本发明专利技术属于生物材料技术领域，具体为一种近红外第二窗口发射的荧光染料及其制备方法和应用。本发明专利技术提供的近红外荧光染料，其摩尔消光系数大，吸收、发射波长长且可调范围宽，因此，可用于深组织多通道成像，荧光编码微球等应用。此外，该系列染料在极性溶剂中不易溶致变色，在水中具备相比现有常见的近红外第二窗口七甲川菁类荧光染料更好的稳定性，在较大的酸碱范围内具有很好的化学稳定性。
Fluorescent dyes emitted from the second window of near infrared spectroscopy and their preparation methods and Applications
The invention belongs to the technical field of biological materials, in particular to a fluorescent dye emitted by a second near infrared window, a preparation method and application thereof. The near infrared fluorescent dye provided by the invention has large molar extinction coefficient, long absorption and emission wavelength and wide adjustable range, so it can be used in deep tissue multi-channel imaging, fluorescent encoding microspheres and other applications. In addition, the dyes are insoluble and chromogenic in polar solvents. They have better stability in water than the common near infrared second window heptamethylcyanine fluorescent dyes, and have good chemical stability in a wide range of acids and bases.
【技术实现步骤摘要】
近红外第二窗口发射的荧光染料及其制备方法和应用
本专利技术属于生物材料
，具体涉及一类近红外第二窗口发射的近红外荧光染料及其制备方法，以及该荧光染料在制备深组织单通道或多通道成像和荧光编码胶束或荧光编码微球用造影剂中的应用。
技术介绍
目前常见的分子影像技术如断层扫描成像(CT)，X-射线，超声成像(US)和磁共振成像(MRI)被用于对疾病等的医疗诊断，但这些方法具有较差的空间分辨率及其无法实现动态实时监测等缺点。荧光成像技术由于具有非侵入性、实时、所需样品量少、高分辨率等优点，在生命科学和医学等领域已经被广泛使用。在最近几年里，利用近红外第二窗口的发射光（1000nm~1700nm）进行荧光成像得到了越来越多的关注，相比于传统的荧光成像所用的波段（400nm-900nm），生物组织在近红外第二窗口自身的吸收和散射弱，这样就可以极大地提高成像质量和穿透深度。目前，常用的近红外第二窗口造影剂包括一些无机材料如碳纳米管，稀土掺杂纳米颗粒，量子点等，但是它们在生物体内的代谢缓慢且机理至今仍不明确，潜在的生物毒性较大，这大大限制了它们的生物应用价值。与之相比，有机荧光染料具有相对分子量小，易于代谢等优点，近年来在近红外第二窗口的应用中备受关注。最典型的例子是FDA批准用于临床上血管造影的吲哚菁绿（ICG），近年来有研究者发现其在近红外第二窗口的荧光发射拖尾展现出了优异的成像效果。另外，斯坦福大学的戴宏杰课题组报道了一系列基于供体-受体-供体（D-A-D）结构的分子型荧光染料，其普遍特征是在808nm激发下可发射出荧光峰值在1000-1200nm的荧光，实现了对肿瘤、淋巴、脑部血管等的成像。但此类荧光染料的摩尔消光系数低且激发波长短，其荧光亮度较低。因而对ICG所代表的菁类荧光染料进行结构改造以获得更长波长更亮的近红外第二窗口发射是目前分子型荧光染料设计的焦点，这是由于该类荧光染料具有较大的摩尔消光系数，较高的荧光量子产率以及宽的波长可调范围等优点。遗憾的是，目前所有报道的波长达到近红外第二窗口的菁类荧光染料在水中均表现出摩尔消光系数大幅降低，波长变宽且蓝移，荧光显著淬灭，稳定性差等缺点，这严重限制了其在后续生物应用中的表现。相比之下，呫吨类染料如罗丹明其结构刚性好，稳定性比菁染料好，但目前还不能把这类染料波长红移到1000nm以上。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一类化学稳定高、光稳定性高、生物相容性好的近红外第二窗口发射的有机小分子荧光染料及其制备方法和应用。本专利技术提供的近红外第二窗口发射的有机小分子荧光染料，其结构通式如下式（I）所示：其中，R1和R2为H或N[(CH2)jCH3]2，OH或OCH3，R3和R4为H或邻羧基苯基或苯基或邻甲基苯基，j为0~6的整数；X选自ClO4、PF6、BF4、Cl、Br、I、CF3COO、CF3SO3、CH3COO或CH3SO3；Y选自氧（O）、硫（S）；n为1到5整数；m和k为0或1。本专利技术所提出的近红外荧光染料式的制备方法，其化学合成路线如下：其中，R1和R2为H或N[(CH2)jCH3]2，OH或OCH3,R3和R4为H或邻羧基苯基或苯基或邻甲基苯基，j为0~6的整数；X选自ClO4、PF6、BF4、Cl、Br、I、CF3COO、CF3SO3、CH3COO或CH3SO3；Y选自氧（O）、硫（S）；n为1到5整数；m和k为0或1；h为1或3；化合物3为甲醛或其等价物多聚甲醛或如图中通式。制备的具体步骤为：（1）中间体1的合成将取代苯酰（化合物1）与环烷基酮（化合物2）溶于浓硫酸中，在80~100℃下反应1~3小时；冷却后加入碎冰淬灭反应，再加入质子酸，析出固体，干燥，即得到苯并吡喃翁盐（中间体1）；其中化合物1和化合物2的投料摩尔比为1:（1.~3）；质子酸可选自HClO4、HPF6、HBF4、HCl、HBr、HI、CF3COOH、CF3SO3H和CH3SO3H中的一种；（2）近红外染料的合成将中间体1、醛基等价物（化合物3）、醋酸钠混合于醋酸酐中，在氮气保护下，于20-130℃下反应1~8小时；反应结束后加入乙醚沉淀，过滤，用三氯甲烷溶解滤饼，并用柱色谱分离，最终得到近红外荧光染料；其中，中间体1、化合物3和醋酸钠的投料摩尔比为（1~1.5）:0.5:（1~1.5）。本专利技术制备得到荧光染料为长波长吸收、长波长发射光谱可调荧光染料（结构如通式I所示），可用于制备深组织单通道或多通道成像用的造影剂，制备的具体步骤如下：将近红外荧光染料和甲氧基磷脂聚乙二醇（2000）溶于氯仿中，再搅拌0.5~1小时，旋除出去溶剂，真空干燥，加热至80℃后加入60-80℃的去离子水溶解，超声，冷却至室温后再通过30KD或10KD的超滤管超滤浓缩，得到最终造影剂；其中，近红外荧光染料和甲氧基磷脂聚乙二醇（2000）的质量百分比为（1:（500~50）），最终造影剂的浓度为0.005~0.5mM。该造影剂为胶束状，可用于对小鼠肝等深组织单通道或多通道成像。本专利技术制备得到荧光染料为长波长吸收、长波长发射光谱可区分荧光染料（结构如通式I所示），可用于制备荧光编码胶束、荧光编码微球用的造影剂。制备荧光编码胶束造影剂的具体步骤如下：将系列近红外荧光染料按不同比率和甲氧基磷脂聚乙二醇（2000）溶于氯仿中，再搅拌0.5~1小时，旋除出去溶剂，真空干燥，加热至80℃后加入60-80℃的去离子水溶解，超声，冷却至室温后再通过30KD或10KD的超滤管超滤浓缩，得到荧光编码胶束；其中，近红外荧光染料和甲氧基磷脂聚乙二醇（2000）的质量百分比为（1:（500~50）），最终造影剂的浓度为0.005~0.5mM。制备荧光编码微球造影剂的具体步骤如下：将系列近红外荧光染料按不同比率与微球置于体积比为95：5的氯仿/异丙醇混合溶剂中，等溶剂自然挥发干，再用乙醇洗涤三遍即可得到最终的荧光编码微球；其中，近红外荧光染料和微球质量百分比为（1:（5000~50））。本专利技术提供的近红外荧光染料，其摩尔消光系数大，吸收、发射波长长且可调范围宽，因此，可用于深组织单通道或多通道成像，荧光编码微球等应用。此外，该系列染料在极性溶剂中不易溶致变色，在水中具备相比现有常见的近红外第二窗口七甲川菁类荧光染料更优异的更好的稳定性，在较大的酸碱范围内具有很好的稳定性。本专利技术的近红外荧光染料（通式I），在三氯甲烷溶液中，最大吸收峰位于883~1089nm，最大发射峰位于920~1140nm。本专利技术的近红外荧光染料（通式I），在三氯甲烷溶液中的摩尔消光系数为82000~190000M-1cm-1。本专利技术的近红外荧光染料（通式I），在三氯甲烷溶液中的荧光量子产率为0.09~0.66%。本专利技术的近红外荧光染料（通式I）与甲氧基磷脂聚乙二醇2000形成的胶束，在磷酸盐缓冲溶液中，最大吸收峰位于920~1015nm，最大发射峰位于880~1080nm。附图说明图1为近红外荧光染料在三氯甲烷中的吸收谱图。图2为近红外荧光染料在三氯甲烷中的荧光发射谱图。图3为近红外荧光染料与磷脂聚乙二醇2000形成的胶束，在小鼠肝部多通道成像图。图4为近红外荧光染料与磷脂聚乙二醇2000形成的荧光编码胶束荧光发射光谱图。图5为近红外荧光染料与微球形成的本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种近红外第二窗口发射的荧光染料，其特征在于，化合物结构通式如下：
【技术特征摘要】
1.一种近红外第二窗口发射的荧光染料，其特征在于，化合物结构通式如下：其中，R1和R2为H或N[(CH2)jCH3]2，OH或OCH3，R3和R4为H或邻羧基苯基或苯基或邻甲基苯基，j为0~6的整数；X选自ClO4、PF6、BF4、Cl、Br、I、CF3COO、CF3SO3、CH3COO或CH3SO3；Y选自氧（O）、硫（S）；n为1到5整数；m和k为0或1。2.一种如权利要求1所述的荧光染料的制备方法，其特征在于，合成路线如下：其中，R1和R2为H或N[(CH2)jCH3]2，OH或OCH3,R3和R4为H或邻羧基苯基或苯基或邻甲基苯基，j为0~6的整数；X选自ClO4、PF6、BF4、Cl、Br、I、CF3COO、CF3SO3、CH3COO或CH3SO3；Y选自氧（O）、硫（S）；n为1到5整数；m和k为0或1；h为1或3；化合物3为甲醛或其等价物多聚甲醛或如图中通式；制备的具体步骤如下：（1）中间体1的合成将化合物1与化合物2溶于浓硫酸中，在80~100℃下反应1~3小时；冷却后加入碎冰淬灭反应，再加入质子酸如高氯酸，析出固体，干燥，即得到中间体1；其中化合物1和化合物2的投料摩尔比为1:（1.~3）；（2）近红外染料的合成将中间体1、化合物3、醋酸钠混合于醋酸酐中，在氮气保护下，于20-130℃下反应1~8小时；反应结束后加入乙醚沉淀，过滤，用三氯甲烷溶解滤饼，并用柱色谱分离，最终得到近红外荧光染料；其中，中间体1、化合物3和醋酸...
【专利技术属性】
技术研发人员：张凡，雷祖海，
申请(专利权)人：复旦大学，
类型：发明
国别省市：上海,31
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