幾種新型熒光分子探針的合成及性能研究.pdf

1、本論文研究分為兩個階段。第一階段是在湖南大學“985”專項基金項目平臺下重點研究了有機熒光分子探針的設(shè)計合成及性能研究；第二階段是在國家留學基金委高水平大學研究生聯(lián)合培養(yǎng)項目平臺下重點研究了納米熒光探針的合成、性能研究及在生物醫(yī)學上的應用。第一部分：幾種基于DPA基團的有機熒光分子探針的設(shè)計、合成及性能研究在第一部分中，首先概述了熒光探針研究的歷史、現(xiàn)狀和最新進展，探討了這類電子轉(zhuǎn)移反應的實際應用。分子熒光具有許多特殊性質(zhì)，比如靈敏度高

2、、響應快、可以在單分子水平上和遠距離監(jiān)測、易于實現(xiàn)人-分子之間的聯(lián)系等等。同其它材料相比，有機分子有更好的可設(shè)計性和可裁接性，因此新型有機分子熒光探針的開發(fā)研究已成為人們關(guān)注的熱點，設(shè)計、合成性能優(yōu)異的有機分子是開發(fā)研究中的重要組成部分。我們不僅充分探討了設(shè)計熒光分子探針時所遵循的原則性，而且更進一步強調(diào)了合成的簡便性和易于向多種領(lǐng)域衍生的可能性。鑒于目前人們生活中對金屬離子檢測的迫切需要，由此本論文確定的研究目標是發(fā)展高量子產(chǎn)率的熒光

3、分子探針并探討它在多個領(lǐng)域的應用。本部分主要通過有機偶聯(lián)的方法設(shè)計合成了幾種化學熒光探針，研究了它們對不同金屬離子檢測的選擇性以及檢測的靈敏度。
　　 (1)芘是一種具有強熒光活性的芳香烴有機物，熒光特性和光敏感性在光化學反應中起著重要作用。同時它易于合成多種衍生物，通過胺化還原反應連接DPA基團，有助于整個熒光分子探針的親水性質(zhì)。對于一個熒光分子探針而言，DPA基團的鏈狀敞開式結(jié)構(gòu)使它能夠快速與金屬離子絡(luò)合，保證檢測的實時性。

4、不僅便于分子在水溶液中的應用，而且為分子探針的進一步衍生和固載提供了反應活性基團，將有可能固載于聚酯、聚醚、烯烴共聚物上做成傳感器器件。設(shè)計合成了一種基于PET 過程作用原理的芘型DPA 熒光分子探針。作為表征介質(zhì)極性的熒光探針，能夠快速與金屬離子絡(luò)合，保證檢測的實時性。在300 nM的檢測水平上，對于熒光探針分子Zn2+和Cd2+明顯要優(yōu)于其它金屬離子溶液，在Zn2+為0～0.40μM 范圍內(nèi)的檢測限達到0.26 μg/L，并對Zn2

5、+擁有良好的單一選擇性響應。同時該熒光分子探針對pH值的不敏感性，可避免生物體受到外界刺激后引起pH值變化，有應用于生物體系的發(fā)展前景。(2)二苯乙烯由于具有較好的平面性、共軛性而成為常見的共軛橋，根據(jù)其特點設(shè)計的熒光分子探針將具備分子相對較小，既有親脂性又有親水性，有在各種不同環(huán)境檢測中進行測定的可能。通過設(shè)計期望這種探針分子能夠克服傳統(tǒng)有機熒光分子探針水溶性不好、工作光譜不在可見光區(qū)、選擇性不高的缺點。設(shè)計合成了一種基于ICT過程的

6、二苯乙烯型DPA熒光探針分子。斯托克斯位移較大（74～130 nm），可避免吸收光譜干擾發(fā)射光譜，從而提高測試的靈敏度與準確性。在DMSO/H2O(10/90，v/v)和MeCN/H2O(10/90，v/v)體系中Cu2+和Cu+表現(xiàn)了對該熒光探針分子優(yōu)良的靈敏度，在Cu2+為0～0.50 μM范圍檢測限達到25 nM，并對銅離子擁有良好的單一選擇性響應，使熒光分子傳感與檢測真正成為一類常規(guī)的水質(zhì)檢測技術(shù)。
　　 (3)含有雜原

7、子的苯并噻唑作為一類電致發(fā)光材料顯示了獨特的優(yōu)勢，同時其結(jié)構(gòu)易于調(diào)整，可以通過引入雙鍵、苯環(huán)等不飽和基團、以及各種生色團來改變共軛程度。改變材料的發(fā)光波長，其發(fā)光波長可以覆蓋整個可見光范圍，從而能衍生出更多的熒光分子探針結(jié)構(gòu)來。設(shè)計合成了一種基于ICT 過程的苯并噻唑型DPA 熒光探針分子。在MeCN/H2O(10/90，v/v)體系中Sn2+和Fe3+表現(xiàn)了對該熒光探針分子優(yōu)良的熒光猝滅效果，在Sn2+為0～0.50 μM 范圍內(nèi)檢測

8、限達到134 nM，并對Sn2+擁有良好的單一選擇性響應。這種熒光分子探針的開發(fā)具有較好的應用價值和發(fā)展前景。
　　 (4)異維A酸是一種含芳香環(huán)的單雙鍵交替的π共軛體系藥物分子，存在著單雙鍵交替結(jié)構(gòu)的異變性，但是該分子的缺點是共軛的萜烯鏈結(jié)構(gòu)末端缺少熒光團的存在，同時分子的共平面性和共軛程度也不甚理想。另外，傳統(tǒng)的炔鍵形成往往要涉及到羧基保護與脫保護步驟，而研究出一種新型無銅Sonogashira偶聯(lián)方法用于直接偶聯(lián)鹵代芳香羧

9、酸與端炔分子，將能大大簡化反應流程，提高合成效率。
　　 通過不同底物的選擇，拓展了在無銅Sonogashira反應條件下將鹵代芳香羧酸與端炔的直接偶聯(lián)。具有操作簡單、產(chǎn)率高的優(yōu)點，同時反應后處理方便，產(chǎn)物的分離和純化也簡單易行。并將反應底物進一步得以拓展，實現(xiàn)了乙炔型維A酸類藥物分子和乙炔型DPA熒光分子探針的合成，表現(xiàn)出該體系良好的應用前景。同時設(shè)計合成了以異維A酸結(jié)構(gòu)為底物，連接DPA分子形成一個類似PET過程的結(jié)構(gòu)分子，

10、考察結(jié)構(gòu)特點對熒光探針分子的影響。其較強的紫外吸收能力得以保留，但金屬離子的加入也不能引起化合物發(fā)生電子躍遷，同時紫外吸收波長保持穩(wěn)定，通過吸收光譜的檢測無法來識別金屬離子。合成過程中得到了一個化合物單晶，并通過了X射線單晶衍射解析。第二部分：量子點的合成與納米熒光探針的研究在第二部分中，量子點作為一種新型熒光探針，與傳統(tǒng)熒光染料相比，具有許多優(yōu)良的光學性質(zhì)，已在分子生物學、細胞生物學、醫(yī)學等研究領(lǐng)域獲得廣泛應用。相對于傳統(tǒng)的有機熒光染

11、料,大小均勻的半導體量子點發(fā)射光譜窄且具有尺寸調(diào)諧特性、用單個波長即可激發(fā)不同的量子點、熒光量子產(chǎn)率高、穩(wěn)定性好和具有很好的生物相容性等優(yōu)點。針對當前有機溶劑中合成量子點仍然存在反應條件苛刻反應溫度高、原料金屬有機化合物易燃、易爆、毒性大和溶劑昂貴等缺點采用改進的綠色化學合成方法制備出了高熒光產(chǎn)率的分散性好的半導體量子點，研究了反應時間反應溫度以及反應溶劑對量子點生長情況及性能的影響。與傳統(tǒng)的有機熒光探針相比，表面充分鈍化的量子點具有激

12、發(fā)光譜寬，發(fā)射光譜窄且對稱分布，最大發(fā)射波長位置可調(diào)，不易光解的特點，因此可以作為熒光探針對生物樣品和細胞進行成功染色。若表面未加充分鈍化，則量子點的熒光特性對周圍環(huán)境的變化非常敏感，這是此類熒光探針檢測無機離子、蛋白質(zhì)、DNA的理論基礎(chǔ)。
　　 (5)微波輻射法由于快速、簡便、高效、綠色等優(yōu)點，近年來被廣泛的應用于有機合成的加速反應和無機納米材料的合成。采用微波輻射法，在低溫條件下（50℃～140 ℃），以甘油作為良好傳熱介質(zhì)

13、，柴油作為溶劑，油酸作為配體，沒有使用有劇毒的TOPO作為配體，快速合成了CdSe量子點?？疾炝嗽诓煌瑴囟?、不同反應時間、不同配比、不同微波功率條件下量子點光學性能的變化規(guī)律。所合成的量子點具有良好的光學性能，量子產(chǎn)率最高可達70 ％，發(fā)射峰半峰寬最小在28nm。
　　 該方法進一步降低了原料成本，簡化了實驗工藝，實現(xiàn)了環(huán)境友好綠色合成，進一步促進了CdSe量子點合成工藝的發(fā)展和生物上的應用。
　　 (6)利用羧基與Cu

14、2+離子之間的配位作用，合成了基于聚合物Mao-mPEG包覆的水溶性CdSe/CdS型核殼量子點作為熒光探針。在其它金屬離子共存的情況下能高選擇性的定量測定Cu2+，在Cu2+為0～0.5 μM范圍內(nèi)得出量子點熒光探針的檢測限達到16 nM，建立了熒光猝滅效應測定Cu2+離子的新方法，并從機理上闡釋了量子點熒光猝滅的原因。選擇發(fā)射波長為595 nm的量子點探針作為研究對象，可以有效的消除潛在的生物應用上的干擾，使生物樣品和細胞實體分析成