陳小利 李翠紅 宋慶寶

（浙江工業(yè)大學(xué)化學(xué)工程與材料學(xué)院，浙江 杭州310014）

氮雜氟硼熒（Aza-BODIPY）染料的研究進(jìn)展

陳小利 李翠紅 宋慶寶

（浙江工業(yè)大學(xué)化學(xué)工程與材料學(xué)院，浙江 杭州310014）

Aza-BODIPY熒光染料是一種新型熒光化合物，因其突出的優(yōu)點而得到廣泛地應(yīng)用。從其應(yīng)用的三方面（光動力學(xué)療法的光敏劑、可控制的熒光傳感器、近紅外區(qū)域的熒光探針）詳細(xì)描述了Aza-BODIPY熒光染料的研究進(jìn)展,展望了該領(lǐng)域的研究發(fā)展方向。

氮雜氟硼熒（Aza-BODIPY）；熒光染料；光敏劑；熒光傳感器；熒光探針

Aza-BODIPY熒光染料是近十年才發(fā)展起來，并受到廣泛重視的一種較新的熒光化合物。它有以下優(yōu)點[1-5]：（1）Aza-BODIPY熒光染料的熒光光譜波長較長，一般在650~750 nm區(qū)間，接近于近紅外區(qū)域，極大地促進(jìn)了近紅外熒光染料的發(fā)展。（2）Aza-BODIPY熒光染料具有相對較好的光穩(wěn)定性。（3）Aza-BODIPY熒光染料的熒光光譜半峰寬較窄，作為熒光標(biāo)識時有很好的靈敏度。（4）Aza-BODIPY熒光染料的熒光量子產(chǎn)率較高，通常在0.23~0.36區(qū)間。（5）Aza-BODIPY熒光染料的摩爾消光系數(shù)ε較大，一般在70,000~80,000 L·cm-1·mol-1。本文按其用途從三方面（光動力學(xué)療法的光敏劑、可控制的熒光傳感器、近紅外區(qū)域的熒光探針）綜述了Aza-BODIPY熒光染料的研究進(jìn)展。

1 光動力學(xué)療法的光敏劑

光動力學(xué)療法(PDT)是一種非入侵的治療癌癥的方法，它基于光敏劑和與這種光敏劑吸收光譜相匹配的相應(yīng)波長的光這兩個因數(shù)[6-8]。當(dāng)光敏劑注入人體并代謝一段時間后,在腫瘤組織中的濃度要比在正常組織中高,此時若用相應(yīng)波長的激光照射患處 ,可對腫瘤組織進(jìn)行靶破壞。目前，卟啉衍生物是臨床上應(yīng)用最普遍的PDT試劑，但是他們不是最理想的PDT試劑[9]，因為其感光性和選擇性還不夠強。

2002年，O'shea D F等人[1]報道了一種的新的PDT試劑，它是基于BF2與四芳基氮雜二吡咯甲川類化合物絡(luò)合的產(chǎn)物，俗稱Aza-BODIPY熒光染料（Scheme1）。四芳基氮雜二吡咯甲川類化合物1的合成首次報道于1943年[10]，但是這一結(jié)構(gòu)在其后50年來一直沒被引起關(guān)注，直到O'shea D F等人報道了其與BF2絡(luò)合的產(chǎn)物2，即Aza-BODIPY熒光染料，從此Aza-BODIPY熒光染料才開始被廣泛研究。

Aza-BODIPY熒光染料作為PDT試劑，對于癌癥的治療具有極高的選擇性，在沒有光照射的區(qū)域，光敏劑是沒有毒性的，只對受照射區(qū)域產(chǎn)生影響。在Aza-BODIPY熒光染料發(fā)色團(tuán)中心β位置引入溴原子 4，是為了增加三重激發(fā)態(tài)的產(chǎn)生。三重態(tài)光敏劑與氧相互作用產(chǎn)生單態(tài)氧，這種單態(tài)氧被認(rèn)為是PDT中的主要細(xì)胞毒素，它可造成細(xì)胞膜的不可逆損傷，使組織的脈管系統(tǒng)被破壞，細(xì)胞最后因得不到營養(yǎng)供給而死亡，最終靶組織被根除。

2004年，他們繼續(xù)進(jìn)行研究，首先對合成Aza-BODIPY熒光染料的條件進(jìn)行優(yōu)化，得出最佳反應(yīng)條件。接著他們通過在Aza-BODIPY熒光染料發(fā)色團(tuán)中心β位置引入溴原子研究其光物理性能，得出引入溴原子后，最大吸收波長變化不大，只產(chǎn)生輕微藍(lán)移，而熒光量子產(chǎn)率卻大幅度減少，其原因可能是當(dāng)引入溴原子到熒光染料中心上，產(chǎn)生較強的重原子效應(yīng)，導(dǎo)致熒光量子產(chǎn)率降低。同時他們研究了溶劑對Aza-BODIPY熒光染料的影響，得出不同溶劑（甲苯、氯仿、乙醇）對aza-BODIPY熒光染料的熒光光譜波長基本沒影響[2]。

2005年，O'shea D F等人[3]報道了一類新的Aza-BODIPY熒光染料（Scheme 2）。當(dāng)這類染料用作PDT試劑時，可通過調(diào)節(jié)pH值實現(xiàn)控制其選擇性。通過光誘導(dǎo)電子轉(zhuǎn)移機理，未被質(zhì)子化的氨基受體使光敏劑的激發(fā)態(tài)快速達(dá)到平衡，沒有發(fā)生能量的轉(zhuǎn)移從而抑制了細(xì)胞毒素試劑（單態(tài)氧）的產(chǎn)生，最終不能殺死細(xì)胞。相反地，當(dāng)氨基受體被質(zhì)子化時，光誘導(dǎo)電子轉(zhuǎn)移停止，發(fā)生能量的轉(zhuǎn)移，產(chǎn)生細(xì)胞毒素試劑（單態(tài)氧），從而殺死細(xì)胞。

2 可控制的熒光傳感器

熒光傳感器是一類能將分子識別事件通過熒光信號有效表達(dá)的分子[11]。典型的熒光傳感器一般是由熒光團(tuán)通過連接基與接受體相連而成。2006年，O'shea D F等人[12]報道了一類新的熒光傳感器，它是基于BF2與四芳基氮雜二吡咯甲川類化合物絡(luò)合的熒光物質(zhì)，如圖Scheme 3所示，它擁有受體（氨基）-連接基（亞甲基）-熒光團(tuán)（Aza-BODIPY）這一體系。這類熒光傳感器可用于分析檢測質(zhì)子、陽離子、陰離子、糖類和縮氨酸等[13]，它的原理是當(dāng)氨基受體接受客體時，導(dǎo)致光誘導(dǎo)電子轉(zhuǎn)移機理失效，從而體現(xiàn)出熒光性，熒光傳感器打開。他們通過研究pH值和溶劑極性對這類熒光傳感器的影響，得出如下結(jié)論：隨著pH值（10降至4）的減少，熒光性增強，熒光傳感器打開；隨著溶劑極性（DMF、THF、二惡烷、環(huán)已烷）的減少，熒光性增強，熒光傳感器打開。

最近，O'shea D F等人[14-16]對Aza-BODIPY熒光染料進(jìn)行基團(tuán)修飾，開發(fā)出一系列新的熒光傳感器（Scheme 4）。

這類傳感器都是基于內(nèi)在的電子轉(zhuǎn)移機理來響應(yīng)酸性變化的，隨著酸性的變化，熒光傳感器產(chǎn)生靈敏的響應(yīng)，控制熒光性的關(guān)/開，其中熒光染料7和9都是內(nèi)在的雙重性質(zhì)的熒光傳感器。當(dāng)pH從5~6 mol/L HCl變化時，熒光染料7上的一個氨基與H+結(jié)合形成氨基正離子，隨著酸性的增強，另一個氨基也與H+結(jié)合形成氨基正離子，在這一過程中，最大吸收波長發(fā)生藍(lán)移從800 nm到750 nm再到650 nm，最大熒光發(fā)射波長也發(fā)生藍(lán)移從830 nm到760 nm再到680 nm，相應(yīng)的比色度變化為從紅色到紫色再到藍(lán)色，因此熒光染料 7也可作為高靈敏性的多重響應(yīng)的酸性指示劑。比較熒光染料8 a和8 b是為了研究其受限制的構(gòu)象對其氨基受體的影響，他們研究發(fā)現(xiàn)通過細(xì)微的構(gòu)象的改變，能夠控制分析物引起光物理性能響應(yīng)。

2007年，Gawley R E等人[17]報道了一類基于Aza-BODIPY熒光團(tuán)-亞甲基連接基-冠醚受體這一體系的熒光傳感器（Scheme 5）。這類熒光傳感器主要是用于檢測貝類毒素，其工作原理為：當(dāng)貝類毒素不存在時，相當(dāng)于氨基未被質(zhì)子化，光誘導(dǎo)電子轉(zhuǎn)移機理生效，熒光性關(guān)閉；當(dāng)貝類毒素與冠醚絡(luò)合時，相當(dāng)于氨基被質(zhì)子化，光誘導(dǎo)電子轉(zhuǎn)移機理失效，熒光性打開，從而可檢測出是否存在貝類毒素。

3 近紅外區(qū)域的熒光探針

熒光探針是指用熒光試劑對待測物進(jìn)行標(biāo)記或衍生，生成具有高熒光強度的共價或非共價結(jié)合的物質(zhì) ,使檢出限大大降低，可方便快速地檢測金屬離子、有機分子和生物大分子 (多肽、蛋白、核苷酸 )等。2008年，O'shea D F等人[18]報道了一類新的近紅外區(qū)域的熒光探針（Scheme 6）。這類熒光探針的特點是具有較高的熒光量子產(chǎn)率和熒光發(fā)射波長超過750 nm，發(fā)射波長在750~900 nm區(qū)間的熒光探針可有效避免細(xì)胞內(nèi)自身短波長熒光體的干擾，因此這類熒光探針在生物檢測領(lǐng)域中具有極大的潛在應(yīng)用價值。

2009年，O'shea D F等人[19]報道了一類基于Aza-BODIPY熒光染料固載化的熒光探針，通過固載化增強了Aza-BODIPY熒光染料的熒光亮度和光穩(wěn)定性（Scheme 7）。同年，他們報道了一類pH值響應(yīng)的近紅外區(qū)域的熒光探針[20]（Scheme 8）。隨著pH值（5增至8）的增大，這類熒光染料的熒光性逐漸降低，直至熒光性關(guān)閉。引入糖基的目的是為了增強Aza-BODIPY熒光染料的水溶性，達(dá)到輕微水溶性的要求，利于生物領(lǐng)域的應(yīng)用。

4 展望

最近十年來，Aza-BODIPY熒光染料的研究正以令人鼓舞的速度發(fā)展，但仍有不完善的方面，未來設(shè)計合成新的Aza-BODIPY熒光染料應(yīng)滿足如下要求：（1）較高的熒光量子效率。熒光量子效率越高，熒光性越強，靈敏度越高，熒光染料用量越少，對生物體毒害越小。（2）較長的最大吸收和發(fā)射波長。波長越長不但可避免生物體內(nèi)有機共軛小分子自身熒光的干擾而且可使激發(fā)熒光染料所需能量最少，從而不會損害生物細(xì)胞。（3）較好的水溶性。水溶性好，有助于在細(xì)胞內(nèi)很好的分散，從而有利于應(yīng)用生物領(lǐng)域。

[1]Killoran J,Allen L,Gallagher J F,et al.Synthesis of BF2chelates of tetraarylazadipyrrometh-enes and evidence for their photodynamic therapeutic behaviour[J].Chem.Commun, 2002:1862-1863.

[2]Gorman A,Killoran J,O'Shea C,et al.In vitro demonstration of the heavy-atom effect for photodynamic therapy[J].J.Am.Chem.Soc,2004,126:10619-10631.

[3]McDonnell S O,Hall M J,Allen L T,et al. Supramolecular photonic therapeutic agents[J].J.Am.Chem. Soc,2005,127:16360-16361.

[4]Gallagher W M,Allen L T,O'Shea C,et al.A potent nonporphyrin class of photodynamic therapeutic agent:cellular localisation,cytotoxic potential and influence of hypoxia[J].Br. J.Cancer,2005,92:1702-1710.

[5]O'Shea D F,Killoran J,Gallagher W M.Compounds u seful as photodynamic therapeutic agents:US,7220732[P].2007.

[6]Bonnett R.Photosensitizers of the porphyrin and phthalocyanine series for photodynamic therapy[J].Chem.Soc. Rev,1995,24:19-33.

[7]Dougherty T J,Gomer C J,Henderson B W,et al. Review:photodynamic therapy[J].J.Natl.Cancer Inst,1998,90: 889.

[8]MacDonald I J,Dougherty T J.Basic principles of photodynamic therapy[J].J.Porphyrins Phthalocyanines,2001,5: 105-129.

[9]Ali H,Lier J E.Metal complexes as photo-and radiosensitizers[J].Chem.Rev,1999,99:2379-2450.

[10]Rogers M A T.2,4-Diarylpyrroles.Part I.Synthesis of 2,4-diarylpyrroles and 2,2',4',4-tetra-arylazadipyrrome thines[J].J.Chem.Soc,1943,590-596.

[11]De Silva A P,Gunaratne H Q N,Gunnlaugsson T, et al.Chem.Rev.,1997,97:1515-1566

[12]Hall M J,Allen L T,O'Shea D F.PET modulated fluorescent sensing from the BF2chelated azadipyrromethene platform[J].Org.Biomol.Chem,2006,4:776-780.

[13]Hartley J H,James T D,Ward C J.Synthetic receptors[J].J.Chem.Soc.Perkin Trans.1,2000,3155-3184.

[14]McDonnell S O,O'Shea D F.Near-infrared sensing properties ofdimethlyamino-substituted BF2-azadipyrrome thenes[J].Org.Lett,2006,8:3493-3496.

[15]Killoran J,O'Shea D F.Impact of a conformationally restricted receptor on the BF2chelated azadipyrromethene fluorosensing platform[J].Chem.Commun,2006,1503-1505.

[16]Killoran J,McDonnell S O,Gallagher J F,et al.A substituted BF2-chelated tetraarylazadi-pyrromethene as an intrinsic dual chemosensor in the 650~850 nm spectral range[J]. New J.Chem.2008,32:483-489

[17]Gawley R E,Mao H,Haque M M,et al.Visible fluorescence chemosensor for saxitoxin[J].J.Org.Chem,2007, 72:2187-2191.

[18]Loudet A,Bandichhor R,Burgess K,et al.B,O-chelated azadipyrromethenes as Near-IR Probes[J].Org.Lett, 2008,10:4771-4774.

[19]Palma A,Tasior M,Frimannsson D O,et al.New onbead near-infrared fluorophores and fluorescentsensorconstructs[J].Org.Lett,2009,11:3638-3641

[20]Murtagh J,Frimannsson D O,O'Shea D F.Azide conjugatable and pH responsive near-infrared fluorescent imaging probes[J].Org.Lett,2009,11:5386-5389.

Development of Boron Azadipyrromethene(Aza-BODIPY)Fluorophores

CHEN Xiao-li,LI Cui-hong,SONG Qing-bao
(College of Chemical Engineering and Materials,Zhejiang University of Technology,Hangzhou 310014,China)

Aza-BODIPY fluorescent dyes,which are a new fluorescent compounds,are widely used due to their outstanding advantages.The research progress of Aza-BODIPY fluorescent dyes are described from three aspects(photosensitizer,chemosensor,fluorescent probe)of their application.The last,the direction of research and development in this area are prospected.

Aza-BODIPY;fluorescent dyes;photosensitizer;chemosensor;fluorescent probe

1006-4184（2010）07-0018-05

2010-03-12

陳小利（1984-），男，浙江臺州人，碩士研究生。主要從事Aza-BODIPY熒光染料的研究。