化学反应型光诱导电子转移荧光探针：合成、性质及应用

摘要

生物体内存在多种游离物质，如小分子、自由基、离子、多肽、酶等，他们具有非常重要的生理作用；因此，对以上物质的有效检测对疾病的诊断、治疗和机理的研究显得尤为重要。过去几十年间多种传感测试手段被发展并应用于这些物质的有效、高灵敏度和高选择性检测，如毛细管电泳分离分析法、高效液相色谱法、气相色谱-质谱分析法、纳米粒子检测法、紫外-可见吸收光谱法、荧光光谱法等。基于荧光探针的荧光光谱法和荧光成像传感具有独特的优势，包括：1）快速、灵敏；2）无损探测；3）信号直观易读等。荧光方法的核心在于荧光发色团，即荧光探针。在长期的荧光传感检测实践中人们发现，高效荧光探针应具有以下特点：更好的选择性；更低的检测限；更高的灵敏度；更完善的形态分析；更快的分析速度；更好的生物相容性等。
　　目前，荧光探针的检测机制包括荧光增强（turn-on）、荧光淬灭（turn-off）和荧光共振能量转移（FRET）等。这些方法各有特色，多数利用的是特定荧光发色团荧光强度变化来进行定性或定量分析，且需要进行特定的标记，否则其选择性较差。发展新的检测机制，利用特殊的反应实现高选择性检测，将是一个新的挑战和机遇。在文献调研中，我们发现具有donor-acceptor（D-A）结构的有机共轭分子因分子内能量传递，其光吸收和发射通过激发态能级变化实现，表现为（光诱导电子转移）PET特性。然而，这类分子独特的荧光特性较少被利用于构建高效、选择性高的荧光探针。基于以上认识，我们拟定本论文的课题设计思想:构筑D-A共轭结构、利用具有点击化学特性的反应来实现选择性的检测，探针分子化学反应前后D-A结构变化形成光谱信号变化(光诱导电子转移，PET过程)。
　　在充分考虑以上三方面，本论文拟分别对一氧化氮（NO）、半胱氨酸（Cys）和过氧化氢（H2O2）设计三类不同的共轭有机分子荧光探针，研究其传感特性，从而建立三种传感体系，为今后更广泛范围内实现多种生物物质传感检测的探针开发和利用奠定基础。本论文主要包括以下三个方面：
　　（1）基于芴-邻苯二胺-芴结构的NO探针。通过Suzuki偶联反应，实现探针的合成，并对其结构、光物理性质进行表征确认。结果表明探针对于体外及生物体内一氧化氮都有很好的响应。此探针还具有很高的灵敏度和专一性，与NO作用后，其最大吸收和发射波长均表现明显的红移，同时强度也有相应变化。通过飞行时间质谱的表征，验证了荧光探针设计的合理性与可行性：当探针分子遇到一氧化氮后，芳香邻二氨基与NO分子发生分子内环化成三唑结构，从而使富电子的芳香胺转变成弱给电子性特性，荧光显著增强，因而能够对一氧化氮进行特异性的识别。
　　（2）设计合成了一种反应型半胱氨酸分子探针，并对其结构及光物理性质进行表征确认。由于氨基的吸电子影响，该探针几乎没有荧光，随着半胱氨酸的加入，探针中的马来酰亚胺与半胱氨酸发生迈克尔加成反应，PET过程被破坏，探针分子的荧光明显增高至134.7倍。该探针对半胱氨酸具有高度识别性且不受其他氨基酸的影响，实现了对半胱氨酸的高度、灵敏选择性的检测。
　　（3）以苝酰亚胺为荧光团，硼酸酯为识别基团设计了一种过氧化氢荧光分子探针。但是，反应合成的产物未能纯化出来，与设计实验时的预期结果是不相符的。因此，实验方案有待改进以期获得满意的结果。

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第一章 绪论

1.1荧光传感技术

1.2荧光分子探针的构成

1.3荧光探针的传感机制

1.4荧光探针分类

1.5论文研究意义及主要内容

第二章 基于PET过程的一氧化氮反应型荧光探针

2.1分子设计

2.2实验部分

2.3结果与讨论

2.4本章小结

第三章 基于PET过程的半胱氨酸反应型荧光探针

3.1分子设计

3.2实验部分

3.3结果与讨论

3.4本章小结

第四章 基于PET过程的过氧化氢反应型荧光探针

4.1分子设计

4.2实验部分

4.3 结果与讨论

4.4本章小结

第五章 总结与展望

5.1总结

5.2展望

参考文献

附录1 攻读硕士学位期间撰写的论文

附录2 攻读硕士学位期间申请的专利

附录3 攻读硕士学位期间参加的科研项目

致谢