新型羅丹明和芘的衍生物熒光探針的設(shè)計(jì)合成及其性能研究.pdf

1、熒光傳感器因其高靈敏度、高選擇性、可實(shí)現(xiàn)原位、實(shí)時(shí)快速分析、以及對(duì)樣品無損等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為檢測(cè)環(huán)境中各種金屬離子、陰離子和小分子的理想分析方法，并已應(yīng)用于活體樣本和活細(xì)胞的分析檢測(cè)。在過去二十年中，小分子熒光探針對(duì)金屬離子、陰離子和小分子的檢測(cè)研究獲得了很大的發(fā)展。其中，信號(hào)增強(qiáng)型熒光探針尤為受到關(guān)注。相比于有著較大背景信號(hào)的淬滅型熒光探針，被分析物誘導(dǎo)的熒光增強(qiáng)型探針在熒光檢測(cè)和生物成像應(yīng)用方面表現(xiàn)出更高的靈敏度。那些基于單一發(fā)射峰強(qiáng)

2、度的常規(guī)熒光探針容易受到各種因素的干擾，例如儀器的誤差、檢測(cè)環(huán)境的改變和人工誤差導(dǎo)致的探針濃度變化。比例型熒光探針通過兩個(gè)熒光發(fā)射峰的強(qiáng)度變化的比率作為最終信號(hào)輸出，能夠很好的消除上述一些因素的影響。因此尋找新的適用于實(shí)際樣品和生物樣品的增強(qiáng)型或比例型分子探針，仍然具有理論意義和現(xiàn)實(shí)意義。
　　 針對(duì)上述研究熱點(diǎn)，為提高熒光分子探針在靈敏度、選擇性、實(shí)際樣品以及生物體系應(yīng)用等方面的性能，本論文在研制增強(qiáng)型和比例型熒光探針方面做了

3、以下幾部分工作:
　　 1.在第2章中，我們?cè)O(shè)計(jì)并合成了一種簡(jiǎn)易的探針芘甲酰肼(PZ)用于Cu2+的定量檢測(cè)。早在幾十年前，Cu2+能促進(jìn)酰肼的水解這一特性就已經(jīng)廣為人知，而這些信息很少被應(yīng)用于對(duì)Cu2+定量檢測(cè)的工作中。我們?cè)O(shè)計(jì)的探針PZ中，酰肼上的N原子對(duì)芘有著PET熒光淬滅機(jī)制，基于Cu2+特異性催化酰肼發(fā)生水解反應(yīng)還原為羧酸這一反應(yīng)原理，成功地禁阻了PET過程，實(shí)現(xiàn)了熒光增強(qiáng)。該探針對(duì)Cu2+具有很好的選擇性和靈敏度。在

4、pH=7.4，EtOH/HEPES(1∶1，v/v)的探針溶液中，加入Cu2+后可以觀察到明顯的熒光發(fā)射強(qiáng)度增強(qiáng)。該探針對(duì)Cu2+濃度的線性響應(yīng)范圍為5.0×10-8-1.0×10-6M，檢測(cè)限可達(dá)1.4×10-8M。
　　 2.在第3章中，我們?cè)O(shè)計(jì)并合成了兩個(gè)芘單體雙酰肼鍵連呫噸衍生物(DP)，成功地實(shí)現(xiàn)了對(duì)OCl-的比例型檢測(cè)。在該化合物中，兩個(gè)芘單體被一個(gè)剛性的呫噸結(jié)構(gòu)固定起來，在單分子內(nèi)形成一個(gè)芘的激基締合體，熒光上表現(xiàn)

5、為一個(gè)較長波長的熒光發(fā)射寬峰。而OCl-能夠選擇性地將雙苯酰肼氧化為雙苯酰亞胺，后者易于進(jìn)一步被親核性的溶劑（水）進(jìn)攻并發(fā)生水解。基于這個(gè)特異性反應(yīng)，探針DP能夠在OCl-的存在下發(fā)生氧化水解，芘單體分子被拆開分散于溶液中。495 nm處的長波長熒光發(fā)生減弱，同時(shí)伴隨著400 nm左右的熒光增強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)OCl-的比例型檢測(cè)，同時(shí)其他常見陰離子幾乎沒有任何干擾。
　　 3.在第4章中，相比于傳統(tǒng)較為復(fù)雜的合成方法，我們用溫和簡(jiǎn)單

6、的方法合成了硫原子成環(huán)的羅丹明B螺環(huán)衍生物(RS)。與常見的羅丹明內(nèi)酰胺螺環(huán)衍生物相比，我們使用一個(gè)硫原子來形成穩(wěn)定的螺環(huán)結(jié)構(gòu)對(duì)酸表現(xiàn)出一定的抗性，從而避免了常見的羅丹明內(nèi)酰胺衍生物遇酸容易開環(huán)的弊端。同常見的羅丹明內(nèi)酰胺螺環(huán)衍生物一樣，我們的硫原子螺環(huán)探針RS也是無色，無吸收，無熒光的。Hg2+的存在能夠結(jié)合硫原子，破壞螺環(huán)結(jié)構(gòu)并還原羅丹明的共軛體系，探針進(jìn)而發(fā)出強(qiáng)烈的熒光，由此實(shí)現(xiàn)了對(duì)Hg2+的檢測(cè)。此外，針對(duì)Hg2+獨(dú)特的強(qiáng)嗜硫性

7、，我們僅引用一個(gè)硫原子作為識(shí)別基團(tuán)，新探針在檢測(cè)Hg2+時(shí)具有很好的選擇性，且靈敏度非常高，檢測(cè)限達(dá)到2.5 nM。這些獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)使得我們的探針成功地應(yīng)用于Hg2+在活細(xì)胞中的成像，并得到滿意的結(jié)果，進(jìn)一步展示了其在環(huán)境和生物系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。
　　 4.在第5章中，我們?cè)O(shè)計(jì)和合成了一種新型的羅丹明硫代內(nèi)酰胺螺環(huán)衍生物(RT-3)，并將其用于水樣中Hg2+的檢測(cè)。探針中的硫代內(nèi)酰胺螺環(huán)極易俘獲Hg2+并形成一個(gè)碳正電中心，同時(shí)

8、Hg2+的靠近促使苯酚環(huán)去質(zhì)子化，形成的酚氧負(fù)離子具有很強(qiáng)的親核性，并隨之進(jìn)攻碳正電中心發(fā)生親核環(huán)化反應(yīng)，生成苯并惡唑環(huán)并打開羅丹明的內(nèi)酰胺螺環(huán)，此時(shí)羅丹明的共軛體系得到恢復(fù)，發(fā)射出強(qiáng)烈的熒光。該Hg2+觸發(fā)的多米諾催化過程具有很高的特異性，響應(yīng)非?？焖?，同時(shí)不易受到pH值變化的干擾，最重要的是該探針有著很高的靈敏度，對(duì)1.0×10-8-1.0×10-6 M的Hg2+表現(xiàn)出良好的線性范圍，檢測(cè)限達(dá)到3.0 nM。在進(jìn)行活細(xì)胞中Hg2+的

9、追蹤成像中，該探針已經(jīng)表現(xiàn)出了一定的定量效果，得到了令人滿意的分辨率。
　　 5.常規(guī)單熒光發(fā)射峰的探針在進(jìn)行應(yīng)用時(shí)易受到儀器誤差、環(huán)境變化以及人工誤差的干擾。而利用兩個(gè)發(fā)射峰強(qiáng)度的比值作為信號(hào)輸出的熒光共振能量轉(zhuǎn)移(FRET)比例型熒光探針則能夠很好的排除這些因素的干擾。因此在第6章中，我們?cè)O(shè)計(jì)并合成了基于熒光素-羅丹明的比例型熒光探針(FR)，并進(jìn)行了Zn2+的細(xì)胞成像初步應(yīng)用。該比例型探針熒光信號(hào)的變化是由特定的金屬離子誘

10、導(dǎo)羅丹明螺內(nèi)酰胺螺環(huán)開環(huán)（作為觸發(fā)），實(shí)現(xiàn)了分子內(nèi)熒光共振能量轉(zhuǎn)移。在該探針中，兩個(gè)熒光團(tuán)的發(fā)射峰有著較好的區(qū)分，很容易進(jìn)行分辨，解決了常見的波譜位移比例型探針發(fā)射光譜重疊的問題，更有利于兩個(gè)熒光信號(hào)變化的高分辨率觀測(cè)，同時(shí)也可以提供較為可觀的發(fā)射比例，從而提高對(duì)被分析物的檢測(cè)靈敏度。在優(yōu)化實(shí)驗(yàn)條件情況下，探針對(duì)2.0×10-7-2.0×10-5M的Zn2+表現(xiàn)出穩(wěn)定的響應(yīng)，檢測(cè)限為4.0×10-8 M。最重要的是，相比于傳統(tǒng)的Zn2+

11、探針經(jīng)常引用的雙（2-吡啶甲基）亞胺作為識(shí)別基團(tuán)，我們的新探針利用了一個(gè)全新的識(shí)別基團(tuán)，很好地解決了一般過渡金屬離子的干擾問題，同時(shí)具有可逆和快速響應(yīng)的優(yōu)點(diǎn)。
　　 6.在第7章中，我們?cè)O(shè)計(jì)合成了一種新型的香豆素-羅丹明衍生物探針(CR)，并表明可以使用跨鍵能量轉(zhuǎn)移(TBET)這種策略，來設(shè)計(jì)高效的能量轉(zhuǎn)移比例型熒光探針實(shí)現(xiàn)對(duì)被分析物的檢測(cè)。相比于常規(guī)FRET探針對(duì)給受體染料的波譜重疊要求，TBET在這一方面沒有嚴(yán)格地限制，這就

12、意味著有更多的給受體染料可供選擇來設(shè)計(jì)TBET比例型探針。為了證明這個(gè)概念，我們選擇Hg2+作為模型金屬離子來進(jìn)行研究。探針CR利用香豆素作為能量給體，羅丹明作為能量受體，在進(jìn)行光譜檢測(cè)時(shí)顯示出兩個(gè)完全區(qū)分的熒光發(fā)射峰，發(fā)射光譜位移達(dá)到110nm，能量轉(zhuǎn)移效率高達(dá)97.4％，信背比為697.7。同時(shí)該探針對(duì)Hg2+具有很高的靈敏度，檢測(cè)限達(dá)到7.0 nm，可直接用于對(duì)河水樣品中Hg2+的檢測(cè)以及活細(xì)胞中的Hg2+成像，得到的結(jié)果令人滿意