幾種基于激發(fā)態(tài)分子內質子轉移熒光探針的合成與應用.pdf

1、熒光探針具有操作簡便、高靈敏性、高選擇性、快速檢測、原位實時監(jiān)測等優(yōu)點，被廣泛應用在生物活性分子標記、環(huán)境分析、細胞染色和臨床醫(yī)學檢測診斷等許多方面。此外，與熒光成像技術相結合，熒光探針還能方便地用于生物體系中目標分析物的原位、適時、無損傷檢測，并可用于監(jiān)控活細胞中的生物分子及其生物過程。因此，分子熒光探針日益成為現(xiàn)代生命科學及疾病診斷等重要領域不可缺少的一種工具。
　　激發(fā)態(tài)分子內質子轉移(ESIPT)是指熒光分子受激發(fā)后，分子

2、內質子供體(-OH和-NH2)通過分子內氫鍵，轉移到鄰近的質子受體子(-NH-、-CHO)上，形成烯-醇互變異構體的過程。ESIPT化合物的吸收光譜和熒光發(fā)射光譜之間具有較大的Stokes位移，可有效消除因自吸收導致的熒光碎滅，從而大大提高了檢測精度。此外，通過合理設計，一些ESIPT機制的熒光探針可以實現(xiàn)對目標分析物“熒光比率”檢測，為環(huán)境因素的影響（儀器或者探針分子濃度）提供一個內置校正。因此，具有ESIPT性質的化合物是一類可用于

3、構建熒光探針的、理想的熒光基團。眾所周知，重金屬（汞離子）和過渡金屬（銅離子）是一類對環(huán)境和生物體系具有害或者有利的金屬離子;硫化氫是繼一氧化氮和一氧化碳之后生物體內第三大內源性氣體信號分子;亞硝酸鹽作為食品添加劑可以誘發(fā)一些健康問題。因此，開發(fā)一些識別性能更加優(yōu)越的熒光探針來檢測這些待測物（汞離子、銅離子、硫化氫和亞硝酸鹽）的含量以及它們在生物體內的分布，對環(huán)境保護、食品質量安全、疾病診斷和臨床醫(yī)學研究均有重要意義。本文的研究工作是合

4、成幾種具有高熒光量子產量、高穩(wěn)定性、大的斯托克斯位移、生物兼容性好、近紅外的ESIPT熒光基團并以此構建幾種ESIPT機制熒光探針，實現(xiàn)對汞離子、銅離子、硫化氫和亞硝酸鹽的熒光檢測，并將其成功用于環(huán)境、食品檢測和生物分析。主要研究內容和結果如下:
　　(1)以具有典型激發(fā)態(tài)分子內質子轉移(ESIPT)特征的有機小分子2-(1-對-甲苯基)-1H-菲并[9,10-D]咪唑-2-基）苯酚(Pol)為熒光基團，以對汞離子具有選擇性作用的

5、乙烯醚為識別基團，構建了一個Hg2+熒光探針Pvi。該探針通過Hg2+催化水解乙烯醚鍵，對Hg2+展現(xiàn)了比率熒光響應，同時熒光最大發(fā)生峰產生明顯的紅移(～100nm)，且其他金屬無干擾。其傳感機制通過熒光光譜、核磁共振和質譜分析進行了詳細的研究。在實際應用方面，我們成功地將探針Pvi用于環(huán)境水樣中汞離子檢測并進行活細胞成像分析，這些結果表明探針Pvi在環(huán)境科學以及生物醫(yī)學領域具有潛在的應用價值。
　　(2)合成了一種基于激發(fā)態(tài)分子

6、內質子轉移機制(ESIPT)“關-開”型硫化氫(H2S)熒光探針P-N3。探針與H2S作用后，產生較大的斯托克位移(～140 nm)和明顯的熒光變化。探針P-N3對H2S具有較高的靈敏性和選擇性，且不受其他生物巰基化合物的干擾。更重要的是，探針P-N3具有較好的細胞膜滲透性，能夠對活細胞中外源性H2S進行可視化，表明其在生物學領域具有潛在的應用價值。
　　(3)合成并了一個簡單可靠的亞硝酸鹽(NO2-)熒光探針，2-(1H-菲并[

7、9,10-d]咪唑-2-基)苯胺（PA)。該探針用高熒光量子產率的菲并咪唑衍生物作為熒光基團，氨基作為識別基團。在酸性介質中，亞硝酸鹽與探針分子上的氨基發(fā)生重氮化反應，隨后發(fā)生分子內環(huán)化反應產生苯并哌唑衍生物，熒光淬滅。其作用機理通過核磁，紅外光譜，空白對照試驗以及理論計算進行確證。該探針表現(xiàn)出低pH依賴性，能夠快速、高選擇性地識別亞硝酸鹽。在優(yōu)化的條件下，探針對亞硝酸鹽-的線性響應范圍為0.1-10μM，檢測下限為4.3×10-8M。

8、此外，探針PA成功應用于環(huán)境和食品樣品中亞硝酸鹽的檢測。
　　(4)通過在經(jīng)典的ESIPT熒光信號基團，2-(2'-羥基苯基)苯并噻唑上構建一個特異性的反應位點（縮硫醛片段）和一個絡合型的位點（苯并噻唑中的N和O原子），我們成功合成一個具有兩個反應位點的雙功能熒光探針2-(2-羥基-4-縮硫醛基)苯并噻唑(BT)。在沒有分析物的情況下，探針分子上的羥基與噻唑中的氮原子發(fā)生分子內質子轉移過程產生綠色熒光。由于汞離子能選擇性地催化縮硫

9、醛片段水解，降低整個分子的共軛程度，使熒光發(fā)生藍移，因此可以根據(jù)反應前后不同波長處熒光強度比值的變化實現(xiàn)對汞離子檢測。當加入銅離子后，銅離子可以與苯并噻唑中的N和O原子絡合，發(fā)生電子轉移，探針分子的熒光被淬滅。根據(jù)探針分子與汞和銅離子反應后產生不同的熒光信號，可以同時對這兩種金屬離子進行區(qū)分檢測。探針BT與汞和銅離子的響應機制通過核磁、質譜和空白對照實驗進行了確認。在分析實驗中，該探針能夠高選擇地區(qū)分汞和銅離子而不受其他離子的干擾，其檢

10、測這兩種金屬離子的下限達到了納摩爾級別。更為重要的是，探針BT能夠有效地區(qū)分識別活細胞中汞和銅離子，表明其在生物學中的應用潛力。
　　(5)以經(jīng)典的近紅外熒光基團二氰基甲烯基苯并四氫吡喃衍生物(簡稱1-OH)為原料，在羥基鄰位引入一個氫鍵受體醛基得到一個具有分子內氫鍵作用的二氰基甲烯基苯并四氫呋喃衍生物(簡稱1-OH-CHO)。與傳統(tǒng)的熒光基團1-OH相比，修飾后的1-OH-CHO具有更高的量子產率、較強的熒光穩(wěn)定性、更大的斯托克