β—二羰基氟硼类化合物的合成及其在荧光探针方面的应用

陈甡

摘 要：β-二羰基氟硼类化合物因其光学性质的可调节性而在荧光探针的研究中备受关注。尤其最近十年，对其光学性质的进一步研究，使得它在荧光探针的研究更加深入。文章介绍了该类化合物的有效合成方法，综述了其在荧光探针领域的应用，并对其前景进行了展望。

关键词：合成；荧光探针；应用

中图分类号：TQ263.1 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）26-0030-03

Abstract： β-dicarbonyl fluorocarbons have attracted much attention in the study of fluorescent probes because of their adjustable optical properties. Especially in the last decade， the further study of its optical properties makes it more in-depth in the study of fluorescent probes. In this paper， the effective synthesis methods of these compounds are introduced， their applications in the field of fluorescent probes are reviewed， and their prospects are prospected.

Keywords： synthesis； fluorescence probe； application

1 概述

有机硼类化合物因其可调节的光学性质而在化学传感、生物标记、生物成像、有机光电二级管等领域的研究中备受关注[1，2]。其中β-二羰基氟硼类化合物（BF2bdks）由于其具有大的双质子吸收截面、高荧光量子产率、较大的摩尔吸光系数、在近紫外区域的可调节吸收以及分子内电子转移等特点，从而展现了更令人期待的研究前景。1924年，Morgan和Tunstall对其进行了首次报道[3]，但并未引起关注，直到近年来，才因其强烈的荧光性质及其可調节性再度进入人们的视野。因此，β-二羰基氟硼类化合物在荧光探针领域的应用研究取得了突飞猛进的进展。本文将适当地介绍β-二羰基氟硼类化合物的经典合成方法及其在荧光探针领域的应用。

2 β-二羰基氟硼类化合物的合成

β-二羰基氟硼类化合物因其广泛的应用而备受重视，所以其有效高产率的合成就更为重要。其基本骨架β-二羰基化合物（bdks）的经典的合成方法是克莱森缩合法，如图2所示。通常是由一种酯和相应的羰基类化合物在NaH这类强碱的作用下进行制备。此法方便，产物易得。产物与三氟化硼在无水二氯甲烷这类非羰基类溶剂存在的条件下，高产率地合成β-二羰基氟硼类化合物。

3 β-二羰基氟硼类化合物在荧光探针方面应用

基于β-二羰基氟硼类化合物在溶液及固态条件下所展示出的强烈的荧光性质，并且它能够根据对分子聚合物的构筑及外部环境变化的敏感性而进行荧光发射的调节，使得其在荧光探针和光电子设备等领域应用广泛[4-6]。

3.1 基于β-二羰基氟硼类化合物聚合物的氧气探针

光学氧气探针是通过探针分子与被测物氧气发生特异性相互作用，从而使分子的发光强度、分子寿命等光学性质发生变化，从而达到检测的目的。螯合的二氟化硼单元可以限制分子内芳香羰基部分的扭转，在刚性环境中产生弱的磷光，而磷光对氧气极其敏感，因此将β-二羰基氟硼耦合到普通的生物聚合物聚乳酸（PLA）上，所形成的聚合物BF2dbmPLA可以用于氧气探针。BF2dbmPLA具有单组份、易加工，发射强烈的荧光，对温度敏感的迟滞荧光及对氧气敏感的室温磷光（RTP）等特点。BF2dbmPLA在二氯甲烷溶液中具有高荧光量子产率，吸收峰为λ=397nm，发射峰为λem=436nm。在固态条件下，BF2dbmPLA随着聚合物分子质量的增加，显示出了从绿色光到蓝色光发射的趋势[7]。在氧气的存在下，BF2dbmPLA在其玻璃转化温度（Tg=52℃）以下展示出了强烈的绿色磷光和长达170ms的寿命，在该温度以上，并未显示磷光。当BF2dbmPLA通过纳米沉淀法制成粒径小于100nm的纳米颗粒时，即使在水分散系中仍然保留了强烈的蓝光荧光和大约200ms的长寿命[8]。BF2dbmPLA纳米颗粒在水分散系中较强的光学性质及良好的稳定性也有助于生物成像、光力学治疗等领域。

而在β-二羰基氟硼骨架中引入碘原子更能增加体系穿越的效率[9]。不同分子量的聚合物BF2dbm（I）PLA（P1=2700Da，P2=7300Da，P3=17600Da）在溶液中具有相似的吸收波长（λabs=406nm）和发射波长（λem～435nm），但是却没有磷光。BF2dbm（I）PLA膜具有可调节的双发射特性。而且随着分子量的增加其固态的荧光光谱逐渐蓝移。在氮气的保护下，BF2dbm（I）PLA RTP根据分子量的变化其最大发射

波长范围为λem=523-535nm，寿命范围为在4.50-4.06ms。这种聚合物材料的稳定的蓝色荧光和长寿命的绿色室温磷光双发光的可测性适用于比率式氧气探针。

Samonina-Kosicka 等人也合成了类似的含溴、碘的β-二羰基氟硼类聚交酯聚合物，这类聚合物同样具有荧光和RTP双发射的性质，所以也成功地用于氧气传感进而细胞成像等领域[10]。

Fraser小组通过改变芳香性共轭链或者变换芳环上的取代基来研究其光学性质[11]。基于对氧的敏感性和易成像的特点，这些材料产生了荧光和长效的磷光。其中从BF2nbm（H）PLA到BF2nbm（I）PLA，RTP发生红移，强度相应增加，而发光寿命却大幅降低。BF2nbm（Br）PLA的纳米颗粒显示了平衡的荧光及RTP强度，和相对长的RTP寿命（～12.3ms）。因此，可以通过BF2nbm（Br）PLA纳米颗粒的寿命和比率式检测码检测氧气。带有强烈的RTP发射和短寿命（～1.7ms）的BF2nbm（I）PLA的纳米颗粒适用于氧气水平在0%-100%的比率式氧气探针。

基于β-二羰基氟硼類化合物聚合物不仅能够为发光体提供一个刚性环境，有效抑制发光体的非辐射衰变，提高磷光发光效率，而且具备较好的生物相容性，所以基于β-二羰基氟硼类化合物聚合物适用于氧气探针领域。

3.2 基于β-二羰基氟硼类化合物超分子聚合物的氧气探针

2016年Wang等人报道了第一例基于含脲基嘧啶酮超分子纳米颗粒的比率式氧气探针[12]。该脲基嘧啶酮超分子聚合物是由小分子单体通过微弱的非共价键氢键堆积而成。与单组分的聚合物材料不同，这种聚合物探针由对氧气敏感的磷光显示体、对氧气不敏感的荧光体和基本的骨架等多种组分组成。这些组分通过氢键组装成平均直径为60nm的纳米颗粒。这种纳米探针，随着氧气水平的增加，其荧光光谱几乎是不变的，而RTP强度和寿命却大幅下降，是一种高敏感度的比率式氧气探针。

3.3 基于β-二羰基氟硼类化合物的近红外探针

2009年，Anna Moore等报道了配合物1作为近红外成像探针对不溶性β-淀粉样蛋白聚集体进行体外检测的作用以及对19个月的野生鼠和转基因鼠在体内进行区别[13]。β-淀粉样蛋白是老年痴呆症的病理学的标志，而基于β-二羰基氟硼类化合物对于姜黄色素的近红外发射光谱特性，使其成为近红外成像的合适选择。配合物1与β-淀粉样蛋白聚集体显示了高度的相似性，在血清中相当的稳定性及与白蛋白的微弱的相互作用。当λex=640nm，配合物1在二氯甲烷和甲醇溶液中时，发射波长分别为λem=681nm和λem=760nm，而在磷酸盐缓冲液中时，发射峰发生了红移，为λem=805nm，且荧光强度较低。所以，当与β-淀粉样蛋白聚集体发生相互作用时，它的发射光谱发生了90nm的蓝移（从805nm到715nm），荧光强度加强了70倍，可能由于疏水性的β-淀粉样蛋白聚集体中加入了配合物1。但β-二羰基氟硼类化合物对于可溶性的β-淀粉样蛋白聚集体却没有明显的作用，作者近来又对该配合物进行结构设计，合成了配合物1b，在体内近红外成像中，配合物1b能够区别4个月大的野生鼠和转基因鼠，4个月恰恰是可溶性β-淀粉样蛋白以可溶性的状态存在[14]。所以基于β-二羰基氟硼类化合物的近红外探针对于老年痴呆中的β-淀粉样蛋白的检测，对生物体疾病的预防及及时发现具有重大意义。

4 展望

综上所述，近几年来β-二羰基氟硼类化合物的荧光性质研究已取得了较快的发展，并在生物医疗等领域展现出了重要作用。预计今后该方面的研究热点可能集中在以下几个方面：（1）β-二羰基氟硼类化合物结构的变化对荧光性质的影响，丰富荧光探针的构建材料及提高灵敏度；（2）外部刺激对β-二羰基氟硼类化合物荧光性质的影响，从而研究出稳定性更高的荧光探针基底材料；（3）基于β-二羰基氟硼类化合物的氧气探针在预防生物体疾病方面有更广泛的应用。预计在未来的十年里，β-二羰基氟硼类化合物在生物领域中的实际应用将会取得更大的突破。

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