水溶性8-羧酰胺基喹啉衍生物Zn2+熒光分子探針的研究*

張 宇，司萬霞，郭祥峰，賈麗華

（齊齊哈爾大學(xué) 化學(xué)與化學(xué)工程學(xué)院，黑龍江 齊齊哈爾 161006）

Zn2+是人體內(nèi)第二富集的過渡金屬離子，在眾多生命活動中起關(guān)鍵性作用。但由于其最外層電子結(jié)構(gòu)為3d104S0，許多常規(guī)的分析方法均不能在生命體內(nèi)有效地檢測這種“惰性”金屬離子[1]。目前，能夠用于原位檢測細(xì)胞內(nèi)Zn2+的熒光顯微技術(shù)已經(jīng)得到人們的廣泛關(guān)注，由此極大地推動了Zn2+熒光分子探針的發(fā)展[2,3]。

8-氨基喹啉作為熒光團(tuán)已被廣泛用于構(gòu)造Zn2+熒光分子探針。最具代表性的化合物是8-磺酰胺基喹啉衍生物，由于其具有對Zn2+響應(yīng)靈敏度高、分子易于制備、生物兼容性好等優(yōu)點，這類探針分子已成為目前應(yīng)用最為廣泛的Zn2+成像試劑[4]。為改善喹啉衍生物的水溶性，近年來基于8-羧酰胺基喹啉衍生物設(shè)計的探針分子被大量報道[5-8]。在水溶液中，這類探針分子通常對Zn2+表現(xiàn)出熒光增強(qiáng)或比率識別信號。

眾所周知，向熒光團(tuán)上引入給電子基有助于改善探針分子的發(fā)光性能。但值得注意的是，在喹啉5位引入給電子基導(dǎo)致胺基喹啉衍生物在絡(luò)合Zn2+前后均不發(fā)射熒光[8,9]。研究中我們發(fā)現(xiàn)，如在喹啉5位引入吸電子硝基，8-羧酰胺基喹啉衍生物將在水溶液中選擇性熒光增強(qiáng)識別Zn2+。

1 實驗部分

1.1 實驗藥品與儀器

實驗所需藥品均為市售分析純，使用前未經(jīng)進(jìn)一步處理。水為二次蒸餾水。N-（α-氯乙?；?8-胺基喹啉根據(jù)文獻(xiàn)[5]制備。

Bruker AV-400核磁共振儀（德國Bruker公司）；X-6顯微熔點測定儀（北京泰克儀器有限公司）；F-4500熒光分光光度計（日本日立公司）；PB-10標(biāo)準(zhǔn)型pH計（德國Sartorius公司）；BS-210S電子天平（德國Sartorius公司）；TU-1901雙光束吸收可見光分光光度計（北京普析通用儀器有限公司）。

1.2 合成與表征

圖1 8-羧酰胺基喹啉衍生物的合成Fig.1 Synthesis of 8-carboxamidoquinoline

將 440 mg（2.0mmol）N-（α- 氯乙?；?8- 胺基喹啉溶于10mL濃H2SO4中，冰浴下0.5h內(nèi)分批加入 204mg（2.4mmol）NaNO3，攪拌 1h 后室溫下攪拌2h，停止反應(yīng)。將反應(yīng)液倒入冰水中，析出黃色固體，過濾，柱分離 （流動相CH2Cl2），收率為81%（429mg），mp:151.9～152.7℃。1H-NMR （400 MHz,CDCl3）:11.24（NH,s,1H）,9.26（d,J=10.4 Hz,1H）,8.97（d,J=5.6 Hz,1H）,8.84（d,J=8.8 Hz,1H）,8.58（d,J=8.8 Hz,1H）,7.76（t,J=6.6 Hz,1H）,4.35（COCH2,s,2H）。

將 100mg（0.38mmol）5- 硝基 -N-（α- 氯乙?；?8- 胺基喹啉、400mg（3.8mmol）2-（2- 氨基乙氧基）乙醇、491mg（3.8mmol）N,N-二異丙基乙基胺、20mg KI加入至20mL乙腈中，N2保護(hù)下回流10h，停止反應(yīng)。將反應(yīng)液旋干，柱分離（CHCl3/CH3OH=20∶1（V/V）），產(chǎn)率 68%（86mg）。1H-NMR（400 MHz,CDCl3）:11.74（NH,s,1H）,9.26（d,J=10.4 Hz,1H）,8.95（d,J=5.6 Hz,1H）,8.88（d,J=8.8 Hz,1H）,8.53 （d,J=8.8 Hz,1H）,7.71 （t,J=6.4 Hz,1H）,3.75 （OCH2CH2OH,m,4H）,3.62 （COCH2,s,2H）,3.58 （NHCH2CH2,t,J=5.0 Hz,2H）,3.01（CH2NHCH2,t,J=5.0 Hz,2H）.13C-NMR（100 MHz,CDCl3）:171.7,149.3,140.5,138.8,137.9,133.1,127.7,124.6,121.9,113.7,72.4,70.6,61.8,53.8,49.5.

1.3 實驗方法

配制AQZ5NO濃度為10μM的甲醇-水緩沖溶液（體積比為1∶9，10 mMTris-HCl），調(diào)節(jié) pH值在7.20左右，分別向溶液中加入濃度為0.05M的金屬離子水溶液（NaCl、KCl、MgCl2、CaCl2、CoCl2、Zn（NO3）2、NiCl2、CdCl2、CuCl2、FeCl3、HgCl2、Pb（NO3）2、AgNO3），使其最終濃度為50μM，測定熒光光譜。對篩選出的金屬離子進(jìn)行濃度滴定實驗，測定其相應(yīng)的吸收及熒光光譜。利用一定波長處熒光強(qiáng)度的變化，根據(jù)公式[10]確定AQZ5NO與金屬離子形成絡(luò)合物的表觀結(jié)合常數(shù)KS。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同金屬離子對AQZ5NO熒光光譜的影響

圖2為不同金屬離（5eguiv）對 AQZ5NO（10μm）熒光光譜的影響。

圖2 不同金屬離子（5equiv）對AQZ5NO（10μM）熒光光譜的影響（λex=370nm）Fig.2 Fluorescence spectra of AQZ5NO（10μM）in the presence of different metal ions（5equiv）

由圖2可見，喹啉5位硝基取代的AQZ5NO在中性緩沖溶液中的熒光較弱 （Φ0=0.002,λem=478 nm）。Cd2+、Ag+、Ca2+、Mg2+、Pb2+、Na+、K+、Fe3+等離子對AQZ5NO溶液的熒光光譜影響較小。Cu2+、Co2+、Ni2+等離子由于與處于激發(fā)態(tài)的喹啉熒光團(tuán)之間存在能量轉(zhuǎn)移，導(dǎo)致溶液的熒光發(fā)生猝滅，猝滅幅度在70%左右。而 Zn2+則導(dǎo)致 AQZ5NO （ΦZn（II）=0.023,λem=478 nm）的熒光發(fā)射顯著增強(qiáng)，這主要歸因于絡(luò)合Zn2+后，AQZ5NO分子中羧酰胺基喹啉上的兩個N原子與H原子形成的分子內(nèi)氫鍵被破壞，同時喹啉8位胺基與喹啉1位N原子之間的電子轉(zhuǎn)移過程被抑制[5]。

2.2 不同Zn2+濃度對AQZ5NO光譜的影響

進(jìn)一步改變Zn2+濃度，研究了不同Zn2+濃度下AQZ5NO溶液吸收及熒光光譜的變化情況。在吸收光譜中，隨著Zn2+濃度的增加，AQZ5NO在370 nm處的吸光度逐漸減弱，而在251、410 nm處出現(xiàn)兩個新吸收峰，且其吸光度逐漸增強(qiáng)，結(jié)果見圖3。

由圖3可知，Zn2+導(dǎo)致AQZ5NO的吸收波長紅移了40 nm，這可能是由于8-羧酰胺基喹啉上的兩個N原子與Zn2+配位后形成了一個五元鰲合環(huán)，使得體系共軛面積增大，降低了分子受激發(fā)后發(fā)生躍遷所需的能級差。

圖3 不同Zn2+濃度對AQZ5NO（10μM）吸收光譜的影響Fig.3 Absorption spectra of AQZ5NO（10μM）in the presence of different concentrations of Zn2+

在熒光光譜中，AQZ5NO在478 nm處的熒光峰強(qiáng)度隨著Zn2+的加入而逐漸上升，Zn2+導(dǎo)致溶液的熒光量子產(chǎn)率增強(qiáng)約為11倍，而熒光波長幾乎沒有改變，結(jié)果見圖4。

圖4 不同Zn2+濃度對AQZ5NO（10 μM）熒光光譜的影響（λex=370 nm）Fig.4 Fluorescence spectra of AQZ5NO（10μM）in the presence of different concentrations of Zn2+

由圖4可知，在Zn2+濃度0～10μM區(qū)間內(nèi)，Zn2+濃度與F478nm成良好的線性關(guān)系，線性相關(guān)系數(shù)為R2=0.9881。這些結(jié)果表明在水溶液中AQZ5NO與Zn2+形成了1∶1型絡(luò)合物。根據(jù)Zn2+濃度與熒光強(qiáng)度F478nm的關(guān)系曲線，擬合求得1∶1型AQZ5NO/Zn2+絡(luò)合物的表觀結(jié)合常數(shù)KS為6.7×105M-1。

3 結(jié)語

本文利用喹啉5位硝基取代的8-羧酰胺基喹啉衍生物制備了一類Zn2+熒光分子探針AQZ5NO。在中性緩沖溶液中，AQZ5NO對Zn2+表現(xiàn)出選擇性熒光增強(qiáng)識別信號，形成1∶1型絡(luò)合物后其熒光量子產(chǎn)率增強(qiáng)約為11倍。

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