短波長菁染料的合成、性質(zhì)及其在生物醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用研究.pdf

1、菁染料是一類重要的功能性染料，它們被廣泛應(yīng)用于照相材料光譜增感劑、光盤存儲介質(zhì)、太陽能電池光敏劑、pH探針、非線性光學(xué)材料等領(lǐng)域中。特別短波長菁染料具有可穿過細(xì)胞膜、無毒、不干擾細(xì)胞的正常生理功能、對核酸(DNA/RNA)有較強(qiáng)的親和性等優(yōu)點，在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用得到了廣泛的關(guān)注，例如應(yīng)用于凝膠電泳中染色DNA、DNA測序、流式細(xì)胞儀、活細(xì)胞成像、生物大分子的標(biāo)記等。目前商品化的膜通透性活細(xì)胞熒光探針種類有限，應(yīng)用范圍有限，且價格昂貴，

2、還無法在國內(nèi)臨床分析上普及，極大限制了其在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用，為了拓寬活細(xì)胞熒光探針的種類及應(yīng)用范圍，尋找性能優(yōu)良的熒光探針，本文以短波長菁染料作為合成目標(biāo)，將其作為熒光染色劑應(yīng)用于細(xì)胞成像和流式細(xì)胞術(shù)中，探討其作為活細(xì)胞熒光探針的可能性。本文介紹了菁染料的結(jié)構(gòu)特點、性質(zhì)特征、應(yīng)用研究以及近些年來短波長二甲川菁染料、苯乙烯半菁染料及一次甲基份菁染料的合成進(jìn)展，主要研究內(nèi)容有以下幾個方面：
　　 1.采用微波無溶劑方法合成了七種新

3、型含吲哚核的二甲川菁染料，其中六種未見文獻(xiàn)報道，通過元素分析、1HNMR、IR、UV-Vis對產(chǎn)物進(jìn)行了結(jié)構(gòu)表征。根據(jù)微波輻射功率和時間，討論了雜環(huán)季銨鹽與吲哚甲醛的反應(yīng)活性，結(jié)果表明：雜環(huán)季銨鹽的反應(yīng)活性順序為：喹啉季銨鹽≈2-甲基吡啶季銨鹽≈4-甲基吡啶季銨鹽＞萘噻唑季銨鹽≈苯并噻唑季銨鹽＞苯并吲哚季銨鹽＞苯并咪唑季銨鹽。研究了染料的紫外-可見吸收和熒光光譜性質(zhì)，結(jié)果表明：染料在甲醇中的最大吸收波長位于376.0～484.0nm范圍

4、，摩爾消光系數(shù)為1.8×104～5.7×104L·mol-1cm-1，其熒光發(fā)射波長位于512.6～548.6nm之間，熒光量子產(chǎn)率為0.0018～0.0285，具有53.6～104.6nm的斯托克位移值。染料的吸收波長和雜環(huán)堿性具有一定的關(guān)系，最大吸收波長隨雜環(huán)核的堿性減小而增大。研究了染料最大吸收波長和溶劑介電常數(shù)的關(guān)系，結(jié)果表明，隨著溶劑介電常數(shù)的增大，染料的最大吸收波長藍(lán)移。
　　 2.采用微波無溶劑方法和常規(guī)合成方法合

5、成了十三種含喹啉核的二甲川菁染料，均未見文獻(xiàn)報道，通過元素分析、1HNMR、IR、UV-Vis對產(chǎn)物進(jìn)行了結(jié)構(gòu)表征。研究了不同的取代基對季銨鹽反應(yīng)活性的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：取代基的給電子能力的增強(qiáng)，有助于反應(yīng)進(jìn)行，并且對于相同的取代基而言，6位取代的染料較7位取代的易合成，且產(chǎn)率也相對較高。利用紫外-可見光譜和熒光光譜技術(shù)研究了單純?nèi)玖?、染料與DNA、BSA在生理條件下的相互作用，探討其作為DNA、BSA熒光探針的可能性。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：此類染料

6、對DNA具有較好的親和性，當(dāng)染料與DNA相互作用后，熒光強(qiáng)度劇增，熒光量子產(chǎn)率最高增大了68.8倍。
　　 3.采用三組份一鍋法反應(yīng)，合成了四種含異噁唑酮核一次甲基份菁染料，其中三種產(chǎn)物未見文獻(xiàn)報道，并利用元素分析、1HNMR、IR和UV-Vis對其進(jìn)行了結(jié)構(gòu)表征。此類染料在甲醇中的最大吸收波長位于417.0～429.0nm范圍，摩爾消光系數(shù)在3.3×104～4.5×104L·mol-1cm-1，其熒光最大發(fā)射波長位于476.0

7、～511.6nm之間，具有59.0～82.6nm的斯托克位移值，熒光量子產(chǎn)率值為0.0008～0.0024。利用X射線單晶衍射技術(shù)對四種染料分子的晶體結(jié)構(gòu)和空間堆積方式進(jìn)行了表征和解析。
　　 4.在B3LYP/6-31G*和PBE1PBE/6-31G*水平上分別對七種含吲哚核二甲川菁染料進(jìn)行了理論研究。采用極化連續(xù)模型PCM考慮了溶劑效應(yīng)對吸收光譜的影響，結(jié)果表明：PBE1PBE/6-31G*(PCM)方法更能準(zhǔn)確預(yù)測染料的吸

8、收光譜性質(zhì)。通過部分二面角參數(shù)和染料的熒光量子產(chǎn)率，說明了染料分子的剛性平面越強(qiáng)，共軛體系越大，則熒光強(qiáng)度就越大。染料的最低能級電子躍遷屬于HOMO到LUMO的冗→冗*躍遷，具有最大的諧振強(qiáng)度，并且從分子軌道圖分析得出HOMO→LUMO的電子躍遷源于分子內(nèi)部的電荷轉(zhuǎn)移。
　　 應(yīng)用CIS/PCM方法在S1優(yōu)化構(gòu)型的基礎(chǔ)上，研究了七種含喹啉核二甲川菁染料的熒光發(fā)射光譜性質(zhì)，結(jié)果表明：計算所得的λem與實驗值的相對偏差為1.7％，此

9、方法可以用來預(yù)測染料的最大發(fā)射光譜。使用Swizard軟件計算出了含喹啉核二甲川菁染料的摩爾消光系數(shù)，并且通過計算模擬擬合的吸收光譜圖與實驗光譜圖基本一致。
　　 5.將設(shè)計、合成的二十種短波長菁染料作為熒光染色劑應(yīng)用于H929骨髓瘤細(xì)胞和精子細(xì)胞的熒光顯微成像技術(shù)中，結(jié)果表明：染料A8、A11、A28和A31在終濃度為1uM～5uM時表現(xiàn)出優(yōu)良的熒光性能，并且具有膜通透性、無毒、不干擾細(xì)胞的正常生理功能、熒光背景干擾小、無光漂