BODIPY类荧光染料的研究进展

1、第40卷第7期2012年4月广州化工Guangzhou Chemical Industry Vol40No7April2012BODIPY 类荧光染料的研究进展洪雪华,生瑜(福建师范大学化学与材料学院,福建福州350007摘要:BODIPY (氟化硼二吡咯类荧光染料作为一类新兴的荧光染料,因其良好的光物理性质,在过去的二十年内得到广泛的研究。对BODIPY 的中心骨架进行官能化,可形成一系列衍生物用于环境监测和生物科学等领域研究。文章主要对近年来有关BODIPY 的官能化及作为荧光探针、荧光标记、光敏剂的应用加以综述。关键词:BODIPY ;官能化;荧光探针;荧光标记;光敏剂中图分类号:O62

2、613文献标识码:A文章编号:10019677(201207006505 作者简介:洪雪华(1986,女,硕士研究生,研究方向:功能高分子材料。通讯作者:生瑜(1966,男,研究员,博士,研究方向:高分子功能改性。Progress on the BODIPY Fluorescent DyesHONG Xue hua ,SHENG Yu(College of Chemistry and Materials Science ,Fujian Normal University ,Fujian Fuzhou 350007,China Abstract :As a new fluorescent dye

3、 ,dipyrromethene boron difuoride (BODIPY was investigated intensively over the last two decades due to their excellent photophysical propertiesFunctionalization of the BODIPY core would form a series of derivatives ,which can be used in the fields of environmental monitoring and biological sciences

4、,etcFunctionalization method of BODIPY dyes and their used as fluorescence probes ,fluorescence labels and photosensitizer in recent years were reviewedKey words :BODIPY ;functionalization ;fluorescence probe ;fluorescence labeling ;photosensitizer荧光分析法具有灵敏度高、选择性高、方法简便快捷、试样用量少等优点,已经被广泛的应用于生物、化学、医药、卫

5、生、农业、环境保护等领域中。荧光染料作为荧光检测分析方法的载体,其性能的优劣直接决定了检测方法的可行性及灵敏性。传统的荧光染料有荧光素、罗丹明、菁类、稀土配合物类荧光染料等,它们都或多或少的存在着一些缺点,例如光学性质不稳定,容易发生光漂白,荧光量子产率较低,吸收波长较短等,限制了它们的广泛应用14。氟化硼二吡咯(Dipyrromethene Boron Difluoride ,简称BODIPY 荧光物质是一类新兴的染料,具有高的荧光量子产率、高的摩尔消光系数、良好的光稳定性、对pH 不敏感等优点5。通过对BODIPY 中心骨架结构加以修饰,便可以得到一系列衍生物而作为荧光探针、荧光标签、光敏

6、剂等应用于环境监测和生命科学等领域。1BODIPY 类染料的基本结构及性质Treibs 和Kreuzer 6在1968年首次发现了BODIPY 荧光染料,其结构式如图1所示。66广州化工2012年4月23增加共轭体系或者引入强吸电子基基于近红外的染料在实际应用中所具备的优势,例如对人体组织穿透性强、光散射较小、高的信噪比等,近红外BODIPY衍生物一直以来都是研究的热点。为了使BODIPY吸收峰和发射峰红移,一般的做法是在3,5位置上通过Knoevenagel缩合反应接上带有推电子基的芳香结构,增加共轭体系的长度;此外还可以在BODIPY中心骨架结构上接上强的吸电子基,也可达到吸收红移的目的6

7、,10。 24接上溴元素或碘元素光动力疗法是一种非侵入性的肿瘤细胞疗法,与传统的化疗、手术等治疗方法相比,其优点是能够选择性消灭肿瘤细胞而不伤害其他正常细胞。在BODIPY的2,6位上接上溴原子或者碘原子,利用溴或碘的重原子效应,制得的衍生物可以作为光敏剂,用于光动力疗法中11。25合成聚合物Meng等12首次尝试了将三个BODIPY的衍生物分别与芴的衍生物通过Suzuki耦合反应,成功制得三种交替共聚物。聚合物中共轭体系增大,荧光增强,与BODIPY单体相比较,吸收峰和发射峰明显红移。3BODIPY类荧光染料的应用特异性官能化的BODIPY染料适合于对无机物或者有机物离子、分子的极其微量的选

8、择性分析检测。荧光检测一般通过以下三种机制:(1光诱导电子转移机制(PET;(2光诱导分子内电荷转移机制(ICT;(3荧光共振能量转移机制(FRET13。31离子探针311pH探针pH探针一般含有易解离的化学基团,如氨基、羟基、羧基等,并利用质子化/去质子化作用导致荧光变化而实现检测14。Urano等15报道了新的BODIPY衍生物(图2用于肿瘤细胞酸性核内体的荧光成像。这类化合物在中性或者碱性条件下,氮原子上的的孤对电子通过光诱导电子机制(PET转移至BODIPY中心骨架结构上,化合物不显示荧光(0001,而在酸性条件下,通过质子化作用,阻断了PET机制,化合物荧光增强(055。再将单克隆抗

9、体接到化合物上,实现靶向识别癌细胞。共聚焦荧光成像结果显示,在癌细胞外面,pH显中性的,化合物没有荧光;当通过细胞内吞作用进入核内体或溶酶体时(pH5 6,荧光信号显著增强。 第40卷第7期洪雪华等:BODIPY类荧光染料的研究进展67 314Pb2+离子探针Pb2+是环境中的主要的污染物,具有很强的毒性。Son等21设计合成了BODIPY官能化磁性纳米粒子(图5,实现高选择性、高灵敏性的检测活体细胞中的铅离子。该探针3位置取代基上的氮原子上带有孤对电子,在光照条件下,发生光诱导电子转移,荧光淬灭。当加入铅离子时,孤对电子与铅离子配位,PET被阻断,荧光显著增强。铅离子的检测下限是15g/L。

10、此外,磁性荧光纳米粒子在药物传输、生物分离上更具优势,还可以重复使用。 图5Pb2+探针21Fig5Pb2+probe21315Cu2+离子探针Lee等22设计了BODIPY官能化的金纳米粒子用于细胞内 铜离子的检测。该探针既能发生ICT机制,也能PET机制,故加入分析物前后探针的最大吸收峰位置会发生变化,可视为比率探针。实验结果表明,未加入铜离子时,探针的最大吸收峰在598nm处,溶液呈浅蓝色,当加入铜离子时,最大吸收峰蓝移至521nm,铜离子的加入溶液的颜色变化明显,便于观察。316CN离子探针氰化物是一类剧毒物,极其微量的氰化物可以经人体皮肤、眼睛或者胃肠道迅速吸收,导致中毒。Ekmek

11、ci等23成功的设计合成了对CN具有高度选择性识别的“ONOFF”型近红外荧光探针(图6。当溶液中有CN存在时,荧光减弱。当CN浓度上升至30M时,荧光量子产率由原来的027下降至001。但是它的最低检出限在106数量级,对于CN而言,灵敏度还不是太理想,还需要进一步改进。 3.4光敏剂光动力疗法(PDT是一种新兴的肿瘤疗法,目前,卟啉衍生物是临床上应用最普遍的PDT试剂,但是其感光性和选择性还不够强,不是理想的PDT试剂。BODIPY荧光染料因具有良好的光物理性质,只要对其进行合理的官能化,便可作为一类高效的光敏剂而应用于光动力疗法。Yogo和Urano等30在BODIPY2, 6位置接上两

12、个碘原子,利用碘原子的重原子效应,得到了一种有效的光敏剂2IBOP。与传统的光敏剂玫瑰红相比,2IBOP 活性氧产生效率是玫瑰红的15倍;在激光照射下,2IBOP的光稳定性明显优于玫瑰红。他们将其用于宫颈癌细胞试验,证明2IBOP作为光敏剂在光动力治疗中具有潜在应用价值。Erbas等31设计合成一个带有芳香双取代的BODIPY衍生物作为光敏剂,并将其包覆到碳纳米管中,用于光动力治疗上。利用碳纳米管作为光敏剂的载体,可以有效的解决水溶性及生物相容性问题。他们利用单线态氧捕捉剂二苯基异苯基呋喃(DPBF来测定光敏剂单线态氧的产生能力。除了以上提及的应用外,BODIPY染料还可以用于激光、染料敏化太

13、阳能电池、光捕集天线系统等领域3234。4总结与展望BODIPY作为一类新型的荧光染料,有着良好的光物理性质,并且易于官能化等优势。在BODIPY共轭骨架的各取代位上引入不同的取代基便可得到一系列具有不同功能的衍生物,可以实现特异性识别、使吸收峰和发射峰红移、改善水溶性等,很大程度上满足了实际应用的需求。随着研究的深入,这类染料已经显示出越来越光明的前景。但是,BODIPY在离子探针应用方面,对阴离子检测的灵敏性和特异性一般不如阳离子,对Cl,HCO3的特异性痕量检测较难实现。在生物应用方面,如何提高染料的生物相容性也是一个亟待解决的问题。另外,目前的研究大都还集中处在实验室研究阶段,与实际应

14、用还有很大差距。这些都将成为BODIPY类荧光染料未来研究的重点。参考文献1Mishra A,Behera R K,Behera P KCyanines during the1990s:a re-viewJChemical Reviews,2000,100(6:197320122Takakusa H,Kikuchi K,Urano YDesign and synthesis of an enzymecleavable sensor molecule for phosphodiesterase activity based on flu-orescence resonance energy tr

15、ansferJJournal of the AmericanChemical Society,2002,124(8:165316573Gawronski J,Gawronska K,Skowronek P1,8Naphthalimides asstereochemical probes for chiral amines:A study of electronic transitionsand exciton couplingJThe Journal of Organic Chemistry,1999,64(1:2342414Woodroofe C C,Lippard S JA novel t

16、wofluorophore approach to ra-tiometric sensing of Zn2+JJournal of the American Chemical Socie-ty,2003,125(38:11458114595Karolin J,Johansson L B A,Strandberg LFluorescence and Absorp-tion Spectroscopic Properties of Dipyrrometheneboron Difluoride(BodipyDerivatives in Liquids,LipidMembranes,and Protei

17、nsJJournal of the American Chemical Society,1994,116(17:780178066Treibs A,Kreuzer F HDifluorborylKomplexe von Diund Tripyrryl-methenenJJustus Liebigs Ann Chem,1968,718(1:2082237Turfan B,Akkaya E UModulation of boradiazaindacene emission bycationmediated oxidative PETJOrganic Letters,2002,4(17:285728

18、598Niu S L,Ulrich G,Ziessel RWaterSoluble BODIPY DerivativesJOrganic Letters,2009,11(10:204920529Wories H,Koek J,Lodder GA novel watersoluble fluorescentprobe:Synthesis,luminescence and biological properties of the sodiumsalt of the4sulfonato3,3',5,5'tetramethyl2,2'pyrromethen1,1'BF2

19、complexJRecueil des Travaux Chimiques des PaysBas,1985,104(11:28829110Thoresen L H,Kim H,Welch MSynthesis of3,5Diaryl4,4difluoro4bora3a,4adiazasindacene(BODIPYRDyesJSynlett,1998,1276127811Atilgan S,Ekmekci Z,Dogan A LWater soluble distyrylboradi-azaindacenes as efficient photosensitizers for photody

20、namic therapyJChemical Communications,2006(42:4398440012Meng G,Velayudham S,Smith AColor Tuning of Polyfluorene Emis-sion with BODIPY MonomersJMacromolecules,2009,42(6:1995200113Boens N,Leen V,Dehaen WFluorescent indicators based onBODIPYJChemical Society Reviews,2012,41(1130117214王可,马会民对生物环境因素敏感的荧光

21、探针J化学进展,2010,22(8:1633164015Urano Y,Asanuma D,Hama YSelective molecular imaging of viablecancer cells with pHactivatable fluorescence probesJNatureMedicine,2008,15(1:10410916樊江莉二(2吡啶甲基胺为识别基团的Zn2+荧光分子探针的研究D大连;大连理工大学,200517Atilgan S,Ozdemir T,Akkaya E UA Sensitive and Selective Ratiomet-ric Near IR Fl

22、uorescent Probe for Zinc Ions Based on the DistyrylBodipy FluorophoreJOrganic Letters,2008,10(18:4065406718Wang J,Qian XA series of polyamide receptor based PET fluorescentsensor molecules:Positively cooperative Hg2+ion binding with highsensitivityJOrganic Letters,2006,8(17:3721372419Tsien R Y,Poeni

23、e MFluorescence ratio imaging:a new window intointracellular ionic signalingJTrends in Biochemical Sciences, 1986,11(11:45045520Zhang X,Xiao Y,Qian XA ratiometric fluorescent probe based onFRET for imaging Hg2+ions in living cellsJAngewandte Chemie, 2008,120(42:8145814921Son H,Lee H Y,Lim J MA Highl

24、y Sensitive and Selective TurnOnFluorogenic and Chromogenic Sensor Based on BODIPYFunctional-ized Magnetic Nanoparticles for Detecting Lead in Living CellsJChemistry CA European Journal,2010,16(38:115491155322Lee H Y,Son H,Lim J MBODIPYfunctionalized gold nanoparti-cles as a selective fluorochromogenic chemosensor for imaging Cu2+in living cellsJAnalyst,2010,135(8:2022202723Ekmekci Z,Yi