基于苝二酰亚胺衍生物的近红外二区聚集诱导发光分子及其制备方法和应用
阅读说明：本技术 基于苝二酰亚胺衍生物的近红外二区聚集诱导发光分子及其制备方法和应用 (Near-infrared two-region aggregation-induced emission molecule based on perylene diimide derivative, and preparation method and application thereof ) 是由 崔胜胜 崔大祥 刘岩磊 于 2021-06-09 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种基于苝二酰亚胺衍生物的近红外二区聚集诱导发光分子及其制备方法和应用,本发明首先使用苝二酰亚胺作为受体结构单元与大尺寸的供体单元进行偶联反应得到一类基于苝二酰亚胺结构的近红外二区聚集诱导发光分子。该分子由于在高共轭的刚性平面性的苝二酰亚胺核两侧连有尺寸较大的供体结构,可以有效的抑制苝二酰亚胺核的强π-π堆积作用,从而具有聚集诱导发射(AIE)性质。再将该近红外二区聚集诱导发光分子与两亲脂质分子DSPE-PEG5000自组装,得到的水溶性纳米颗粒在近红外二区具有很好的荧光强度,可实现在近红外二区的成像应用,此外该共轭分子也具有良好的光热转化效率,可用于肿瘤的光热治疗。(The invention provides a near-infrared two-zone aggregation-induced emission molecule based on a perylene diimide derivative, and a preparation method and application thereof. The molecule can effectively inhibit the strong pi-pi accumulation effect of the perylene diimide nucleus due to the fact that donor structures with larger sizes are connected to the two sides of the perylene diimide nucleus with high conjugated rigidity and planarity, and therefore the molecule has Aggregation Induced Emission (AIE) properties. And then the near-infrared two-region aggregation-induced emission molecules and amphiphilic lipid molecules DSPE-PEG5000 are self-assembled, so that the obtained water-soluble nanoparticles have good fluorescence intensity in the near-infrared two regions, the imaging application in the near-infrared two regions can be realized, and in addition, the conjugated molecules also have good photo-thermal conversion efficiency and can be used for photo-thermal treatment of tumors.)
技术领域
本发明属于纳米生物医学成像领域，具体涉及一种基于苝二酰亚胺衍生物的近红外二区聚集诱导发光分子及其制备方法和应用。
背景技术
荧光成像已成为生物医学应用的一个基本工具，然而，其在常规波长范围(400-950nm)内的活体成像能力受到组织穿透深度的限制。为了应对这一挑战，近十年来，人们开发了一种利用近红外二区荧光(NIR-II，1000-1700nm)来实现深度组织穿透、高分辨率和低背景噪声的新成像方法。其中，基于NIR-Ⅱ小分子探针因具备优异的稳定性、生物相容性及药代动力学特性等优点，是目前生物成像和化学研究领域的一个研究热点。然而，现有报道的大多数NIR-Ⅱ小分子仍存在以下问题亟需解决：1)合成步骤复杂；2)受体结构单一(大都是基于苯噻唑系列)；3)在水溶液中的荧光强度较弱。
发明内容
本发明的目的就是为了解决现有供体-受体-供体(D-A-D)型近红外二区分子合成步骤复、受体单元结构单一以及在水溶液中的荧光强度较弱的问题，开发了一类新型基于苝二酰亚胺衍生物为电子受体结构的近红外二区聚集诱导发光有机小分子，以及采用该分子制备近红外二区荧光探针的制备方法，旨在提高近红外二区成像荧光探针的荧光强度，实现体内清晰准确的近红外二区成像效果，同时利用这类共轭有机小分子良好的光热转化效率，可用于肿瘤的光热治疗。
本发明的目的通过以下技术方案实现：
一种基于苝二酰亚胺衍生物的近红外二区聚集诱导发光分子，其结构式为：
其中，R1为碳原子数1-20的烷基；
R2为以下基团的一种：
作为优选地，基于苝二酰亚胺衍生物的近红外二区聚集诱导发光分子，其结构式为：
一种基于苝二酰亚胺衍生物的近红外二区聚集诱导发光分子的制备方法，使用苝二酰亚胺作为受体结构单元，与大尺寸供体单元进行偶联反应得到。
所述苝二酰亚胺受体结构单元的结构式为：
其中，R1为碳原子数1-20的烷基，X为Br，Cl或I；
所述供体单元的结构式为：
其中，R2为以下基团的一种：
所述近红外二区聚集诱导发光分子的合成路线为：
一种基于苝二酰亚胺衍生物的近红外二区聚集诱导发光分子的制备方法，具体包含以下步骤：
S01、将苝二酰亚胺受体结构单元与供体结构单元溶于溶液中；
S02、在惰性气体保护条件下加入催化剂进行催化反应；
S03、反应结束后，反应液冷却，二氯甲烷萃取再通过柱层析制得。
步骤S01所述溶液为甲苯和水的混合溶液，步骤S02所述催化剂包括Aliquat336、碳酸钾、四(三苯基膦)钯，反应温度为120℃，反应时间为24小时。
作为优选地，所述苝二酰亚胺受体结构单元通过以下方法制备得到：
(1)3,4,9,10-苝四羧酸二酐在浓硫酸溶液中，在催化量碘的条件下与液溴发生溴代反应得到1,7-二溴-3,4,9,10-苝四羧酸二酐；
(2)1,7-二溴-3,4,9,10-苝四羧酸二酐再在冰醋酸溶液中与烷基胺加热回流反应得到相应的苝二酰亚胺受体结构单元。
所述近红外二区聚集诱导发光分子制备荧光探针，用于制备肿瘤疾病诊疗药物，所述近红外二区聚集诱导发光分子制备荧光探针，包含以下步骤：
S01、将近红外二区聚集诱导发光分子溶于二氯甲烷中；
S02、将两亲脂质分子DSPE-PEG5000溶于水中；
S03、将近红外二区聚集诱导发光分子的二氯甲烷溶液与两亲脂质分子DSPE-PEG5000的水溶液混合得到混合溶剂液体；
S04、在室温条件下，搅拌过夜蒸发除去多余的二氯甲烷。
步骤S01中所述近红外二区聚集诱导发光分子的二氯甲烷溶液的浓度为0.5～2毫克/毫升；步骤S02中所述两亲脂质分子DSPE-PEG5000的水溶液的浓度为2～8毫克/毫升；步骤S03是在室温超声条件下进行的。
本发明提出通过简单三步法合成基于苝二酰亚胺(PDI)为受体结构的NIR-Ⅱ小分子，由于苝二酰亚胺高共轭刚性平面的特点首先可以提高探针的光稳定性，其次，由于该结构两侧存在尺寸较大的供体结构，可以有效抑制PDI核的强π-π堆积作用，从而具有聚集诱导发射(AIE)性质，因此，该NIR-Ⅱ小分子可以实现高强度和高光稳定性的NIR-Ⅱ荧光成像，在生物医学领域具有重要意义。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明设计、合成、制备了一类基于苝二酰亚胺衍生物近红外二区聚集诱导发光分子荧光探针，是由基于苝二酰亚胺结构的近红外二区聚集诱导发光分子与两亲脂质分子DSPE-PEG5000自组装而成的，合成路线与制备方法都十分简单。可作为近红外二区聚集诱导发光荧光探针实现活体内各类病灶部位的高质量的近红外二区成像，包括全身血管成像、淋巴引流成像、类风湿性关节炎成像和移植肿瘤成像，同时可精准引导对移植肿瘤的手术切除。而且，通过改变供体单元的结构，高效合成了一系列近红外二区聚集诱导发光分子，增加了近红外二区成像荧光探针的种类与选择空间。此外，这类基于苝二酰亚胺衍生物近红外二区聚集诱导发光分子也具有良好的光热转换效率，可以用于肿瘤的光热治疗。
附图说明
图1为本发明实施例1中的近红外二区聚集诱导发光分子的核磁共振氢谱；
图2为本发明实施例1中的近红外二区聚集诱导发光分子的MALDI-TOF质谱；
图3为本发明实施例1中的近红外二区聚集诱导发光分子在不同配比四氢呋喃/水混合液的荧光光谱图；
图4为本发明实施例1中的近红外二区聚集诱导发光分子在不同配比四氢呋喃/水混合液中，在808nm激发条件下的相对发射强度(I/I0)随水含量(体积％)变化曲线图；
图5本发明实施例2中所得的近红外二区聚集诱导发光分子荧光探针的透射电镜照片；
图6本发明实施例2中所得的近红外二区聚集诱导发光分子荧光探针的光热性质；
图7为本发明实施例2中所得的近红外二区小分子荧光探针在荷瘤鼠上的NIR-Ⅱ荧光活体成像应用；
图8为本发明实施例2中所得的近红外二区小分子荧光探针在荷瘤鼠上的光热治疗应用。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例1
近红外二区聚集诱导发光有机小分子
本实施例的近红外二区聚集诱导发光分子的结构如下所示：
具体合成路线如下：
本实施例的制备方法包括如下步骤：
1)在250mL圆底烧瓶中加入5g 3,4,9,10-苝四羧酸二酐(12.74mmol，1equiv)和40mL浓硫酸，向反应体系中加入催化量的碘，再在室温条件下缓慢加入1.40mL溴(25.5mmol，2.0equiv)，然后加热至85℃并搅拌反应24小时。冷却后，缓慢加入硫代硫酸钠的饱和溶液除去多余的溴，再将反应液倒入冰水中形成红色沉淀，过滤，水洗，得到红色固体，直接进行下一步反应。
2)在100mL圆底烧瓶中加入3g 1,7-二溴-3,4,9,10-苝四羧酸二酐(5.45mmol，1equiv)和50mL冰醋酸，向反应体系中加入4.5mL 2-乙基己基胺(27.47mmol，5.0equiv)，加热至回流并搅拌反应过夜，冷却后，反应混合物减压浓缩至约为原始体积的1/10，然后加水，形成红棕色粗产物，柱层析分离(洗脱剂为石油醚与乙酸乙酯的混合溶液)得到红色固体，产率26％。
3)在100mL圆底烧瓶中加入0.5g N，N'-(2'-乙基)己基-1,7-二溴-3,4,9,10-苝四羧酸二亚胺(0.65mmol，1equiv)、0.53g 4-(二苯基氨基)苯硼酸频那醇酯4(1.43mmol，2.2equiv)、催化量的Aliquat 336、0.45g碳酸钾(3.25mmol，5.0equiv)、38mg四(三苯基膦)钯(0.03mmol，0.05equiv)和30mL甲苯与5mL水的混合溶液。将反应体系脱气20分钟，然后在氩气气氛下在120℃下加热并搅拌反应24小时。冷却至室温后，加入水，用二氯甲烷萃取，合并有机相用无水硫酸镁干燥，过滤并减压浓缩。柱层析分离(洗脱剂为石油醚与二氯甲烷的混合溶液)得到棕红色固体，产率35％。
对得到的近红外二区聚集诱导发光分子进行核磁共振氢谱和MALDI-TOF质谱表征，结果分别如附图1和附图2所示。对得到的近红外二区聚集诱导发光分子在808nm激光器激发下进行发射光谱测试，其发射峰在1060纳米波段，属于近红外二区材料。此外还测试了近红外二区聚集诱导发光分子在不同比例的四氢呋喃/水混合溶液中在808nm激发下的发射光谱，如附图3所示。根据加入不同比例水后荧光强度与初始荧光强度的变化可以看出在加入水的比例超过40％后，其荧光强度出现明显的上升，如附图4所示，属于典型的聚集诱导发光(AIE)性质。
实施例2
近红外二区聚集诱导发光分子荧光探针
将1mg近红外二区聚集诱导发光分子(实施例1制备)溶于1mL二氯甲烷中，6mg两亲脂质分子DSPE-PEG5000溶于1mL水溶液中，将制备的二氯甲烷溶液和水溶液混合得到混合液体，再在室温条件下，搅拌过夜蒸发除去多余的二氯甲烷得到近红外二区聚集诱导发光分子荧光探针。
对得到的近红外二区聚集诱导发光分子荧光探针进行透射电镜表征，结果如附图5所示，形貌为球形，尺寸大约在50nm左右。
再对得到的近红外二区聚集诱导发光分子荧光探针进行光热性质表征，结果如附图6所示，该探针具有良好的光热转化效率。
应用例：
近红外二区聚集诱导发光分子荧光探针用于肿瘤的近红外二区荧光活体成像
荷瘤裸鼠经尾静脉注射近红外二区聚集诱导发光分子荧光探针(实施例2制备)，用近红外二区成像仪对小鼠进行成像，如附图7所示，可以看出在尾静脉注射12小时后，该荧光探针在肿瘤部位有明显富集，二区荧光强度明显高于周围组织，证明其可对肿瘤病灶成像。
应用例：近红外二区聚集诱导发光分子荧光探针用于肿瘤光热治疗
荷瘤裸鼠经尾静脉注射近红外二区聚集诱导发光分子荧光探针(实施例2制备)，在633nm激光照射下，用红外热像仪对小鼠进行拍照，如附图8所示，肿瘤部位的温度要远远高于周围组织，证明可对肿瘤实现光热治疗。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
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