基于香豆素β-二酮的高灵敏度和选择性的肼基荧光化学传感器外文翻译资料

 2022-03-24 10:03

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基于香豆素beta;-二酮的高灵敏度和选择性的肼基荧光化学传感器

摘要 设计并合成了一种基于香豆素的传感器C1，即3-乙酰乙酰基香豆素，用于肼检测。化学传感器的肼解作用产生荧光香豆素-吡唑产物C1-N2H4[3-(3-甲基-1H-吡唑-5-基）香豆素]，因此在生理条件下产生对肼的显着的荧光偏离响应。 该探针对肼对阳离子、阴离子和其他生物/环境丰富的分析物具有高度选择性。 探头的检测限为3.2 ppb。1H-NMR、IR、MS和DFT计算支持该传感机理。荧光探针在神经胶质瘤细胞系U251中监测细胞内肼的应用也被证实。

关键词：荧光探针 香豆素 肼 beta;-二酮 细胞成像

1、引言

肼（N2H4）的高反应性已经在包括工业，农业，制药，军事和航空航天等许多领域得到广泛应用[1]。然而，肼对人体有很大的毒性作用，包括刺激眼睛和皮肤，损害肝脏，肾脏和中枢神经系统[2]。美国环境保护署（EPA）已经确定肼为可能的人类致癌物，阈值极限值（TLV）为10 ppb [3]。因此，非常需要开发可靠和灵敏的肼检测分析方法。

传统的肼检测定量检测方法采用了几种分析技术，如色谱质谱法，滴定法和电化学方法等。但这些方法涉及特殊设备，复杂的样品制备，实时和现场分析的耗时以及 破坏组织或细胞，这些组织或细胞不适合在活体系中检测肼[4]。 相比之下，荧光光谱法是最常用的模式，由于其高灵敏度和选择性，时空分辨率和无创性[5]。

一般，荧光探针是根据肼的亲核性设计的，可与羧酸酯[6-12]，gamma;-酮-羧酸酯[2,13,14]，gamma;-溴丁酸酯[15-18]，亚甲基丙二腈[19- 24]，亚甲基乙基氰基乙酸酯[25]或邻苯二甲酰亚胺[26-29]部分探针反应，以释放荧光团或产生荧光取代衍生物。然而，关于选择性检测肼与其他竞争性胺（如氨，二胺和相对生物胺）的选择性检测仍存在疑问，这对于在复杂细胞环境中有效检测肼是至关重要的[13,26]。最近，证明三氟乙酰丙酮衍生物可以通过环化机理作为朝向肼的荧光探针，而不受胺物质的干扰[30-32]。尽管如此，它们中的大多数都会受到多种限制，例如使用更高的有机共溶剂（gt;70％，v:v）[30,31]或低pH（pHlt; 5）条件[30,32]，这会限制它们在生理条件下应用。此外，它们中的一些通常需要涉及严重反应条件和昂贵化学品的复杂合成[30]。

因此，我们在此论述香豆素beta;-二酮衍生物C1的荧光肼传感器（Scheme 1）的潜在性质，其可通过水杨醛和4-羟基-6-甲基-2-吡喃酮的一步缩合容易地制备产量高，最重要的是，不需要进一步纯化。探针C1通过环化反应起作用以形成荧光香豆素吡唑产物C1-N2H4。此外，荧光探针在神经胶质瘤细胞系U251中监测N2H4的应用也已被证明。

2、实验部分

2.1、材料和仪器

商业购买用于合成的溶剂和起始原料并按原样使用。探针的熔点在XT4-100X显微熔点仪（北京，中国制造）上测定。元素分析在元素Vario EL分析仪上进行。1H和13C NMR谱在Bruker AV400 NMR光谱仪的DMSO-d6溶液中记录。在Bruker V70 FT-IR分光光度计上通过KBr压片法测定IR光谱（v=4000-400cm-1）。UV光谱在Purkinje General TU-1800分光光度计上记录。在Varian CARY Eclipse分光光度计上测定荧光光谱，在发射和激发光谱的测量中，通道宽度为10nm。 ESI-MS光谱在Bruker Daltonics Esquire 6000质谱仪上获得。在Zeiss Leica倒置落射荧光/反射激光扫描共聚焦显微镜上拍摄荧光图像。使用phi;-omega;扫描模式，在配备有石墨单色化MoKalpha;辐射（lambda;= 0.71073Aring;）的Bruker SMART APEX II CCD衍射仪上进行C1的X射线衍射测量。使用SADABS程序对强度数据应用半经验吸收校正[33]。结构通过直接方法求解，并使用SHELXTL-97程序在F2上用完全矩阵最小二乘法进行改进[34]。所有的非氢原子都是各向异性的。所有H原子都是按几何定位的，并使用骑乘模型进行精炼。

2.2、C1和C1-N2H4的合成

根据文献方法[35]，通过水杨醛和4-羟基-6-甲基-2-吡喃酮在乙醇中的简便的一步缩合合成高收率的化合物C1。适用于X射线衍射分析的C1的黄色针状物在反应溶液的冷却过程中获得。收率86％。熔点：147-148℃。C13H10O4的分析计算值：C，67.82; H，4.38。实测值：C,67.66; H,4.46％。FT-IR(cm-1): v(C=O)coumarin 1730, v(C=O) 1609, v(C=C) 1586. 1H-NMR(400 MHz, DMSO-d6) (Fig. S1, ESI), delta;(ppm): 16.06 (s, 1H, OH), 8.84/8.77 (s, 1H, H7), 7.97–8.02 (m, 1H,H4),7.74–7.79 (m, 1H, H2), 7.42–7.50 (m, 2H, H1,3), 6.92/4.18 (s, 1H, H11), 2.24/2.26 (s, 3H, H13). 13C-NMR(400MHz,DMSO-d6) (Fig. S2, ESI), delta;(ppm): 203.78/199.55 (C12),192.22/173.49 (C10), 159.28/157.85 (C9), 155.12/154.43 (C6),，148.36/146.59 (C8), 135.38/134.96 (C4), 131.56/130.86 (C2), 125.61/125.46(C7), 123.51/120.21 (C3), 118.80/118.60 (C5), 116.64/116.54 (C1), 101.48/56.94 (C11), 30.89/27.52 (C13). ESI-MS: m/z = 231.0789 for[M H] ; 253.0665 for [M Na] . Crystal data for C13H10O4: crystal size: 0.20 times; 0.18 times; 0.16 mm, triclinic, space group P-1. a = 6.766(5) Aring;,b = 8.886(6) Aring;, c = 9.994(8) Aring;, alpha; = 82.316(14)°, beta; = 76.132(13)°,gamma; = 71.315(12)°, V = 551.5(7) Aring;3, Z = 2, T = 296(2) K, theta; = 2.10–25.00°, 2764 reflections measured, 1911 unique (Rint = 0.0163).Final residual for 155 parameters and 1911 reflections with I N 2sigma;(I):R1 = 0.0543, wR2 = 0.1580 and GOF = 1.034 (Fig. 1). CCDC:1540246。

将C1（230mg，1mmol）加入到乙醇（20mL）中，室温下搅拌使其溶解形成溶液。一段时间后，将85％水合肼（76mg，1mmol）加入其中。将混合物搅拌30分钟，过滤并将滤液保持1天。过滤大量无色针状C1-N2H4，用乙醇洗涤，然后在空气中干燥。Yield 69%. M.p. 181–182 °C.Anal. Calc. for C13H10N2O2: C, 69.02; H, 4.46; N, 12.38. Found: C,69.13;H, 4.56; N, 12.19%. FT-IR (cm-1): v(C=O)coumarin 1721, v(C=N)pyrazole 1609, v(C=C)pyrazole 1579. 1H NMR (400 MHz, DMSO-d6) (Fig. S3, ESI),delta;(ppm): 12.89 (s, 1H, NH), 8.58 (s, 1H, H7′), 7.86–7.89 (m, 1H, H4′),7.61–7.65 (m, 1H, H2′), 7.38–7.47 (m, 2H, H1′, 3′), 6.72 (s, 1H, H11′), 2.32(s, 3H, H13′). 13C-NMR (400 MHz, DMSO-d6) (Fig. S4, ESI), delta;(ppm):158.95 (C9′), 152.67 (C6′), 144.49 (C7′), 139.01 (C10′), 136.47 (C12′),131.28 (C8′), 128.58 (C2′), 124.56 (C4′), 120.52 (C3′), 119.29 (C5′),115.79 (C1′), 104.91/99.49 (C11′), 10.34 (C13′). ESI-MS: m/z = 227.0822for [M H] .

2.3、一般UV-vis和荧光光谱测量

光谱分析在室温下在缓冲的EtOH/HEPES（10mM,pH=7.40,1/1,v/v）溶液中完成。用于UV-vis和荧光测量的探针C1的浓度为10mu;M。使用去离子水中的金属离子（作为它们的氯化物或硝酸盐），阴离子（作为它们的钠盐），水合肼，氨，羟胺（作为其氯化物），尿素，丁胺，乙二胺和其他氨基酸用于感测行为实验。通过使用微量注射器连续添加相应的化学试剂，直接在2mL比色杯中进行UV-vis和荧光分光光度滴定。在加入每个等分试样后，将溶液充分混合，然后测量光谱。

3. 结果与讨论

3.1、C1对肼和其他分析物的选择性

C1和N2H4的光学响应通过其与肼在缓冲的EtOH / HEPES（10mM，pH=7.40,1/1，v/v）溶液中在室温下的反应来举例说明。使用硫酸奎宁作为标准品（在0.5mol / L H2SO4中Phi;c=0.546），探针C1本身表现出可忽略的荧光，对应于在350nm处具有低荧光量子产率（Phi;= 0.008）的425nm处的弱发射强度的峰[36]。 这可能是由于beta;-二酮基团的强吸电子效应，它可以通过光致电子转移（PET）过程猝灭香豆素部分的荧光[37]。

当向受体溶液中加入N2H4（5当量）时，峰强度在425nm处显着增强并且量子产率增加（Phi;= 0.18）。实际上，荧光强度的这种大幅增加导致在365nm紫外灯下产生的溶液的“裸眼”蓝色发光（图2）。表明C1与N2H4反应生成C1-N2H4（参见下文），其中PET过程被阻断以诱导荧光开启[37]。C1在425nm处的荧光强度随N2H4浓度在0至12.5mu;M范围内（0-1.25eq。，线性相关系数：R = 0.99141）变化显示出良好的线性关系（图3）。使用公式DL = 3Sbi / S（其中Sbi是空白测量的标准偏差，S是强度对样品浓度的斜率），计算出N2H4的C1的检测限为0.1mu;M（3.2 ppb）[16]

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