[发明专利]一种可见光光控耐酸荧光分子开关及其合成方法

说明书

本发明提供一种可见光光控耐酸性荧光分子开关及其合成方法，该分子开关具体分子结构以3‑伯胺或仲胺取代的罗丹明螺酰胺为基本结构单元，其结构式如(1)所示。本发明里开发的可见光光控耐酸性荧光分子开关不仅具有耐酸的性能，而且保留了可见光激活性能。因此这类可见光光控耐酸性荧光分子开关可以应用于基于单分子定位的超分辨成像技术中不受生物环境的pH干扰。此外，本发明中的可见光光控耐酸性荧光分子开关还可以作为分子荧光探针应用于传感及检测领域。

技术领域

本发明属于分子开关领域，具体涉及一种可见光光控耐酸荧光分子开关及其合成方法。

背景技术

近些年发展起来的一系列超高分辨率成像技术，其中基于单分子定位的光激活定位显微技术(PLAM)和随机光学重构显微技术(STORM或dSTORM)使光学显微镜的空间分辨率达到了前所未有的高度。目前超分辨显微成像技术已经被广泛应用到生命科学研究中，然而尽管超分辨显微成像技术取得了巨大的进步，将荧光显微镜的空间分辨率推进到了20纳米，但是超分辨显微成像技术仍然面临诸多技术问题，其中之一就是荧光染料的性能不够完美。基于单分子定位的超分辨显微成像技术要求染料不仅满足光稳定性好和荧光亮度高的条件，还需要其具备光致荧光“开-关”功能，这样才能够实现单分子的检测及定位。因此开发高荧光强度和光稳定性，且具有光致荧光“开-关”功能的新型荧光染料是超分辨荧光成像领域的迫切需求和当前热点。

目前，开发用于生物成像的单分子定位超分辨荧光染料，最好的方法是在高荧光强度和光稳定性的染料中引入光致荧光“开-关”功能。罗丹明类染料由于其突出的光性能，成为目前超分辨领域中用的最多的一类染料，尤其是性能更加突出的硅罗丹明，其应用受到广泛关注。罗丹明染料的荧光“明-暗”状态是基于酰胺螺环的开关，传统罗丹明螺酰胺在紫外光辐照下，会由不发光的闭环结构变为强荧光发射的开环结构。S.W.Hell等人最早利用这一独特的光化学反应将罗丹明螺酰胺标记在固定的PtK2细胞的微丝骨架上，利用单分子定位技术实现了超分辨成像。但是，包括罗丹明螺酰胺在内，光开关分子在细胞内应用所面临的共同难题是需要紫外光作为“开-关”激发光，例如罗丹明螺酰胺需要用波长小于375nm的光来将闭环结构打开变为有荧光的开环结构，而紫外光会对细胞产生严重的光毒性，难以在活细胞中应用。为了改善激活光波长，W.E.Moerner等人将酰胺取代基修饰为较大的共轭体系，将吸收波长向长波长移动，首次将开关激发光延长到可见光区(400nm)，实现了对细菌表面的三维超分辨荧光成像。由此，罗丹明螺酰胺在超分辨成像中表现出巨大潜力。

尽管罗丹明螺酰胺作为光激活染料已经可以用于超分辨荧光成像，但是这类染料分子还有一些不足还需要改进，首先是酸激活荧光干扰，通常情况下酸激活和光激活是两种并列且都能够打开罗丹明酰胺螺环的方式。细胞内存在许多偏酸性的环境，如溶酶体，酸性蛋白等，当罗丹明螺酰胺染料使用于这些酸性环境中，其酸激活产生的荧光会严重干扰甚至导致光激活性能完全失效，因此在酸性环境中基于这类染料的荧光探针目前无法应用于超分辨荧光成像。另外，目前报道的绝大多数罗丹明螺酰胺都只能用紫外光(＜375nm)辐照来实现光激活荧光，而紫外光对生物体具有光毒性不利于活细胞超分辨成像。尽管S.W.Hell等人使用了长波长的双光子激光激活罗丹明螺酰胺的荧光并应用于超分辨成像，但是双光子激光功率要比单光子激光大几个数量级，这也会对成像的生物体造成不可修复的光损伤。W.E.Moerner等人开发的可见光激活染料最大吸收波长约为380nm，仅在405nm左右有一点吸收带边，因此也不能高效地利用405nm激光实现光激活。综上所述，开发一类具有耐酸性同时在可见激光波长(405nm)具有最大吸收值的罗丹明螺酰胺类荧光开关染料对于活细胞超分辨荧光成像显得尤为迫切和重要。

发明内容

本发明提供了一种可见光光控耐酸荧光分子开关及其合成方法，该分子开关是以罗丹明3-氨基或3-乙酰氨基的螺酰胺染料为结构单元，研究发现这类开关染料在体内和体外的酸性环境下化学稳定，对其进一步共轭修饰实现可见光(400nm)激活螺环开关。

本发明所述的一种可见光光控耐酸性荧光分子开关，其结构式如下所示：