一種選擇性檢測SO2的熒光增強型探針的合成

何艷陽, 付丁強, 楊 黎, 宋振雷

(1. 四川大學a. 華西藥學院； b. 化學工程學院; c. 華西醫(yī)院腫瘤中心，四川 成都 610041)

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一種選擇性檢測SO2的熒光增強型探針的合成

何艷陽1a, 付丁強1b, 楊 黎1c*, 宋振雷1a

(1. 四川大學a. 華西藥學院； b. 化學工程學院; c. 華西醫(yī)院腫瘤中心，四川 成都 610041)

SO2作為一種重要的氣體信號分子，其濃度異常與癌癥、心血管疾病、神經系統(tǒng)疾病有關，因此有必要發(fā)展一種檢測SO2的分析方法。本文以1,1,2-三甲基-1H-苯并[e]吲哚和碘甲烷為原料合成中間體2; 2與2,4-二甲基-5-醛基-1H-吡咯-3-羧酸經縮合反應合成了一個基于苯并吲哚和吡咯共軛的熒光增強型探針(3)，其結構經1H NMR,13C NMR和HR-MS表征。探針3可以定量檢測外源性SO2，并且對SO2具有良好的選擇性，對其他陰離子和生物硫醇不響應或響應水平低。用350 nm激發(fā)，探針3在450 nm處的熒光強度隨SO2的濃度增加而增強。當SO2濃度為0～100 μmol·L-1時，熒光強度與其呈良好的線性關系，相關系數(shù)R2為0.997。

苯并[e]吲哚; 吲哚半菁; 熒光探針; 合成; SO2檢測; 選擇性

SO2是大氣主要污染物之一，火山爆發(fā)時會噴出該氣體，在許多工業(yè)過程中也會產生SO2。在食品工業(yè)中，SO2廣泛地用于抗氧化和抗菌[1]。在生物有機體內，SO2是除了一氧化氮、一氧化碳和硫化氫以外的第4種氣體信號分子[2-5]，其主要以亞硫酸根和亞硫酸氫根的形式存在，內源性SO2能夠通過含硫氨基酸如半胱氨酸和谷胱氨肽的生物合成產生以維持生物硫平衡[6]。毒理學和流行病學研究證明，內源性SO2的濃度異常與多種疾病密切相關，如呼吸系統(tǒng)疾病、神經系統(tǒng)疾病、心血管系統(tǒng)疾病和癌癥等[7-9]。因此，有必要發(fā)展一種實時檢測生物組織SO2濃度的方法。

區(qū)別于傳統(tǒng)的紫外吸收法、電化學法及色譜法等分析方法，熒光分析法具有選擇性好、靈敏度高及操作簡便等特點，并且能夠在不損傷生物樣品的情況下實時檢測生物活性分子并成像。由于熒光分析法的這些優(yōu)點，近年來有大量檢測生物活性分子的熒光探針被報道。線粒體作為一類重要的細胞器，是細胞內產生活性氧物種(ROS)和活性硫物種(RSS)的主要場所[10]，SO2在線粒體中通過硫化氫和含硫氨基酸的氧化以及亞磺酰丙酮酸的分解產生。因線粒體中SO2及其衍生物的檢測分析具有重要的研究價值，并且有助于研究線粒體誘導大的細胞凋亡過程[11]。至今，已有一些熒光探針檢測線粒體SO2的文獻報道[12-15]，但是由于其或水溶性不佳或選擇性不好或檢測區(qū)間窄及線性關系不優(yōu)等缺點而限制其應用。因此，設計線粒體靶向的SO2熒光探針具有重要意義。

基于此，本文設計并合成了一個結構新穎的檢測SO2的熒光探針，并對其進行了光譜分析，研究了其對SO2的熒光滴定和選擇性。以1,1,2-三甲基-1H-苯并[e]吲哚(1)和碘甲烷為原料制得中間體1,1,2,3-四甲基-1H-苯并[e]吲哚鎓碘化物(2); 2與2,4-二甲基-5-醛基-1H-吡咯-3-羧酸經縮合反應合成了吲哚半菁類探針(3, Scheme 1)，其結構經1H NMR,13C NMR和HR-MS表征。該探針分子的苯并吲哚結構具有靶向線粒體的潛力，吡咯結構上的羧基能夠增加水溶性，并且可與具有胺基或羥基的藥物分子連接，可進一步探究其除了熒光探針以外的用途，吡咯作為抗腫瘤藥物舒尼替尼的結構單元，其可能具有抗腫瘤的潛力，本文只探究其作為熒光探針的用途。SO2與共軛雙鍵的親核1,4-加成破壞了熒光探針的共軛體系使得探針分子產生熒光強度發(fā)生變化，從而實現(xiàn)了線粒體SO2的選擇性定量檢測。

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

Beckman coulter DU800型紫外可見分光光度計;Hitachi F-7000型熒光分光光度計(狹縫寬度為5/10 nm)； Bruker AVANCE400型核磁共振儀(DMSO-d6為溶劑,TMS為內標);Finnigan LCQDECA型質譜儀。

柱色譜用硅膠，200～300目；其余所用試劑均為分析純。

1.2 合成

(1) 2的合成

將1 2.0 g(10 mmol)溶于鄰二氯苯(5 mL)中，加入碘甲烷1.87 mL(30 mmol)，攪拌下于120 ℃反應過夜。冷卻至室溫(析出固體)，真空抽濾，濾餅用適量丙酮洗滌，真空干燥得粉白色固體2 2.8 g,產率80%;1H NMR(400 MHz, DMSO-d6)δ: 1.76(s, 6H, CH3), 2.88(s, 3H, CH3), 4.10(s, 3H, CH3), 7.73(t,J=7.2 Hz, 1H, ArH), 7.79(t,J=7.2 Hz, 1H, ArH), 8.11(d,J=9.2 Hz, 1H, ArH), 8.22(d,J=8.0 Hz, 1H, ArH)， 8.30(d,J=8.8 Hz, 1H, ArH), 8.37(d,J=8.4 Hz, 1H, ArH)。

(2) 3的合成

在反應管中依次加入2 351 mg(1 mmol)， 2,4-二甲基-5-醛基-1H-吡咯-3-羧酸167 mg(1 mmol)，無水乙醇5 mL和哌啶40 μL，攪拌下回流(80 ℃)反應3 h(TLC檢測)。減壓蒸除溶劑，殘余物經硅膠柱層析[洗脫劑：V(DCM) ∶V(MeOH)=50 ∶1]純化得紅色固體3 335 mg,產率67%;1H NMR(400 MHz, DMSO-d6)δ: 1.96(s, 6H, CH3), 2.54(s, 3H, CH3), 2.62(s, 3H, CH3), 4.06(s, 3H, CH3), 7.14(d,J=15.6 Hz, 1H, CH=CH), 7.65(t,J=7.2 Hz, 1H, ArH), 7.76(t,J=7.2 Hz, 1H, ArH), 7.99(d,J=8.8 Hz, 1H, ArH), 8.03(d,J=15.6 Hz, 1H, CH=CH), 8.17(d,J=8.4 Hz, 1H, ArH), 8.24(d,J=8.8 Hz, 1H, ArH), 8.36(d,J=8.4 Hz, 1H, ArH), 12.43(s, 1H, NH), 12.48(s, 1H, CO2H);13C NMR (100 MHz, DMSO-d6)δ: 12.13, 14.83, 22.69, 34.35, 44.24, 52.92, 103.55, 113.13, 116.57, 123.21, 126.80, 127.42, 127.96, 128.68, 130.47, 131.12, 132.97, 136.50, 136.81, 138.47, 140.18, 148.11, 165.91, 180.95； HR-MS(ESI)m/z: Calcd for C24H25N2O2I {[M-I]+} 373.471 6; found 373.187 4。

Scheme 1

1.3 光譜分析

用DMSO配制濃度為1×10-2mol·L-13的標準儲備液。用pH 7.4的PBS緩沖液(10 mmol·L-1)和DMSO(V/V=9/1)將3標準儲備液稀釋為濃度10 μmol·L-1，定量加入亞硫酸氫鈉及其它物質，分別測定其紫外-可見吸收光譜及熒光光譜。

λ/nm

2 結果與討論

λ/nm

*同圖1。

2.3 3的選擇性研究

λ/nm

圖3 3對常見陰離子和硫醇(100 μmol·L-1)的熒光響應(a)和選擇性柱狀圖(b)*

2.4 檢測機理

根據(jù)文獻[12-13]報道,檢測機理為SO2對苯并吲哚和吡咯共軛雙鍵的1,4-親核加成反應(Scheme 2)。向探針3的DMSO-d6溶液(40 mmol·L-1)加入1 eq.的NaHSO3,其1H NMR譜圖(圖4)在δ5.07和4.97出現(xiàn)兩個雙峰，分別為H1a和H1b的信號峰。

Scheme 2

δ

3 結論

設計并合成了用于檢測SO2的熒光增強型熒光探針，以苯并吲哚和吡咯共軛結構為骨架，SO2對共軛雙鍵的親核1,4-加成使探針的結構發(fā)生改變從而引起熒光的變化。在PBS與DMSO混合溶液中，探針能夠靈敏地檢測SO2，在與SO2反應后，450 nm處的熒光強度增加。當SO2濃度在0～100 μmol·L-1時，濃度與熒光強度具有良好的線性關系，相關系數(shù)R2為0.997。探針對SO2具有很高的選擇性，對其他常見陰離子和硫醇不響應或響應很低。

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Synthesis of A Turn-on Fluorescent Probe for Selectivie Sensing of SO2

HE Yan-yang1a, FU Ding-qiang1b, YANG Li1c*, SONG Zhen-lei1a

(a. West China School of Pharmacy; b. School of Chemical Engineering;c. Cancer Center, West China Hospital, 1. Sichuan University, Chengdu 610041, China)

As an important gas signal molecule, sulfur dioxide(SO2) has attracted increasing attention in recent decades. It has been revealed that SO2and its derivatives are closely associated with various symptoms and diseases including cancer, cardiovascular diseases, neurological disorders and respiratory problems. Hence, developing analytical methods that could realize concentration determination of SO2and its derivatives are highly needed. In this work, we reported a novel turn-on fluorescent probe(3) for selectivie sensing of SO2derivatives based on the conjugate of benzo[e]indolium and pyrrole. The intermediate 2 was prepared by using 1,1,2-trimethyl-1H-benz[e]indole and iodomethane as raw materials. 3 was synthesizedviacondensation of 2 with 5-formyl-2,4-dimethyl-1H-pyrrole-3-carboxylic acid. The structure was characterized by1H NMR,13C NMR and HR-MS. 3 exhibited excellent selectivity for SO2over other anions and reductive sulfurs. With addition of sulfur dioxide, the emission intensity at 450 nm increased accordingly, and the emission intensity was linear function with the sulfur dioxide concentration over the range from 0 to 100 μmol·L-1(R2=0.997).

benz[e]indole; hemicyanine; fluorescent probe; synthesis; sulfur dioxide; selectivity

2017-01-09;

2017-06-07

何艷陽(1991-)，女，漢族，四川廣元人，碩士研究生，主要從事熒光探針的設計與合成研究。 E-mail: 13540474511@163.com

楊黎，副研究員， Tel. 028-85502157， E-mail: yangli@scu.edu.cn

O657； O625

A

10.15952/j.cnki.cjsc.1005-1511.2017.07.17006