氮雜氟硼二吡咯及其正交二聚體光熱性質研究

盛萬樂,汪義程,王章翠,沈婧祎,張恩立

(蚌埠醫(yī)學院,安徽 蚌埠 233030)

近年來,光熱治療(photothermal therapy,PTT)因其非侵入性、可控性、靶向性強等優(yōu)勢在抗腫瘤領域得到廣泛應用。PTT的原理是利用光熱材料吸收特定波長的光能,將其轉化為熱能,引起腫瘤組織溫度升高,從而殺死癌細胞[1]。近紅外光熱材料就是一種能夠將吸收的近紅外光轉化為熱能的材料,它們有著廣泛的應用前景,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生高溫來殺死癌細胞;在能源轉換方面,利用光熱材料將太陽能轉化為電能或者機械能;在環(huán)境修復方面,利用光熱材料降解水中或者空氣中的有害物質。

近紅外光熱材料需要具有較高的吸光系數、光熱轉換效率和較好的光穩(wěn)定性等特性,有機染料具有優(yōu)異的吸光性能和較高的光穩(wěn)定性,同時可以通過改變其結構來調節(jié)它們的吸收光譜和熱轉換效率,因此被認為是一種有潛力的近紅外光熱材料。同時,近紅外光熱材料的種類很多,包括金屬納米顆粒、碳基材料、有機染料、超分子MOF等。不同類型的光熱材料在穩(wěn)定性、生物相容性、光吸收強度等方面有其各自的優(yōu)缺點[2]。而具有高性能的近紅外光熱材料需要在以下方面表現突出:光熱轉換效率指光熱材料將吸收的光能轉化為熱能的比例,越高越好。目前已有報道的光熱轉換效率較高的材料是一種納米碳點,高達88.3%[3];發(fā)光效率指光熱材料在受激后發(fā)出的光強度,越高越好。目前已有報道的發(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時間或重復使用后保持其性能不變化,越穩(wěn)定越好。目前已有報道的穩(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。

相較于傳統的治療方法,近紅外光熱治療具有非侵入性、時空可控性、選擇性強、治療效果好等優(yōu)點,因此在醫(yī)學、生物學[6]等領域有廣泛的應用前景。常見的光熱治療有機材料包括有機染料、有機光敏劑和有機納米材料等[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。

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

單雜氟硼二吡咯(azaBODIPY)類染料是由氟硼二吡咯(BODIPY)類染料結構修飾衍生而來,如圖1所示。1968年Kreuzer等首次報道了BODIPY類染料,因其優(yōu)良的性質,之后被人們廣泛地研究、合成并應用于生物檢測、熒光探針、太陽能電池、醫(yī)學等多個領域[11]。

圖1 BODIPY和azaBODIPY母核結構

目前,主要有三種合成azaBODIPY類染料的方法[12],O’Shea課題組以醛酮為原料,合成的主要是對稱的azaBODIPY[13]。Carreira課題組提出的方法適用于合成非對稱結構的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,再經絡合反應得到azaBODIPY,其方法適合合成對稱和非對稱結構的azaBODIPY,三種合成方法各有利有弊,都為azaBODIPY的結構修飾衍生提供了可靠的合成路線[14]。

眾所周知,癌癥作為當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,目前對于癌癥的治療主要是化療、放療等手段,對人體損傷大、副作用強、靶向性差,同時研究發(fā)現波長在600～1 300 nm之間的近紅外光具有較高的組織穿透性,無創(chuàng)性、無毒性,是一種副作用相對較小癌癥的有效治療手段,因此光熱治療逐漸走進人們的視野,大量的近紅外吸收試劑被報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光熱試劑的光熱轉化效率和延長吸收波長問題。

據報道,增強電子推拉作用可以提高光熱轉化效率?；陔娮油评?Li課題組利用甲硫基富電子產生分子內電荷誘導效應,合成了含甲硫基取代的氮雜氟硼吡咯染料SMe-azaBDP,其幾乎沒有熒光和低單線態(tài)氧產率,對無輻射躍遷過程有利,提高了光熱轉化效率,SMe-azaBDP NPs光熱轉化效率可達45%[15]。另外,增強分子內運動可以有效增強有機分子光熱性能,彭課題組以BODIPY為基礎,在中位引入—CF3基團得到tmf-BDP,—CF3在基態(tài)和激發(fā)態(tài),均無轉動能壘,吸收的光能可以有效地以熱能的形式消耗,可實現高達88.3%的光熱轉化效率[3]。

本研究從azaBODIPY的結構設計入手,提出了一種新的近紅外光熱材料。通過一系列反應引入含四個苯基的單體,大大增加分子的共軛體系。在此基礎上,進一步氧化得到正交二聚體,由于其特殊結構,增加了在有機溶劑中的溶解度,幾乎不發(fā)熒光,主要以熱能的形式釋放能量,實現了材料的近紅外光吸收和光熱效率高效轉換,調控了材料的熱穩(wěn)定性,從而提高了材料的光熱性能。azaBODIPY染料進行特定修飾后,可以廣泛地應用到醫(yī)學、生物化學、臨床診斷、環(huán)境科學等領域中,前景非常廣闊。

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

對苯甲醛、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特殊說明均為試劑公司購買(分析純),直接使用沒有進一步純化。

電子天平(FA1004,天津天馬恒基儀器有限公司),磁力攪拌器(DF-101S,河南兄弟儀器設備有限公司),油浴鍋(甲基硅油),分光光度計(UV-2450),熱成像儀(優(yōu)利德UTi320e),激光器(長春飛秒科技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。按照文獻方法[12]合成目標分子:首先是苯甲醛與苯乙酮在堿(NaOH)催化作用下進行可萊森-施密特縮合反應生成不飽和酮化合物A?；衔顰與二乙胺/硝基甲烷進行邁克爾加成得到化合物B?；衔顱與乙酸銨進行成環(huán)反應,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,待反應完全,配制10% Na2CO3溶液使反應停止,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、重結晶得到較純的目標化合物azaBODIPY-D,產率為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溶劑(二甲苯)中的溶液,掃描波長范圍在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?？梢悦黠@發(fā)現,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基本不隨濃度的改變而變化。

2.2 光熱性質測試

將azaBODIPY和azaBODIPY-D配制成不同質量濃度(0、10、30 μg/mL)的二甲苯溶液,利用近紅外激光(波長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-時間曲線圖。在激光持續(xù)照射了15 min之后,質量濃度為30 μg/mL的二聚體溶液溫度從22.4℃升高至47.2℃,升高24.8℃,作為對照的純二甲苯,在相同的時間里面,只升高3.1℃。從而說明了相比于純二甲苯,具有azaBODIPY結構的二聚體對于入射光具有更強的吸收作用,將光能轉化為熱能,從而導致了溶液溫度提升幅度更大。同時,從圖4(a)中可以看出,濃度是升溫的一個關鍵因素,隨著質量濃度的升高(0～30 μg/mL),在相同激光照射的時間里,二聚體的溫升分別為3.1℃、18.6℃和24.8℃,說明材料的光熱轉換能力與其質量濃度成正比。同時,可以看出,10 min之前曲線快速上升,溫度升高隨質量濃度的變化明顯,但是10 min之后隨著質量濃度的增加,曲線漸趨于平緩,溫度升高隨質量濃度變化減慢。這是因為溶液溫度較高時,散熱也在增強,從而導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關鍵因素,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系。同時在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,質量濃度為30 μg/mL的單體溶液溫度升高了18℃,作為對照的純二甲苯,在相同的時間里面,只升高了2.9℃。從而說明了相比于純二甲苯,具有azaBODIPY結構的單體對近紅外光的照射具有更強的吸收作用,使溶液的溫度大幅度升高。同時,從圖5中可以看出,質量濃度和功率密度也是升溫的關鍵因素,隨著質量濃度的升高(0～30 μg/mL)、 功率密度的增加(0.3～0.9 W/cm2),材料的光熱轉換能力與其質量濃度和功率密度成正比。

對比圖4和圖5,明顯發(fā)現具有azaBODIPY結構的單體和二聚體都有吸收近紅外光并將光能轉化為熱能的能力,只是相較于單體而言,二聚體吸收光轉化為熱能的能力更強,質量濃度為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)照射質量濃度為30 μg/mL的二聚體和單體溶液15 min后,溶液與周圍環(huán)境之間達到熱平衡狀態(tài),溫度不再升高,其溫度分別升高24.8℃、18℃。此時撤去激光的照射,溶液溫度下降,記錄隨著一定的時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。根據公式5計算得到lnθ值,從而繪制出降溫過程中t與lnθ的線性擬合曲線,如圖6所示。依據文獻[1],光熱轉化效率的計算公式如下:

(1)

Q=hs×(Tmax-Tsurr),

(2)

(3)

t=-lnθ×τs,

(4)

(5)

以上計算方法參考文獻[1],其中,Tmax為激光照射時的最高溫度,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為光熱轉化時激光功率,即I=0.7W,Q是基線能量的輸出,hs是傳熱系數,c為溶液的比熱容,即c=2.58 J/(g·℃),m為光熱轉換效率溶液質量,m=1.758 g,τs為系統熱平衡的時間常數,根據T與-lnθ的關系曲線(見圖6b、圖6d),τs即為此直線的斜率,可得τs=233.1 s,將以上參數分別帶入光熱轉換效率公式可得二聚體η為72.9%,根據上述公式,同理可得單體的光熱轉換效率為50.5%。

2.3 光熱穩(wěn)定性

使用激光(功率密度0.9 W/cm2、波長660 nm)照射質量濃度為30 μg/mL的單體和二聚體溶液,經過1 000 s升高溫度到最高溫度達到熱平衡之后,溫度不再升高,此時關閉激光,溫度迅速降低,經過一定時間后降至室溫,再次打開激光去照射溶液,重復操作5次。圖7是激光開關過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,當體系溫度降到環(huán)境溫度后,用激光去反復照射,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,由此也證實了含azaBODIPY結構的單體和二聚體材料具有良好的光熱穩(wěn)定性,可重復利用。

3 結論

本研究通過實驗首先合成了具有azaBODIPY結構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。通過研究發(fā)現濃度為30 μg/mL的具有azaBODIPY結構的單體和二聚體在波長660 nm的激光(功率密度0.9 W/cm2)照射下光熱性能較好。azaBODIPY類染料制備簡單,結構易于修飾,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至達到熱平衡狀態(tài)時,溶液的溫度升高值分別達18℃和24.8℃,通過計算在當前測試條件二聚體的光熱轉換效率為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,可以通過對結構進行設計并調整取代基團等方法提高其實用性,這為研究與開發(fā)更加優(yōu)良的azaBODIPY類染料分子提供可能。