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    卟啉類化合物光化學特性的應(yīng)用及研究進展

    2010-04-08 21:54:02張衛(wèi)軍
    湖南科技學院學報 2010年8期
    關(guān)鍵詞:光化學光子化合物

    張衛(wèi)軍

    (湖南科技學院 生命科學與化學工程系,湖南 永州 425100)

    卟啉類化合物光化學特性的應(yīng)用及研究進展

    張衛(wèi)軍

    (湖南科技學院 生命科學與化學工程系,湖南 永州 425100)

    卟啉化合物具有非常好的光學性質(zhì),其光化學性質(zhì)已廣泛地用于化學、光學、催化、仿生、生命科學、醫(yī)學科學等方面的研究, 部分研究成果已獲得實際應(yīng)用。文章就卟啉化合物光學性質(zhì)方面的應(yīng)用狀況及研究進展作一簡要概述。

    卟啉化合物;熒光;應(yīng)用

    0 引 言

    卟啉是卟吩(Porphine)外環(huán)帶有取代基的同系物和衍生物的總稱。卟吩是由4個吡咯環(huán)和4個次甲基橋聯(lián)起來的18π電子的大共軛體系,其衍生物種類繁多且具有自身的特殊結(jié)構(gòu)特點:(1)卟啉化合物具有π-電子共軛的平面結(jié)構(gòu),很適合作為設(shè)計立體結(jié)構(gòu)分子的框架,對軸向配體周圍的空間容積和相互作用方向的控制余地較大; (2) 擁有生色基,可以在光譜上感應(yīng)卟啉與環(huán)繞分子間相互作用的微小變化;(3)卟啉是兩性化合物,其中兩個吡咯環(huán)上的氮原子可接受質(zhì)子,又可以給出質(zhì)子;(4)屬大分子雜環(huán)化合物,卟啉環(huán)非常穩(wěn)定, 且具有芳香性, 許多金屬離子都能與之形成穩(wěn)定的絡(luò)合物。卟啉化合物廣泛存在于自然界的生命體中,具有特殊生理活性,如血紅素、葉綠素、維生素B12、細胞色素P-450等,在生命過程中起著十分重要的作用。卟啉由于其分子具有剛性、電子緩沖性、光電磁性、生物相容性和高度的化學穩(wěn)定性,因而卟啉化合物具有豐富的電化學、光化學、仿生等性能。早在20世紀30年代就有人從事卟啉化學的研究,它們現(xiàn)已廣泛用于生物化學、仿生化學、藥學、臨床醫(yī)學、環(huán)境科學、太陽能利用和材料科學等領(lǐng)域。本文概述了卟啉化合物光學性質(zhì)方面的應(yīng)用狀況及研究進展。

    1 在生物醫(yī)學方面的應(yīng)用

    卟啉化合物是構(gòu)成血紅蛋白、細胞色素等生物大分子的核心部分,參與生物體內(nèi)一系列重要的化學生理過程,對一些增殖異常的組織細胞有特殊的親和力,使其在組織細胞中具有選擇性滯留、富集作用,而且它對光敏感,在可見光區(qū)有較強的吸收,因此,卟啉化合物在生命科學領(lǐng)域有很好的應(yīng)用前景。

    1.1 腫瘤的檢測診斷[1]

    利用卟啉化合物對一些組織的特殊親和力,可將其注入腫瘤患者體內(nèi),一段時間后卟啉化合物聚集在病變部位,再采用特殊的技術(shù),就可以確定病變的情況及部位。例如血卟啉對惡性腫瘤組織親和性強,腫瘤組織常滯留有一定量的血卟啉,在特定的電磁輻射下,卟啉可以產(chǎn)生特征熒光,而正常組織內(nèi)幾乎不發(fā)熒光。通過對腫瘤與正常組織抽提物進行熒光特性的研究,根據(jù)所收集到發(fā)射熒光光譜形狀上的差異,或熒光峰值出現(xiàn)的位置不同可以區(qū)分正常組織和腫瘤組織。根據(jù)這些性質(zhì)可以進行腫瘤定位診斷[2]。最近研究表明[3],用丙酮提取正常組織和癌組織中的原卟啉,用熒光光譜檢測其熒光強度。利用熒光的強弱可以用來檢測癌細胞的增長。同時也為癌癥的治療提供了新方法。

    1.2 光動力學療法的光敏劑

    光動力療法[4](photodynamic therapy,PDT)是近20年新發(fā)展起來的一種治療惡性腫瘤的方法,且療效顯著。它是利用特定的光敏劑在腫瘤組織中的選擇性富集和光動力殺傷作用,在不影響正常組織功能的前提下,造成腫瘤組織的定向損傷。卟啉是一種良好的光敏劑[5],在有氧的情況下,卟啉經(jīng)一定波長的光照后可吸收能量并激發(fā)出單線態(tài)氧而殺死病灶部位的癌細胞,從而達到治療的目的。血卟啉衍生物(HPD)是第一個被批準上市的光敏劑,臨床用來治療皮膚癌、支氣管癌、食道癌、膀胱癌等[6]。我國的血卟啉衍生物研究也相當迅速,不僅在治療上緊跟國際水平,而且有所發(fā)展。如解放軍總醫(yī)院的顧瑛教授等首先對血卟啉單甲醚進行了臨床前研究,結(jié)果表明該衍生物具有良好的臨床應(yīng)用前景[7,8]?,F(xiàn)臨床使用的光敏素(photofrin II)系HPD的純化產(chǎn)物,它的主要優(yōu)點在于能選擇性地消滅局部淺表性的原發(fā)和復發(fā)腫瘤,與放、化療存在協(xié)同作用。但由于其在紅光區(qū)吸收弱,為達到治療效果需要較大劑量,增大了毒副作用,對皮膚產(chǎn)生較長的光過敏期。

    近幾年來,在第二、三代光敏劑研究中,合成、開發(fā)單態(tài)氧產(chǎn)率高、在紅光區(qū)或近紅光區(qū)有強吸收、靶向性強的光敏劑已成為研究的熱點[9,10]。第三軍醫(yī)大學李東紅等[11]設(shè)計合成了新型替加氟卟啉化合物及其金屬絡(luò)合物,并評價其金屬絡(luò)合物的抗腫瘤活性是替加氟的兩倍,金屬絡(luò)合物體內(nèi)腫瘤抑制率達70.4%,結(jié)論通過金屬卟啉結(jié)構(gòu)單元的引入可明顯提高替加氟的抗腫瘤活性。天津醫(yī)科大學李迎新研究小組[12]報道了光動力療法對游離病毒和病毒感染誘導的膜融合有顯著抑制作用,有望為艾滋病的防治提供一種新的方法。

    2 卟啉類化合物應(yīng)用于光化學分析

    2.1 卟啉類化合物用于光度分析的顯色劑

    卟啉及其衍生物具有豐富的光化學性質(zhì),是很大的平面共軛分子,顏色較深,在400-500nm之間有很強的吸收帶—Soret帶,摩爾吸光系數(shù)一般在2-5×105之間。卟啉類試劑早在20世紀50年代就作為貴金屬銀的光度分析顯色劑而得到應(yīng)用。Dorough研究了四苯基卟啉及其一些金屬離子形成金屬卟啉的吸收光譜[13]。Banks用四苯基卟啉光度法測定鋅[14]。20世紀70年代由于卟啉化合物與金屬離子絡(luò)合物Soret譜帶的選用及表面活性劑引入,試劑可溶性及其測定金屬離子的靈敏度大大改善,卟啉試劑被廣泛應(yīng)用于光度法測定許多過渡金屬離子。我國于1979年由童沈陽首次介紹了卟啉這種超高靈敏度試劑在分析化學中的應(yīng)用,此后,卟啉試劑的研究在國內(nèi)得到了較大的發(fā)展,發(fā)表了許多測定貴金屬的研究論文。同時,此分析方法也應(yīng)用于實際生活中。1999年Li等人合成了(3,5-二溴-4-羥基苯基)卟啉并將其用于光度分析測定鉛離子,該法具有很高的靈敏度及較好的選擇性[15]。2005年吳繼魁等報道了[16]新合成顯色劑meso一四[3,5-二(三氟甲基)苯基]卟啉[T(3,5一DTFP)P]光度法測定痕量鎘(II)的方法與應(yīng)用,實驗表明顯色體系不經(jīng)掩蔽可直接測定煙草中的痕量Cd(II),選擇性高。高煥君等[17]報道了用新合成的水溶性吡啶卟啉季銨鹽溴化5-[4-(N-十六烷基)吡啶基]10,15,20-(吡啶基)卟啉與水中痕量銅離子顯色,用此法靈敏度高,選擇性好,適用于環(huán)境水樣分析。2009年夏愛清等[18]報道了新合成的顯色劑 Meso-四( 4-羥基-3-乙氧基苯基)卟啉成功用于測定人發(fā)標準物質(zhì)中的微量元素鉛的含量,并可用于實際頭發(fā)中Pb的檢測。總之,卟啉己成為分析化學中一類很重要的有機試劑。

    2.2 卟啉類化合物用作光化學傳感的敏感試劑

    從傳感材料的光化學性看,以熒光為輸出信號的化學傳感器頗受人們歡迎[19]。研究人員發(fā)現(xiàn):不管是在溶液中還是在界面上,熒光信號比較容易觀測,熒光信號非常靈敏,其傳感器檢測的下限濃度往往較低,可達10-9甚至10-12數(shù)量級,同時選擇性好,能夠?qū)崿F(xiàn)開關(guān)操作,對亞微粒具有可視的亞納米空間分辨能力和亞毫秒時間分辨能力、原位檢測(熒光成像技術(shù))等眾多優(yōu)點,熒光傳感器已在短時間內(nèi)迅速發(fā)展成為光化學傳感器領(lǐng)域中最重要的前沿研究領(lǐng)域之一。

    卟啉及其衍生物是一種理想的熒光物質(zhì),具有高的熒光量子產(chǎn)率、大的Stokes位移、相對長的激發(fā)(>400 nm)和發(fā)射(>600 nm)波長(相對長的激發(fā)和發(fā)射波長能夠減少背景熒光的干擾),且卟啉化合物易于修飾。從二十世紀八十年代起到近十年,卟啉類化合物在光化學傳感器研究中的應(yīng)用取得了較大發(fā)展。1975年,Smith K.M[20]就開始對卟啉類化合物的熒光性能進行研究。Czolk等[21]利用四(對磺酸基)卟啉制備了對Cd2+有選擇性響應(yīng)的光化學傳感器。1994年Kobayashi等人首次設(shè)計并合成了一種杯芳烴取代卟啉用于熒光法識別對苯醌,結(jié)果表明,對苯醌對該卟啉的熒光熄滅程度是普通卟啉的3.5倍[22]。1998年Kopelman等人分別以八乙基銦卟啉、VB2為載體制備出Cl-、NO2-熒光化學傳感器[23]。王柯敏研究小組在此領(lǐng)域也做了大量工作,羊小海等人將TPPH2與鈉離子中性載體(四乙基特丁基杯[4]芳烴四乙酸)和一種吸收型親脂型pH指示劑ETH5294共同結(jié)合于增塑的PVC膜中,研制成功基于熒光內(nèi)濾效應(yīng)的熒光增強型鈉離子傳感器[24];楊榮華等[24]人以TPPH2為熒光載體研制了基于熒光增強的Tween-60光化學傳感器,除Tween-80外,其它表面活性劑及離子對測量無干擾;他們研究了蒽與TPPH2之間的熒光能量轉(zhuǎn)移熄滅現(xiàn)象,制備出高靈敏的單質(zhì)碘光化學傳感器,該傳感器比傳統(tǒng)傳感器的靈敏度提高近一倍,其后他們又研究了卟啉分子間及分子內(nèi)的光誘導電子轉(zhuǎn)移作用并分別用于血清蛋白及氨基酸的熒光識別[25]。最近龍立平等人[26]研制了基于Meso一5,10,15,20一四(4一甲氧基苯基)卟啉(TMOPP)的聚氯乙烯的敏感膜,研究了該敏感膜與鉛的反應(yīng),實驗表明TMOPP與鉛離子能形成不發(fā)熒光的穩(wěn)定絡(luò)合物,建立了測定鉛的新方法,該法可用于環(huán)境水樣中鉛含量的測定。2009年在第十屆中國化學會分析化學年會上張曉兵研究小組報道了采用新的雙熒光敏感團策略設(shè)計合成了基于卟啉-萘酰亞胺雜交體的比率型熒光探針用于水相中Hg2+的可逆檢測及活細胞中Hg2+的熒光成像研究,已取得了初步進展。

    3 卟啉在熒光分子成像(即雙光子熒光顯微成像)材料方面的應(yīng)用

    隨著生物醫(yī)學的深入發(fā)展,科學家迫切想知道生物大分子以及其它活性因子如何調(diào)節(jié)細胞的生命活動,同時既希望可以連續(xù)監(jiān)測細胞微小結(jié)構(gòu)的變化,又不影響生物體系的活性,而傳統(tǒng)光學顯微鏡由于分辨極限的限制,已無能為力。熒光分子成像方法具有對人體無害、非侵入、高靈敏和可進行在體多目標成像的優(yōu)點,因而滿足了這一要求。特別自1990年美國康奈爾大學Denk等人[27]首次結(jié)合雙光子過程和掃描共焦顯微成像系統(tǒng)獲得生物樣品體內(nèi)的熒光像以來,開辟了雙光子熒光顯微成像這個嶄新的領(lǐng)域。

    用于雙光子熒光顯微成像的化合物的基本要求是:大雙光子吸收截面,高熒光量子產(chǎn)率、足夠的化學穩(wěn)定性以及對某些官能團或者離子有特殊的分子間作用,以用于分子或者離子識別與探測。研究還表明[28],分子有效的電子離域共軛將導致大的多光子吸收截面,而具有較大多光子吸收截面的分子體系主要包括偶極、四極、八極以及多分支、樹枝狀等有機共軛分子等。近年來,雙光子吸收材料的研究主要包括含氰基的基團、吡啶、苯并噻唑類、芴、咪唑、聯(lián)苯、萘等結(jié)構(gòu)化合物,但是這類材料生物相容性差,有的對細胞有較大的毒性。尋找大的雙光子吸收截面、高熒光量子產(chǎn)率、生物相容性的雙光子吸收材料成為研究的熱點。

    卟啉衍生物具有大的共軛平面和豐富的物種,是極具希望的多光子吸收材料之一。自1985 年首次報道卟啉具有非線性光學性質(zhì)以來,受到研究者的特別關(guān)注,然而由于卟啉單體的雙光子吸收(two-photon absorption 以下簡稱TPA)截面小于100GM, 其雙光子吸收的實際應(yīng)用受到限制[30,31]。隨著卟啉超分子化學發(fā)展, 科學家們發(fā)現(xiàn)卟啉分子經(jīng)過修飾組裝成超分子后會大大提高TPA 截面[32]。如:Kobuke 小組[33,34]合成了一系列含咪唑基的卟啉二聚體線形超分子,當加入聯(lián)炔基團后, 這種線形二聚卟啉超分子具有很強的雙光子吸收, 用飛秒開孔Z 掃描方法測得873 nm 下雙光子吸收截面(two-photon absorption cross section values)ó(2)≈4.4×105 GM, 用毫微秒脈沖掃描時ó(2)≈2.2×107 GM。Dy等[35]研究了卟啉- 周萘硫靛(G)其雙光子吸收截面約為2 000 GM和700 GM。最近Seo 等[36]報道了以三苯胺為中心,卟啉衍生物作為側(cè)翼的螺旋槳狀三支化合物,該化合物的雙光子吸收性能較相應(yīng)的單體明顯提高,雙光子吸收截面達到了11800GM ,是相應(yīng)單體的20 倍。特別是Osuka 小組[37]總結(jié)出卟啉超分子外圍基團及分子間弱相互作用對其TPA 性質(zhì)的影響因素, 提出了許多行之有效的設(shè)計及合成策略。按這些方法設(shè)計合成雙光子吸收截面大、轉(zhuǎn)換熒光強的卟啉超分子將大大促進雙光子熒光顯微成像在生物系統(tǒng)中的應(yīng)用[38]。

    4 結(jié)語與展望

    1912 年卟啉(Porphyrin) 結(jié)構(gòu)首次由Kuster提出,直到1929年由Fisher和ZeiIe合成了氯高鐵卟啉(haemin),其結(jié)構(gòu)才被證實。人類對卟啉化合物經(jīng)過近70年的探索,特別是近十年的研究,對卟啉的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)及其應(yīng)用才有較深入和豐富的認識。卟啉化合物廣泛存在于自然界的生命體中,其作為一類特殊的、結(jié)構(gòu)可進行化學修飾的大環(huán)共軛芳香體系,現(xiàn)已廣泛地用于化學、光學、催化、仿生、生命科學、醫(yī)學科學等方面的研究, 部分研究成果已獲得實際應(yīng)用。但是,仍存在著許多有待解決的問題,科學家正試圖通過對卟啉化合物的更進一步的研究,了解這些化合物的生物功能、產(chǎn)生機理、作用條件及模擬各種反應(yīng)、合成類似化合物,以期解決更多的實際問題。如:對卟啉衍生物——葉綠素的研究,科學家了解到是它天然光合作用中將太陽能轉(zhuǎn)化成化學能的主要反應(yīng)中心,據(jù)此化學家們利用卟啉超分子組裝體來設(shè)計模擬人工光合成天線獨特的納米尺度三維結(jié)構(gòu), 以期應(yīng)用在光伏電池、場效應(yīng)晶體管等分子器件中[39],以展現(xiàn)卟啉超分子在太陽能利用研制中潛在的應(yīng)用前景;研究卟啉衍生物與氨基酸、多肽、核酸等生物功能分子的相互作用機理,對疾病進行預警,防患于未然,擬開發(fā)出分子靶向性藥物,提高治療效果;對卟啉類化合物雙光子、三光子吸收性能的深入研究,將促進雙光子熒光顯微鏡應(yīng)用的發(fā)展,促進醫(yī)學、藥物分析、生命分析及細胞生物學等領(lǐng)域的快速發(fā)展,從而使活體內(nèi)單個細胞多層面實時觀測、動態(tài)研究的無損傷分析成為可能。當然所有這些研究工作均需要物理、化學、生命科學、醫(yī)學家的長期共同努力,才能實現(xiàn)。

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    (責任編校:劉志壯)

    O626.1

    B

    1673-2219(2010)08-0036-04

    2010-06-18

    湖南省科技廳基礎(chǔ)研究支持項目(07FJ30 93);湖南省教育廳研究支持項目(09C441)。

    張衛(wèi)軍(1969-),男,湖南冷水灘人,高級實驗師,從事有機合成及分析化學方面的研究。

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