通过空间位阻与电子协同效应增强BODIPY-三苯胺-7-硝基-2,1,3-苯并二恶嗪体系用于硫化物光学检测的传感选择性：合成、结构与性能

《Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy》：Enhanced sensing selectivity through steric and electronic synergistic effects in a BODIPY-triphenylamine-7-nitro-2,1,3-benzoxadiazole system for optical detection of sulfide: Synthesis, structure, and performance

　　

摘要

硫化氢（H₂S）作为内源性信号分子在各种生物过程中扮演的新角色，使其检测成为重要的研究课题。为了提高传感选择性并缩短反应时间，本工作设计了两种以BODIPY为核心的探针——B-T-NBD和B-T-(NBD)₂（BODIPY = 二氟二吡咯甲基硼酸）。一个给电子的三苯胺单元被引入BODIPY核心，以减少反应时间。随后，通过酯化反应引入NBD（7-硝基-2,1,3-苯并噁二唑）基团，以形成空间位阻传感位点。由于PET（光诱导能量转移）过程，B-T-NBD和B-T-(NBD)₂的发光量子产率分别降至3%和2%。与S^2?反应后，发射淬灭的NBD基团断裂，发光量子产率恢复至35%和22%。基于吸光度的B-T-NBD:S^2?和B-T-(NBD)₂:S^2?线性校准的检出限分别为0.45 μM和0.20 μM，基于发射的线性校准检出限分别为0.20 μM和0.75 μM。传感选择性得到提高，尤其是对含硫醇基的竞争氨基酸，且反应时间约为2000 s。

引言

硫化氢（H₂S）是一种具有臭鸡蛋气味的著名有毒气体，最近被确认为参与各种生物过程的内源性信号分子。其异常水平与多种疾病有关，如阿尔茨海默病、唐氏综合征、慢性肾病和肝硬化[1]、[2]、[3]。因此，对低成本、简便的H₂S检测和定量方法的需求推动了各种分析策略的发展[4]。在可用的检测方法中，光学传感具有多项优势，包括快速响应、无创检测以及对精密仪器的最小依赖[5]、[6]、[7]、[8]。

大多数用于检测H₂S的光学传感探针是基于H₂S的化学性质（亲核性和还原能力）设计的。因此，一些基于反应的探针被开发出来，例如基于二硝基苯基醚的硫解反应、亲核反应以及叠氮基、硝基或羟胺基的还原反应[9]、[10]、[11]、[12]、[13]。在这些探针中，发射"关闭型"探针展现了高灵敏度和快速响应。然而，发射"关闭型"探针可能因竞争物种或荧光猝灭剂也能抑制探针发射，从而产生传感误差和有限的选择性[14]、[15]。此类干扰可能损害H₂S检测的准确性和可靠性。因此，发射"开启型"探针被设计用于提供更高的信号背景比和改善的传感可靠性。一种可行的策略是将一些高荧光染料通过一个对H₂S敏感的化学键与发射淬灭基团连接。当与H₂S反应时，化学键断裂，发射淬灭基团被切割脱落，恢复高效荧光，从而产生发射"开启"效应[16]、[17]、[18]、[19]、[20]、[21]、[22]、[23]。先前的研究已确认NBD（7-硝基-2,1,3-苯并噁二唑）是一种高效的发射淬灭基团，可通过PET（光诱导能量转移）机制猝灭代表性荧光染料的发射[17]、[18]、[19]、[20]、[21]、[22]、[23]、[24]、[25]、[26]。例如，Shao等人用NBD基团修饰了多种BODIPY（二氟二吡咯甲基硼酸）染料。在S^2?存在下，连接BODIPY核心和NBD基团的醚键或胺键发生硫解反应，释放NBD基团并恢复BODIPY核心的发射[27]、[28]、[29]、[30]。Liu和Fu报道了类似的BODIPY-NBD探针用于S^2?的光学传感，基于醚键的硫解反应[31]。

然而，尽管上述传感性能令人鼓舞，但根据探针设计的不同仍面临若干挑战。对于一些基于NBD的探针，含硫醇基的氨基酸，如半胱氨酸（Cys）、同型半胱氨酸（Hcy）和谷胱甘肽（GSH），能够像H₂S一样引发硫解反应，从而降低传感选择性。此外，尽管近期报道了快速响应，但许多探针仍需数十分钟至数小时才能完全恢复荧光[32]。因此，需要进一步的结构优化来提高这些探针的选择性和响应动力学。Resch-Genger等人先前的系列BODIPY核心染料研究表明，向BODIPY核心引入取代基可以调节和改善所得BODIPY染料的光物理性质[25]、[26]。在上述结果的指导下，本工作旨在优化BODIPY-NBD染料的分子结构，以提高传感选择性并加速硫解反应。BODIPY染料和BODIPY-NBD探针的目标分子结构如图1所示。首先向BODIPY核心引入三苯胺基团，其给电子性质有望缩短传感/反应时间。随后，2-氨基苯酚与-CHO基团反应，接着通过酯化反应引入NBD基团。该设计在B-T-NBD中提供一个空间位阻传感位点，在B-T-(NBD)₂中提供两个此类位点，旨在提高传感选择性。这些化合物的光物理性质和分子结构被讨论和比较。B-T-NBD和B-T-(NBD)₂对S^2?的传感行为也得到了评估。

章节摘要

BODIPY染料及其NBD衍生物的合成

BODIPY染料及其NBD衍生物的合成路线和传感策略如图1所示。合成中使用的所有化学品和试剂均为分析纯（AR级），未经进一步纯化直接使用。更多细节见支持信息。按照文献方法，B-T-CHO和B-T-(CHO)₂的BODIPY前体首先由二甲基-1H-吡咯、4,4′-(苯基二胺二基)二苯甲醛和

B-T-OH和B-T-(OH)₂的吸收、激发和发射

图1显示了B-T-OH和B-T-(OH)₂的吸收、激发和发射光谱，其详细的光物理参数列于表1，包括吸收峰（λ_abs）、发射峰（λ_em）、量子产率（Φ）和半高宽（FWHM）。B-T-OH和B-T-(OH)₂具有相似的分子结构，只是酚羟基数目不同。因此，它们显示出相似的吸收光谱，在紫外区域呈现强烈的吸收带

结论

总之，本工作聚焦于缩短NBD基探针的传感时间和提高传感选择性。首先向BODIPY核心引入TPA基团以促进硫解反应，随后引入NBD基团构建空间位阻传感位点。发射淬灭NBD基团的引入导致B-T-NBD和B-T-(NBD)₂的发光量子产率分别降至3%和2%，这是由于PET过程所致，DFT计算结果也对此提供了支持。

关于稿件准备过程中生成式AI和AI辅助技术的声明

在本工作准备过程中，作者未使用任何生成式AI或AI辅助技术。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文所报告工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

致谢

作者感谢吉林省财政厅的财政支持（2023SCZ50）。

Kaiyao Shi|Xiao Kong|Xuan Li|Jingying Wang|Lina Song

吉林大学中日联谊医院心内科，心血管病基因诊断省重点实验室，吉林省内皮功能与遗传诊断工程实验室，长春，中国