氮杂氟硼二吡咯及其正交二聚体光热性质研究

盛万乐,汪义程,王章翠,沈婧祎,张恩立

(蚌埠医学院,安徽 蚌埠 233030)

近年来,光热治疗(photothermal therapy,PTT)因其非侵入性、可控性、靶向性强等优势在抗肿瘤领域得到广泛应用。PTT的原理是利用光热材料吸收特定波长的光能,将其转化为热能,引起肿瘤组织温度升高,从而杀死癌细胞[1]。近红外光热材料就是一种能够将吸收的近红外光转化为热能的材料,它们有着广泛的应用前景,在光热治疗方面,利用光热材料聚集在肿瘤组织中,并在外部光源的照射下产生高温来杀死癌细胞;在能源转换方面,利用光热材料将太阳能转化为电能或者机械能;在环境修复方面,利用光热材料降解水中或者空气中的有害物质。

近红外光热材料需要具有较高的吸光系数、光热转换效率和较好的光稳定性等特性,有机染料具有优异的吸光性能和较高的光稳定性,同时可以通过改变其结构来调节它们的吸收光谱和热转换效率,因此被认为是一种有潜力的近红外光热材料。同时,近红外光热材料的种类很多,包括金属纳米颗粒、碳基材料、有机染料、超分子MOF等。不同类型的光热材料在稳定性、生物相容性、光吸收强度等方面有其各自的优缺点[2]。而具有高性能的近红外光热材料需要在以下方面表现突出:光热转换效率指光热材料将吸收的光能转化为热能的比例,越高越好。目前已有报道的光热转换效率较高的材料是一种纳米碳点,高达88.3%[3];发光效率指光热材料在受激后发出的光强度,越高越好。目前已有报道的发光效率最高的材料是一种掺铬稀土晶体[4],具有宽带近红外发射。稳定性指光热材料在长时间或重复使用后保持其性能不变化,越稳定越好。目前已有报道的稳定性最好的材料是一种超分子MOF[5],具有抗氧化、抗水解和抗光漂白的特点。

相较于传统的治疗方法,近红外光热治疗具有非侵入性、时空可控性、选择性强、治疗效果好等优点,因此在医学、生物学[6]等领域有广泛的应用前景。常见的光热治疗有机材料包括有机染料、有机光敏剂和有机纳米材料等[7],其中,BODIPYs作为新型光敏剂在各种癌症,如肝癌、肺癌、乳腺癌、宫颈癌、皮肤癌[8]等肿瘤疾病的治疗上提供了很好的借鉴。

相比于无机材料,有机染料分子易于修饰、毒性低以及生物相容性好[9]。其中,azaBODIPY染料是一类重要的新兴有机染料,由于其具有近红外吸收、摩尔吸光系数高、波长可控、生物相容性好、毒性低等优点[6],被广泛用于近红外染料、生物成像、分子探针、荧光传感器、太阳能电池、光动力疗法(photodynamic therapy,PDT)和光热疗法(PTT)[10]。

单杂氟硼二吡咯(azaBODIPY)类染料是由氟硼二吡咯(BODIPY)类染料结构修饰衍生而来,如图1所示。1968年Kreuzer等首次报道了BODIPY类染料,因其优良的性质,之后被人们广泛地研究、合成并应用于生物检测、荧光探针、太阳能电池、医学等多个领域[11]。

图1 BODIPY和azaBODIPY母核结构

目前,主要有三种合成azaBODIPY类染料的方法[12],O’Shea课题组以醛酮为原料,合成的主要是对称的azaBODIPY[13]。Carreira课题组提出的方法适用于合成非对称结构的azaBODIPY,以吡咯衍生物为原料。Lukyanets课题组利用“一锅法”先合成azaBODIPY母体骨架,再经络合反应得到azaBODIPY,其方法适合合成对称和非对称结构的azaBODIPY,三种合成方法各有利有弊,都为azaBODIPY的结构修饰衍生提供了可靠的合成路线[14]。

众所周知,癌症作为当下致死率最高的疾病之一,其治疗方法一直是人们研究的热点,目前对于癌症的治疗主要是化疗、放疗等手段,对人体损伤大、副作用强、靶向性差,同时研究发现波长在600～1 300 nm之间的近红外光具有较高的组织穿透性,无创性、无毒性,是一种副作用相对较小癌症的有效治疗手段,因此光热治疗逐渐走进人们的视野,大量的近红外吸收试剂被报道用于肿瘤的光热治疗[2]。然而,人们也在不断摸索提高有机光热试剂的光热转化效率和延长吸收波长问题。

据报道,增强电子推拉作用可以提高光热转化效率。基于电子推拉效应,Li课题组利用甲硫基富电子产生分子内电荷诱导效应,合成了含甲硫基取代的氮杂氟硼吡咯染料SMe-azaBDP,其几乎没有荧光和低单线态氧产率,对无辐射跃迁过程有利,提高了光热转化效率,SMe-azaBDP NPs光热转化效率可达45%[15]。另外,增强分子内运动可以有效增强有机分子光热性能,彭课题组以BODIPY为基础,在中位引入—CF3基团得到tmf-BDP,—CF3在基态和激发态,均无转动能垒,吸收的光能可以有效地以热能的形式消耗,可实现高达88.3%的光热转化效率[3]。

本研究从azaBODIPY的结构设计入手,提出了一种新的近红外光热材料。通过一系列反应引入含四个苯基的单体,大大增加分子的共轭体系。在此基础上,进一步氧化得到正交二聚体,由于其特殊结构,增加了在有机溶剂中的溶解度,几乎不发荧光,主要以热能的形式释放能量,实现了材料的近红外光吸收和光热效率高效转换,调控了材料的热稳定性,从而提高了材料的光热性能。azaBODIPY染料进行特定修饰后,可以广泛地应用到医学、生物化学、临床诊断、环境科学等领域中,前景非常广阔。

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

对苯甲醛、苯乙酮、氢氧化钠、二乙胺、硝基甲烷、醋酸铵、三乙胺、三氟化硼乙醚、三氯化铁、乙醇、二氯甲烷、正己烷。所有试剂和溶剂若无特殊说明均为试剂公司购买(分析纯),直接使用没有进一步纯化。

电子天平(FA1004,天津天马恒基仪器有限公司),磁力搅拌器(DF-101S,河南兄弟仪器设备有限公司),油浴锅(甲基硅油),分光光度计(UV-2450),热成像仪(优利德UTi320e),激光器(长春飞秒科技MW-GX-660)。

1.2 化合物的合成

正交二聚体azaBODIPY-D染料的合成路线如图2所示。按照文献方法[12]合成目标分子:首先是苯甲醛与苯乙酮在碱(NaOH)催化作用下进行可莱森-施密特缩合反应生成不饱和酮化合物A。化合物A与二乙胺/硝基甲烷进行迈克尔加成得到化合物B。化合物B与乙酸铵进行成环反应,再利用三氟化硼乙醚配位得到氮杂氟硼二吡咯化合物azaBODIPY。将化合物azaBODIPY用CH2Cl2溶解后,逐滴加入用CH3NO2溶解的FeCl3,待反应完全,配制10% Na2CO3溶液使反应停止,用CH2Cl2萃取、柱层析分离提纯洗脱剂为V(二氯甲烷) ∶V(正己烷)=1.5∶1、重结晶得到较纯的目标化合物azaBODIPY-D,产率为12%。

图2 氮杂氟硼二吡咯正交二聚体的合成路线图

2 结果与讨论

2.1 紫外吸收光谱

配制一系列浓度单体和二聚体在有机溶剂(二甲苯)中的溶液,扫描波长范围在300～750 nm,得到一系列紫外吸收谱图(图3)。从图3可以看出,在有机溶剂中,不同浓度的单体和二聚体的吸光度随浓度的增加而增加。可以明显发现,相比于单体而言,二聚体最大吸收峰明显红移,从650 nm红移至700 nm。单体和二聚体最大吸收峰的波长基本不随浓度的改变而变化。

2.2 光热性质测试

将azaBODIPY和azaBODIPY-D配制成不同质量浓度(0、10、30 μg/mL)的二甲苯溶液,利用近红外激光(波长660 nm,功率密度0.9 W/cm2)照射观察溶液温度变化情况绘制温度-时间曲线图。在激光持续照射了15 min之后,质量浓度为30 μg/mL的二聚体溶液温度从22.4℃升高至47.2℃,升高24.8℃,作为对照的纯二甲苯,在相同的时间里面,只升高3.1℃。从而说明了相比于纯二甲苯,具有azaBODIPY结构的二聚体对于入射光具有更强的吸收作用,将光能转化为热能,从而导致了溶液温度提升幅度更大。同时,从图4(a)中可以看出,浓度是升温的一个关键因素,随着质量浓度的升高(0～30 μg/mL),在相同激光照射的时间里,二聚体的温升分别为3.1℃、18.6℃和24.8℃,说明材料的光热转换能力与其质量浓度成正比。同时,可以看出,10 min之前曲线快速上升,温度升高随质量浓度的变化明显,但是10 min之后随着质量浓度的增加,曲线渐趋于平缓,温度升高随质量浓度变化减慢。这是因为溶液温度较高时,散热也在增强,从而导致溶液温度升高减缓。

图4(b)为不同功率密度(0.3、0.6、0.9 W/cm2)激光照射下的二聚体溶液(质量浓度为30 μg/mL),其温度升高的曲线图,可以看出,激光的功率密度是影响升温的另一个关键因素,随着功率密度的增加(0.3～0.9 W/cm2),温度也在不断地升高,温度与激光功率密度成正比关系。同时在10 min之前,温度升高速度更快,曲线更加陡峭,10 min后随着散热的增加,温度升高速度减慢,曲线变得平缓。

图5 不同质量浓度单体溶液在最大功率密度(0.9 W/cm2)激光照射下的升温曲线(a)和不同功率激光照射的单体溶液在最大浓度下(30 μg/mL)的升温曲线(b)

图5(a)为不同质量浓度(0、10、30 μg/mL)的溶于溶剂二甲苯的单体溶液,其在近红外激光照射下温度升高的曲线图(照射的激光波长为660 nm,功率密度为0.9 W/cm2)。在激光持续照射了15 min之后,质量浓度为30 μg/mL的单体溶液温度升高了18℃,作为对照的纯二甲苯,在相同的时间里面,只升高了2.9℃。从而说明了相比于纯二甲苯,具有azaBODIPY结构的单体对近红外光的照射具有更强的吸收作用,使溶液的温度大幅度升高。同时,从图5中可以看出,质量浓度和功率密度也是升温的关键因素,随着质量浓度的升高(0～30 μg/mL)、 功率密度的增加(0.3～0.9 W/cm2),材料的光热转换能力与其质量浓度和功率密度成正比。

对比图4和图5,明显发现具有azaBODIPY结构的单体和二聚体都有吸收近红外光并将光能转化为热能的能力,只是相较于单体而言,二聚体吸收光转化为热能的能力更强,质量浓度为30 μg/mL的单体溶液温度升高18℃,而二聚体溶液温度升高了24.8℃,二聚体升温更高,所以二聚体作为光热材料效果更好。

用功率密度为0.9 W/cm2的激光去持续照射质量浓度为30 μg/mL的二聚体和单体溶液15 min后,溶液与周围环境之间达到热平衡状态,温度不再升高,其温度分别升高24.8℃、18℃。此时撤去激光的照射,溶液温度下降,记录随着一定的时间变化温度降低的值,可以得到溶液的降温曲线,如图6所示。根据公式5计算得到lnθ值,从而绘制出降温过程中t与lnθ的线性拟合曲线,如图6所示。依据文献[1],光热转化效率的计算公式如下:

(1)

Q=hs×(Tmax-Tsurr),

(2)

(3)

t=-lnθ×τs,

(4)

(5)

以上计算方法参考文献[1],其中,Tmax为激光照射时的最高温度,即Tmax=47.2℃,Tsurr为环境温度,即Tsurr=22.4℃,A660为在660 nm激光照射下二聚体的吸光度,A660=1.2,I为光热转化时激光功率,即I=0.7W,Q是基线能量的输出,hs是传热系数,c为溶液的比热容,即c=2.58 J/(g·℃),m为光热转换效率溶液质量,m=1.758 g,τs为系统热平衡的时间常数,根据T与-lnθ的关系曲线(见图6b、图6d),τs即为此直线的斜率,可得τs=233.1 s,将以上参数分别带入光热转换效率公式可得二聚体η为72.9%,根据上述公式,同理可得单体的光热转换效率为50.5%。

2.3 光热稳定性

使用激光(功率密度0.9 W/cm2、波长660 nm)照射质量浓度为30 μg/mL的单体和二聚体溶液,经过1 000 s升高温度到最高温度达到热平衡之后,温度不再升高,此时关闭激光,温度迅速降低,经过一定时间后降至室温,再次打开激光去照射溶液,重复操作5次。图7是激光开关过程中记录的单体和二聚体溶液升降温变化曲线,从图中可以看出,当体系温度降到环境温度后,用激光去反复照射,单体和二聚体溶液温度都可以上升到第一次激光照射温度升高的最高温度,由此也证实了含azaBODIPY结构的单体和二聚体材料具有良好的光热稳定性,可重复利用。

3 结论

本研究通过实验首先合成了具有azaBODIPY结构的单体和正交二聚体,在近红外区都具有较好的吸收性能。通过研究发现浓度为30 μg/mL的具有azaBODIPY结构的单体和二聚体在波长660 nm的激光(功率密度0.9 W/cm2)照射下光热性能较好。azaBODIPY类染料制备简单,结构易于修饰,具有良好的光热稳定性。持续照射浓度为30 μg/mL的单体和二聚体溶液15 min至达到热平衡状态时,溶液的温度升高值分别达18℃和24.8℃,通过计算在当前测试条件二聚体的光热转换效率为72.9%。本研究中的染料分子仍有很大的优化空间,如存在着分子聚集、水溶性差等缺点,可以通过对结构进行设计并调整取代基团等方法提高其实用性,这为研究与开发更加优良的azaBODIPY类染料分子提供可能。