，如图4所示。

19种其他氨基酸及Cys、GSH和Hcy溶液的配制：使用乙腈/HEPES缓冲溶液（v/v=2/8,20mM,pH=7.4）分别配制1mmol/L的甘氨酸（Gly）、丙氨酸（Ala）、缬氨酸（Val）、亮氨酸（Leu）、异亮氨酸（IIe）、苯丙氨酸（Phe）、色氨酸（Trp）、酪氨酸（Tyr）、天冬氨酸（Asp）、组氨酸（His）、天冬酰胺（Asn）、谷氨酸（Glu）、赖氨酸（Lys）、谷氨酰胺（Gln）、甲硫氨酸（Met）、精氨酸（Arg）、苏氨酸（Thr）、丝氨酸（Ser）、脯氨酸（Pro）、Cys、GSH和Hcy溶液。

式（Ⅰ）所示化合物对含巯基化合物以及Cys选择性响应的荧光发射光谱测试：取2mL上述氨基酸、Cys、GSH、Hcy以及空白溶液于23个比色皿中，向比色皿中分别加入20μL式（Ⅰ）所示化合物的乙腈溶液，所得式（Ⅰ）所示化合物溶液浓度为10μmol/L；37℃条件下1小时后检测荧光发射光谱，如图5所示；用图5中565nm波长处的荧光强度作图，如图6所示。从图5和图6中可以看出，式（Ⅰ）所示化合物对含巯基化合物有选择性响应，且能够把Cys与GSH和Hcy区分开来。

实施例2

一种选择性检测生物巯基化合物的荧光化学传感器的制备方法：

（1）BODIPY主体化合物的合成：同实施例1；

（2）称取100mg（0.18mmol）BODIPY主体化合物A溶于乙腈中，通N₂，加入125mg（0.9mmol）对硝基苯酚和250μL（1.8mmol）三乙胺，N₂保护下回流5小时。减压蒸馏除去溶剂，残留物进行柱层析得到式（Ⅱ）所示的荧

光传感器分子：

配制1mmol/L的式（Ⅱ）所示化合物的乙腈溶液。

式（Ⅰ）所示化合物对Cys的吸收、发射光谱测试：使用乙腈/HEPES缓冲溶液（v/v=2/8,20mM,pH=7.4）分别配制1mmol/L的Cys、GSH和Hcy溶液和空白溶液。取2mL上述不同溶液于4个比色皿中，向比色皿中加入20μL式（Ⅱ）所示化合物的乙腈溶液，所得式（Ⅱ）所示化合物溶液浓度为10μmol/L；在37℃条件下1小时后检测溶液的吸收光谱，如图7所示；检测荧光发射光谱，如图8所示。可以看出，式（Ⅱ）所示化合物对含巯基化合物有选择性响应，且能够把Cys与GSH和Hcy区分开来。

本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，并非对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无法对所有的实施方式予以穷举。凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。