近红外荧光染料的结构、性质及生物荧光成像应用

! #$ % 3 9 ? 7 AB? 672 ; ? C 3 D; E 2 ; ? =9 ; E FG C 7 DG 7H 3 =D; ? C 3 D 3 I J 6C D;#2 3 4 $ LI 3 9 2 7 8J 7 D? =9 BP _ G 7 E E 7 D? 5 ; E 7 D? C D f DC T 7 9 3 9 ?H =D # 2 3 4 #$*U %-# D ? 67H =D; L 7 D? ; E H =D I 3 9 ? 67J 7 D? 9 ; E f DC T 7 9 C ? C 7 #2 3 4 #$-# =? 63 9 !7 0 L ; C E ! L 7 DK E C DK N C 7 ML ; C E 4 _ N ? =4 7 =4 G D * , ( 5 2 , 5 ( . DC G2 O YI E =3 9 7 G 7 D? B 7 . $!J B ; DC D7 王晓驰等! 近红外荧光染料的结构性质及生物荧光成像应用 综述与评论 化学进展 #$% L C D7; D; E 3 K =7 . -!Fj=; 9 ; C D7 E C G ; ? C 3 D *. $!H =DG ? C 3 D; E L 3 C I C G ; ? C 3 D *. !H E =3 9 7 G 7 DG 7AC 3 C L ; K C DK -!J 3 DG E = C 3 D ; D 3 =? E 3 3 : ;引言 生物荧光成像技术能够在三维尺度上对生物分 子细胞及组织 l 器官进行实时可视化的检测能跟 踪生物体的各种生理过程了解生物分子及其结构 与功能的关系已成为当前生物医学领域的一个重 要工具 )$ (* ( 荧光成像技术具有非侵入可视化高 时空分辨率廉价安全和快速等优势已被广泛用 于肿瘤诊断 )-%* 生物分子检测 ),*药物分布和代 谢 ) / ? ;5 679 7 3 D; DG 7 ? 9 =G ? =9 7 3 I G B ; DC D7B 7 0 # 共轭或 $ 0 #共轭效应会增大体系的共轭程度使最 大吸收波长发生红移 )$-*( 而共轭骨架上吸电子基 团如醛基的存在 )$%*会使得共轭体系上的电子云密 度下降电子跃迁能级升高从而导致吸收波长发生 蓝移 )$,*( 分子链端的杂环核可以是吲哚苯并吲 哚噻唑苯并噻唑萘噻唑咪唑喹啉等其共轭结 构大小和推拉电子效应不同也会影响菁染料的吸收 和发射波长荧光效率及光稳定性( 其中吲哚菁绿 #O J Q $的光稳定性和生物安全性较好是美国食品 . / 0 . 1化 学 进 展 E ? 9 =G ? =9 7 3 I O Y D O Y # 图 A / ? A5 67G 67 L C G ; E ? 9 =G ? =9 7 3 I ; L C D3 G B ; DC D7B 7 8 C ? 6 C I I 7 9 7 D? DC ? 9 3 K 7 D 67 ? 7 9 3 G B G E C G9 C DK 随着菁染料中甲川链的增长甲川链在光照下 容易断裂导致许多近红外的菁染料光稳定性变差 而且水溶液中量子产率也较低影响了其生物荧光 成像应用( 但菁染料的结构具有很强的可修饰性 经过近年持续努力已经找到一些提高染料稳定性 和量子效率的方法( 在多甲川链上引入氯原子或刚 性桥环或改变阴离子的种类都可能提高染料的稳 定性和量子产率( 例如在聚甲川链的中心引入刚 性的氯化环己烯能显著提高菁染料的量子产率和光 稳定性 )%$* ( 不同含氮杂环取代中间氯原子#氯化 环己烯部分$生成氨基菁染料 )$)* #J B 2 $相应的氨 基菁染料量子产率虽有所降低但进一步乙酰化的 氨基菁染料#J B 2 / $ 可显著提高光稳定性 )#*( 另 外抑制染料分子中官能团的旋转或染料分子聚集 也可以提高光稳定性和荧光量子产率 )$*( 荧光染料的斯托克斯位移越大即发射波长与 吸收波长的差值越大受背景荧光的干扰就越小从 而可以获得高精确度的荧光信号( O 5 J #分子内电 子转移$是影响斯托克斯位移的主要因素因此可 通过提高分子内电子云密度的方法扩大斯托克斯位 移 )* ( 例如在聚甲川链中心的环己烯上进一步引 入含氮杂环发射光的波长变化不大但能显著降低 最大吸收波长含氮杂环中氮原子上的电子云密度 越大其斯托克斯位移就越大而且荧光量子效率也 随之增加#图 * 和表 $ )$)*( 表 ;甲川链中心环己烯上取代基对斯托克斯位移的影响 I 5 677 I I 7 G ? 3 D ? 3 G : 6C I ? 3 I =A ? C ? =? 73 I G B G E 3 67 _ 7 DB E 3 D ? 67L 7 ? 6C D7G 6; C D 2 3 4%; Al DL%7 Ll DLF? 3 :7 l DL, 0 *; -; 0 C ; S ; 0 0 C D; G 7 D7 #W + Z O R m $ 是二氟化硼二吡咯甲川染料及其衍生物的统称具 有高耐光漂白性高摩尔吸收系数高量子产率及对 环境的酸碱度不敏感吸收 l 发射峰窄等特性 )%* 是 近年研究最多的一类有机荧光化合物( 5 9 7 C A和 h 9 7 =S 7 9 在 $), 年首次得到第一个 W + Z O R m化合 物 ),*其母核结构如图 -;所示( 但 W + Z O R m母核 的吸收 l 发射波长分别在 -)# DL和 %$# DL左右均 不 在 近 红 外 区 因 此 最 近 大 量 研 究 集 中 于 对 W + Z O R m母核进行修饰以调节其吸收 l 发射波长红 移到近红外区从而得到了一系列近红外 W + Z O R m 荧光染料( 图 B / ? B 5 67G 67 L C G ; E ? 9 =G ? =9 7 3 IW + Z O R m G 3 9 7; D / S ; 0 W + Z O R mG 3 9 7 对 W + Z O R m母核的修饰主要有四种方法!第一 在母核上引入共轭结构增大母核分子的 # 0 共轭体 系使吸收和发射光红移%第二使中心结构.刚性 化/让取代基和母核之间成环增加化合物的刚性 平面使分子内扭转程度有所减少从而使发射波长 发生红移%第三在 W + Z O R m分子两端分别引入吸电 王晓驰等! 近红外荧光染料的结构性质及生物荧光成像应用 综述与评论 化学进展 #$% 0 W + Z O R m 其母核 结构如图 -A 所示$从而使其吸收和发射波长红移 到 ,%# DL 而且光稳定性好( 图 C / ? C5 67G 67 L C G ; E ? 9 =G ? =9 7 ; DC DK # 0 G 3 DN =K ; ? 7 B ? 7 L 扩大 W + Z O R m分子 # 0 共轭体系的方式有!第 一 #*% 位$或者 ( #$K%第二 位引入烯属烃或者炔属烃 ),*$*如图 % 中化合物 ;= (! 表 =扩大 # 0 共轭体系获得的近红外 W + Z O R m染料的吸收 发射波长 I DC DK# 0 G 3 DN =K ; ? 7 B ? 7 L 2 3 4%; Al DL%7 Ll DL C,%#,K,)-;%#%$ ;=,#,*$ ;A,#%, ;B,C,%d ;L%MNO,)#d ;B%第三W + Z O R m分子中吡咯环上稠合不同的芳香 环如苯呋喃噻吩 )*如图 % 中化合物 ;C J ;N%第 四W + Z O R m的.之/ 字边缘稠合富电子芳环如二萘 嵌苯蒽卟啉等 )*-*如图 % 中化合物 ;O J =;( 同 时这些方法也适用于 / S ; 0 W + Z O R m ( 图 L / ? L 5 67 G 67 L C G ; E ? 9 =G ? =9 7 3 I2 O Y W + Z O R m AB 9 7 ? 9 C G ? C DKG 3 DI 3 9 L ; ? C 3 D 通过对不同结构及相关光谱数据比较可知使 W + Z O R m波长红移的规律为电子云密度越大对分 子中 # 0 共轭体系供电子能力越强%共轭体系越长 . / 0 . 1化 学 进 展 0 W + Z O R m中$M;N可形成推0 拉电子结 构 )* ( 此方 法 能 同 时 增 加 + U+# 最 高 占 有 轨 道$能量并降低 f U+ #最低未占有轨道$ 能量使 Q #最高占有轨道与最低未占有轨道的能量间 隙$减小引起波长红移( 如表 * 所示这些含有 推0 拉电子结构的 W + Z O R m类荧光染料的量子产率 也较高( 图 M / ? M5 67G 67 L C G ; E ? 9 =G ? =9 7 =E E 7 I I 7 G ? 根据能隙规则随着 F#0 F$能隙的增加F#0 F$的 无辐射灭活可能性增加能量以热或者转移至单线 态氧的形式呈现的可能性增加( 所以荧光染料在短 波长时量子效率较高而近红外荧光染料的量子产 率容易随着 # 0 共轭体系的扩大引起的波长红移而 降低#见表 *$( 另外重原子效应 )*)* 如图 % 中化合 物 CN 的量子产率分别为 #. *, 和 #. $%乙酰基的荧 光猝灭效应如图 中化合物 AB J AL )%* 也会使染料 的量子产率降低#表 *$( 图 N / ? N5 67G 67 L C G ; E ? 9 =G ? =9 7 3 I W + Z O R m8 63 7j=; D? =L B C 7 E 7 G 9 7 ; C DK8 C ? 6 A; ? 63 G 69 3 L C G 0 6C I ? 表 A一系列 W + Z O R m染料的吸收 l 发射波长及量子产率 I T 7 E 7 DK ? 6 ; D j=; D? =LB C 7 E 3 I W + Z O R mB 7 2 3 4%; Al DL%7 Ll DL E ? 9 =G ? =9 7 3 I 9 63 ; L C D7B 7 图 ;K / ? ;K5 67G 67 L C G ; E ? 9 =G ? =9 7 3 I 2 O Y9 63 ; L C D7B 7 ; DC DK_ ; D? 67 D7 图 ; / ? ;5 67G 67 L C G ; E ? 9 =G ? =9 7 $- 9 63 ; L C D7 为得到近红外罗丹明类染料可通过对氧杂蒽中 心进行修饰!稠合芳杂环以扩大氧杂蒽环如化合 物 AM#% ; A!,*$ DL%7 L!,- DL$ )-* ) 位引入强吸 电子基团+J 2等如化合物 AN# 罗丹明 #% ; A$-$ 罗 丹 明 )-* 和 J 6; DK 6;近 红 外 荧 光 染 料 )-)* #J F 2 O Y $它们的合成相对简单而且具有较 高量子效率在生物成像方面具有很大的潜能( # 年肖义和钱旭红团队首次用 FC 原子取代 +桥原子形成 FC 杂蒽化合物 )%#*% ; A#,-$ DL$ 和 % 7 L#,%) DL$ 比相同结构的 +杂蒽化合物红移约 )# DL ( 随后用 FC Q 7 FD 原子取代罗丹明中 +桥 原子形成的 $- 族罗丹明近红外荧光染料被大量报 道分别命名为 FC 0 罗丹明#FC Y $Q 7 0 罗丹明#Q 7 Y $ ! 表 BFC Y Q 7 Y吸收 l 发射波长及量子产率 I L C D7%; Al DL%7 Ll DL= / ? ;=5 67G 67 L C G ; E ? 9 =G ? =9 7 3 I 2 O YFC YB 7 表 C一系列近红外 FC Y荧光染料吸收 l 发射波长量子产率 I T 7 E 7 DK ? 6 ; D j=; D? =LB C 7 E 3 I 2 O YFC YB 7 FC Y%; Ax A几种传统罗丹明染料与 J F 2 O Y / ? ;A 5 67G 67 L C G ; E ? 9 =G ? =9 7 3 I? 9 ; C ? C 3 D; E9 63 ; L C D7 B 7 ; D J F 2 O Y 表 L几种传统罗丹明染料与 J F 2 O Y 的吸收 l 发射波长量 子产率 I T 7 E 7 DK ? 6 ; D j=; D? =L B C 7 E 3 I? 9 ; C ? C 3 D; E 9 63 ; L C D7B 7 ; D J F 2 O Y B 7 %; Al DL%7 Ll DL L C D7 ,Q%*#%$#. )% BL, L C D7W%*% L C D7 $#$%B / ? ;B5 679 7 3 D; DG 7 ? 9 =G ? =9 7 3 I j=; 9 ; C D B 7 为调整方酸类染料的吸收和荧光波长可以通 过改变 # 0 共轭体系的大小来实现例如用苯并噻 唑喹啉替代方酸中的苯基 )%*( 如果在芳环上有卤 素取代时#如图 $%$也能使吸收 l 发射波长红移并 提高量子产率这种卤素效应顺序为 O W 9 J E )%* #如表 C / ? ;C 5 67G 67 L C G ; E ? 9 =G ? =9 7 3 I6; E 3 K 7 D =A ? C ? =? 7 j=; 9 ; C D B 7 表 M染料 BO 的吸收 l 发射波长荧光强度量子产率 I T 7 E 7 DK ? 6 ; D j=; D? =LB C 7 E 3 I j=; 9 ; C D B 7 BO 2 3 4%; Al DL%7 Ll DL )#Ud $G Ld $ L / ? ;L 5 67G 67 L C G ; E ? 9 =G ? =9 7 ? 3 9 0 =A ? C ? =? 7 j=; 9 ; C D7B 7 表 N染料 CK 的吸收 l 发射波长荧光强度量子产率 I T 7 E 7 DK ? 6 C D? 7 D C ? B; D j=; D? =L B C 7 E 3 I j=; 9 ; C D B 7 #CKCK Al DL%7 Ll DL )#Ud $G Ld $ D 约 -# DL n 0 A; D约 %# (,# DL( 其电子 性质很灵活特别容易受外围共轭部分的影响因此 在卟啉环外围偶联不同的芳香环# 芳香烃或芳杂 环$来扩大 #共轭体系 )%*容易将吸收光谱红移于 近红外区( 外围偶合的主要方式可分为 * 类!#$ ( (芳烃耦合#化合物 C;% ; A! A!, A!,M / ? ;M6B 9 C D ; D I =7 图 ;N / ? ;N 5 67G 67 L C G ; E7 6B 9 C D 另外对卟啉的环内进行修饰也可以扩大其 # 共轭体系( 普通卟啉环中的一个吡咯环反转得到 2 0 G 3 DI = 7 卟啉#2 J R 如图 $) 所示$( 如果将功能 基团如炔基进一步连接于中心的 碳原子上可得 到亚乙烯基桥 2 J R #化合物 CB$ )%)*( 由于环内功能 基团可相互作用可扩大卟啉环的 # 0 共轭体系能 明显提高 + U+能量使其最大吸收波长在 J J E 中为 O / ? ;O5 67G 67 L C G ; E 6B 9 C D ; D 2 J R 图 =K / ? =K5 67G 67 L C G ; E ? 9 =G ? =9 73 I 7 ? 67 D3 0 A9 C K 7 2 J R . / 0 . 1化 学 进 展 式的大环卟啉 更具平面性 ),#*使其吸收和荧光波长红移( A荧光染料的功能化修饰和荧光成像应用 *. $!功能化修饰 有机荧光染料用于生物荧光成像时除了要具 有近红外的吸收 l 发射波长高的量子效率和较高的 耐光漂白性外还应该具有良好的水溶性低的生物 毒性特异的组织或细胞靶向性以及良好的细胞穿 透性等从而达到更安全高效灵敏的荧光成像目 的( 有些情况下还可以将荧光分子修饰到生物分 子药物以及纳米载体表面在研究生物分子功能 药物分布和代谢疾病尤其是肿瘤的诊断与治疗中 发挥有重要作用( 为了提高有机荧光染料的水溶性和生物相容性 可以将一些天然或人工合成的生物分子修饰到荧光 染料上 )% E B ? 7 L Y P F$的识别和血液中巨噬细胞的清除常 用来修饰治疗性多肽蛋白质和化疗药物等以提高 药物的水溶性和生物相容性并延长在体内的循环时 间 ),* ( 因此R P Q也已被用于近红外荧光染料的修 饰可有效提高其水溶性生物相容性与体内循环时 间 ),* ( 另外血清蛋白#W F/ $是血浆中存在最丰富 的蛋白之一它对内生或外源性配体在血液中的运 输沉积起到重要作用( 用 W F/对近红外荧光染料 进行修饰不仅可以增加水溶性和生物相容性还可 以提高它们的荧光强度 ),-,%*( 为了提高对肿瘤等病灶的荧光成像检测的灵敏 性可以将与肿瘤细胞中特有的受体准确结合的靶 分子修饰到近红外荧光染料上( 当用于肿瘤的诊断 与治疗时有助于将染料分子靶向的送达肿瘤组织 或细胞部位提高成像时的特异性灵敏性( 目前常 用的靶向分子包括如叶酸单克隆抗体和一些多肽 分子等( 例如在许多的肿瘤组织中存在叶酸受体 过表达的现象因此用叶酸对近红外荧光染料进行 表面修饰可使其能选择性的富集于肿瘤组织中特 别适用于肿瘤的早期检测 ),* #图 $( 如果用叶酸 修饰的 R P Q对荧光染料进行改性能同时提高染料 的水溶性生物相容性和靶向性能极大地提高近红 外荧光染料在生物体内荧光成像的效果 ),*( 有些 肿瘤组织#如卵巢癌细胞$ 中存在 ( 0Z0 半乳糖受体 的过表达因此用对包含 ( 0Z0 半乳糖受体的 0 凝集 素有靶向作用的半乳糖基人血清蛋白#6Q F/ $和葡 萄糖基人血清蛋白#Q E =0 F/ $来修饰近红外荧光染 料也可以显著提高这些肿瘤组织的荧光成像灵敏 度 ), / ? =; 5 67G 67 L C G ; E ? 9 =G ? =9 73 I2 O Y B 7L 3 C I C 7 AB R P Q; D I 3 E ; ? 7 ),* *. !生物荧光成像 图 = / ? =/L 7 G 6; DC LI 3 9 7 D等进行检测) DC LI 3 9 7 D C DK K gABFC Y 0 K) L = F6C L 3 L =9 ; U; 9 ? C D J 6; E I C 7 和钱永健$和高分辨荧光显微技术的 重 要 推 动 者 # 美 国 科 学 家 P 9 C G W 7 ? S C K XC E E C ; L U3 7 9 D7 9 和德国科学家 F? 7 I ; D 7 E E $( , 年内生物荧 光成像技术相关领域两次获得诺贝尔化学奖一方 . / 0 . 1化 学 进 展 ? =9 7 # -%! %#4 ) *!J 67 D U m C D U4R 9 3 K 4R 3 E B L 4FG C 4 #$- *)! *,%4 ) * *!m =; D C D X k 67 DKh 7 =; DKX4J 67 L 4F3 G 4 Y 7 T 4 #$ -! ,4 ) - *!m =; D / X= 5 ; DK1 k 6; 3 1 = H = m 4 4R 6; 9 L 4FG C 4 f 4 #$* $#! ,4 ) % *! =3F k 6; DKP F= m J 67 DK5 F6C J 4W C 3 L ; ? 7 9 C ; E #$ *! 9 : F m 3 3 D F6C D O 4J 67 L 4F3 G 4Y 7 T 4 #$ -$! $%4 ) D W =9 K 7 h 4J 67 L 4Y 7 T 4 #$# $#! B ; 6C h 2 ; :; L =9 ;U UC :C + S ; :C F / A7U U; ? =L 3 ? 3 5 O 6C L =9 ;h 4/ T 4H =DG ? 4U; ? 7 9 4 #$ ! *%*)4 )$#*! C E 7 9 A9 ; D F / X7 C C D4J 67 L 4W C 3 E 4 #$# $-! D Q X; DKkm 4J 67 L 4/ C ; D 4 #$# %! $#,4 )$*!UC 69 ;/ W 7 67 9 ;Yh W 7 67 9 ;Rh UC 69 ;Wh W 7 67 9 ;QW 4 J 67 L 4Y 7 T 4 #$#! $) L 7 2F J 67 D m 3 6C R + 6=E G 6; D :B B5m P ? 6C 9 ; N ; D U 7 D; 9 BU F? 9 7 :3 8 : R ; D7 BYh 45 67 9 ; D3 ? 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