苯并吡喃腈类近红外聚集诱导荧光探针在粘度检测及细胞成像中的应用

doi:10.19894/j.issn.1000-0518.250116

摘要/Abstract

摘要：

粘度是生物体内新陈代谢的关键参数，开展粘度检测与细胞成像对于深入剖析生理机制意义重大。本文以2-（2-甲基-4H-色满-4-亚基）丙二腈和1，3-二苯-1H-吡唑-4-甲醛为原料，通过Knoevevagel缩合反应合成了一种近红外发射的新型粘度探针（DCM-PD），分子结构经核磁共振波谱（NMR）和高分辨质谱（HRMS）确证。基于光谱测试考察了探针的溶剂效应、聚集诱导发光性能以及粘度响应等关键性能指标，以分子转子优势实现了对细胞粘度变化的检测。结果显示，探针DCM-PD的近红外发射表现具有优异的聚集诱导发光（Aggregation-induced emission， AIE）性能以及大Stokes位移（245 nm）。随水-甘油体系（V∶V）中甘油体积分数（φ（glycerol））的升高，660 nm处的荧光强度增强10倍，并且二者具有良好的线性相关性（R²=0.9941），证明探针在粘度检测定量应用的可行性。同时，探针不受金属离子、阴离子、氨基酸和pH值变化等潜在干扰，表现出优异的粘度响应选择性、抗干扰性与光稳定性能。将探针与制菌霉素（Nystatin）诱导的HeLa细胞共孵育30 min后，观察到细胞荧光亮度显著增强，表明DCM-PD可应用于药物诱导下HeLa细胞内粘度变化的高效检测，为后续生物医学研究及临床诊断应用奠定了坚实基础。

关键词: 粘度响应, 苯并吡喃腈, 聚集诱导发光, 近红外荧光探针, 细胞成像

Abstract:

Viscosity in vivo is a necessary metabolic characteristic， and cell imaging and viscosity detection are crucial for a thorough understanding of physiological processes. In this study， a novel viscosity probe DCM-PD， was synthesized utilizing a Knoevevagel condensation reaction with 2-（2-methyl-4H-chromann-4-subunit） malonitrile and 1， 3-diphenyl-1H-pyrazole-4-formaldehyde as raw materials. The probe's chemical structure was validated by nuclear magnetic resonance spectroscopy （NMR） and high resolution mass spectrometry （HRMS）. The key properties of the probe， including solvent effects， aggregation-induced luminescence， and viscosity response， were systematically investigated through spectral testing. The molecular rotor was employed to accurately detect changes in cellular viscosity. The results showed that the probe DCM-PD exhibited excellent near-infrared emission characteristics， significant aggregation-induced emission （AIE） performance and large Stokes shift （245 nm）， which varied with the water-glycerol system （V∶V） The increase of glycerol volume fraction （φ（glycerol）） increased the fluorescence intensity at 660 nm by 10 times， and the two showed a good linear correlation （R²=0.9941）， which proved the feasibility of quantitative application of the probe in viscosity detection. The probe is simultaneously unaffected by metal ions， anions， amino acids， pH variations， and other potential interferences. It demonstrates exceptional selectivity in viscosity response， robust anti-interference capabilities， and remarkable light stability. After the probe was co-incubated with Nystatin induced HeLa cells for 30 min， the fluorescence brightness of the cells was significantly enhanced， indicating that DCM-PD had good biocompatibility and could be applied to the efficient detection of the changes in intracellular viscosity of HeLa induced by drugs， which laid a solid foundation for subsequent biomedical research and clinical diagnosis.

Key words: Viscosity response, Benzopyranonitrile, Aggregation-induced emission, Near-infrared fluorescent probe, Cell imaging

中图分类号:

O657.3

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图/表 11

图1 荧光探针DCM-PD响应粘度示意图

Fig.1 Schematic diagram of DCM-PD response viscosity of fluorescent probe

图2 荧光探针DCM-PD的合成路线

Fig.2 Synthetic route of fluorescence probe DCM-PD

图3 （A）固体DCM-PD、DCM和PD于日光和紫外光（365 nm）照射的图片；（B）固体DCM、PD和DCM-PD的荧光光谱（λex=450 nm）

Fig.3 （A） Solid DCM-PD， DCM and PD in sunlight and UV-light （365 nm）；（B） Fluorescence spectra of solid DCM， PD and DCM-PD （λex=450 nm）

图4 （A）探针DCM-PD（10 μmol/L）在不同溶剂中的紫外吸收光谱；（B）探针DCM-PD（10 μmol/L）在不同溶剂中的荧光光谱（λex=445 nm），插图： 365 nm紫外光照射DCM-PD（10 μmol/L）在不同溶剂中的荧光照片

Fig.4 （A） Ultraviolet absorption spectra of probe DCM-PD （10 μmol/L） in different solvents；（B） Fluorescence spectra of probe DCM-PD （10 μmol/L） in different solvents （λex=445 nm）； Illustration： fluorescence images of DCM-PD （10 μmol/L） irradiated by 365 nm ultraviolet light in different solvents

图5 （A）探针DCM-PD（10 μmol/L）在不同φ（H2O）中的紫外吸收光谱；（B）探针DCM-PD（10 μmol/L）在不同φ（H2O）中的荧光光谱（λex=445 nm）；（C）探针DCM-PD（10 μmol/L）在580 nm处荧光强度随φ（H2O）变化的关系图，插图：紫外光照射（365 nm）DCM-PD（10 μmol/L）在不同φ（H2O）中的图片；（D）DCM-PD （10 μmol/L）在水中的动态光散射（DLS）直径分布图（插图为DCM-PD的TEM图）

Fig.5 （A） UV absorption spectra of DCM-PD （10 μmol/L） in different φ（H2O）；（B） Fluorescence spectra of probe DCM-PD （10 μmol/L） in different φ（H2O）（λex=445 nm）；（C） Plot of the maximum fluorescence intensity versus the φ（H2O）， illustration： images of DCM-PD （10 μmol/L） in different φ（H2O） under ultraviolet light （365 nm）；（D） Dynamic light scattering （DLS） hydrodynamic diameter distribution of DCM-PD （10 μmol/L） in H2O （illustration： TEM image of the DCM-PD）

图6 （A）探针DCM-PD（10 μmol/L）在不同φ（glycerol）溶液中的荧光光谱图（λex=415 nm）；（B）探针DCM-PD（10 μmol/L）在660 nm处荧光强度与φ（glycerol）的线性拟合曲线

Fig.6 （A） Fluorescence spectra of probe DCM-PD （10 μmol/L） in different φ（glycerol） solution （λex=415 nm）；（B） Linear fitting curves of fluorescence intensity of probe DCM-PD （10 μmol/L） at 660 nm and the φ（glycerol） solution

图7 （A）探针DCM-PD（10 μmol/L）在水中的Stokes位移；（B）探针DCM-PD（10 μmol/L）在甘油中的Stokes位移

Fig.7 （A） Stokes shift value of probe DCM-PD （10 μmol/L） in water；（B） Stokes shift value of probe DCM-PD （10 μmol/L） in glycerol

图8 探针DCM-PD（10 μmol/L）与干扰物质（1000 μmol/L）存在时分别在水和丙三醇中的荧光强度（λex=415 nm）

Fig.8 Fluorescence intensity of probe DCM-PD （10 μmol/L） and interference substance （1000 μmol/L） in water and glycerol （λex=415 nm）

图9 （A）探针DCM-PD（10 μmol/L）在丙三醇和水中荧光强度随时间的变化的关系图；（B）探针DCM-PD（10 μmol/L）在不同pH值的PBS缓冲溶液中的荧光强度

Fig.9 （A） The relationship between the fluorescence intensity of probe DCM-PD （10 μmol/L） in glycerol and water with time；（B） Fluorescence intensity of probe DCM-PD （10 μmol/L） in PBS buffer solution at different pH

图10 不同浓度的探针DCM-PD（0~50 μmol/L）对HeLa细胞的毒性

Fig.10 Cytotoxicity assays of probe DCM-PD with different concentrations （0~50 μmol/L） for HeLa cells

图11 HeLa细胞的荧光成像

Fig.11 Fluorescence images of HeLa cells

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