葫蘆脲類(lèi)化合物(CBn，n=5–8,10)的超分子主客體復(fù)合物的生物成像

葫蘆脲類(lèi)化合物（CBs，n=5–8,10）是大環(huán)主體分子。近年來(lái)，越來(lái)越多的基于CB的超分子體系被報(bào)道，并應(yīng)用于熒光開(kāi)關(guān)、催化和細(xì)胞成像。對(duì)于熒光客體分子，主客體配合物通常會(huì)影響客體分子在CB腔內(nèi)的電荷轉(zhuǎn)移和聚集過(guò)程，并導(dǎo)致可調(diào)控的光物理性質(zhì)，如波長(zhǎng)偏移和發(fā)射增強(qiáng)。作為客體的染料分子的紫外-可見(jiàn)光譜和熒光光譜中的位移可用于生物成像和光熱療法。

葫蘆脲CBs作為宿主可能提供一種新的的策略，將傳統(tǒng)染料的吸收擴(kuò)展到長(zhǎng)波區(qū)。三苯胺衍生物已被證明是一種很好的雙光子吸收材料，在傳感和生物成像領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。作為給體基團(tuán)，它們?cè)诓煌慕o體/受體體系中表現(xiàn)出分子分子內(nèi)電荷轉(zhuǎn)移

本文中選擇水溶性三苯胺衍生物（乙烯基吡啶三苯胺）（1）作為客體分子。客體1在水溶液中通過(guò)主客體相互作用與CB[7]或CB[8]形成1_CB[7]或1_CB[8]配合物。對(duì)于1_CB[7]配合物，客體分子的三個(gè)帶正電的吡啶位點(diǎn)被封裝在三個(gè)CB[7]的空腔中以形成[1+3]配合物，而三個(gè)CB[8]作為主體和兩個(gè)1作為客體的[2+3]主客體配合物（二聚體）通過(guò)頭對(duì)頭堆積（圖1）。CBs的存在導(dǎo)致主客體配合物的紫外-可見(jiàn)光譜和熒光光譜比客體分子本身明顯紅移，這使其成為生物標(biāo)記應(yīng)用的合適候選者。值得注意的是，配合物結(jié)構(gòu)的不同導(dǎo)致選擇性染色細(xì)胞的不同區(qū)域。

三個(gè)乙烯基吡啶通過(guò)偶連反應(yīng)連接到三苯胺上，再通過(guò)甲基化將疏水性吡啶轉(zhuǎn)化為親水性吡啶，這為在水中形成1和CBs配合物提供了必要的條件。

我們先通過(guò)核磁滴定研究1_CB[7]和1_CB[8]在水中的形成。測(cè)定了配合物在不同配比下的核磁共振氫譜（圖2）。隨著CBs的增加，單體1的信號(hào)逐漸消失，同時(shí)出現(xiàn)了一組新的信號(hào)。當(dāng)化合物1和CB[7]的比例達(dá)到1:3時(shí)，原始信號(hào)完全消失（圖2a）。當(dāng)1和CB[8]的比率達(dá)到2:3時(shí)，譜圖中新出現(xiàn)的一組峰趨于穩(wěn)定。同時(shí)，過(guò)量的CBs不會(huì)引起譜圖的**變化。作者推測(cè)得到了1_CB[7]和1_CB[8]的結(jié)構(gòu)。

然后對(duì)1_CB[7]（1:3）和1_CB[8]（2:3）的配合物進(jìn)行了濃度相關(guān)研究。結(jié)果表明配合物非常穩(wěn)定，不依賴(lài)于濃度。作者認(rèn)為客體分子與CB[7]形成[1+3]配合物，與CB[8]形成[2+3]配合物。通過(guò)電噴霧質(zhì)譜（ESI-MS）、等溫滴定量熱法（ITC）實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步研究了1和CBs之間的結(jié)合行為，結(jié)果表明1_CB[7]的化學(xué)計(jì)量比為1:3，1_CB[8]的化學(xué)計(jì)量比為2:3。

該主客體配合物可以通過(guò)緩慢冷卻接近飽和的配合物水溶液來(lái)結(jié)晶。主客體配合物的晶體學(xué)數(shù)據(jù)可用CCDC 2059161（1_CB[7]）和2036099（1_CB[8]）。對(duì)于1_CB[7]，單晶屬于P63/m空間群，晶胞參數(shù)a=29.82?，b=29.82?，c=18.07?，α=90°，β=90°，γ=120°。由于CB[7]的空腔相對(duì)較小，因此它只能容納客體分子的一個(gè)乙烯基吡啶臂以形成[1+3]配合物（圖3a和c）。對(duì)于1_CB[8]，單晶屬于C2221空間群，晶胞參數(shù)a=33.50?，b=46.82?，c=85.24?，a=90°，β=90°，γ=90°。如圖3b和d所示，兩個(gè)分子1在CB[8]的幫助下以頭對(duì)頭堆積形成二聚體。兩個(gè)分子之間的距離約為4.4 ?. 三個(gè)CB[8]分子位于六個(gè)乙烯基吡啶臂的末端，這是由于吡啶具有**的親水作用。單體1中的兩個(gè)吡啶部分被封裝在一個(gè)CB[8]的空腔中，形成[2+3]配合物。單晶分析結(jié)果與核磁共振滴定結(jié)果高度一致。此外，CBs與客體分子之間形成配合物的過(guò)程會(huì)影響客體分子的耦合度和雜化能帶結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致不同的電荷轉(zhuǎn)移行為。因此，將產(chǎn)生不同的光物理性質(zhì)。

利用紫外-可見(jiàn)吸收光譜和熒光發(fā)射光譜進(jìn)一步研究了1,1_CB[7]和1_CB[8]的光物理性質(zhì)。隨著CBs的加入，可以觀察到**的變化，這進(jìn)一步證明了CBs與水溶液中1的強(qiáng)相互作用。如圖4所示，1顯示了472 nm處的主吸收峰和572 nm處的熒光峰。隨著CB[7]的加入，紫外-可見(jiàn)吸收峰從472 nm移動(dòng)到506 nm（Δ=34 nm），熒光發(fā)射峰從572 nm移動(dòng)到635 nm（Δ=63 nm），熒光強(qiáng)度增加了10倍。對(duì)于CB[8]，紫外-可見(jiàn)吸收峰從472 nm移動(dòng)到543 nm（Δ=71 nm），熒光發(fā)射峰從572 nm移動(dòng)到714 nm（Δ=142 nm）。與1_CB[7]相比，1_CB[8]的紫外可見(jiàn)光譜和熒光光譜發(fā)生了更**的變化。溶液的顏色從橙色（1）變?yōu)樯罴t色（1_CB[7]），紫色（1_CB[8]）（圖1）。造成這種現(xiàn)象的原因可能是，主體CBs中羰基的拉電子效應(yīng)可以中和吡啶的正電荷，這使得吡啶從三苯胺基團(tuán)中吸收的電子增加，從而導(dǎo)致吸電子和拉電子效應(yīng)增強(qiáng)。因此可能導(dǎo)致光譜紅移。同時(shí)，較大的CB[8]能將兩個(gè)客體分子包埋在空腔中，使客體分子穩(wěn)定聚集形成配合物，從而限制了分子的旋轉(zhuǎn)。

吡啶衍生物在核酸化學(xué)中已被證實(shí)具有生物活性。分子動(dòng)力學(xué)模擬也證實(shí)了吡啶與DNA的結(jié)合。客體分子中陽(yáng)離子吡啶的存在，通過(guò)與糖-磷酸主鏈的靜電相互作用，確保了對(duì)DNA的強(qiáng)親和力。考慮到配合物的熒光發(fā)射特性和與DNA的親和性，作者進(jìn)一步研究了配合物作為熒光染料在細(xì)胞成像中的應(yīng)用。為了檢測(cè)復(fù)合物對(duì)細(xì)胞的染色性能，分別用1_CB[7]和1_CB[8]水溶液處理海拉細(xì)胞。如圖5a-d所示，1_CB[7]在細(xì)胞的細(xì)胞核和細(xì)胞質(zhì)中都有強(qiáng)烈的發(fā)射，說(shuō)明1_CB[7]配合物可以穿透細(xì)胞并與DNA結(jié)合。用4',6-二脒基-2-苯基吲哚(DAPI)進(jìn)行的對(duì)照實(shí)驗(yàn)顯示了細(xì)胞核的彩色位置(圖5a和b)。對(duì)于1_CB[8]配合物，熒光主要分布在細(xì)胞質(zhì)區(qū)域，而在綠光(561 nm)激發(fā)下的細(xì)胞核中幾乎看不到輻射(圖5g)。同時(shí)對(duì)客體1的染色性能進(jìn)行對(duì)照實(shí)驗(yàn)。結(jié)果清楚地表明，客體1只能染色細(xì)胞核。這說(shuō)明1,1_CB[7]和1_CB[8]配合物具有良好的細(xì)胞通透性和細(xì)胞顯像性能。對(duì)于1_CB[8]配合物，714nm處的熒光使其適合于熒光細(xì)胞染色。動(dòng)態(tài)光散射(DLS)分析表明，1_CB[7] (0.78 nm)和1_CB[8] (2.31 nm)的粒徑不同。考慮到1,1_CB[7]，1_CB[8]在細(xì)胞不同染色區(qū)域(從細(xì)胞核到細(xì)胞質(zhì))的規(guī)律性變化，客體分子和配合物的大小可能是控制細(xì)胞染色區(qū)域的關(guān)鍵因素。采用MTT法對(duì)配合物的細(xì)胞活力進(jìn)行了定量分析，表明該配合物具有較好的生物相容性和較低的du性。

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