[发明专利]一种pH荧光化学传感器及其合成方法和应用

说明书

技术领域

本发明属于生物化学材料领域，涉及一种pH荧光化学传感器及其合成方法和应用。

背景技术

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.)。

发明内容

本发明的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。

本发明高灵敏的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：

本发明在上述反应路线第一步中，用二甲基亚砜(DMSO)做反应溶剂，代替了文献反应溶剂二甲基甲酰胺(DMF)，可将反应温度由60℃降至室温，其它实验条件相同，则获得产物的产率提高两倍，方法优良。

本发明pH荧光化学传感器可对细胞内的pH变化做出响应。信号传输单元异硫氰酸酯荧光素作为有机染料可通过与蛋白质分子的氨基反应接枝到蛋白质分子上形成荧光蛋白，从而标记蛋白质。现有技术中，异硫氰酸酯荧光素因其本身不能渗入细胞而限制了其在生物荧光探针领域的应用。本发明首次提出将异硫氰酸酯荧光素与联吡啶基团连接得到pH荧光化学传感器。本发明pH荧光化学传感器通过细胞成像可对细胞内的微小pH变化进行响应。通过细胞成像实验研究，本发明pH荧光化学传感器在无血清培养基中与细胞共培养后可进入细胞，进行荧光成像，从而提供了异硫氰酸酯荧光素的新的应用。

本发明还提供一种具有特定光学响应的高灵敏pH荧光化学传感器的制备方法。本发明制备方法通过联吡啶基团和FITC的引入合成了新的对细胞内的pH值进行检测的pH荧光化学传感器。本发明合成路线反应条件温和，操作简单，产率较高，尤其是纯化过程只需萃取和抽滤，避免了费时费力的柱层析纯化方法的使用。

本发明制备方法，利用氨基易对异硫氰酸酯基进行亲核加成的性质，通过多步化学衍生引入联吡啶分子，同时引入信号单元异硫氰酸酯荧光素，制得pH荧光化学传感器。在pH荧光化学传感器溶液中，联吡啶基团上的氮原子和氨基易被质子化，导致信号单元共轭结构的电子密度发生变化，pH荧光化学传感器溶液的荧光强度也会相应的发生变化。即，本发明pH荧光化学传感器对水溶液中氢离子(pH值)有特定的光学响应。

其合成方法具体如下：