异硫氰酸荧光素酯在pH荧光化学传感器中的应用

背景及概述^[1]

异硫氰酸荧光素酯是黄色粉末，有吸湿性，能与各种抗体蛋白结合，结合后的抗体不丧失与一定抗原结合的特异性，并在碱性溶液中仍有强烈绿色荧光，加酸后析出沉淀，荧光消失，微溶于丙酮、乙醚和石油醚。异硫氰酸荧光素酯是生化试剂，也是医学诊断药物，主要用于荧光抗体技术中的荧光染料，能和各种抗体蛋白结合，结合后的抗体不丧失与一定抗原结合的特异性，并在碱性溶液中具有强烈的绿色荧光。其用于医学，农学和畜牧等方面，可对由地细菌病毒和寄生虫等所致疾病进行快速诊断。

应用 ^[1]

异硫氰酸荧光素酯用于合成一种pH荧光化学传感器：

pH值是水溶液最重要的物理化学参数之一，凡涉及水及溶液的自然现象、化学变化以及 生产过程都与pH有关。在生物体系中，pH值在一些生理过程中发挥着重要的作用，比如细胞的增值、酶的活性、离子传输、癌细胞的生存状态等等(J.Am.Chem.Soc.，2009，131，3016； Chem.Rev.，2010，5，2709)。因此，pH值的测定一直以来就是工农业生产、科学研究、临床医学及环境保护与监测等领域必不可少的工作。

pH玻璃电极因存在阻抗高，较难微型化、较易破损、不能用于含HF溶液pH测定，存在“钠误差”和“酸误差”等缺陷，使它在细胞内的pH 值检测和细胞成像研究方面的应用受到了限制。与电化学检测方法相比，基于荧光探针的光 学检测方法就克服了以上缺点(Chem Rev.，1997，97，1515；Chem Rev.，2003，103，4419.)。荧光传感器因具有灵敏度高，选择性好，检测限低，仪器操作简单等优点受到了广大科研工作者的 青眯(Chem Commun.，2008，45，5915；Inorg Chem.，2010，49，10753；Anal Bioanal Chem.，2005， 383，349；Chem Soc Rev.，2011，40，79.)。

目前，文献报道的pH化学传感器只有为数不多的可用于定量检测和细胞成像(J.Am.Chem.Soc.，2010，132，13951；J.Mater.Chem.，2011，21， 4056.)。目的在于克服现有技术的上述缺陷，提供一种生物相容性好、具有特定光学响应的高灵敏pH荧光化学传感器。本发明的pH荧光化学传感器结构中引入了联吡啶基团和异硫氰酸酯荧光素(Fluorescein isothiocyanate isomer I，FITC)，联吡啶基团上含有N原子，易质子化，作为键合基，FITC作为荧光团，具有水溶性好、量子产率高、荧光响应灵敏等优点。CN201210587177.7提供一种高灵敏的pH荧光化学传感器，包括联吡啶分子骨架、氢离子键合单元、和信号传输单元异硫氰酸酯荧光素荧光团；其中，所述pH荧光化学传感器如式(I)所示：

其中，X为S或O元素；R为具有荧光性质的化学基团。进一步地，R为异硫氰酸酯荧 光素(FITC)、蒽、芘或者它们的衍生物。

本发明还提供了所述pH荧光化学传感器的制备方法，是以联吡啶分子骨架为基础，同时引入一个氨基和一个荧光团，从而使其在水溶液中对pH具有特定的荧光响应。具体而言，以联吡啶分子为分子骨架，在其四位上分别引入氨基、荧光素基，联吡啶分子上的两个氮原 子和氨基作为键合位点，荧光素基作为信号单元，合成pH荧光化学传感器。其反应路线如下：

合成实施例如下：

实施例1：含异硫氰酸酯荧光素的pH荧光化学传感器的合成

(1)合成在联吡啶分子的四位上引入氨基的衍生物：

步：在50mL的圆底烧瓶中加入1.0g(1.6mmol)4，4’-二溴甲基-2，2’-联吡啶，960 mg(14.77mmol)NaN3和20mL的二甲基亚砜(DMSO)，反应液在氮气保护下室温搅拌过夜。 反应完毕后，将反应液用150mL乙醚稀释，100mL蒸馏水水洗，分别收集有机相和水相。 水相用50mL乙醚萃取三次，合并有机相。然后有机相用50mL蒸馏水洗涤三次，100mL 饱和食盐水洗涤一次，无水硫酸镁干燥，过滤，滤液旋干，得白色固体4，4’-二叠氮甲基-2，2’- 联吡啶773mg，产率99％。¹HNMR (500MHz，DMSO-d6)δ：8.70(d，J＝7.5Hz，2H，-bipyH)， 8.38(s，2H，-bipyH)，7.33(d，J＝7.5Hz，2H，-bipyH)，4.51(s，4H，-CH2)，MS(ESI)：C12H10N8 +Na 289.1。

第二步：将0.22g(0.83mmol)4，4’-二叠氮甲基-2，2’-联吡啶溶于20mL干燥的四氢呋喃 (THF)中，再迅速加入1mL三乙胺和20mg 10％的钯碳，通氮气排空三次，撤除氮气后用 氢气排净氮气。在氢气气氛下反应48小时，过滤，滤液旋干，得白色固体4，4’-二氨甲基-2，2’- 联吡啶170mg，产率96％。¹HNMR (500MHz，DMSO-d6)δ：8.54(d，J＝7.50Hz，2H，-bipyH)， 8.28(s，2H，-bipyH)，7.22(d ，J＝7.5Hz，2H，-bipyH)，3.91(s，4H，-CH2)，1.54(s，4H，-NH2) MS(ESI)：C12H10N8+H 215.2。

(2)基于联吡啶的pH荧光化学传感器分子的合成

向20mL干燥的二氯甲烷和甲醇的混合溶剂(v∶v＝10∶10)中加入异硫氰酸酯荧光素，再向混 合溶液中慢慢加入20mL含27mg(0.126mmol)4，4’-二叠氮甲基-2，2’-联吡啶溶液 (v(DCM)∶v(CH3OH)＝10∶10)。滴加完毕后，氮气保护下室温搅拌过夜，反应液中有大量沉淀产 生。过滤，沉淀采用索氏提取器(萃取剂是50mL的二氯甲烷和甲醇的混合溶剂，v∶v＝1∶1)， 萃除可溶性杂质，得橘红色固体，为pH荧光化学传感器34mg，产率50％。¹HNMR(500MHz， DMSO-d6)δ：3.86(s，2H，-CH2)，4.92(s，2H，-CH2)，6.53-6.64(m，6H，-FITCH)，7.18(d，J＝8.2Hz，1H，-ArH)，7.40(d，J＝4.3Hz，2H，-bipyH)，7.78(d，J＝7.7Hz，1H，-ArH)，8.27(s，1H， -ArH)，8.36(d，J＝13.4Hz，1H，-bipyH)，8.40(d，J＝7.6Hz，1H，-bipyH)，8.58(d，J＝5.1Hz，1H，-bipyH)，8.63(d，J＝4.9Hz，1H，-bipyH)，8.76(s，H，-NH)，MS(ESI)：C33H25N5O5S+H 604.38。

主要参考资料

[1] CN201210587177.7 一种pH荧光化学传感器及其合成方法和应用