近红外pH荧光探针的制备及其光谱性质研究

【摘要】：近红外(NIR)荧光探针的激发和荧光波长处于长波长区(500-800 nm),对生物样本造成的光损伤较小,并且其荧光具有较强的穿透力,适合监测细胞及生物体内源性或外源性物种的变化,也适合于监测污染物胁迫下动植物常规指标的变化,无需破坏组织结构,是一类最具发展前景的荧光探针。pH是动植物在污染物胁迫下最容易波动的理化指标,因此研发pH敏感型近红外长波长荧光探针对于研究污染物的毒性作用具有重要意义。本文分别设计合成了呫吨扩环罗丹明近红外pH荧光探针、扩环罗丹明酯近红外pH荧光探针以及花菁类近红外pH荧光探针,并依次对其光谱性质进行研究。呫吨扩环罗丹明近红外pH荧光探针NA1和NA2是由酮酸与1,5-二羟基萘反应制得。由于NA1和NA2中均含有大的共轭体系,当遇到酸后会使其内酯螺环打开,其荧光发射处于580-720 nm。实验发现NA1和NA2的荧光光谱与激发波长密切相关。不同激发波长可得到不同的pH值响应,NA1的激发波长λ_(ex)=530nm,p Ka(Int)为2.31(±0.11);λ_(ex)=570 nm,p Ka(Int)为1.93(±0.11);λ_(ex)=630 nm,p Ka(Int)为2.46(±0.07)。NA2的激发波长λ_(ex)=530 nm,p Ka(Int)为2.16(±1.15);λ_(ex)=570 nm,p Ka(Int)为1.58(±2.11);λ_(ex)=630 nm,p Ka(Int)为2.72(±0.09)。NA1和NA2结构中的大共轭体系使得其螺内酯结构较稳定,对强酸性环境较为敏感。此外,探针NA2的二氯甲烷溶液存在光照变色现象,随着光照时间的增加溶液由无色变为粉红色,光照33 min后荧光强度达到最大值420;而含有乙酸的NA2探针溶液,光照6 min荧光强度即可达到420,光照12 min荧光强度可达到1000,说明酸性能够加快荧光强度增加幅度。为了调控呫吨扩环罗丹明近红外pH荧光探针NA1和NA2的p Ka值,扩环罗丹明酯近红外pH荧光探针是在探针NA2的基础上进行甲酯化反应,制得酯化产物即探针ME1和探针ME2并对其进行了光谱性质研究。实验结果表明经酯化后ME1在650 nm处的p Ka值明显变大,p Ka(Int)为2.53(±0.12);对ME1在720 nm与650 nm处的荧光强度比值进行拟合,其p Ka(Int)为3.11(±0.06),表明甲酯化可使探针ME1具有相对较大的p Ka,其对酸性环境敏感的响应范围变宽,探针ME2对酸性环境更敏感,在pH4.0-10.0范围内探针ME2的荧光强度不受pH变化的影响。此外,探针ME1和ME2不受金属离子Ag~+,Al~(3+),Ca~(2+),Cd~(2+),Cr~(3+),Cu~(2+),Fe~(2+),Fe~(3+),Hg~(2+),K~+,Mg~(2+),Mn~(2+),Na~+,Pb~(2+),Zn~(2+)的干扰,具有较好的抗金属离子干扰能力。这表明ME1和ME2有望作为近红外pH探针用于酸性环境中的pH值检测与监测。花菁型近红外pH荧光探针CyOH-AC和探针CyOH-DC则是由CyOH分别与乙酰氯和癸酰氯反应生成。实验结果表明,CyOH-AC和CyOH-DC在580 nm处的吸收强度随pH值的减小而增大,在690 nm处的吸收强度随pH值的减小而降低,同时呈现出明显的颜色变化。探针CyOH-AC的p Ka(Int)为7.46(±0.06),而将探针CyOH-DC在720 nm与660 nm处荧光强度比值与pH值进行拟合,其p Ka(Int)为8.12(±0.05),表明在pH6.0-9.0范围内探针CyOH-AC和探针CyOH-DC的荧光强度对pH的变化更敏感,其可分别用于不同的pH范围:探针CyOH-AC适用于中性范围,探针CyOH-DC适用于弱碱性范围。除此之外,金属离子Ag~+,Al~(3+),Ca~(2+),Cd~(2+),Cr~(3+),Cu~(2+),Fe~(2+),Fe~(3+),Hg~(2+),K~+,Mg~(2+),Mn~(2+),Na~+,Pb~(2+),Zn~(2+)对探针CyOH-AC和探针CyOH-DC均不产生干扰,这表明探针CyOH-AC和探针CyOH-DC有望作为近红外pH探针用于中性和弱碱性环境中pH的检测与监测。综上所述,本文分别设计了适用于多种环境的近红外pH荧光探针,分别可检测酸性、中性以及弱碱性环境的pH,该系列荧光探针表现出较好的抗金属离子干扰性,有望检测重金属离子胁迫下不同环境pH的变化。