氮雜氟硼二吡咯及其正交二聚體光熱性質(zhì)研究

盛萬(wàn)樂(lè),汪義程,王章翠,沈婧祎,張恩立

(蚌埠醫(yī)學(xué)院,安徽 蚌埠 233030)

近年來(lái),光熱治療(photothermal therapy,PTT)因其非侵入性、可控性、靶向性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)在抗腫瘤領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。PTT的原理是利用光熱材料吸收特定波長(zhǎng)的光能,將其轉(zhuǎn)化為熱能,引起腫瘤組織溫度升高,從而殺死癌細(xì)胞[1]。近紅外光熱材料就是一種能夠?qū)⑽盏慕t外光轉(zhuǎn)化為熱能的材料,它們有著廣泛的應(yīng)用前景,在光熱治療方面,利用光熱材料聚集在腫瘤組織中,并在外部光源的照射下產(chǎn)生高溫來(lái)殺死癌細(xì)胞;在能源轉(zhuǎn)換方面,利用光熱材料將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能或者機(jī)械能;在環(huán)境修復(fù)方面,利用光熱材料降解水中或者空氣中的有害物質(zhì)。

近紅外光熱材料需要具有較高的吸光系數(shù)、光熱轉(zhuǎn)換效率和較好的光穩(wěn)定性等特性,有機(jī)染料具有優(yōu)異的吸光性能和較高的光穩(wěn)定性,同時(shí)可以通過(guò)改變其結(jié)構(gòu)來(lái)調(diào)節(jié)它們的吸收光譜和熱轉(zhuǎn)換效率,因此被認(rèn)為是一種有潛力的近紅外光熱材料。同時(shí),近紅外光熱材料的種類(lèi)很多,包括金屬納米顆粒、碳基材料、有機(jī)染料、超分子MOF等。不同類(lèi)型的光熱材料在穩(wěn)定性、生物相容性、光吸收強(qiáng)度等方面有其各自的優(yōu)缺點(diǎn)[2]。而具有高性能的近紅外光熱材料需要在以下方面表現(xiàn)突出:光熱轉(zhuǎn)換效率指光熱材料將吸收的光能轉(zhuǎn)化為熱能的比例,越高越好。目前已有報(bào)道的光熱轉(zhuǎn)換效率較高的材料是一種納米碳點(diǎn),高達(dá)88.3%[3];發(fā)光效率指光熱材料在受激后發(fā)出的光強(qiáng)度,越高越好。目前已有報(bào)道的發(fā)光效率最高的材料是一種摻鉻稀土晶體[4],具有寬帶近紅外發(fā)射。穩(wěn)定性指光熱材料在長(zhǎng)時(shí)間或重復(fù)使用后保持其性能不變化,越穩(wěn)定越好。目前已有報(bào)道的穩(wěn)定性最好的材料是一種超分子MOF[5],具有抗氧化、抗水解和抗光漂白的特點(diǎn)。

相較于傳統(tǒng)的治療方法,近紅外光熱治療具有非侵入性、時(shí)空可控性、選擇性強(qiáng)、治療效果好等優(yōu)點(diǎn),因此在醫(yī)學(xué)、生物學(xué)[6]等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。常見(jiàn)的光熱治療有機(jī)材料包括有機(jī)染料、有機(jī)光敏劑和有機(jī)納米材料等[7],其中,BODIPYs作為新型光敏劑在各種癌癥,如肝癌、肺癌、乳腺癌、宮頸癌、皮膚癌[8]等腫瘤疾病的治療上提供了很好的借鑒。

相比于無(wú)機(jī)材料,有機(jī)染料分子易于修飾、毒性低以及生物相容性好[9]。其中,azaBODIPY染料是一類(lèi)重要的新興有機(jī)染料,由于其具有近紅外吸收、摩爾吸光系數(shù)高、波長(zhǎng)可控、生物相容性好、毒性低等優(yōu)點(diǎn)[6],被廣泛用于近紅外染料、生物成像、分子探針、熒光傳感器、太陽(yáng)能電池、光動(dòng)力療法(photodynamic therapy,PDT)和光熱療法(PTT)[10]。

單雜氟硼二吡咯(azaBODIPY)類(lèi)染料是由氟硼二吡咯(BODIPY)類(lèi)染料結(jié)構(gòu)修飾衍生而來(lái),如圖1所示。1968年Kreuzer等首次報(bào)道了BODIPY類(lèi)染料,因其優(yōu)良的性質(zhì),之后被人們廣泛地研究、合成并應(yīng)用于生物檢測(cè)、熒光探針、太陽(yáng)能電池、醫(yī)學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域[11]。

圖1 BODIPY和azaBODIPY母核結(jié)構(gòu)

目前,主要有三種合成azaBODIPY類(lèi)染料的方法[12],O’Shea課題組以醛酮為原料,合成的主要是對(duì)稱(chēng)的azaBODIPY[13]。Carreira課題組提出的方法適用于合成非對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)的azaBODIPY,以吡咯衍生物為原料。Lukyanets課題組利用“一鍋法”先合成azaBODIPY母體骨架,再經(jīng)絡(luò)合反應(yīng)得到azaBODIPY,其方法適合合成對(duì)稱(chēng)和非對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)的azaBODIPY,三種合成方法各有利有弊,都為azaBODIPY的結(jié)構(gòu)修飾衍生提供了可靠的合成路線[14]。

眾所周知,癌癥作為當(dāng)下致死率最高的疾病之一,其治療方法一直是人們研究的熱點(diǎn),目前對(duì)于癌癥的治療主要是化療、放療等手段,對(duì)人體損傷大、副作用強(qiáng)、靶向性差,同時(shí)研究發(fā)現(xiàn)波長(zhǎng)在600～1 300 nm之間的近紅外光具有較高的組織穿透性,無(wú)創(chuàng)性、無(wú)毒性,是一種副作用相對(duì)較小癌癥的有效治療手段,因此光熱治療逐漸走進(jìn)人們的視野,大量的近紅外吸收試劑被報(bào)道用于腫瘤的光熱治療[2]。然而,人們也在不斷摸索提高有機(jī)光熱試劑的光熱轉(zhuǎn)化效率和延長(zhǎng)吸收波長(zhǎng)問(wèn)題。

據(jù)報(bào)道,增強(qiáng)電子推拉作用可以提高光熱轉(zhuǎn)化效率。基于電子推拉效應(yīng),Li課題組利用甲硫基富電子產(chǎn)生分子內(nèi)電荷誘導(dǎo)效應(yīng),合成了含甲硫基取代的氮雜氟硼吡咯染料SMe-azaBDP,其幾乎沒(méi)有熒光和低單線態(tài)氧產(chǎn)率,對(duì)無(wú)輻射躍遷過(guò)程有利,提高了光熱轉(zhuǎn)化效率,SMe-azaBDP NPs光熱轉(zhuǎn)化效率可達(dá)45%[15]。另外,增強(qiáng)分子內(nèi)運(yùn)動(dòng)可以有效增強(qiáng)有機(jī)分子光熱性能,彭課題組以BODIPY為基礎(chǔ),在中位引入—CF3基團(tuán)得到tmf-BDP,—CF3在基態(tài)和激發(fā)態(tài),均無(wú)轉(zhuǎn)動(dòng)能壘,吸收的光能可以有效地以熱能的形式消耗,可實(shí)現(xiàn)高達(dá)88.3%的光熱轉(zhuǎn)化效率[3]。

本研究從azaBODIPY的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)入手,提出了一種新的近紅外光熱材料。通過(guò)一系列反應(yīng)引入含四個(gè)苯基的單體,大大增加分子的共軛體系。在此基礎(chǔ)上,進(jìn)一步氧化得到正交二聚體,由于其特殊結(jié)構(gòu),增加了在有機(jī)溶劑中的溶解度,幾乎不發(fā)熒光,主要以熱能的形式釋放能量,實(shí)現(xiàn)了材料的近紅外光吸收和光熱效率高效轉(zhuǎn)換,調(diào)控了材料的熱穩(wěn)定性,從而提高了材料的光熱性能。azaBODIPY染料進(jìn)行特定修飾后,可以廣泛地應(yīng)用到醫(yī)學(xué)、生物化學(xué)、臨床診斷、環(huán)境科學(xué)等領(lǐng)域中,前景非常廣闊。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

對(duì)苯甲醛、苯乙酮、氫氧化鈉、二乙胺、硝基甲烷、醋酸銨、三乙胺、三氟化硼乙醚、三氯化鐵、乙醇、二氯甲烷、正己烷。所有試劑和溶劑若無(wú)特殊說(shuō)明均為試劑公司購(gòu)買(mǎi)(分析純),直接使用沒(méi)有進(jìn)一步純化。

電子天平(FA1004,天津天馬恒基儀器有限公司),磁力攪拌器(DF-101S,河南兄弟儀器設(shè)備有限公司),油浴鍋(甲基硅油),分光光度計(jì)(UV-2450),熱成像儀(優(yōu)利德UTi320e),激光器(長(zhǎng)春飛秒科技MW-GX-660)。

1.2 化合物的合成

正交二聚體azaBODIPY-D染料的合成路線如圖2所示。按照文獻(xiàn)方法[12]合成目標(biāo)分子:首先是苯甲醛與苯乙酮在堿(NaOH)催化作用下進(jìn)行可萊森-施密特縮合反應(yīng)生成不飽和酮化合物A。化合物A與二乙胺/硝基甲烷進(jìn)行邁克爾加成得到化合物B。化合物B與乙酸銨進(jìn)行成環(huán)反應(yīng),再利用三氟化硼乙醚配位得到氮雜氟硼二吡咯化合物azaBODIPY。將化合物azaBODIPY用CH2Cl2溶解后,逐滴加入用CH3NO2溶解的FeCl3,待反應(yīng)完全,配制10% Na2CO3溶液使反應(yīng)停止,用CH2Cl2萃取、柱層析分離提純洗脫劑為V(二氯甲烷) ∶V(正己烷)=1.5∶1、重結(jié)晶得到較純的目標(biāo)化合物azaBODIPY-D,產(chǎn)率為12%。

圖2 氮雜氟硼二吡咯正交二聚體的合成路線圖

2 結(jié)果與討論

2.1 紫外吸收光譜

配制一系列濃度單體和二聚體在有機(jī)溶劑(二甲苯)中的溶液,掃描波長(zhǎng)范圍在300～750 nm,得到一系列紫外吸收譜圖(圖3)。從圖3可以看出,在有機(jī)溶劑中,不同濃度的單體和二聚體的吸光度隨濃度的增加而增加。可以明顯發(fā)現(xiàn),相比于單體而言,二聚體最大吸收峰明顯紅移,從650 nm紅移至700 nm。單體和二聚體最大吸收峰的波長(zhǎng)基本不隨濃度的改變而變化。

2.2 光熱性質(zhì)測(cè)試

將azaBODIPY和azaBODIPY-D配制成不同質(zhì)量濃度(0、10、30 μg/mL)的二甲苯溶液,利用近紅外激光(波長(zhǎng)660 nm,功率密度0.9 W/cm2)照射觀察溶液溫度變化情況繪制溫度-時(shí)間曲線圖。在激光持續(xù)照射了15 min之后,質(zhì)量濃度為30 μg/mL的二聚體溶液溫度從22.4℃升高至47.2℃,升高24.8℃,作為對(duì)照的純二甲苯,在相同的時(shí)間里面,只升高3.1℃。從而說(shuō)明了相比于純二甲苯,具有azaBODIPY結(jié)構(gòu)的二聚體對(duì)于入射光具有更強(qiáng)的吸收作用,將光能轉(zhuǎn)化為熱能,從而導(dǎo)致了溶液溫度提升幅度更大。同時(shí),從圖4(a)中可以看出,濃度是升溫的一個(gè)關(guān)鍵因素,隨著質(zhì)量濃度的升高(0～30 μg/mL),在相同激光照射的時(shí)間里,二聚體的溫升分別為3.1℃、18.6℃和24.8℃,說(shuō)明材料的光熱轉(zhuǎn)換能力與其質(zhì)量濃度成正比。同時(shí),可以看出,10 min之前曲線快速上升,溫度升高隨質(zhì)量濃度的變化明顯,但是10 min之后隨著質(zhì)量濃度的增加,曲線漸趨于平緩,溫度升高隨質(zhì)量濃度變化減慢。這是因?yàn)槿芤簻囟容^高時(shí),散熱也在增強(qiáng),從而導(dǎo)致溶液溫度升高減緩。

圖4(b)為不同功率密度(0.3、0.6、0.9 W/cm2)激光照射下的二聚體溶液(質(zhì)量濃度為30 μg/mL),其溫度升高的曲線圖,可以看出,激光的功率密度是影響升溫的另一個(gè)關(guān)鍵因素,隨著功率密度的增加(0.3～0.9 W/cm2),溫度也在不斷地升高,溫度與激光功率密度成正比關(guān)系。同時(shí)在10 min之前,溫度升高速度更快,曲線更加陡峭,10 min后隨著散熱的增加,溫度升高速度減慢,曲線變得平緩。

圖5 不同質(zhì)量濃度單體溶液在最大功率密度(0.9 W/cm2)激光照射下的升溫曲線(a)和不同功率激光照射的單體溶液在最大濃度下(30 μg/mL)的升溫曲線(b)

圖5(a)為不同質(zhì)量濃度(0、10、30 μg/mL)的溶于溶劑二甲苯的單體溶液,其在近紅外激光照射下溫度升高的曲線圖(照射的激光波長(zhǎng)為660 nm,功率密度為0.9 W/cm2)。在激光持續(xù)照射了15 min之后,質(zhì)量濃度為30 μg/mL的單體溶液溫度升高了18℃,作為對(duì)照的純二甲苯,在相同的時(shí)間里面,只升高了2.9℃。從而說(shuō)明了相比于純二甲苯,具有azaBODIPY結(jié)構(gòu)的單體對(duì)近紅外光的照射具有更強(qiáng)的吸收作用,使溶液的溫度大幅度升高。同時(shí),從圖5中可以看出,質(zhì)量濃度和功率密度也是升溫的關(guān)鍵因素,隨著質(zhì)量濃度的升高(0～30 μg/mL)、 功率密度的增加(0.3～0.9 W/cm2),材料的光熱轉(zhuǎn)換能力與其質(zhì)量濃度和功率密度成正比。

對(duì)比圖4和圖5,明顯發(fā)現(xiàn)具有azaBODIPY結(jié)構(gòu)的單體和二聚體都有吸收近紅外光并將光能轉(zhuǎn)化為熱能的能力,只是相較于單體而言,二聚體吸收光轉(zhuǎn)化為熱能的能力更強(qiáng),質(zhì)量濃度為30 μg/mL的單體溶液溫度升高18℃,而二聚體溶液溫度升高了24.8℃,二聚體升溫更高,所以二聚體作為光熱材料效果更好。

用功率密度為0.9 W/cm2的激光去持續(xù)照射質(zhì)量濃度為30 μg/mL的二聚體和單體溶液15 min后,溶液與周?chē)h(huán)境之間達(dá)到熱平衡狀態(tài),溫度不再升高,其溫度分別升高24.8℃、18℃。此時(shí)撤去激光的照射,溶液溫度下降,記錄隨著一定的時(shí)間變化溫度降低的值,可以得到溶液的降溫曲線,如圖6所示。根據(jù)公式5計(jì)算得到lnθ值,從而繪制出降溫過(guò)程中t與lnθ的線性擬合曲線,如圖6所示。依據(jù)文獻(xiàn)[1],光熱轉(zhuǎn)化效率的計(jì)算公式如下:

(1)

Q=hs×(Tmax-Tsurr),

(2)

(3)

t=-lnθ×τs,

(4)

(5)

以上計(jì)算方法參考文獻(xiàn)[1],其中,Tmax為激光照射時(shí)的最高溫度,即Tmax=47.2℃,Tsurr為環(huán)境溫度,即Tsurr=22.4℃,A660為在660 nm激光照射下二聚體的吸光度,A660=1.2,I為光熱轉(zhuǎn)化時(shí)激光功率,即I=0.7W,Q是基線能量的輸出,hs是傳熱系數(shù),c為溶液的比熱容,即c=2.58 J/(g·℃),m為光熱轉(zhuǎn)換效率溶液質(zhì)量,m=1.758 g,τs為系統(tǒng)熱平衡的時(shí)間常數(shù),根據(jù)T與-lnθ的關(guān)系曲線(見(jiàn)圖6b、圖6d),τs即為此直線的斜率,可得τs=233.1 s,將以上參數(shù)分別帶入光熱轉(zhuǎn)換效率公式可得二聚體η為72.9%,根據(jù)上述公式,同理可得單體的光熱轉(zhuǎn)換效率為50.5%。

2.3 光熱穩(wěn)定性

使用激光(功率密度0.9 W/cm2、波長(zhǎng)660 nm)照射質(zhì)量濃度為30 μg/mL的單體和二聚體溶液,經(jīng)過(guò)1 000 s升高溫度到最高溫度達(dá)到熱平衡之后,溫度不再升高,此時(shí)關(guān)閉激光,溫度迅速降低,經(jīng)過(guò)一定時(shí)間后降至室溫,再次打開(kāi)激光去照射溶液,重復(fù)操作5次。圖7是激光開(kāi)關(guān)過(guò)程中記錄的單體和二聚體溶液升降溫變化曲線,從圖中可以看出,當(dāng)體系溫度降到環(huán)境溫度后,用激光去反復(fù)照射,單體和二聚體溶液溫度都可以上升到第一次激光照射溫度升高的最高溫度,由此也證實(shí)了含azaBODIPY結(jié)構(gòu)的單體和二聚體材料具有良好的光熱穩(wěn)定性,可重復(fù)利用。

3 結(jié)論

本研究通過(guò)實(shí)驗(yàn)首先合成了具有azaBODIPY結(jié)構(gòu)的單體和正交二聚體,在近紅外區(qū)都具有較好的吸收性能。通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)濃度為30 μg/mL的具有azaBODIPY結(jié)構(gòu)的單體和二聚體在波長(zhǎng)660 nm的激光(功率密度0.9 W/cm2)照射下光熱性能較好。azaBODIPY類(lèi)染料制備簡(jiǎn)單,結(jié)構(gòu)易于修飾,具有良好的光熱穩(wěn)定性。持續(xù)照射濃度為30 μg/mL的單體和二聚體溶液15 min至達(dá)到熱平衡狀態(tài)時(shí),溶液的溫度升高值分別達(dá)18℃和24.8℃,通過(guò)計(jì)算在當(dāng)前測(cè)試條件二聚體的光熱轉(zhuǎn)換效率為72.9%。本研究中的染料分子仍有很大的優(yōu)化空間,如存在著分子聚集、水溶性差等缺點(diǎn),可以通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)并調(diào)整取代基團(tuán)等方法提高其實(shí)用性,這為研究與開(kāi)發(fā)更加優(yōu)良的azaBODIPY類(lèi)染料分子提供可能。