氧成像在生物系统中的磷光纳米探针的合成和校准

我们目前磷光淬火和审查设计基于卟啉 - 树突状纳米传感器在生物系统中的氧气成像的氧气测量的原则。

氧气测量磷光猝灭[1，2]包括以下步骤：1）探头被交付到利益的媒介（如血液或组织间液）; 2）对象是适当波长的光照射，以激发探测到它的三重态; 3）所发出的磷光是收集，分析其时间当然是产生的磷光寿命，这是转换成氧气的浓度（或分压，PO

1。氧气测量协议的一般描述

（本节不会有任何行动，但对于理解本文的其余部分的关键。例如，它可以被拍摄下来，，作为一个序列数的Power Point幻灯片，伴随着的声音。）

1.1）探头传递到利益的媒介，例如，在一个动物的血液或组织间液注射。

1.2）的对象（组织表面）是适当波长的光照亮，以促进其激发三重态的探测。通常情况下，激发发生通过单光子的机制。然而，在特殊的双光子增强探头的情况下，激发可以通过双光子的机制，它允许使用高分辨率显微镜应用的探头。单光子激发通常会提供较少的空间分辨率，但需要简单的仪器，可用于在与基于LED光纤phosphorometers的单点测量。

1.3）由探头发出的磷光来源于长寿命的三重态。必须专门设计的探针分子，给予高度的三重态量子产率，并发出荧光磷光。在三重态的同时，探头可以体验与氧分子，它可以激活三重态的碰撞交锋 - “淬火”过程被称为在没有氧气，三重态的寿命，和磷光衰减，因此_，τ 0。在氧气存在的磷光寿命（τ）是缩短淬火。之间的三重态寿命和环境中的氧气量有直接的关系。这是知名的Stern - Volmer关系，它连接的磷光寿命（τ），氧气浓度[O _2]（或氧分压PO _2）：

在生物系统中，氧气是迄今为止最有效的淬灭的磷光，这使得非常有选择性的对氧气的磷光猝灭法。

1.4）为了衡量寿命吨，分级发出的磷光光子的时间。例如，激励脉冲后的，200光子可能被收集在第15微秒，在未来15微秒收集150光子，等等，直到没有光子被收集。在回收箱的数目绘制与时间的磷光衰减，这是分析产量的寿命τ。成像，在此过程适用于图像的每个像素，在磷光寿命地图。寿命测量的对象，这是常见的生物样本的探针整个分布的非均质性不敏感。因此，报告只对氧的寿命。寿命τ转换成氧气浓度使用的Stern - Volmer关系。

2。磷光探针的建设

磷光探针在生物系统中的氧气测量磷光生色（核心），封装成的树枝状构造的笼子，包括 - 高经常超支化聚合物[3]。树枝状从与环境的相互作用保护的核心和氧的扩散率控制的核心，使我们能够优化探头的灵敏度和动态范围（常数k的Stern - Volmer关系_的 Q）。树枝状总站修改与化学惰性的亲水性的聚乙二醇（PEG）群体，使探针高度水溶性，并​​防止其与生物大分子的相互作用。

磷光探针核铂或钯卟啉和π扩展卟啉配合物。 π扩展卟啉的吡咯环卟啉与外部的芳香片段融合。 π扩展允许探头光谱性质的调整，以满足一个特定的成像应用程序（如显微镜与断层扫描）的要求。作为一个例子，我们描述的合成钯tetaaryltetrabenzoporphyrins（PdAr TBP）[4]。 PdAr ₄ TBP的强大的吸收带在远红外频谱和强烈的磷光的一部分，非常适合生物耗氧量测。

PdAr ₄磷酸三丁酯的合成包括以下步骤：

2.1）的制备tetraaryltetracyclohexenoporphyrins林德塞凝结（Ar4TCHP）[5]与取代苯甲醛tetrahydroisoindole。以0.01 M解决方案的tetrahydroisoindole在CH（1 EQ）<分> 2 CL ₂的芳香醛（EQ）是加入氩气保护下。反应混合物在室温下BF ₃ XET _{2 O（0.2}当量）搅拌10分钟，在黑暗的补充，并增加2小时，反应混合物在室温下搅拌DDQ的（1 EQ）增加了，一夜之间只剩下连续搅拌和混合。解决的办法是冲10％AQ NA ₂ SO _3，10％AQ NA ₂ CO _3，5％水溶液HCL，最后用盐水。 NA ₂ SO ₄干燥有机相，然后在真空浓缩。残渣再结晶CH _{2 CL 2} - 叔丁基醚的混合物，给_AR 4 TCHP绿色粉末。产量约50％。

2.2）钯插入获得PdAr ₄ TCHPs。自由基卟啉（EQ）与PdCl ₂或_{Pd（OAC）2（1.2}当量）超过_{3 N} ET（20式）的存在回流CH ₃ CN治疗。转换监测紫外可见光谱（溶剂CH _{2 CL 2，}醋酸），并认为完成后，在468-472 nm的Soret带听写消失。混合物被允许降温，稀释CH ₂ Cl _2等 ，并透过一层薄薄的硅藻土过滤除去钯（0） 。溶剂蒸干，残渣是由硅胶作为溶剂使用CH _{2 CL 2}列色谱纯化。暗红色的部分是收集，溶剂蒸发给PdAr ₄ TCHPs产量几乎定量目标。

2.3）PdAr ₄ TBP的准备PdAr ₄ TCHPs氧化与DDQ的2倍过量回流的四氢呋喃（16式） 。在回流过程中，颜色从暗红色到深绿色。溶剂蒸干，残渣稀释与CH _{2 CL 2，}与10％AQ NA ₂ SO _3，水和盐水洗涤。有机相NA ₂ SO ₄干燥和真空浓缩。残余物经硅胶层析（洗脱液CH _{2 CL 2）。}第一个暗绿色的一小部分是收集，集中在真空中给予85-90％PdAr4TBP的蓝绿色粉末。

2.4）钯周边酯基四 - （3,5 - dibutoxycarbonylphenyl）tetrabenzoporphyrin（PdAr4TBP）使用氢氧化钾的10倍超过1％（V / V）在室温下的水/四氢呋喃水解。溶剂，倒出PdAr4TBP的羧酸衍生物的形成钾盐沉淀。固体溶解于水，搅拌2小时浓度酸化，。盐酸pH〜4-5的。获得的沉淀，通过离心分离，用清水洗净，真空干燥。

保护树状分子 ，每个树枝状的个别分支称为dendron。保护树状分子构造芳基甘氨酸（AG）的积木。公司树状分子可以很容易地从便宜的起始原料合成和高纯度和色谱方法的收益率隔离。第2代（G2），AG - dendron的合成包括以下步骤：

2.4）的合成，积木，BOC保护的3,5 - dicarboxyphenyl glycineamide和3,5 - dibutoxycarbonylphenyl glycineamide，菲舍尔haloacyl卤化物方法使用。

2.5）建设CDMT / NMM肽耦合化学块耦合。

2.6）Deprotecting搅拌，在室温下为2 h的G2在TFA的dendron解决方案的重点氨基酸组

2.7）提出了更高的一代树状分子组装，耦合/去保护步骤是重复的。

树枝状大分子组装是通过使用HBTU / DIPEA耦合化学deprotected树状分子耦合PdAr4TBP（或其他卟啉）。

2.8）首先，从dendron删除叔丁氧羰基保护的群体。例如，BOC保护G3 dendron（0.58克），溶解在TFA（15毫升），和左混合物在室温下反应2h后。酸被删除，旋转蒸发，产生TFA的盐dendron。残留物溶解在NMP的干（10毫升），并分别加入几滴DIPEA，解渴的TFA的痕迹。

2.9）开始之前偶联反应，关键是完全溶解的卟啉。例如，PT tetracarboxyphenylporphyrin（0.061克）下加热溶解干NMP（65毫升）140 ° C为10分钟，氮气流量下，。

2.10）溶液冷却到室温，HBTU（0.211克）补充说，混合，搅拌5分钟。

2.11）DIPEA（0.35毫升）加入到混合物中的一个部分，后面紧跟增加soluti对反式脂肪酸盐dendron在NMP（见2.8），和混合留给下搅拌过夜。

2.12）的混合物倒入3％AQ。氯化钠（350毫升），和由此产生的沉淀，离心收集，并与水，甲醇， _等 2洗净，重复暂停/离心产量目标卟啉-树枝状。

2.13），水解的外围酯基的树枝状_NME 4 OH（〜5毫米）在DMSO /甲醇20-60分钟内完整的溶剂去除，先用。此过程使我们能够产生足够数量的羧基水溶性树枝状。要完成水解，树枝状治疗用0.1N氢氧化钠水溶液（过夜）。因此，纯粹的卟啉 - 树枝状羧酸可以隔离在80-95％的产量。

改性树枝状外围 ，在这一点上 。，开始从相同的卟啉-树枝状，无论是一个或两个光子探头可以合成。在第一种情况下，所有外围的羧基修改与聚乙二醇单位-聚乙二醇作为已知的方法。在后一种情况下，几个羧基加上双光子天线的生色（香豆素343）修改与乙二胺（EDA）连接器，其余的羧基的聚乙二醇化[6]。树枝状被使用monomethoxyoligoethyleneglycolamine（M - PEG - NH _2，音像兆瓦1000）聚乙二醇采用HBTU / DIPEA耦合化学。

2.14）dendron NMP（或DMF）（1-10毫米）的1.25倍HBTU过剩的解决方案增加了，反应混合物在室温下搅拌10分钟。增加了6.25倍DIPEA超过，随后立即此外M - PEG - NH2的1.25倍超额。 2天在室温下搅拌反应混合物。乙醚被添加到反应混合物中分离，形成沉淀从四氢呋喃乙醚此外离心和重新沉淀。

2.15）最终纯化是实现与前第一阶段收集体积排阻色谱。卟啉 - 树枝状聚乙二醇溶解于少量的THF（约15毫升），装上聚苯乙烯美国证券交易委员会阶段（BIORAD，Biobeads的S - X1）填补了色谱柱的顶部。列纯四氢呋喃洗脱，收集和深色乐队前。

2.16）四氢呋喃旋转蒸发器上被删除，剩余材料真空干燥。

3。探头表征

光物理特性包括测量探头的吸收和发射光谱，磷光寿命_τ0和氧猝灭的Stern - Volmer常数k _q下的生理状况。

3.1）的吸收和发射光谱的环境条件下获得的使用标准仪器（分光光度计和稳定的荧光）。 〜1探头微米的解决方案是使用。

3.2）接下来，获得的Stern - Volmer校准情节。这是最重要的测量，因为它使我们能够与探头的寿命的氧气浓度。

3.3）探头在PBS缓冲液（pH值7.2）的解决方案是放置在一个特殊的圆柱形比色皿，这里面的温度控制腔定位的激发和发射光纤端口，位于内光防渗笼。纤维被带进密切接触的比色皿内直角几何室。

3.4）试管关闭一个塞子，在其中插入一个高度敏感的Clark型氧电极（CK -氧电极）。瓶塞也包含两个氩气的进气口和插座的针端口。电极浸入到该解决方案，而仅仅提供上述溶液的表面流动的气体流量针。起初，氩气是不连接的入口。

3.5）的温度设定为所需的值（通常为36-37℃）和解决方案是平衡搅拌下离开。

3.6）的激发光纤连接到数字phosphorometer激发端口，通过PC操作。在phosphorometer光源是一个大功率LED，其输出是333 kHz的D / A板控制。排放光纤连接到另一个phosphorometer，这是一个高度敏感的红外APD（雪崩光电二极管）耦合到的光学端口。二极管的输出放大到相同的控制电路板，它允许的激发和发射通道之间的同步的A / D通道美联储。

3.7）控制软件人任何所需的长度（如5或10毫秒），收集在任意选择的时期（一般为2-3毫秒）的磷光衰减，激发脉冲的低点一代。一个单一的寿命测量所需的时间通常为0.5-1小号，但是，测量可以得到迅速10-20每秒。

3.8）氧电极的输出被放大到另一个A / D板的指示同一台PC上。这是一种低频率的板（1 kHz最大），它是用来记录在选定的时间段电极的电流。记录电极的数据的程序与phosphorometer软件同时运行。

3.9），一旦溶液的温度平衡，phosphorometer和电极计划初始化在同一时间进行测量，每10秒其输出成两个单独的文件同步记录。之后，氩气的试管塞的进气口连接到。

3.10）由于氩搅拌溶液的表面流动的，它逐渐取代了氧气。在一个电极的电流减少和增加的磷光寿命，这是phosphorometer测量结果。通常情况下，氧气是流离失所形成约2 h后完全解决方案，在这段时间内的数据完全自动记录到文件中。

3.11）滴定运行结束后，电极的数据和磷光寿命导入到一个标准的分析程序（如Miocrocal原产）。电极的电流线性依赖于氧气的浓度，电极使用它几乎是零零氧。在大气压力下，PO ₂是已知的（约150毫米汞柱）。因此，电极的数据可以直接转换为氧气的规模，并与PO ₂逆磷光寿命曲线可以构造。此图是安装与使用最小二乘法直线线，其斜率恒定KQ给予氧气淬火。磷光寿命T0是，无论是从同一个适合（截距的倒数），或直接从零氧测量。

3.12），如果需要，滴定重复使用白蛋白的存在探头解决方案 - 目前，在高浓度的血浆中的一种蛋白质 - 为了模拟条件满足在现实实验系统（一种动物的血液在体内 ）。应该是相同的，如果树枝状探头保护和隔离接触与白蛋白的PEG组探头获得的Stern - Volmer图。否则，探头和血液中的蛋白质相互作用，并，这将导致改变的Stern - Volmer情节，造成氧气测量的模糊性。

由此获得的校准常数使用中的氧气浓度是一个先验未知的成像实验。

来自美国国家卫生研究院的资助EB007279和HL081273的支持表示感谢。