“Turn-on”型磷光Hcy/Cys納米探針的制備與性質(zhì)研究

劉湘梅 劉淑娟 楊會(huì)然 于海霞 汪靜霞 翟 釗 趙 強(qiáng) 黃 維

“Turn-on”型磷光Hcy/Cys納米探針的制備與性質(zhì)研究

劉湘梅 劉淑娟 楊會(huì)然 于海霞 汪靜霞 翟 釗 趙 強(qiáng)＊黃 維＊

(南京郵電大學(xué)信息材料與納米技術(shù)研究院，有機(jī)電子與信息顯示國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，南京 210046)

在本工作中，我們以制備純水相檢測(cè)的納米探針為目標(biāo)，以二氧化硅納米粒子作為載體，以含特異性檢測(cè)基團(tuán)的長(zhǎng)發(fā)光壽命的磷光銥配合物作為信號(hào)單元，通過(guò)共價(jià)鍵接枝方法得到幾種納米探針。采用SEM、TEM、SAXRD和氮?dú)馕降缺碚鞣椒▽?duì)納米探針的表面形貌和內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征，并用磷光發(fā)射光譜研究基于不同載體所得到的納米探針的光物理性質(zhì)以及對(duì)高半胱氨酸(Hcy)和半胱氨酸(Cys)的響應(yīng)性，最后通過(guò)理論計(jì)算對(duì)其響應(yīng)機(jī)理進(jìn)行探討。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，以MCM-41作為載體的雜化納米探針具有更強(qiáng)的發(fā)光強(qiáng)度和更好的響應(yīng)性，并且在純水體系中實(shí)現(xiàn)了對(duì)半胱氨酸和高半胱氨酸的高選擇性檢測(cè)。

磷光納米探針；二氧化硅納米粒子；磷光重金屬配合物；生物傳感

生命科學(xué)的迅速發(fā)展要求人們從單細(xì)胞和單分子水平上原位、活體、實(shí)時(shí)地了解物質(zhì)之間的相互作用以及生命的過(guò)程。光學(xué)成像具有成像迅速、連續(xù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、無(wú)創(chuàng)性或微創(chuàng)性、可同時(shí)觀察多分子事件、無(wú)放射性損傷、探針可重復(fù)導(dǎo)入以及不需要切片可進(jìn)行原位活體成像等優(yōu)點(diǎn)，是醫(yī)學(xué)成像研究中應(yīng)用最廣泛的一種分子成像方法。

目前用于生物成像的光學(xué)探針主要包括熒光蛋白和生物發(fā)光蛋白類(lèi)、有機(jī)染料[1-6]以及量子點(diǎn)類(lèi)[7]。其中熒光蛋白和生物發(fā)光蛋白特異性識(shí)別很好，但是價(jià)格昂貴并且容易失去活性結(jié)合位點(diǎn)而限制了其進(jìn)一步的臨床應(yīng)用；有機(jī)染料尤其是有機(jī)熒光染料的水溶性、光穩(wěn)定性以及生物相容性方面還存在一些局限[8]；量子點(diǎn)類(lèi)探針其潛在毒性也令人擔(dān)憂。磷光重金屬配合物由于具有室溫下高的三線態(tài)光量子效率、大的斯托克斯位移、較長(zhǎng)的發(fā)射壽命、可見(jiàn)區(qū)激發(fā)、良好的光化學(xué)穩(wěn)定性以及發(fā)射波長(zhǎng)易調(diào)節(jié)等優(yōu)點(diǎn)，近期在生物成像領(lǐng)域的應(yīng)用備受關(guān)注[9-13]。

二氧化硅納米粒子由于具有很好的生物相容性、表面易修飾、高比表面積以及制備簡(jiǎn)單可控等優(yōu)點(diǎn)，常被用來(lái)作為發(fā)光材料載體制備光學(xué)探針，該設(shè)計(jì)策略能增強(qiáng)探針的親水性能，可以避免為引入親水基團(tuán)而進(jìn)行的繁瑣的有機(jī)合成步驟[14-15]。另外，由于二氧化硅載體材料具有有效的 “透明”優(yōu)點(diǎn)，它們?cè)诮t外區(qū)、可見(jiàn)光和紫外區(qū)均不發(fā)生光吸收，從而能保持雜化材料中發(fā)光染料的光物理性質(zhì)，因而在光學(xué)成像探針領(lǐng)域引起廣泛關(guān)注。目前已經(jīng)有一些關(guān)于發(fā)光納米粒子成像探針的報(bào)道，但是其中大部分工作都僅僅是用商業(yè)熒光材料作為信號(hào)單元，而基于長(zhǎng)壽命磷光信號(hào)的雜化探針尤其是即具有發(fā)光功能又具有檢測(cè)功能的二氧化硅雜化納米探針報(bào)道較少[16-19]。

在本工作中，我們將磷光重金屬銥配合物通過(guò)共價(jià)鍵引入到不同類(lèi)型的二氧化硅納米粒子中，得到有機(jī)無(wú)機(jī)雜化納米探針，用于檢測(cè)高半胱氨酸(Hcy)和半胱氨酸(Cys)。 通過(guò) SEM、TEM、XRD 以及N2吸附表征納米探針的形貌和結(jié)構(gòu)，通過(guò)磷光光譜測(cè)試其對(duì)高半胱氨酸和半胱氨酸的響應(yīng)性。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 納米粒子載體的合成

實(shí)心納米粒子按照經(jīng)典的St?ber方法制備[20]。將100 mL乙醇和5 mL氨水混合，常溫?cái)嚢柘碌渭? mL正硅酸乙酯(TEOS)，繼續(xù)攪拌12 h，離心分離洗滌備用。MCM-41的制備根據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道的制備方法，采用表面活性劑CTAB做模板劑(0.2 g)，水(96 mL)作為反應(yīng)介質(zhì)，TEOS 作為硅源(1.2 mL)，NaOH(0.7 mL，2 mol·L-1) 作為催化劑，通過(guò)水解縮合合成[21]。SBA-15的制備以三段共聚物P123為模板劑，TEOS為硅源，在酸性條件下合成介孔納米粒子SBA-15，其原料物質(zhì)的量比組成為：nP123∶nHCl∶nH2O∶nTEOS=0.017∶5.88∶197∶1[22]。

1.2 銥配合物雜化納米探針的合成

銥配合物雜化納米探針的合成分為4步，如圖1所示。第一步，N^N配體的合成，反應(yīng)產(chǎn)物用乙醇重結(jié)晶后，得黃色針狀固體 (76%)。1H NMR(400 MHz，CDCl3)9.21(d，1H)，8.95(d，1H)，8.28(d，1H)，7.99(d，1H)，7.66(dd，1H)，7.52(dd，1H)，6.9(s，1H)，4.3(s，2H)。第二步，銥配合物的合成，銥的二氯橋化合物根據(jù)文獻(xiàn)方法合成[23]。稱(chēng)取銥二氯橋化合物0.15 mmol和 5-氨基-1,10-鄰菲咯啉 0.375 mmol加入到反應(yīng)瓶中，再加入15 mL CH2Cl2和甲醇的混合溶劑(2∶1，V/V)，磁力攪拌回流 3～5 h 后，降至室溫，加入5倍當(dāng)量的六氟磷酸鉀(KPF6)，繼續(xù)攪拌約1 h后，減壓旋蒸除去溶劑，將所得固體混合物再溶于約10 mL的CH2Cl2中，將不溶物過(guò)濾除去，濾液減壓旋蒸除去溶劑后得到固體，用柱層析方法(二氯甲烷/丙酮)過(guò)柱提純，得到棕黃色固體，產(chǎn)率為63%，配合物通過(guò)1H NMR進(jìn)行表征。1H NMR(400 MHz，DMSO-d6)9.78(d，2H)，9.03(d，1H)，8.40～8.43(dd，3H)，8.18 ～8.21(dd，2H)，8.15(d，1H)，7.99 ～8.03(t，2H)，7.93～7.96(dd，1H)，7.72(d，1H)，7.67～7.69(dd，1H)，7.54～7.60(m，4H)，7.15～7.20(m，2H)，7.11(s，1H)，6.97(s，2H)，6.75(d，1H)，6.72(d，1H)。 第三步，用異氰酸丙基三乙氧基硅烷對(duì)銥配合物功能化。取銥配合物(0.03 mmol)于圓底燒瓶中，抽真空充氮?dú)?，在氮?dú)獗Ｗo(hù)下用注射器注入經(jīng)除水處理的四氫呋喃5 mL充分溶解后，再注入異氰酸丙基三乙氧基硅烷150 μL(2.5 mmol)，70 ℃加熱回流 24 h，然后加入冷正己烷沉降。通過(guò)離心分離，再迅速將下層沉淀溶解于3 mL無(wú)水四氫呋喃兩次沉降/離心/溶解除去未反應(yīng)的異氰酸丙基三乙氧基硅烷。第四步，將該產(chǎn)物溶解在無(wú)水四氫呋喃中，分別加入到含SBA-15、MCM-41以及實(shí)心納米粒子的四氫呋喃懸浮液中，反應(yīng)24 h，離心洗滌，干燥，得到有機(jī)無(wú)機(jī)雜化納米粒子。通過(guò)硅酯鍵與二氧化硅表面的硅醇羥基水解縮合共價(jià)鍵連接，這樣防止染料分子的泄露，提高穩(wěn)定性。

1.3 實(shí)驗(yàn)儀器和表征方法

核磁共振譜用Bruker AdvanceⅢ (400 MHz)型核磁共振儀在室溫下測(cè)定；質(zhì)譜用Bruker autoflex基質(zhì)輔助激光解吸離子化時(shí)間-飛行時(shí)間質(zhì)譜儀(MALDI-TOF/TOF)測(cè)定；掃描電子顯微鏡(SEM)觀察(日立S-4800場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡，10 kV操作電壓)；透射電子顯微鏡(TEM)觀察(JEOL JEM-2100，加速電壓為150 kV)。氮?dú)馕?脫附測(cè)量(3H-2000PS2表面積分析儀，北京貝士德儀器公司)。通過(guò)吸附在p/p0=0.04～0.20 收集 6 個(gè)點(diǎn)數(shù)據(jù)計(jì)算 BET(Brunauer-Emmett-Teller)比表面積?？讖椒植疾捎肂JH(Barrett-Joyner-Halenda)方法估計(jì)。粉末小角X射線衍射(XRD)在Bruker Advance-D8衍射儀上進(jìn)行測(cè)定，Cu靶，Kα輻射源。磷光發(fā)射光譜在 Shimadzu RF-5301PC光譜儀上測(cè)定；熱重分析在SDT2960型熱重-差熱儀上測(cè)定；紅外光譜由Shimadzu IR Prestige-21傅里葉紅外光譜儀測(cè)定。

1.4 理論計(jì)算

所有計(jì)算都應(yīng)用量子化學(xué)通用的計(jì)算程序Gaussian03完成[24]。采用B3LYP(Becke型3參數(shù)密度泛函模型，此模型采用Lee-Yang-Parr泛函)密度泛函理論(DFT)對(duì)配合物的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化來(lái)計(jì)算配合物以及與半胱氨酸反應(yīng)后的產(chǎn)物的單線態(tài)和最低的三線態(tài)(T1)能級(jí)。采用LANL2DZ基組處理銥原子的核心電子，而6-31G*基組被用來(lái)處理配合物中所有其它原子。在優(yōu)化三線態(tài)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上采用時(shí)間密度泛函理論(TD-DFT)來(lái)計(jì)算配合物的激發(fā)態(tài)。計(jì)算結(jié)果給出了HOMO、LUMO以及LUMO+1等的軌道分布。

1.5 半胱氨酸和高半胱氨酸檢測(cè)實(shí)驗(yàn)

對(duì)Hcy和Cys的檢測(cè)我們是在PBS緩沖液(pH值7.4)中通過(guò)光度法測(cè)定。通常情況下，測(cè)試前先將不同濃度的氨基酸和雜化納米粒子懸浮液在37℃反應(yīng)15 min后測(cè)試其發(fā)射強(qiáng)度，其中納米粒子的濃度為1 mg·mL-1。激發(fā)波長(zhǎng)為365 nm，狹縫寬度為5 nm。

2 結(jié)果與討論

2.1 配體以及配合物表征

圖1所示N^N配體1和銥配合物2通過(guò)1H NMR和MALDI-TOF-MS進(jìn)行表征。功能化配合物3的質(zhì)譜碎片峰如圖2所示，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，銥配合物N^N配體上的NH2與-CNO反應(yīng)。從不同階段的紅外光譜(如圖3)我們可以看出，銥配合物與異氰酸丙基三乙氧基硅烷反應(yīng)后，Ir-Si(OEt)3紅外光譜在1 600 cm-1的吸收證明酰胺鍵(CONH)的生成。與納米粒子接枝后，Ir-MCM紅外光譜出現(xiàn)了銥配合物在1 500～1 700 cm-1的吸收峰和MCM-41的特征峰，證明在雜化探針中銥配合物的存在。通過(guò)TGA測(cè)試得到雜化納米粒子(Ir-MCM)中配合物的含量約為47%。

2.2 二氧化硅納米粒子的形貌表征

圖4a是所得到的實(shí)心納米粒子透射電鏡圖。從圖中我們可以看出，納米粒子的平均直徑約為80 nm。圖4b是所得到的MCM-41的透射電鏡圖。從圖中我們可以看出，所制備的MCM-41納米粒子粒徑約為80～100 nm，從高倍透射電鏡圖(圖4b插圖)我們可以看出內(nèi)部孔道成規(guī)則六方緊密堆積。圖4c和圖4d分別是所得到的SBA-15的掃描電鏡和透射電鏡圖，SBA-15長(zhǎng)徑比比較大，并且內(nèi)部孔道直徑相對(duì)MCM-41更大。

2.3 雜化納米粒子對(duì)Hcy和Cys的響應(yīng)性

在本工作中，我們研究了幾種不同結(jié)構(gòu)的雜化納米粒子的光物理性質(zhì)以及對(duì)Hcy和Cys的響應(yīng)性。我們分別采用SiO2實(shí)心納米粒子、MCM-41以及SBA-15作為載體，制備雜化納米粒子，分別標(biāo)為Ir-NPs、Ir-MCM以及Ir-SBA，并研究其雜化納米粒子的光物理性能。從圖5a我們可以看出，雜化納米粒子的發(fā)射波長(zhǎng)在565 nm附近，在相同的質(zhì)量濃度下，Ir-MCM的發(fā)光強(qiáng)度明顯比Ir-NPs強(qiáng)，這可能是因?yàn)镸CM-41的比表面積比較大，所負(fù)載的銥配合物分子比較多，并且我們測(cè)試了雜化納米粒子(Ir-MCM)的磷光壽命為321.42 ns。當(dāng)加入半胱氨酸后，從圖5b、5c和5d我們可以看出，Ir-NPs由于比表面積相對(duì)較低，響應(yīng)性也比較低；而Ir-SBA由于SBA-15粒徑比較大，光散射比較強(qiáng)(圖5d)，也不適合作為本體系的探針載體。因此，通過(guò)本實(shí)驗(yàn)我們篩選出對(duì)半胱氨酸的響應(yīng)性最大的Ir-MCM雜化粒子作為探針做系統(tǒng)研究。

2.4 Ir-MCM雜化納米探針的結(jié)構(gòu)表征

以MCM-41作為載體的雜化納米粒子的表面結(jié)構(gòu)以及內(nèi)部孔道結(jié)構(gòu)通過(guò)SEM、TEM、XRD和氮?dú)馕?脫附等溫線進(jìn)行表征。圖6是所制備的負(fù)載前(MCM)(圖6a和圖6c)和負(fù)載銥配合物后的(Ir-MCM)納米粒子(圖6b和6d)的透射電鏡和掃描電鏡圖片。

對(duì)比圖6a和圖6b我們可以看出，負(fù)載前的MCM-41粒徑約為80 nm，并且比較分散，內(nèi)部孔道呈二維六方緊密排列，孔道與孔壁具有很明顯的對(duì)比度，證明所得到的MCM內(nèi)部孔道清晰可見(jiàn)并且長(zhǎng)程有序。當(dāng)負(fù)載銥配合物后，雜化納米粒子(Ir-MCM)沒(méi)有明顯聚集，粒子界面沒(méi)有負(fù)載前清晰，而且內(nèi)部孔道也沒(méi)有負(fù)載前(圖6a)清晰，這證明探針?lè)肿右呀?jīng)被接枝到介孔納米粒子的內(nèi)孔壁和外部表面上。動(dòng)態(tài)光散射粒徑分析結(jié)果表明，負(fù)載前(如圖7a)的納米粒子單分散性比較好，粒徑約74 nm，粒徑分布很窄。負(fù)載銥配合物后(如圖7b)，雜化納米粒子粒徑90 nm，粒徑分布相對(duì)較寬，尤其是在350 nm附近的粒子可能是由于有機(jī)配合物負(fù)載過(guò)程中造成少部分納米粒子團(tuán)聚造成。

X-射線衍射是利用衍射圖中的衍射峰位置和強(qiáng)度來(lái)測(cè)定晶格常數(shù)和晶型，利用衍射峰的角度及峰形測(cè)定晶粒的直徑和結(jié)晶度。介孔材料在XRD譜圖上，只有2θ在2°～10°的低角度區(qū)有明顯的衍射峰，其強(qiáng)度可作為判斷介孔材料有序度的基本手段之一。圖8是所得到的MCM和Ir-MCM的XRD結(jié)果。從圖中可以看出，在MCM樣品中觀察到(100)面的強(qiáng)峰和(110，200)2個(gè)弱峰，這可以說(shuō)明該介孔納米粒子具有二維六方緊密堆積的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，并且孔道長(zhǎng)程有序規(guī)則。負(fù)載銥配合物后，Ir-MCM樣品的(100)面的峰值強(qiáng)度下降，而(110，200)面的峰變得不再明顯，這表明負(fù)載銥配合物后，雜化納米粒子的內(nèi)部介孔結(jié)構(gòu)還是存在，但是有序度有些降低，而且因?yàn)榻榭椎目妆诮又︺炁浜衔锖?，可能也?dǎo)致衍射襯度降低，從而峰強(qiáng)度降低。

氮?dú)馕?脫附等溫線也是表征介孔材料結(jié)構(gòu)特征的重要手段。如圖9所示，所制備的負(fù)載前MCM和負(fù)載后的Ir-MCM納米粒子的氮?dú)馕?脫附等溫線的形狀，按照IUPAC的劃分屬于典型Ⅳ的等溫線[25]。本工作中的負(fù)載前的樣品所得到的滯后環(huán)屬于 H1 型，相對(duì)壓力 p/p0=0.28～0.4，反映了該材料的內(nèi)部孔道比較規(guī)則，孔徑具有相對(duì)窄的孔徑分布，用 BET(Brunauer-Emmett-Teller)法計(jì)算后得到MCM 比表面積為 898.43 m2·g-1， 孔容為 1.20 cm3·g-1。當(dāng)負(fù)載銥配合物后，Ir-MCM的等溫線具有較低的氮?dú)馕搅?，而且滯后環(huán)不清晰，根據(jù)等溫線數(shù)據(jù)計(jì)算后得到Ir-MCM的比表面積和孔容分別為600.35 m2·g-1和 0.87 cm3·g-1， 這些結(jié)果表明，MCM的內(nèi)部孔道表面被成功接枝了銥配合物。

MCM和Ir-MCM的孔徑分布根據(jù)樣品的吸附－脫附等溫線采用BJH方法進(jìn)行計(jì)算。MCM和Ir-MCM的孔徑分布如圖10所示，MCM的平均孔徑為2.90 nm，而且該材料的孔徑分布很窄。當(dāng)接枝銥配合物后，Ir-MCM的BJH孔徑下降至2.53 nm，而且孔徑分布相對(duì)較寬，小孔徑孔道所占比例相對(duì)較多，這可能是由于銥配合物的負(fù)載，MCM內(nèi)部孔隙部分被配合物占據(jù)，而在相對(duì)較大孔徑區(qū)域的孔可能是由于銥配合物在MCM表面部分團(tuán)聚形成的堆積空隙造成?？偟膩?lái)說(shuō)，負(fù)載后的納米粒子的比表面積、孔容和孔徑都降低，并且孔徑分布較寬的出現(xiàn)，這也進(jìn)一步證實(shí)了探針?lè)肿鱼炁浜衔镌贛CM內(nèi)孔壁和外表面的接枝。

2.5 光物理性質(zhì)

納米探針在水中具有很好的分散性是其在實(shí)際生物檢測(cè)中實(shí)現(xiàn)應(yīng)用的先決條件。本工作中所合成的MCM納米粒子和雜化納米探針I(yè)r-MCM在水中均有很好的穩(wěn)定性。我們將納米探針I(yè)r-MCM分散在PBS緩沖溶液中，懸浮液呈現(xiàn)橙紅色，用365 nm激發(fā)波長(zhǎng)激發(fā)，懸浮液的發(fā)射波長(zhǎng)在565 nm(如圖11)，該峰比較寬，說(shuō)明該納米粒子的發(fā)射峰能量來(lái)自CT態(tài)躍遷。當(dāng)加入不同濃度的半胱氨酸或者高半胱氨酸后(n氨基酸/n配合物=0～200 eq.)，懸浮液的發(fā)射波長(zhǎng)位置沒(méi)有發(fā)生明顯移動(dòng)，但是發(fā)射峰明顯增強(qiáng)(如圖 11)。

而在同樣的探針濃度下，加入其它氨基酸如L-組氨酸、L-亮氨酸、L-蘇氨酸、L-精氨酸、L-天門(mén)冬氨酸、L-酪氨酸、L-色氨酸、L-脯氨酸、L-異亮氨酸、L-纈氨酸、L-蛋氨酸、L-賴(lài)氨酸、L-谷氨酰胺、L-丙氨酸、L-谷氨酸、L-甘氨酸、L-羥脯氨酸、L-絲氨酸和 L-苯丙氨酸，沒(méi)有觀察到明顯變化。當(dāng)用紫外燈(365 nm)照射時(shí)，加入半胱氨酸的樣品用肉眼可以觀察到亮度明顯增加(圖11插圖)，加入高半胱氨酸也有同樣的現(xiàn)象。

根據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道[1,15-16,26-27]和以上的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，我們提出一種可能的響應(yīng)機(jī)理(圖12)。銥（Ⅱ）配合物中環(huán)金屬配體帶的醛基能與β-和γ-烷基巰基類(lèi)氨基酸如Hcy和Cys形成相應(yīng)的五元雜環(huán)((thiazolidine)或六元雜環(huán)(thiazinane)。為進(jìn)一步了解反應(yīng)機(jī)制，我們用TDDFT計(jì)算方法計(jì)算出醛基對(duì)配合物的光物理性質(zhì)影響。我們選取帶硅酯基的配合物(Ir-Complex)以及配合物與半胱氨酸反應(yīng)后的產(chǎn)物(Ir-Cys)在水相中的基于最低三線態(tài)(T1)結(jié)構(gòu)來(lái)計(jì)算分子前線軌道分布，根據(jù)軌道分布來(lái)驗(yàn)證所提出的反應(yīng)機(jī)理。

表1 配合物Ir-Complex和配合物Ir-Cys的前線軌道分布Table 1 HOMO,LUMO and LUMO+1 distributions of Ir-Complex and Ir-Cys at the triplet states

表2 理論計(jì)算得到的配合物Ir-Complex和配合物Ir-Cys在水溶液中最低三線態(tài)能級(jí)Table 2 Calculated phosphorescence emissions of Ir-Complex and Ir-Cys in aqueous solution with TDDFT method

如表1所示，配合物Ir-Complex的最高占據(jù)分子軌道 (HOMO)主要分布在2個(gè)C^N配體的苯環(huán)上，以及少量分布在C^N配體的吡啶環(huán)和金屬中心Ir上；而最低空分子軌道(LUMO)主要分布在輔助配體N^N配體上。配合物Ir-Cys的HOMO主要分布在Ir和C^N配體的苯環(huán)和C^N配體醛基與半胱氨酸的巰基形成的五元雜環(huán)上；LUMO主要分布在N^N配體上，少量分布在Ir金屬中心上。

HOMO-4主要分布在一個(gè)C^N配體醛基與半胱氨酸的巰基形成的五元雜環(huán)上，少量分布在另一個(gè)C^N配體的苯環(huán)上和Ir金屬中心上；LUMO+1主要分布在輔助配體N^N上；HOMO-5分布在其中一個(gè)C^N配體，另一個(gè)C^N配體的苯環(huán)和吡啶以及銥金屬中心分布相對(duì)較少。如表2所示，配合物Ir-Complex的最低能量三線態(tài)主要來(lái)自HOMO→LUMO(59%)的躍遷，根據(jù)軌道分布進(jìn)一步證明了三線態(tài)金屬-C^N配體的電荷轉(zhuǎn)移 (dπ(Ir)→π*C^N]3MLCT)和三線態(tài)配體內(nèi)電荷轉(zhuǎn)移 ([πC^N→π*N^N]3LLCT)參與其中。相比之下，配合物Ir-Cys的最低能量三線態(tài)主要來(lái)自HOMO→LUMO(37%)、HOMO-5→LUMO+1(31%)和 HOMO-4→LUMO+1(43%)的躍遷。計(jì)算結(jié)果進(jìn)一步證實(shí)金屬-C^N配體電荷轉(zhuǎn)移([dπ(Ir)→π* 的 C^N]3MLCT)，三線態(tài)配體間電荷轉(zhuǎn)移([πC^N→π*N^O]3LLCT)以及C^N配體醛基與半胱氨酸的巰基形成的五元雜環(huán)也參與配體間的電荷轉(zhuǎn)移躍遷。因此，這是造成探針光譜變化的原因。

3 結(jié) 論

我們選擇具有很好親水性和生物相容性的二氧化硅實(shí)心納米粒子、介孔納米粒子如SBA-15和MCM-41作為銥配合物載體，設(shè)計(jì)合成了對(duì)半胱氨酸和高半胱氨酸具有高選擇性的磷光納米探針。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，由于MCM-41相比其它幾種載體兼?zhèn)涓弑缺砻娣e和尺寸適中的粒徑優(yōu)勢(shì)，從而使得到的雜化納米探針具有更強(qiáng)的發(fā)光強(qiáng)度和更好的響應(yīng)性?；贛CM-41的雜化探針實(shí)現(xiàn)了在純水體系中檢測(cè)半胱氨酸，減少了復(fù)雜的有機(jī)合成步驟，提高了磷光配合物的利用率，降低了成本。該設(shè)計(jì)策略為以后在實(shí)際應(yīng)用如細(xì)胞成像和生物傳感領(lǐng)域開(kāi)發(fā)優(yōu)異的磷光細(xì)胞探針能提供有效途徑。

[1]Zhang M,Li M,Zhao Q,et al.Tetrahedron Lett.,2007,48(13):2329-2333

[2]Zhang D,Zhang M,Liu Z,et al.Tetrahedron Lett.,2006,47(39):7093-7096

[3]Zhao Q,Huang C,Li F.Chem.Soc.Rev.,2011,40(5):2508-2524

[4]Zhao Q,Li F,Huang C,Chem.Soc.Rev.,2010,39(8):3007-3030

[5]Mou X,Wu Y,Liu S,et al.J.Mater.Chem.,2011,21(36):13951-13962

[6]Xu W,Liu S,Sun H,et al.J.Mater.Chem.,2011,21(21):7572-7581

[7]Burns A,Ow H,Wiesner U,Chem.Soc.Rev.,2006,35(11):1028-1042

[8]Quang D T,Kim J S,Chem.Rev.,2010,110(10):6280-6301

[9]Shiu H Y,Wong M K,Che C M.Chem.Commun.,2011,47(15):4367-4369

[10]Shiu H Y,Chong H C,Leung Y C,et al.Chem-Eur.J.,2010,16(11):3308-3313

[11]Chen H,Zhao Q,Wu Y,et al.Inorg.Chem.,2007,46(26):11075-11081

[12]Xiong L,Zhao Q,Chen H,et al.Inorg.Chem.,2010,49(14):6402-6408

[13]LI Xiang-Hong(李襄宏),ZHAO Xin-Di(趙鑫帝),Lü Kang-Le(呂康樂(lè)),et al.Chinese J.Inorg.Chem.(Wuji Huaxue Xuebao),2011,27(2):303-307

[14]Ma Y,Liu S,Yang H,et al.J.Mater.Chem.,2011,21(47):18974-18982

[15]YIN Dong-Guang(尹東光),ZHANG Li(張禮),LIU Bin-Hu(劉斌虎),et al.Chinese J.Inorg.Chem.(Wuji Huaxue Xuebao),2010,26(3):419-425

[16]Liu X,Xi N,Liu S,et al.J.Mater.Chem.,2012,22(16):7894-7901

[17]Bagwe R P,Yang C,Hilliard L R,et al.Langmuir.,2004,20(19):8336-8342

[18]Zhang D,Wu Z,Xu J,et al.Langmuir.,2010,26(9):6657-6662

[19]Lai C W,Wang Y H,Lai C H,et al.Small,2008,4(2):218-224

[20]St?ber W,Fink A,Bohn E.J.Colloid Interf.Sci.,1968,26(1):62-69

[21]Cai Q,Luo Z S,Pang W Q,et al.Chem.Mater.,2001,13(2):258-263

[22]Zhao D,Sun J,Li Q,et al.Chem.Mater.,2000,12(2):275-279

[23]Lamansky S,Djurovich P,Murphy D,et al.J.Am.Chem.Soc.,2001,123(18):4304-4312

[24]Trucks G,Schlegel H,Scuseria G,et al.Gaussian03,revision C.02;Gaussian,Inc.:Wallingford,CT:2004.

[25]Sing K,Everett D,Haul R,et al.Pure Appl.Chem.,1985,57(4):603-19

[26]Rusin O,Luce N N S,Agbaria R A,et al.J.Am.Chem.Soc.,2004,126(2):438-439

[27]Wang W,Rusin O,Xu X,et al.J.Am.Chem.Soc.,2005,127(45):15949-15958

“Turn-on” Phosphorescent Nanoprobes for Sensing Homocysteine and Cysteine

LIU Xiang-MeiLIU Shu-Juan YANG Hui-Ran YU Hai-Xia WANG Jing-XiaZHAI ZhaoZHAO Qiang＊HUANG Wei＊
(Key Laboratory for Organic Electronics&Information Displays(KLOEID);Institute of Advanced Materials,Nanjing University of Posts&Telecommunications,Nanjing 210046,China)

In this work,we designed and fabricated a series of new nanoprobes by using the high specific surface area and good biocompatibility of mesoporous silica nanoparticles as a probe carrier and the long lifetime luminescence of phosphorescent complexes as signal unit.The structures and physical properties of prepared nanoprobes were characterized by SEM,TEM,XRD and nitrogen adsorption/desorption isotherms.Spectrophotometric determination was performed in phosphate buffer saline(PBS)buffer for Hcy/Cys sensing.To further understand the response mechanism,the effect of the aldehyde(CHO)group on the photophysical properties was calculated by using TDDFT calculation method.The result demonstrated that the as-prepared nanoprobe exhibited high selectivity for Hcy and Cys in pure PBS,which provides the advantage in developing excellent phosphorescent cellular probes for practical applications.

silica nanoparticles;phosphorescence nanoprobes;iridium complexes;biosensor

O614.82；O613.72

A

1001-4861(2012)11-2271-09

2012-05-15。收修改稿日期：2012-06-15。

國(guó)家自然科學(xué)基金(No.61006007)，中國(guó)博士后科研課題(No.20100471354)，江蘇省博士后科研課題(No.1002024C)資助項(xiàng)目。

＊通訊聯(lián)系人。 E-mail：iamqzhao@njupt.edu.cn，iamwhuang@njupt.edu.cn，電話：+86-+86(25)85866008