本发明涉及分子探针识别领域，尤其涉及一种氟离子光声检测的分子探针及其制备方法与应用。
背景技术：
氟离子(f-)是一种重要的阴离子，在人体生理学中有着重要的作用，关于f-的检测引起了广泛的关注。氟是人体不可缺少的微量元素，正常成年人体中含氟元素约2克～3克，主要分布在牙齿和骨骼中，但氟的每日摄入量超过4mg就会造成中毒，会对人体造成严重危害，导致很多疾病的发生，例如氟骨症，尿石症，肾功能衰竭甚至癌症等等。另外，随着f-在工业上的广泛应用，对环境造成的不可逆转的污染和伤害也日益明显。因此，开发高灵敏高特异性兼具一定组织穿透的f-检测方法，对于f-的体内和体外检测尤为重要。
在当前分析检测方法中，离子检测的方法主要包括荧光检测法和比色法。然而，这两种方法对于样品的状态和工作条件等都有特定的要求。同时，大多数荧光探针的激发光和发射光都在可见光区域，由于可见光的组织穿透深度有限，对于深层组织和部位无法进行检测，即使近红外荧光成像有一定的组织穿透深度，但是由于光在传播过程中存在散射，使得荧光成像检测的最大深度约为1mm，不能满足更深组织的检测和成像。例如，过量的f-可能导致急性胃损伤，由于空间分辨率差和成像深度有限，通过荧光成像难以检测到f-。因此，在深层组织，实现高灵敏高特异性的f-检测是一个巨大的挑战。
目前，基于光声成像(photoacousticimaging，pai)的分子检测技术成为一种新型的检测方法。pai是一种非侵入性、无电离辐射的、结合了光热转换与声波检测的成像方法。在光照下，pai造影剂将光转化为热量，同时伴随着热膨胀，产生超声信号，被光声探头捕获。由于声波在传递过程中散射较少，pai可达到约60mm的成像深度。因此，pai可以提供深层组织的一些特殊目标的高分辨率图像信息。例如，氧气浓度、离子浓度、肿瘤生长等。从分子检测到疾病追踪等领域，pai已被广泛涉及这些领域。但是，目前还没有基于pai技术检测氟离子的分子探针。
因此，基于pai检测f-的技术非常值得开发和应用。
技术实现要素：
鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种分子探针及其制备方法与应用，旨在解决现有氟离子检测方法灵敏度低、特异性差，难以实现对深层组织中的氟离子进行检测的问题。
本发明的技术方案如下：
一种分子探针，其结构式如下所示：
一种如上所述的分子探针的制备方法，其中，当r1＝-h时，包括步骤：
a、将4-溴-1,8-萘二甲酸酐与乙二胺溶解在有机溶剂中，并在25-50℃下搅拌12-24小时，冷却至室温，得分子探针中间体1；
b、在乙酸钯(ii)和三邻甲苯基膦存在的无水乙腈溶液中，采用4-乙酰氧基苯乙烯对所述分子探针中间体1进行烷基化处理，得分子探针中间体2；
c、将所述分子探针中间体2在碱性溶剂中进行水解处理，得到分子探针。
一种如上所述的分子探针的制备方法，其中，当
a、将4-溴-1,8-萘二甲酸酐与乙二胺溶解在有机溶剂中，并在25-50℃下搅拌12-24小时，冷却至室温，得分子探针中间体1；
b、在乙酸钯(ii)和三邻甲苯基膦存在的无水乙腈溶液中，采用4-乙酰氧基苯乙烯对所述分子探针中间体1进行烷基化处理，得分子探针中间体2；
c、将所述分子探针中间体2在碱性溶剂中进行水解处理，得到分子探针；
d、在强碱性溶剂中对所述分子探针进行硅烷化处理，得到硅烷基化分子探针。
所述的分子探针的制备方法，其中，步骤a中，所述乙二胺为n，n-二甲基乙二胺或n，n-二乙基乙二胺，所述有机溶剂为乙醇。
所述的分子探针的制备方法，其中，步骤a中，在40℃下搅拌12小时。
所述的分子探针的制备方法，其中，步骤c中，所述碱性溶剂为碱性的四氢呋喃溶液。
所述的分子探针的制备方法，其中，步骤d中，所述强碱性溶剂为氢化钠碱化的四氢呋喃溶液；所述硅烷为叔丁基氯二苯基硅烷或叔丁基氯二甲基硅烷。
一种如上所述的分子探针在检测氟离子中的应用。
所述的应用，其中，所述检测的方法为紫外比色法。
所述的应用，其中，所述检测的方法为荧光成像法。
所述的应用，其中，所述检测的方法为光声成像法。
有益效果：本发明上述分子探针能够实现紫外比色法、荧光成像与光声成像精确检测氟离子，灵敏度高；还能够检测牙膏中氟离子的含量，在氟离子检测方面具有良好的应用前景。同时，本发明上述分子探针的合成方法简单，合成条件不苛刻，操作方便。
附图说明
图1(a)为本发明实施例1中分子探针的合成路线图；(b)为分子探针的紫外吸收光谱图；(c)为分子探针的荧光光谱图；(d)为分子探针的氢核磁谱图。
图2(a)为本发明实施例2中分子探针的紫外吸收光谱对不同浓度氟离子的响应图；(b)分子探针的荧光光谱对不同浓度氟离子的响应图。
图3(a)为本发明实施例3中分子探针在645nm处的紫外吸收对不同阴离子的响应图；(b)为分子探针在600nm处的荧光发射对不同阴离子的响应图。
图4(a，b)为本发明实施例4中分子探针在680nm处的光声信号对不同阴离子的响应图；(c，b)为分子探针在680nm处的光声信号对不同浓度氟离子的响应图。
图5为本发明实施例5中分子探针在680nm处的光声信号对含有不同浓度氟离子的牙膏样品的响应图。
具体实施方式
本发明提供一种分子探针及其制备方法与应用，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例，仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明提供了一种分子探针较佳实施例，其中，所述分子探针的结构式如下所示：
当
优选地，所述分子探针的结构式如下所示：
本发明上述结构的分子探针，以萘二甲酰亚胺为母体结构，该母体结构为荧光发色团，具有强吸电子能力；其4位为含有带苯酚的供电子基团，所述分子探针的酚羟基在氟离子的存在下发生去质子化脱去酚羟基氢，使得该分子探针的荧光下降，紫外吸收峰红移，在近红外区出现新的吸收，出现新的光声信号；且随着氟离子浓度增加，新产生的吸收也逐渐增强。
本发明还提供了一种如上所述的分子探针的制备方法，其中，当r1＝-h时，包括步骤：
a、将4-溴-1,8-萘二甲酸酐与乙二胺(如n，n-二甲基乙二胺或n，n-二乙基乙二胺)溶解在有机溶剂(如乙醇)中，并在25-50℃下搅拌12-24小时(优选地，在40℃下搅拌12小时)，冷却至室温，得分子探针中间体1(白色晶体)；
b、在乙酸钯(ii)和三邻甲苯基膦存在的无水乙腈溶液中，采用4-乙酰氧基苯乙烯对所述分子探针中间体1进行烷基化处理，得分子探针中间体2(深黄色固体)；
c、将所述分子探针中间体2在碱性溶剂(如碱性的四氢呋喃溶液)中进行水解处理，得到分子探针(橙黄色固体)。
本发明以4-溴-1,8-萘二甲酸酐为原料，先后经过酰基化反应、烷基化反应、水解反应，最终制得分子探针。本发明该合成方法简单，合成条件不苛刻，操作方便。
本发明还提供了一种如上所述的分子探针的制备方法，其中，当
a、将4-溴-1,8-萘二甲酸酐与乙二胺(如n，n-二甲基乙二胺或n，n-二乙基乙二胺)溶解在有机溶剂(如乙醇)中，并在25-50℃下搅拌12-24小时(优选地，在40℃下搅拌12小时)，冷却至室温，得分子探针中间体1(白色晶体)；
b、在乙酸钯(ii)和三邻甲苯基膦存在的无水乙腈溶液中，采用4-乙酰氧基苯乙烯对所述分子探针中间体1进行烷基化处理，得分子探针中间体2(深黄色固体)；
c、将所述分子探针中间体2在碱性溶剂(如碱性的四氢呋喃溶液)中
进行水解处理，得到分子探针(橙黄色固体)；
d、在强碱性溶剂(如氢氧化钠的四氢呋喃溶液)中对所述分子探针进行硅烷化处理，得到硅烷基化分子探针。其中所述硅烷为叔丁基氯二苯基硅烷或叔丁基氯二甲基硅烷。
本发明以4-溴-1,8-萘二甲酸酐为原料，先后经过酰基化反应、烷基化反应、水解反应、硅烷化处理，最终制得分子探针。本发明该合成方法简单，合成条件不苛刻，操作方便。
本发明还提供了一种如上所述的分子探针在检测氟离子中的应用；具体地，所述检测的方法可以为紫外比色法、荧光成像法、光声成像法中的一种。本发明分子探针能够实现紫外比色法、荧光成像与光声成像精确检测氟离子，灵敏度高；还能够检测牙膏中氟离子的含量，在氟离子检测方面具有良好的应用前景。
下面通过实施例对本发明进行详细说明。
实施例1
分子探针2-(6-(4-羟基苯乙烯基)-1,3-二氧代-1h-苯并[de]异喹啉-2(3h)-基)-n，n-二乙基乙胺的制备，该分子探针的合成路线图如图1a所示，其中，etoh为乙醇，pd(oac)2为乙酸钯(ii)，(o-tol)3p为三邻甲苯基膦，et3n为三乙胺，mecn为乙腈，naoh为氢氧化钠，hcl为盐酸，thf为四氢呋喃。所述分子探针的制备步骤如下：
a、4-溴-1,8-萘二甲酸(1.0g)和n，n-二乙基乙二胺(1.0ml)溶解在乙醇(15ml)中并在40℃下搅拌12小时。过滤收集沉淀，用丙酮/乙醇(体积比9:1)重结晶，得到白色晶体，即为分子探针中间体1(产率为82.1％)。
b、将上述白色晶体(500mg)加入到圆底烧瓶中，并加入乙酸钯(ii)(20mg)和三邻甲苯基膦(1.0ml)的混合物，然后加入混合溶剂(三乙胺5ml/乙腈15ml)。在氮气氛围下，向该反应体系加入4-乙酰氧基苯乙烯(2.0ml)，反应温度保持在105℃，反应两天后停止反应。冷却至室温，用ch2cl2/h2o萃取两次，有机层用饱和盐水反萃并真空蒸发。采用硅胶柱分离提纯，洗脱剂为丙酮/石油醚(1/4，rf＝0.4)，得到深黄色固体，即为分子探针中间体2(产率为68.0％)。
c、将上述深黄色固体(100mg)与thf(3.0ml)溶解在圆底烧瓶，置于冰浴中搅拌。准备naoh的甲醇溶液(0.5mol/l，3ml)，然后在5分钟内将此naoh溶液滴加到反应液中；反应4小时后，将预冷的hcl溶液(3ml，0.5mol/l)滴加到上述反应液，保持20分钟，过滤收集橙黄色沉淀，即为分子探针(产率为40.0％)。通过核磁共振仪器对该分子探针进行氢谱测定，得到其氢核磁共振谱图如图1d所示；该分子探针的紫外吸收光谱图如图1b所示，其中，430nm为其最大吸收波长；该分子探针的荧光光谱图如图1c所示，其中，625nm为其最大荧光发射波长。
实施例2
测定分子探针对氟离子的响应
制备3ml分子探针(0.01mm)的dmso溶液。不同浓度的氟离子溶液滴加到探针溶液中，同时测量探针a625nm/a430nm的比值，通过紫外可见分光光度计和荧光光谱进行表征。如图2a所示，在分子探针溶液中加入氟离子后，分子探针在430nm处的吸光度随氟离子浓度的增大逐渐减弱；同时在500～750nm处出现一个新的吸收峰，并在630nm处出现最大吸收峰，且该位置的吸光度随氟离子浓度的增大逐渐增强；分子探针的a625nm/a430nm的比值与氟离子浓度呈线性关系，斜率为0.0114(r2＝0.9866)。如图2b所示，在荧光滴定实验中，可观察到分子探针的荧光强度随氟离子浓度增大而下降。
实施例3
测定分子探针对氟离子的选择性
制备3ml分子探针(0.01mm)的dmso溶液。通过将相应的盐(分别为ki，nah2po4，nahco3，naaco，nacl，nano2，mecn，na2so4和kf)溶于去离子水制备各种阴离子溶液(i-，h2po4-，hco3-，aco-，cl-，no2-，cn-，so42-和f-，1.0mm)。随后，将40当量(equiv)的阴离子溶液加入到探针溶液中，通过紫外吸收和荧光光谱进行检测。如图3(a，b)所示，横坐标中的1-11分别代表空白，i-，h2po4-，hco3-，aco-，cl-，no2-，cn-，so42-，四丁基氟化铵(tbaf)和f-。如图3a所示，只有在f-的加入下，分子探针的吸收强度在645nm处有明显增加，且肉眼可观察到探针溶液发生明显的颜色变化：从黄色变为蓝色。如图3b所示，f-能够明显淬灭分子探针的荧光强度。表明该分子探针对氟离子的检测具有高选择性。
实施例4
分子探针在光声成像法检测阴离子的应用
在相同的条件下，设立对照组：分子探针加氟离子组和分子探针加其他离子(f-，i-，h2po4-，hco3-，aco-，cl-，no2-，cn-，so42-)组；在680nm处检测光声信号，并通过改变氟离子浓度(0-1.4mm)，检测680nm处探针光声信号变化情况。如图4(a，b)所示，在没有氟离子的情况下，分子探针在680nm处几乎没有光声信号(pa680nm)；如图4(c，d)所示，光声信号随氟离子浓度的增大而增强；如图4d所示，pa680与氟离子浓度在0-1.4mm范围内呈线性相关。
实施例5
分子探针的实际应用
建立牙膏模型：将氟离子溶液加入到无氟牙膏中，并获得含有不同f-浓度的牙膏样品；然后将分子探针加入上述牙膏样品中，待检测。将加了探针的牙膏样品直接置于光声成像仪器里，检测680nm处的光声信号。如图5所示，光声信号强度随着氟离子浓度的增大而增强。
综上所述，本发明提供一种分子探针及其制备方法与应用，本发明的分子探针能够实现紫外比色法、荧光成像与光声成像精确检测氟离子，灵敏度高；还能够检测牙膏中氟离子的含量，在氟离子检测方面具有良好的应用前景；另外，本发明分子探针的合成方法简单，合成条件不苛刻，操作方便。
应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。