一种全光谱的光开关分子及其合成和应用制造技术

本发明专利技术提供了一种全光谱的光开关分子及其合成和应用，该光分子开关为基于萘酰亚胺、罗丹明等荧光母体设计合成的全光谱的光开关分子，可以用于405nm,450nm,488nm,560nm,640nm激发。通过氮杂环丁烷、环丁酰胺等刚性结构限制了分子内的扭动，大幅提升了染料本身稳定性及亮度。本系列光开关分子不需要激活光的存在，只需要单色的激发光即可实现分子暗态到亮态的往复循环，以得到更精确的光点定位信息。其中基于罗丹明类染料的分子在基态存在开关平衡无需强激光的淬灭，在温和的激光便可实现细胞的超分辨成像。此系列染料提供了全光谱的新型光开分子，在活细胞超分辨成像、信息存储等领域具有较好应用前景。

A full spectrum optical switch molecule and its synthesis and Application

【技术实现步骤摘要】
一种全光谱的光开关分子及其合成和应用
本专利技术属于荧光成像领域，具体涉及一种全光谱的光开关分子及其合成和应用。
技术介绍
近年来超分辨显微成像技术已逐渐成为生命科学研究中不可或缺的工具，其能够突破衍射极限的限制使研究工作者观察到未知的精细结构，完善整个生命体系。但正如超分辨技术的创始人Stefan.W.Hell所说：“在ErnstAbbe的时代，成像质量是由物镜决定的；而今天，成像质量则由荧光团决定。”顾名思义，荧光染料的性能决定了超分辨显微成像技术应用的普适性、成像的准确性等。目前，100nm分辨率以上应用最为广泛的超分辨技术为受激辐射损耗(STED)显微成像与单分子定位显微成像(SMLM)。其中，SMLM技术中需要荧光分子保持高的光稳定同时能够实现分子暗态到亮态的来回转换以捕捉单个光点的定位信息。目前应用于SMLM技术中的荧光分子主要为荧光蛋白，能够通过激发光及激活光实现荧光往复的开关。然而，荧光蛋白的抗漂白性能较差，且同样时间内光子数明显少于有机分子从而降低了定位的准确性，这恰恰促使有机小分子荧光染料在此领域的应用。但是，此类有机荧光染料仍较为匮乏，能够实现高信噪比亮暗态的更为稀少。此外，此类染料通常需要较强的活化光实现分子从暗态到亮态，随机光学学重构技术(d-Storm)中更是需要加入几十甚至几百mM级别的硫醇分子实现开关，这严格限制了这项技术在活细胞中的应用。因此，如何开发能够在低激光功率下实现分子的光开关，是解决活细胞内超分辨荧光成像问题的一种重要途径。
技术实现思路
本专利技术的目的之一是提供一种全光谱的光开关分子，该该系列分子能够适用于405,450,488,560,640nm全部激光，实现全波段的成像。本专利技术的另一目的是提供一种全光谱的光开关分子的合成法，该方法具有步骤简单、易于提纯等优点。本专利技术提供一种全光谱的光开关分子，该系列染料以萘酰亚胺、氧罗丹明以及硅基罗丹明。在单个激发光下，此系列染料能够实现暗态与亮态的转换，从而实现单分子定位显微成像。一种全光谱的光开关分子，该光开关分子不需要激活光的存在，只需要单色的激发光即可实现分子暗态到亮态的往复循环，以得到更精确的光点定位信息；该光开关分子由4-酰胺基萘酰亚胺类染料、胍基取代萘酰亚胺类染料、4,5-环己二胺取代萘酰亚胺类染料、硫内脂罗丹明染料或自闪硅基罗丹明染料中的一种或几种按任意比例混合，可用于不同激发光激发成像与检测。所述的4-酰胺基萘酰亚胺类染料用于405nm激发的自开关分子，其结构式下：所述的胍基取代萘酰亚胺类染料用于450nm激发的自开关分子，其结构式下：所述的4,5-环己二胺取代萘酰亚胺类染料用于488nm激发的自开关分子，其结构式下：所述的硫内脂罗丹明染料用于560nm激发的自开关分子，其结构式下：所述的自闪硅基罗丹明染料用于640nm激发的自开关分子，其结构式下：一种全光谱的光开关分子的合成方法，荧光染料合成路线所述4-酰胺基萘酰亚胺类染料AB405的合成：(1)中间体N-丁基-4-(3-氯)丙酰胺基-1,8-萘酰亚胺的合成：将N-丁基-4-氨基-1,8-萘酰亚胺溶于四氢呋喃中，并在0℃下向该反应液中滴加3-氯丙酰氯。滴加完毕后将混合液转移至室温反应6-10h。减压除去溶剂后，水洗涤残余物，抽滤得白色滤饼并用甲醇洗涤，真空干燥得N-丁基-4-(3-氯)丙酰胺基-1,8-萘酰亚胺。(2)染料N-丁基-4-环丙酰胺基-1,8-萘酰亚胺的合成：将N-丁基-4-环丙酰胺基-1,8-萘酰亚胺类化合物，溶于乙腈中，并向其中加入碳酸钾。将反应液缓慢升温至50-90℃，并持续反应1-3h。减压除去溶剂，经200-300目二氧化硅硅胶柱分离，以体积比为200～800:1的二氯甲烷和甲醇为洗脱剂，除去溶剂，得米白色固体N-丁基-4-环丙酰胺基-1,8-萘酰亚胺类化合物。步骤(1)中，N-丁基-4-氨基-1,8-萘酰亚胺的质量与四氢呋喃的体积比为2-25:1mg/mL；氯取代烷基酰氯与四氢呋喃体积比为1:20-80、氯取代烷基酰氯与去离子水体积比为1:5-50、氯取代烷基酰氯与甲醇的体积比为1:10-20。步骤(2)中，N-丁基-4-酰胺基-1,8-萘酰亚胺类化合物与碳酸钾质量比1:1-4；碳酸钾的质量与乙腈的体积比为10-20:1mg/mL。所述胍基取代萘酰亚胺类染料AB450的合成：具体合成步骤如下：(1)用于450nm激发的光开关染料AB450的合成：将N-丁基-4,5-二-丁胺基-1,8-萘酰亚胺溶于甲苯中，而后将反应液缓慢加热至90-120℃，并反应10-24h。减压除去甲苯，残余物经硅胶柱分离，得黄色固体AB450。步骤(1)中，N-丁基-4,5-二-丁胺基-1,8-萘酰亚胺的质量与甲苯的体积比为10-20:1mg/mL。所述4,5-环己二胺取代萘酰亚胺类染料AB488的合成：(1)染料AB488的合成：将N-丁基-4-溴-5-硝基-1,8-萘酰亚胺，溶于乙二醇甲醚中，并向其中加入环己二胺。将反应液缓慢升温至100-140℃，并在氮气保护下反应10-24h。减压除去溶剂，硅胶柱分离，以二氯甲烷和甲醇为洗脱剂，除去溶剂，得棕黄色固体N-丁基-4,5-环己二胺基-1,8-萘酰亚胺。步骤(1)中，N-丁基-4-溴-5-硝基-1,8-萘酰亚胺与环己二胺的质量比为1:0.5-3；N-丁基-4-溴-5-硝基-1,8-萘酰亚胺的质量与乙二醇甲醚的体积比为10-20:1mg/mL。所述硫内脂罗丹明染料AB560的合成：(1)硫酯螺环的罗丹明类自闪染料AB560的合成将罗丹明类染料AB560S溶于1,2-二氯乙烷中，冰向反应液中加入三氯氧磷。反应液在80-100℃下搅拌2-10h后减压除去溶剂，并向反应瓶中加入硫脲，三乙胺，四氢呋喃。室温搅拌10-24h后，减压除去溶剂，残余物经硅胶柱分离残余物以石油醚和乙酸乙酯为展开剂，得白色固体AB560。步骤(1)中，AB560S与硫脲的质量比为1:0.5-3；AB560S的质量与1，2-二氯乙烷的体积比为5-10:1mg/mL；1，2-二氯乙烷、三氯氧磷、三乙胺、四氢呋喃的体积比为1:0:05-0.1:0.1-0.4：1-2；所述自闪硅基罗丹明染料AB640的合成：(1)中间体叔丁基保护的硅基罗丹明AB640A的合成：将中间体tBu-Br加入至25mL史莱克瓶中，反复抽真空通氮气三次，用注射器加入无水四氢呋喃，冷却至-78℃；之后加异丁基锂，反应30min,再加入中间体Si-TO；逐渐恢复到室温搅拌12-24h；反应完成后加入饱和氯化入铵淬灭反应，用乙酸乙酯萃取，收集有机相并用无水硫酸钠干燥，有机相减压蒸馏，反应产物经200-300目硅胶柱；本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种全光谱的光开关分子，其特征在于：该光开关分子不需要激活光的存在，只需要单色的激发光即可实现分子暗态到亮态的往复循环，以得到更精确的光点定位信息；该光开关分子由4-酰胺基萘酰亚胺类染料、胍基取代萘酰亚胺类染料、4,5-环己二胺取代萘酰亚胺类染料、硫内脂罗丹明染料或自闪硅基罗丹明染料中的一种或几种按任意比例混合，可用于不同激发光激发成像与检测。/n

【技术特征摘要】
1.一种全光谱的光开关分子，其特征在于：该光开关分子不需要激活光的存在，只需要单色的激发光即可实现分子暗态到亮态的往复循环，以得到更精确的光点定位信息；该光开关分子由4-酰胺基萘酰亚胺类染料、胍基取代萘酰亚胺类染料、4,5-环己二胺取代萘酰亚胺类染料、硫内脂罗丹明染料或自闪硅基罗丹明染料中的一种或几种按任意比例混合，可用于不同激发光激发成像与检测。


2.根据权利要求1所述的一种全光谱的光开关分子，其特征在于：所述的4-酰胺基萘酰亚胺类染料用于405nm激发的自开关分子，其结构式下：





3.根据权利要求1所述的一种全光谱的光开关分子，其特征在于：所述的胍基取代萘酰亚胺类染料用于450nm激发的自开关分子，其结构式下：





4.根据权利要求1所述.一种的全光谱的光开关分子，其特征在于：所述的4,5-环己二胺取代萘酰亚胺类染料用于488nm激发的自开关分子，其结构式下：





5.根据权利要求1所述的一种全光谱的光开关分子，其特征在于：所述的硫内脂罗丹明染料用于560nm激发的自开关分子，其结构式下：





6.根据权利要求1所述的一种全光谱的光开关分子，其特征在于：所述的自闪硅基罗丹明染料用于640nm激发的自开关分子，其结构式下：





7.一种如权利要求2所述的全光谱的光开关分子的合成方法，其特征在于4-酰胺基萘酰亚胺类染料的合成包含步骤如下：
(1)中间体N-丁基-4-(3-氯)丙酰胺基-1,8-萘酰亚胺的合成：
将N-丁基-4-氨基-1,8-萘酰亚胺溶于四氢呋喃中，并在0℃下向该反应液中滴加3-氯丙酰氯；滴加完毕后将混合液转移至室温反应6-10h；减压除去溶剂后，水洗涤残余物，抽滤得白色滤饼并用甲醇洗涤，真空干燥得N-丁基-4-(3-氯)丙酰胺基-1,8-萘酰亚胺；
(2)染料N-丁基-4-环丙酰胺基-1,8-萘酰亚胺的合成：
将N-丁基-4-环丙酰胺基-1,8-萘酰亚胺类化合物，溶于乙腈中，并向其中加入碳酸钾；将反应液缓慢升温至50-90℃，并持续反应1-3h；减压除去溶剂，经200-300目二氧化硅硅胶柱分离，以体积比为200～800:1的二氯甲烷和甲醇为洗脱剂，除去溶剂，得米白色固体N-丁基-4-环丙酰胺基-1,8-萘酰亚胺类化合物。


8.根据权利要求7所述的全光谱的光开关分子的合成方法，其特征在于步骤(1)中，N-丁基-4-氨基-1,8-萘酰亚胺的质量与四氢呋喃的体积比为2-25:1mg/mL；氯取代烷基酰氯与四氢呋喃体积比为1:20-80，
氯取代烷基酰氯与去离子水体积比为1:5-50，
氯取代烷基酰氯与甲醇的体积比为1:10-20。


9.根据权利要求7所述的全光谱的光开关分子的合成方法，其特征在于步骤(2)中，N-丁基-4-酰胺基-1,8-萘酰亚胺类化合物与碳酸钾质量比1:1-4；
碳酸钾的质量与乙腈的体积比为10-20:1mg/mL。


10.一种如权利要求3所述的全光谱的光开关分子的合成方法，其特征在于所述的胍基取代萘酰亚胺类染料的合成包含步骤如下：
(1)用于450nm激发的光开关染料AB450的合成：
将N-丁基-4,5-二-丁胺基-1,8-萘酰亚胺溶于甲苯中，而后将反应液缓慢加热至90-120℃，并反应10-24h；减压除去甲苯，残余物经硅胶柱分离，得黄色固体AB450。


11.根据权利要求10所述的全光谱的光开关分子的合成方法，其特征在于步骤(1)中，N-丁基-4,5-二-丁胺基-1,8-萘酰亚胺的质量与甲苯的体积比为10-20:1mg/mL。


12.一种如权利要求4所述的全光谱的光开关分子的合成方法，其特征在于所述的4,5-环己二胺取代萘酰亚胺类染料的合成包含步骤如下：
(1)染料AB488的合成：
将N-丁基-4-溴-5-硝基-1,8-萘酰亚胺，溶于乙二醇甲醚中，并向其中加入环己二胺；将反应液缓慢升温至100-140℃，并在氮气保护下反应10-2...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐兆超，刘晓刚，乔庆龙，李锦，
申请(专利权)人：中国科学院大连化学物理研究所，
类型：发明
国别省市：辽宁;21