一种基于“聚集诱导发光+激...光探针及其对次氯酸根的识别_刘梦.pdf

有机化学有机化学 Chinese Journal of Organic Chemistry NOTE *Corresponding authors.E-mail:; Received April 22,2022;revised July 17,2022;published online August 25,2022.Project supported by the National Natural Science Foundation of China(Nos.21878023,U1608222)and the Program for Distinguished Professor of Liaoning Province.国家自然科学基金(Nos.21878023,U1608222)及辽宁特聘教授支持计划资助项目.Chin.J.Org.Chem.2023,43,345351 2023 Shanghai Institute of Organic Chemistry,Chinese Academy of Sciences http:/sioc- DOI:10.6023/cjoc202204054 研究简报研究简报 一种基于“聚集诱导发光激发态分子内质子转移”机制的 苯并噻唑衍生物荧光探针及其对次氯酸根的识别 刘 梦a 黄延茹a 孙小飞*,b 汤立军*,a(a渤海大学化学与材料工程学院 辽宁锦州 121013)(b渤海大学食品科学与工程学院 辽宁锦州 121013)摘要摘要 合成了一种基于苯并噻唑衍生物的荧光探针(Z)-O-(2-(苯并d噻唑-2-基)-4-(2-氰基-2-(4-氰基苯基)乙烯基)-6-甲基苯基)二甲基硫代氨基甲酸酯(HBTY-N),探针在 Tris 溶液(pH7)中能够通过荧光“Off-On”变化,高选择性识别 ClO.向该探针中加入 ClO后溶液由无荧光变为橙红色荧光,斯托克位移为 235 nm,且识别响应快速.探针 HBTY-N 对 ClO的检测限为 2.127107 mol/L,pH 适用范围为 110,并且有较强的抗干扰能力.机理研究表明,在 ClO的作用下,探针通过“氧化去保护”机制释放出具有“聚集诱导发光激发态分子内质子转移(AIEESIPT)”性质的荧光团(Z)-4-(2-(3-(苯并d噻唑-2-基)-4-羟基-5-甲基苯基)-1-氰基乙烯基)苄腈(HBTY),量子产率由 0 变为 42.88%.此外,探针 HBTY-N可对活细胞中 ClO进行荧光成像,且对细胞毒性低,还可用于实际水样中的 ClO检测,具有潜在的应用价值.关键词关键词 聚集诱导发光激发态分子内质子转移(AIEESIPT);ClO;细胞成像;苯并噻唑;荧光探针 An“Aggregation-Induced EmissionExcited-State Intramolecular Proton Transfer”Mechanisms-Based Benzothiazole Derived Fluorescent Probe and Its ClO Recognition Liu,Menga Huang,Yanrua Sun,Xiaofei*,b Tang,Lijun*,a(a College of Chemistry and Materials Engineering,Bohai University,Jinzhou,Liaoning 121013)(b College of Food Science and Technology,Bohai University,Jinzhou,Liaoning 121013)Abstract A fluorescent probe(Z)-O-(2-(benzodthiazol-2-yl)-4-(2-cyano-2-(4-cyanophenyl)vinyl)-6-methylphenyl)dimeth-yl cabarmothioate(HBTY-N)based on benzothiazole derivatives was synthesized.The probe can recognize ClO with high selectivity through fluorescence Off-On change in Tris solution(pH7).After adding ClO to the probe,the probe solution changed from no fluorescence to orange-red fluorescence,the Stokes shift is 235 nm,and the recognition response is fast.The detection limit of the probe HBTY-N for ClO is 2.127107 mol/L,the applicable pH range is 110,and it has strong anti-interference ability.Mechanistic studies show that under the action of ClO,the probe releases the fluorophore(Z)-4-(2-(3-(benzodthiazol-2-yl)-4-hydroxy-5-methylphenyl)-1-cyanovinyl)benzonitrile(HBTY)with“aggregation-induced emission(AIE)excited-state intramolecular proton yransfer(ESIPT)”properties through the“oxidative deprotection”mechanism,and the quantum yield changes from 0 to 42.88%.In addition,the probe HBTY-N can perform fluorescence imaging of ClO in living cells with low cytotoxicity,and can also be used for the detection of ClO in actual water samples,which has potential application value.Keywords aggregation-induced emission(AIE)excited-state intramolecular proton yransfer(ESIPT);ClO;cell imaging;benzothiazole;fluorescent probe 次氯酸(HClO)广泛存在于生物体的各个细胞、组织、器官和细胞器中1-3,ClO的异常累积会破坏大量的生物基本成分,导致与之相关的组织和细胞凋亡或坏死,增加阿尔莫兹海默病、神经退行性疾病、心脑血管疾病和癌症等疾病的发生风险4-6.因此,寻找在生理条件下对 ClO具有灵敏、快速以及高选择性的特异性检 有机化学 研究简报 346 http:/sioc- Shanghai Institute of Organic Chemistry,Chinese Academy of Sciences Chin.J.Org.Chem.2023,43,345351 测方法具有重要意义.与传统的分析方法相比,荧光检测技术具有灵敏度高、选择性好、操作简单以及实时成像等优点7-8.目前已有多种类型的 ClO探针被报道,所用荧光团包括苯并噻唑9-10、氟化硼二吡咯(BODIPY)11、香豆素12、罗丹明13及萘酰亚胺14等.其中苯并噻唑及其衍生物荧光团因具有激发态分子内质子转移(ESIPT)、易于合成、高量子产率以及长波长发射等点被广泛引入至探针 中15,获得了良好的荧光效果.但苯并噻唑衍生物也存在水溶性差、易受到聚集导致猝灭(ACQ)现象的影响、灵敏度低以及选择性差等问题,在生物系统中难以得到应用16.为此,开发一种能够克服以上问题的荧光探针来检测 ClO是十分有必要的.聚集诱导发光(AIE)现象的发现为克服ACQ问题提供了根本性解决方案17-19.近年来,荧光团2-(2-羟基苯基)苯并噻唑(HBT)及其部分衍生物由于具有 ESIPT 性质,表现出大的斯托克斯位移及较高的量子产率20-21,很多该类衍生物还具有 AIE 性质22-24,因此得到了广泛关注.将AIE和ESIPT双重性质赋予同一荧光团可能带来新颖的性质.受此启发,本文设计合成了一种基于苯并噻唑衍生物的荧光探针HBTY-N.通过HBT衍生物1与对氰基苯乙腈缩合,延长其 共轭体系,其中共轭引入的氰基苯乙腈结构能够增强分子内电荷转移(ICT)效应25-26,期望可获得长波长发射的荧光团 HBTY.在此基础上引入二甲基氨基硫代甲酸酯(DMTC)结构作为ClO的识别基团27,合成了探针 HBTY-N.后续研究发现,荧光团 HBTY 具有“AIEESIPT”双重性质、长的发射波长以及高量子产率;由其衍生的探针 HBTY-N能够在高水含量的溶剂中反应型识别 ClO并释放出具有“AIEESIPT”性质的荧光团 HBTY,识别过程具有响应快速、选择性高、灵敏度好及适用的 pH 范围宽等优点.探针合成的具体实验步骤如 Scheme 1 所示.1 结果与讨论结果与讨论 1.1 荧光团 HBTY 的性质研究 基于探针设计思路,本工作研究了化合物 HBTY在良性溶剂乙醇和不良溶剂 Tris 缓冲溶液(1102 mol/L,pH7)的混合物中的荧光性质,用不同体积的 EtOH稀释 Tris 缓冲溶剂并加入 HBTY 储备液,得到不同 Tris含量(fw)的HBTY 浓度为1105 mol/L 的测试液.经紫外吸收测试确定以 366 nm 作为激发波长,记录了不同fw时化合物 HBTY 的荧光光谱(图 1).由于 ICT 效应在fw小于 40%的 Tris/EtOH 溶液中,HBTY 出现以 460 nm为中心的荧光发射带,但随水含量增加,ICT 效应逐渐减弱,当 fw为 50%时,荧光发射中心红移到 597 nm,并且荧光强度随水含量增加而增强,fw为 90%时荧光强度达到最大值,而继续加大 fw后,荧光强度略有减弱(图2).在450和601 nm处观察到的荧光发射峰分别归属于HBTY 的烯醇式和酮式发射峰,即具有双发射现象,该结果说明 HBTY 具有 ESIPT 性质.通过激光笔照射 fw为 0%和 99%的样品,观察到 fw99%的样品有明显的 500600700010002000300040005000Fluorescence intensity/a.u.Wavelength/nmfw Vol0%10%20%30%40%50%60%70%80%90%100%图图 1 在不同 Tris 含量的 EtOH 溶液中 HBTY 的荧光光谱(插图:HBTY 固体的荧光照片,ex366 nm)Figure 1 Fluorescence spectra of HBTY in EtOH solutions with different Tris contents(Inset:fluorescent photograph of HBTY solids,ex366 nm)图式图式 1 探针分子 HBTY-N 的合成路线 Scheme 1 Synthetic route of probe HBTY-N Chinese Journal of Organic Chemistry NOTE Chin.J.Org.Chem.2023,43,345351 2023 Shanghai Institute of Organic Chemistry,Chinese Academy of Sciences http