本发明属于有机光电、生物材料技术领域。具体涉及一种基于氮杂吡咯烷的、可单波长激发的、具有近红外吸收的光热光动力染料和其制备方法及其在荧光成像、光热成像、光声成像、光热治疗以及光动力治疗等领域中的应用。
背景技术：
肿瘤一直是难以攻克的致死性疾病，目前对肿瘤的治疗方法还停留在传统的手术疗法、化疗或放射疗法；这些治疗方式往往会伴随着毒副作用的产生，治疗效果不佳。探索新的、毒副作用小的治疗方法，或者已有治疗方法的基础上增加一些辅助手段，进而提高疗效、减轻毒副作用，是目前肿瘤治疗亟待解决的问题。
随着科学技术的不断发展，科研工作者逐渐开发出了多种新型治疗方案，其中光热光动力治疗作为一种非侵入性的肿瘤治疗手段，可以实时的进行肿瘤部位精确治疗，大大的提高了肿瘤治疗的效果。然而肿瘤部位的乏氧特性阻碍了光动力治疗的发展。低的光热转换效率阻碍了肿瘤的光热治疗。但是，光动力和光热协同治疗则大大有利于肿瘤的消除，一方面，光热治疗可以升高肿瘤部位温度，从而增强肿瘤部位血液流通，提高氧气的供给，从而提高光动力治疗效果。另一方面，光动力肿瘤治疗可以弥补光热治疗的缺陷。因此，如何选择理想的材料用于肿瘤治疗引起大家的深切关注。
近红外染料是一类性能良好的功能性染料，在近红外光区有很好的吸收，在无线电射频识别、肿瘤治疗、太阳能电池等领域有广泛的应用。用于生物成像时，除了具有近红外吸收、发射波长、还具有良好的水溶性和较低的生物毒性，特异的组织或细胞靶向性以及良好的细胞穿透性等，从而达到更安全、高效、灵敏的荧光成像目的。
有机光敏剂和光热材料是一类性能良好的功能性染料，主要包括吡咯烷、方酸、花菁、卟啉、罗丹明等染料。其中，氮杂吡咯烷类染料具有相对较好的光稳定性、可调节的近红外吸收，这使得其能广泛应用于光学技术、生物成像等领域。值得注意的是，材料的光动力效果和光热效果与材料的构成密切相关，一般重原子的引入可以增强系间窜越从而提高材料的光动力效果，相关文献也指出重金属铂可以增强材料的光热效果。
因此，结合重原子和氮杂吡咯烷的性质设计出具有良好光热和光动力效果的光热光动力材料将具有重要意义。
技术实现要素：
本发明的目的在于解决现有技术中的不足，通过将卤素和过渡金属键合到氮杂吡咯烷上，设计并合成一种杂氮吡咯烷染料，该种染料可单光源激发并具有良好的光声成像、光热成像及生物肿瘤的光热和光动力相结合的治疗效果。
本发明的技术方案为：一种氮杂吡咯烷染料，其结构通式如下：
其中，r1、r2选自下列结构中的一种：
m＝pt、zn、ni或mg；a^b为c^n配体或n^n配体；x＝br或i；
其中，r3为具有0至16个碳原子的直链、支链或者环状烷基链；
c^n配体和n^n配体为下列结构中的任一个：
进一步地，所述氮杂吡咯烷染料的制备方法的具体合成路线如下：
进一步地，所述氮杂吡咯烷染料的制备方法的具体合成步骤为：
1)烯酮的合成：将化合物1与化合物2在稀的氢氧化钠和乙醇混合溶液中反应10-15h后，稀盐酸调节反应液的酸碱度至ph值在4～7之间，过滤、冷乙醇洗涤、干燥得到产物3；
2)加成反应：在氮气保护条件下，将所述产物3、硝基甲烷和二乙胺溶于无水甲醇中，加热回流16-28h，用稀盐酸调节反应液的酸碱度至ph值在5～7之间，过滤、冷甲醇洗涤三次、干燥，得产物4；
3)成环反应：所述产物4在正丁醇溶液中与醋酸铵在磁力搅拌下加热回流20-30h，浓缩后冷却至室温、过滤、冷乙醇洗涤，得到产物5；
4)取代反应：在无水二氯甲烷溶液中，将所述产物5与碘源或者溴源进行常温下的避光反应20-30h，减压干燥，通过柱层析得到产物6；
5)配位反应：将所述产物6溶解在干燥二氯甲烷溶液中，在氮气保护下加入新蒸三乙胺，之后逐滴加入金属的卤素络合物，室温搅拌6-12h后，浓缩，加水抽滤后，通过柱层析得到产物e。
进一步地，所述氮杂吡咯烷染料可应用在光热成像中。
进一步地，所述氮杂吡咯烷染料可应用在光声成像中。
进一步地，所述氮杂吡咯烷染料可应用在肿瘤的光动力治疗中。
进一步地，所述氮杂吡咯烷染料可应用在肿瘤的光热治疗中。
本发明的有益效果是：
1.本发明所述的氮杂吡咯烷染料在近红外光区域激发，降低了自发荧光对检测信号的干扰，减少了激发光源对生物组织的伤害，并且增强了光源对组织的穿透深度；
2.本发明所述的氮杂吡咯烷染料通过在氮杂吡咯烷骨架上引入卤素和过渡金属使得染料的光热光动力效果显著提升，可用于光热成像、光声成像等多模成像引导下的肿瘤的光动力和光热治疗，是很好的光学生物材料；
3.本发明所述的氮杂吡咯烷染料制备方法工艺简单，原料丰富。
附图说明
图1是本发明实施例4中测得的化合物c的maldi-tof/tof图；
图2是本发明实施例5中测得的化合物d的maldi-tof/tof图；
图3是本发明实施例6中测得的化合物e的maldi-tof/tof图；
图4是本发明实施例7中测得的化合物c的1h-nmr图；
图5是本发明实施例8中测得的化合物d的1h-nmr图；
图6是本发明实施例9中测得的化合物e的1h-nmr图；
图7是本发明实施例10中测得的化合物c的紫外-可见光谱图；
图8是本发明实施例11中测得的化合物d的紫外-可见光谱图；
图9是本发明实施例12中测得的化合物e的紫外-可见光谱图；
图10是本发明实施例13中测得的化合物c的发射光谱图；
图11是本发明实施例14中测得的化合物d的发射光谱图；
图12是本发明实施例15中测得的化合物e的发射光谱图；
图13是本发明实施例16中测得的化合物c的光热效果图；
图14是本发明实施例17中测得的化合物d的光热效果图；
图15是本发明实施例18中测得的化合物e的光热效果图；
图16是本发明实施例19中测得的化合物c、d、e的光热效果图；
图17是本发明实施例20中测得的化合物e作用在鼠肿瘤部位的光热效果图。
具体实施方式
以下实施例进一步说明本发明的内容，但不应理解为对本发明的限制。在不背离本发明实质的情况下，对本发明方法、步骤或条件所作的修改和替换，均属于本发明的范围。
氮杂吡咯烷的具体合成路线是：
实施例1：氮杂吡咯烷染料c的合成
(1)化合物1的合成
取一洁净单口瓶，加入磁子、1.22g的对羟基苯甲醛(约10mmol)、9.66g的溴辛烷(约50mmol)、6.91g碳酸钾和25ml的无水dmf，磁力搅拌下，80℃反应24h。反应结束后，水/二氯甲烷萃取多次，合并有机相，有机相经干燥后，层析柱分离，得到浅黄色液体2.34g(产率约99％)。
(2)化合物2的合成
取一洁净两口瓶，加入磁子、2.34g的所述化合物1(约10mmol)、1.06g的2-溴乙酰噻吩(约10mmol)和40ml的乙醇溶液。搅拌待固体全部溶解后，缓慢加入5ml氢氧化钠溶液(含1.00g氢氧化钠)。该反应于室温下搅24h，反应过程中有黄色固体析出。反应结束后，1m的盐酸溶液调节反应液酸碱度至中性，抽滤得固体，去离子水洗涤三次。真空干燥得3.36g的黄色固体(产率约99％)。
1hnmr(400mhz,cdcl3)：δ(ppm)＝8.04(d,j＝8hz2h),7.81(d,j＝16hz,2h),7.65–7.63(m,2h),7.56(d,j＝16hz,2h),7.44–7.38(m,3h),7.97(d,j＝8hz,1h),4.04–4.01(t,j＝8hz,j＝4hz,2h),1.84–1.78(m,2h),1.50–1.28(m,10h),0.91-0.88(m,3h).
(3)化合物3的合成
取一洁净双口瓶，加入磁子，在氮气的保护下加入3.36g的所述化合物2(约10mmol)、2.60ml的硝基甲烷(约50mmol)、5.20ml的二乙胺(约50mmol)和20.0ml的无水甲醇。加热回流24h后，用1m的盐酸溶液调节反应液酸碱度至中性，抽滤得固体，冷甲醇洗涤三次。真空干燥后得到3.38g的产品(产率约85％)。
1hnmr(400mhz,cdcl3):δ(ppm)＝7.89(d,j＝8hz,2h),7.34–7.23(m,5h),6.90(d,j＝8hz,2h),4.85-4.81(dd,j＝4hz,8hz,1h),4.70–4.64(dd,j＝8hz,12hz,1h),4.25–4.18(m,1h),4.00(t,j＝8hz,1h),3.44–3.31(m,2h),1.84–1.76(m,2h),1.50–1.29(m,10h),0.92–0.88(m,3h).
(4)化合物4的合成
取一洁净100ml单口瓶，加入磁子、3.38g(8.5mmol)所述化合物3、22.83g(约298mmol)醋酸铵固体、20ml正丁醇，磁力搅拌下加热回流约24h。反应液减压浓缩到原来体积的1/4，待溶液冷却到室温，过滤得到蓝色固体，无水乙醇洗涤，干燥后得到1.80g蓝色固体产物(产率约60％)。
(5)化合物5的合成
取一洁净100ml单口瓶，加入磁子、0.706g(1.0mmol)所述化合物4、5.63g(2.5mmol)碘代丁二酰亚胺(nis)、20ml无水二氯甲烷，避光，常温反应24h。反应结束，反应液减压干燥、经层析柱分离，得到0.479g蓝色固体产物(产率约50％)。
(6)化合物c的合成
取一洁净50ml单口瓶，加入磁子、0.35g(0.5mmol)所述化合物4、10ml干燥的二氯甲烷溶解。在0～5℃下，氮气保护下加入0.44g新蒸三乙胺(4.4mmol)，再逐滴缓慢加入1.29g铂的卤素络合物(2.0mmol)，滴加完毕，移至室温搅拌6h，反应结束后，浓缩，柱层析纯化，得0.047g蓝色固体产物(产率约9％)。
1hnmr(400mhz,cdcl3):δ＝8.45(d,j＝8.8hz,4h),8.10(dd,j＝6.8,2.0hz,5h),7.49(t,j＝8.4hz,1h),7.41–7.30(m,9h),7.21(d,j＝7.6hz,1h),6.90–6.84(m,5h),6.78(t,j＝8.4hz,1h),6.62(t,j＝6.4hz,1h),6.41(t,j＝6.0hz,1h),3.99–3.91(m,4h),1.80–1.71(m,4h),1.46–1.29(m,20h),0.91–0.88(m,6h).
13cnmr(100mhz,cdcl3):δ＝161.30,160.45,147.84,144.97,132.45,132.00,130.76,129.40,127.96,123.01,113.88,83.09,68.04,31.86,29.53,29.28,26.03,22.71,14.17.
实施例2：氮杂吡咯烷光热染料d的合成
化合物d的合成
取一洁净50ml单口瓶，加入磁子、0.09g(0.1mmol)所述化合物5、10ml干燥的二氯甲烷溶解。在0～5℃下，氮气保护下加入0.01g新蒸三乙胺(0.1mmol)，再逐滴缓慢加入0.44g三氟化硼-乙醚(0.3mmol)，滴加完毕，移至室温搅拌6h，反应结束后，混合溶液经水洗、饱和氯化钠洗、无水硫酸钠干燥、减压浓缩，柱层析纯化，得0.10g蓝色固体产物(产率约99％)。
1hnmr(400mhz,cdcl3):δ＝7.79(dd,j＝3.6,7.2hz,4h),7.69(d,j＝8.4hz,4h),7.44–7.42(m,6h),6.96(d,j＝8.8hz,4h),4.02(t,j＝6.4hz,4h),1.84–1.77(m,4h),1.51–1.28(m,20h),0.92-0.89(m,6h).
13cnmr(100mhz,cdcl3):δ＝161.30,160.45,147.84,144.97,132.45,132.00,130.76,129.40,127.96,123.01,113.88,83.09,68.04,31.86,29.53,29.28,26.03,22.71,14.17.
实施例3：氮杂吡咯烷光热染料e的合成
化合物e的合成
取一洁净50ml单口瓶，加入磁子、0.479g(0.5mmol)所述化合物5、10ml干燥的二氯甲烷溶解。在0～5℃下，氮气保护下加入0.44g新蒸三乙胺(4.4mmol)，再逐滴缓慢加入1.29g铂的卤素络合物(2.0mmol)，滴加完毕，移至室温搅拌6h，反应结束后，浓缩，柱层析纯化，得0.105g蓝色固体产物(产率约20％)。
1hnmr(400mhz,cdcl3):δ＝8.47(d,j＝8.8hz,2h),8.32(d,j＝8.8hz,2h),7.99(d,j＝4.8hz,1h),7.62–7.58(m,4h),7.48(t,j＝8.0hz,1h),7.38–7.34(m,2h),7.29(t,j＝7.6hz,5h),7.09(d,j＝8.8hz,1h),6.90(d,j＝8.8hz,2h),6.86–6.69(m,5h),6.46(t,j＝7.2hz,1h),3.97-3.91(m,4h),1.80–1.70(m,4h),1.47-1.27(m,20h),0.92-0.89(m,6h).
13cnmr(100mhz,cdcl3):δ(ppm)＝167.22,160.52,160.19,158.69,150.05,149.28,148.91,146.14,144.35,143.09,137.28,135.32,134.46,133.53,132.60,130.76,127.67,127.40,126.86,122.82,122.00,119.50,117.43,113.82,112.97,78.27,68.11,31.85,29.51,28.98,26.02,22.69,14.14.
实施例4：化合物c的分子量的测试
取少量所述化合物c，与基质混匀，然后点样，用maldi-tof/tof进行测定，如图1，初步证明了c分子的正确性。
[m/e](m,maldi-tof)理论值:1054.26，实验值:1054.66。
实施例5：化合物d的分子量的测试
取少量所述化合物d，与基质混匀，然后点样，用maldi-tof/tof进行测定，如图2，初步证明了d分子的正确性。
[m/e](m,maldi-tof)理论值:1005.58，实验值:1005.08。
实施例6：化合物e的分子量的测试
取少量所述化合物e，与基质混匀，然后点样，用maldi-tof/tof进行测定，如图3，初步证明了e分子的正确性。
[m/e](m,maldi-tof)理论值:1306.05，实验值:1305.87
实施例7:化合物c的核磁测试
取0.5mg所述化合物c溶于0.5ml氘代氯仿中，经核磁测试，如图4，进一步证明了c分子的正确性。
1hnmr(400mhz,cdcl3):δ＝8.45(d,j＝8.8hz,4h),8.10(dd,j＝6.8,2.0hz,5h),7.49(t,j＝8.4hz,1h),7.41–7.30(m,9h),7.21(d,j＝7.6hz,1h),6.90–6.84(m,5h),6.78(t,j＝8.4hz,1h),6.62(t,j＝6.4hz,1h),6.41(t,j＝6.0hz,1h),3.99–3.91(m,4h),1.80–1.71(m,4h),1.46–1.29(m,20h),0.91–0.88(m,6h).
实施例8:化合物d的核磁测试
取0.5mg所述化合物d溶于0.5ml氘代氯仿中，经核磁测试，如图5，进一步证明了d分子的正确性。
1hnmr(400mhz,cdcl3):δ＝7.79(dd,j＝3.6,7.2hz,4h),7.69(d,j＝8.4hz,4h),7.44–7.42(m,6h),6.96(d,j＝8.8hz,4h),4.02(t,j＝6.4hz,4h),1.84–1.77(m,4h),1.51–1.28(m,20h),0.92-0.89(m,6h).
实施例9:化合物e的核磁测试
取0.5mg所述化合物d溶于0.5ml氘代氯仿中，经核磁测试，如图6，进一步证明了e分子的正确性。
1hnmr(400mhz,cdcl3):δ＝8.47(d,j＝8.8hz,2h),8.32(d,j＝8.8hz,2h),7.99(d,j＝4.8hz,1h),7.62–7.58(m,4h),7.48(t,j＝8.0hz,1h),7.38–7.34(m,2h),7.29(t,j＝7.6hz,5h),7.09(d,j＝8.8hz,1h),6.90(d,j＝8.8hz,2h),6.86–6.69(m,5h),6.46(t,j＝7.2hz,1h),3.97-3.91(m,4h),1.80–1.70(m,4h),1.47-1.27(m,20h),0.92-0.89(m,6h).
实施例10：化合物c的紫外-可见光谱测试：
配置实施例1中所述化合物c的稀溶液(10-5m，二氯甲烷为溶剂)，移取2ml所述化合物c的溶液于比色皿中进行紫外-可见发光谱测试，结果如图7，光谱已归一化处理。
实施例11：化合物d的紫外-可见光谱测试：
配置实施例2中所述化合物d的稀溶液(10-5m，二氯甲烷为溶剂)，移取2ml所述化合物d的溶液于比色皿中进行紫外-可见发光谱测试，结果如图8，光谱已归一化处理。
实施例12：化合物e的紫外-可见光谱测试：
配置实施例3中所述化合物e的稀溶液(10-5m，二氯甲烷为溶剂)，移取2ml所述化合物e的溶液于比色皿中进行紫外-可见发光谱测试，结果如图9，光谱已归一化处理。
从图7-9的结果可以看出在波长为690nm左右所述化合物c、d和e有最大的近红外吸收值，且光稳定性良好。
实施例13：化合物c的发射光谱测试：
配置实施例1中的所述化合物c的稀溶液(10-5m，二氯甲烷为溶剂)，移取2ml所述化合物c的溶液于比色皿中进行发射光谱测试。结果如图10，光谱已归一化处理。
实施例14：化合物d的发射光谱测试：
配置实施例2中的所述化合物d的稀溶液(10-5m，甲苯为溶剂)，移取2ml所述化合物d的溶液于比色皿中进行发射光谱测试。结果如图11，光谱已归一化处理。
实施例15：化合物e的发射光谱测试：
配置实施例3中的所述化合物e的稀溶液(10-5m，二氯甲烷为溶剂)，移取2ml所述化合物e溶液于比色皿中进行发射光谱测试。结果如图12，光谱已归一化处理。
从图10-12上可以看出，所述化合物c、d和e在波长740nm左右有最大发射值，说明本发明制备出的化合物可单激光激发，且是近红外光激发，可降低自身荧光对检测信号的干扰，减少激发光源对组织的伤害，且可增强光源对组织的穿透深度。
实施例16：化合物c的光动力效果
将实施例1中的所述化合物c用二氯甲烷溶解，并加入单线态氧指示剂(dpbf)，用690nm激光器照射,用紫外-可见吸收光谱仪记录不同照射时间溶液的吸光度的变化，由此反映产生单线态氧的量及其速率。由图13表明，随着照射时间延长，单线态氧指示剂的量逐渐减少，即单线态氧的含量依次增多。
实施例17：化合物d的光动力效果
将实施例2中的所述化合物d用二氯甲烷溶解，并加入单线态氧指示剂(dpbf)，用690nm激光器照射，用紫外-可见吸收光谱仪记录不同照射时间下溶液的吸光度的变化，由此反映产生单线态氧的量及其速率。由图14表明，随着照射时间延长，单线态氧指示剂的量逐渐减少，即单线态氧的含量依次增多。
实施例18：化合物e的光动力效果
将实施例3中的所述化合物e用二氯甲烷溶解，并加入单线态氧指示剂(dpbf)，用690nm激光器照射，用紫外-可见吸收光谱仪记录不同照射时间下，溶液吸光度的变化，由此反映产生单线态氧的量及其速率。由图15表明，随着照射时间延长，单线态氧指示剂的量逐渐减少，既单线态氧的含量依次增多。
实施例19：化合物c、d、e的光热效果
将实施例1-3中的所述化合物c、d、e分别用二氯甲烷溶解，用690nm0.5wcm-2激光器照射，用光热成像仪记录不同照射时间下，溶液温度的变化，由此反映光热转换效果。由图16表明，随着照射时间延长，溶液温度逐渐增加，5min以后，e溶液的温度变化大于c、d的温度变化。即多重金属和卤素的引入增强了材料的光热效果。
实施例20：化合物e在老鼠体内的光热效果
将实施例3中的所述化合物e用二甲基亚砜溶解，分别将50μl20μm所述化合物e的二甲基亚砜溶液和50μlpbs(ph＝7.4)溶液瘤内注射老鼠肿瘤内。用690nm0.5wcm-2激光器照射7min，用光热成像仪记录不同照射时间下，肿瘤部位温度的变化，由图17表明，随着照射时间延长，注入所述化合物e的老鼠肿瘤部位温度逐渐增加，5min以后，温度高达55℃，而注入pbs的老鼠肿瘤部位没有明显的温度变化，表明所述化合物e具有很好的光热效果，可以用于老鼠的肿瘤治疗。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。但是以上所述仅为本发明的具体实施例，本发明的技术特征并不局限于此，任何本领域的技术人员在不脱离本发明的技术方案下得出的其他实施方式均应涵盖在本发明的专利范围之中。