基于香豆素、萘等衍生物的新型荧光探针的设计合成与应用研究

【摘要】在生命体系中,一些阳离子、阴离子以及生物分子参与了各种生理或病理过程。为了更好的研究并理解它们在生理和病理上的作用及影响,发展有效的检测方法已经成为了当前的研究热点。荧光分子探针凭借其高灵敏度、无损伤样品的制备、快速实时的原位检测等优点引起了人们的极大关注,被广泛应用于分析化学、生物化学、生物学以及医学等研究领域。本论文基于香豆素、罗丹明、萘等衍生物设计合成了一系列应用于生命活动密切相关的阳离子、生物分子检测的荧光探针。具体内容如下：1.在第2章中,基于苯硫酚与2,4-二硝基苯基醚的特异性硫解反应我们设计合成了基于香豆素衍生物的荧光探针T-CM,实现了对苯硫酚的高灵敏度检测。我们通过在7-羟基香豆素的酚羟基上引入2,4-二硝基苯基醚基团,抑制香豆素荧光基团的ICT进程,从而导致其荧光猝灭。当苯硫酚与探针T-CM发生硫解反应后,生成了7-羟基香豆素,荧光显著增强。该探针具有较好的选择性和灵敏度,其对苯硫酚的线性响应范围为3.0×10–2.5×10-6M,检测下限可达8×10-9M。同时,我们将探针T-CM用于实际水样品中苯硫酚的检测,也取得了令人满意的结果。2.研究表明次硝酸(HNO)与很多重要的生理与病理活动相关,发展有效的次硝酸检测方法对于更好地了解其生理及病理作用显得尤为重要。目前,针对次硝酸检测的荧光探针报道不多,而且它们大多数存在选择性差的问题,易受到其他生物还原物质(谷胱甘肽,抗坏血酸等)的干扰。在第3章中,我们利用次硝酸与三苯基膦的特异性反应,设计合成了一个基于香豆素衍生物的荧光探针P-CM,实现了对次硝酸(HNO)的定量检测。该探针对次硝酸表现出很好的选择性和灵敏度,生物相关的活性氧、活性氮、金属离子对其无明显干扰。尤其值得指出的是,探针P-CM能够很好地抵抗其他生物还原性物质(谷胱甘肽、抗坏血酸、硫化氢等)的干扰。探针P-CM对次硝酸的线性响应范围为5.0×10-8-5.0×10-6M,检测下限可达2.0×10-8M,并成功实现了小牛血清样品中次硝酸的检测。3.在真核细胞中,溶酶体含有大量表现出不同活性和功能的酶和蛋白质。溶酶体的pH值一般为4.5-5.5,该pH值的异常会对溶酶体功能造成损害。因此,为了更好地了解溶酶体中的各种生理和病理作用,对细胞溶酶体的pH值进行研究显得尤为重要。在第4章中,我们设计合成了罗丹明-吗啉结构的pH值荧光探针RM,并将其应用于溶酶体pH值的成像研究。探针RM显示出较高的灵敏度和选择性,具有较好的光稳定性,且无明显细胞毒性。在pH7.4-4.5的响应范围内,探针RM的荧光强度增强140倍,pKa值为5.23。更重要的是,我们通过探针RM成功实现了氯喹诱导的溶酶体pH增加以及细胞凋亡导致的溶酶体pH变化的实时监测。所有这些结果表明了探针RM在生物体系中的实际应用价值。4.四苯乙烯等聚集诱导发光(AlE)染料具有与传统染料不同的荧光发射机制(AlE染料溶解分散时,无明显荧光发射；聚集后,荧光显著增强),常被用来构建各种增强型荧光探针。在第5章中,我们设计合成了一个基于AlE机理的增强型铝离子荧光探针TA。该探针以四苯乙烯作为荧光基团,以二乙烯三胺作为识别基团,对A13+显示出较好的灵敏度和选择性。当加入1.1当量的A13+后,探针荧光强度增强32倍。探针TA对A13+的线性响应范围为2.0×10-6-1.1×10-5M,检测下限可达5×10-7M,常见的金属离子对A13+的检测均无明显干扰。我们利用动态光散射仪以及紫外-可见吸收光谱验证了探针对A13+的AlE响应机理,并进一步通过Job法证实了探针TA与A13+是以1：1形式络合的。5.双光子荧光成像技术是通过频率及能量更低的(波长较长)双光子作为激发光源去激发双光子荧光染料实现的。该技术具有更好的三维空间定位能力,更深的组织穿透能力(>500nm),有利于长时间深层次地观测组织内的生物动态信息。因此,双光子荧光探针相对于单光子荧光探针在生物成像方面有着突出的优势。在第6章中,我们选择具有D-π-A结构的萘衍生物作为双光子荧光基团,利用H2S特异性还原叠氮基团的性质,设计合成了一个新型的H2S双光子荧光探针NHS1。相对于以往报道的双光子硫化氢探针,探针NHS1对硫化氢表现出明显的单光子以及双光子荧光增强响应,提高了硫化氢检测的灵敏度,检测下限可达20nM。同时,该探针具有较宽的线性响应范围(0.1-5μM)以及较好的选择性。更重要的是,我们将探针NHS1用于细胞内的H2S的双光子成像研究,取得了令人满意的结果,表明了该探针在生物体系中的实际应用价值。
【作者】毛国江；
【导师】张晓兵；
【作者基本信息】湖南大学，分析化学，2014，博士
【关键词】荧光分子探针；香豆素；萘；罗丹明；四苯乙烯；双光子；聚集诱导发光；硫化氢；次硝酸；

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