β—二羰基氟硼類化合物的合成及其在熒光探針方面的應用

陳甡

摘 要：β-二羰基氟硼類化合物因其光學性質的可調節性而在熒光探針的研究中備受關注。尤其最近十年，對其光學性質的進一步研究，使得它在熒光探針的研究更加深入。文章介紹了該類化合物的有效合成方法，綜述了其在熒光探針領域的應用，并對其前景進行了展望。

關鍵詞：合成；熒光探針；應用

中圖分類號：TQ263.1 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）26-0030-03

Abstract： β-dicarbonyl fluorocarbons have attracted much attention in the study of fluorescent probes because of their adjustable optical properties. Especially in the last decade， the further study of its optical properties makes it more in-depth in the study of fluorescent probes. In this paper， the effective synthesis methods of these compounds are introduced， their applications in the field of fluorescent probes are reviewed， and their prospects are prospected.

Keywords： synthesis； fluorescence probe； application

1 概述

有機硼類化合物因其可調節的光學性質而在化學傳感、生物標記、生物成像、有機光電二級管等領域的研究中備受關注[1，2]。其中β-二羰基氟硼類化合物（BF2bdks）由于其具有大的雙質子吸收截面、高熒光量子產率、較大的摩爾吸光系數、在近紫外區域的可調節吸收以及分子內電子轉移等特點，從而展現了更令人期待的研究前景。1924年，Morgan和Tunstall對其進行了首次報道[3]，但并未引起關注，直到近年來，才因其強烈的熒光性質及其可調節性再度進入人們的視野。因此，β-二羰基氟硼類化合物在熒光探針領域的應用研究取得了突飛猛進的進展。本文將適當地介紹β-二羰基氟硼類化合物的經典合成方法及其在熒光探針領域的應用。

2 β-二羰基氟硼類化合物的合成

β-二羰基氟硼類化合物因其廣泛的應用而備受重視，所以其有效高產率的合成就更為重要。其基本骨架β-二羰基化合物（bdks）的經典的合成方法是克萊森縮合法，如圖2所示。通常是由一種酯和相應的羰基類化合物在NaH這類強堿的作用下進行制備。此法方便，產物易得。產物與三氟化硼在無水二氯甲烷這類非羰基類溶劑存在的條件下，高產率地合成β-二羰基氟硼類化合物。

3 β-二羰基氟硼類化合物在熒光探針方面應用

基于β-二羰基氟硼類化合物在溶液及固態條件下所展示出的強烈的熒光性質，并且它能夠根據對分子聚合物的構筑及外部環境變化的敏感性而進行熒光發射的調節，使得其在熒光探針和光電子設備等領域應用廣泛[4-6]。

3.1 基于β-二羰基氟硼類化合物聚合物的氧氣探針

光學氧氣探針是通過探針分子與被測物氧氣發生特異性相互作用，從而使分子的發光強度、分子壽命等光學性質發生變化，從而達到檢測的目的。螯合的二氟化硼單元可以限制分子內芳香羰基部分的扭轉，在剛性環境中產生弱的磷光，而磷光對氧氣極其敏感，因此將β-二羰基氟硼耦合到普通的生物聚合物聚乳酸（PLA）上，所形成的聚合物BF2dbmPLA可以用于氧氣探針。BF2dbmPLA具有單組份、易加工，發射強烈的熒光，對溫度敏感的遲滯熒光及對氧氣敏感的室溫磷光（RTP）等特點。BF2dbmPLA在二氯甲烷溶液中具有高熒光量子產率，吸收峰為λ=397nm，發射峰為λem=436nm。在固態條件下，BF2dbmPLA隨著聚合物分子質量的增加，顯示出了從綠色光到藍色光發射的趨勢[7]。在氧氣的存在下，BF2dbmPLA在其玻璃轉化溫度（Tg=52℃）以下展示出了強烈的綠色磷光和長達170ms的壽命，在該溫度以上，并未顯示磷光。當BF2dbmPLA通過納米沉淀法制成粒徑小于100nm的納米顆粒時，即使在水分散系中仍然保留了強烈的藍光熒光和大約200ms的長壽命[8]。BF2dbmPLA納米顆粒在水分散系中較強的光學性質及良好的穩定性也有助于生物成像、光力學治療等領域。

而在β-二羰基氟硼骨架中引入碘原子更能增加體系穿越的效率[9]。不同分子量的聚合物BF2dbm（I）PLA（P1=2700Da，P2=7300Da，P3=17600Da）在溶液中具有相似的吸收波長（λabs=406nm）和發射波長（λem～435nm），但是卻沒有磷光。BF2dbm（I）PLA膜具有可調節的雙發射特性。而且隨著分子量的增加其固態的熒光光譜逐漸藍移。在氮氣的保護下，BF2dbm（I）PLA RTP根據分子量的變化其最大發射

波長范圍為λem=523-535nm，壽命范圍為在4.50-4.06ms。這種聚合物材料的穩定的藍色熒光和長壽命的綠色室溫磷光雙發光的可測性適用于比率式氧氣探針。

Samonina-Kosicka 等人也合成了類似的含溴、碘的β-二羰基氟硼類聚交酯聚合物，這類聚合物同樣具有熒光和RTP雙發射的性質，所以也成功地用于氧氣傳感進而細胞成像等領域[10]。

Fraser小組通過改變芳香性共軛鏈或者變換芳環上的取代基來研究其光學性質[11]。基于對氧的敏感性和易成像的特點，這些材料產生了熒光和長效的磷光。其中從BF2nbm（H）PLA到BF2nbm（I）PLA，RTP發生紅移，強度相應增加，而發光壽命卻大幅降低。BF2nbm（Br）PLA的納米顆粒顯示了平衡的熒光及RTP強度，和相對長的RTP壽命（～12.3ms）。因此，可以通過BF2nbm（Br）PLA納米顆粒的壽命和比率式檢測碼檢測氧氣。帶有強烈的RTP發射和短壽命（～1.7ms）的BF2nbm（I）PLA的納米顆粒適用于氧氣水平在0%-100%的比率式氧氣探針。

基于β-二羰基氟硼類化合物聚合物不僅能夠為發光體提供一個剛性環境，有效抑制發光體的非輻射衰變，提高磷光發光效率，而且具備較好的生物相容性，所以基于β-二羰基氟硼類化合物聚合物適用于氧氣探針領域。

3.2 基于β-二羰基氟硼類化合物超分子聚合物的氧氣探針

2016年Wang等人報道了第一例基于含脲基嘧啶酮超分子納米顆粒的比率式氧氣探針[12]。該脲基嘧啶酮超分子聚合物是由小分子單體通過微弱的非共價鍵氫鍵堆積而成。與單組分的聚合物材料不同，這種聚合物探針由對氧氣敏感的磷光顯示體、對氧氣不敏感的熒光體和基本的骨架等多種組分組成。這些組分通過氫鍵組裝成平均直徑為60nm的納米顆粒。這種納米探針，隨著氧氣水平的增加，其熒光光譜幾乎是不變的，而RTP強度和壽命卻大幅下降，是一種高敏感度的比率式氧氣探針。

3.3 基于β-二羰基氟硼類化合物的近紅外探針

2009年，Anna Moore等報道了配合物1作為近紅外成像探針對不溶性β-淀粉樣蛋白聚集體進行體外檢測的作用以及對19個月的野生鼠和轉基因鼠在體內進行區別[13]。β-淀粉樣蛋白是老年癡呆癥的病理學的標志，而基于β-二羰基氟硼類化合物對于姜黃色素的近紅外發射光譜特性，使其成為近紅外成像的合適選擇。配合物1與β-淀粉樣蛋白聚集體顯示了高度的相似性，在血清中相當的穩定性及與白蛋白的微弱的相互作用。當λex=640nm，配合物1在二氯甲烷和甲醇溶液中時，發射波長分別為λem=681nm和λem=760nm，而在磷酸鹽緩沖液中時，發射峰發生了紅移，為λem=805nm，且熒光強度較低。所以，當與β-淀粉樣蛋白聚集體發生相互作用時，它的發射光譜發生了90nm的藍移（從805nm到715nm），熒光強度加強了70倍，可能由于疏水性的β-淀粉樣蛋白聚集體中加入了配合物1。但β-二羰基氟硼類化合物對于可溶性的β-淀粉樣蛋白聚集體卻沒有明顯的作用，作者近來又對該配合物進行結構設計，合成了配合物1b，在體內近紅外成像中，配合物1b能夠區別4個月大的野生鼠和轉基因鼠，4個月恰恰是可溶性β-淀粉樣蛋白以可溶性的狀態存在[14]。所以基于β-二羰基氟硼類化合物的近紅外探針對于老年癡呆中的β-淀粉樣蛋白的檢測，對生物體疾病的預防及及時發現具有重大意義。

4 展望

綜上所述，近幾年來β-二羰基氟硼類化合物的熒光性質研究已取得了較快的發展，并在生物醫療等領域展現出了重要作用。預計今后該方面的研究熱點可能集中在以下幾個方面：（1）β-二羰基氟硼類化合物結構的變化對熒光性質的影響，豐富熒光探針的構建材料及提高靈敏度；（2）外部刺激對β-二羰基氟硼類化合物熒光性質的影響，從而研究出穩定性更高的熒光探針基底材料；（3）基于β-二羰基氟硼類化合物的氧氣探針在預防生物體疾病方面有更廣泛的應用。預計在未來的十年里，β-二羰基氟硼類化合物在生物領域中的實際應用將會取得更大的突破。

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