有机双光子材料的合成及其在生物荧光探针和光聚合中的应用

摘要

双光子吸收过程具有长波吸收短波发射、高度的三维空间选择性及大穿透深度等不同于单光子吸收的特点。因此，有机双光子材料及其应用技术的研究引起了国内外学者的兴趣，并取得了显著的进展。近年来，随着双光子荧光显微镜的商品化并成为生命科学家们的常用工具，双光子生物荧光探针的研究成为一个十分活跃的研究领域。与普适及共焦显微镜相比，双光子荧光显微镜在三维成像方面分辨率高，生物样品穿透深度大，并能有效避免光损伤。但双光子荧光探针研究的相对滞后限制了双光子荧光显微技术在生物学中的广泛应用。因此，寻求具有大的识别诱导双光子荧光活性吸收截面、高荧光量子产率和灵敏的识别响应性的双光子荧光探针具有重要的理论和实践意义。双光子光聚合是有机双光子材料应用的另一个研究热点，其具有高度空间选择“点”聚合能力、长波长激光引发及辐照光的穿透性好等优点，自1999年烯类单体的双光子聚合被发现以来，它在光开关制备、光子晶体、微机械及三维微加工等前沿领域得到了广泛的关注。对于双光子聚合反应，研究者们普遍认为其机理应属于自由基历程，但并没有得到有力的证实，因此，透彻了解双光子光聚合机理对设计高效率的光聚合引发剂、提高聚合反应的整体效率以及降低聚合反应光强阈值等都具有重要意义。
　　 本论文利用Heck、Vilsmeier和Knoevenagel缩合等反应合成了两类生物荧光探针：以咔唑、吲哚和吡咯为母体，合成了五个具有良好水溶性及双光子性能的呲啶盐化合物作为DNA探针；将醛基引入到以咔唑为母体的共轭体系中，制备了三个半胱氨酸探针。探针分子合成路线简单，易于操作。目标分子通过核磁共振谱、元素分析及质谱等手段进行了表征。
　　 本论文详细分析了化合物TMPC、THEPC、BMPI、BHEPI和BMPP在不同溶剂中的紫外吸收、单光子荧光光谱和双光子荧光光谱，并计算了它们的量子产率Ф双光子吸收截面δ和活性吸收截面Ф×δ，结果表明：TMPC、THEPC、BMPI和BHEPI在有机溶剂中的荧光性能远好于水中的性能，这意味着它们在细胞质中荧光很弱，而与DNA结合后荧光增强，可能成为“光开关”型的DNA探针；虽然BMPP在水与有机溶剂中的荧光性能差别不大，但其荧光性能却是最好的。
　　 通过ctDNA滴定实验，本文详细地研究了TMPC、THEPC、BMPI、BHEPI和BMPP与DNA的作用。紫外吸收滴定表明，在ctDNA浓度较低时，分子与DNA的结合方式为嵌插结合，浓度高时为沟槽结合：在荧光滴定中，随着ctDNA的加入，TMPC、THEPC、BMPI和BHEPI的荧光强度和峰位都有明显的变化，其双光子荧光强度分别提升了22倍、34倍、43倍和50倍，而BMPP峰位无太大变化，强度提升了3倍；结合单光子荧光滴定与Scatchard公式得到了TMPC、THEPC、BMPI、BHEPI和BMPP与ctDNA的结合常数，分别为2.7×106 L·mol-1、5.79×106 L·mol-1、2.06×106 L·mol-1、2.26×106 L·mol-1和4.36×105L·mol-1；在740-800nm范围内，考察了不同激发波长对结合DNA后探针的双光子性能的影响，确定了它们的双光子最佳激发波长，TMPC与BHEPI为780 nm；THEPC、BMPI和BMPP为790nm；利用参比法计算了TMPC、THEPC、BMPI、BHEPI和BMPP结合ctDNA后的量子产率Ф双光子吸收截面δ和活性吸收截面Ф×δ，其中Ф×δ分别为27.6、33.32、2.3、2.18和28.11 GM，均大于商品化的DNA探针DAPI(0.16GM)，与结合前相比，分别增大了14、25、34、37和3倍；五个分子结合DNA后都具有足够好的光稳定性。因此，五个分子都具有作为双光子DNA探针的潜在应用价值。对固定HeLa细胞的染色及成像结果表明：TMPC与THEPC能得到清晰的双光子荧光图像，可以精确地标记细胞核，应是一类有切实应用价值的双光子DNA荧光探针。
　　 本论文对半胱氨酸探针9E-PCAC、9E-ASCAC和9E-HSCAC的光谱性质及其与半胱氨酸的作用进行了初步探讨。9E-PCAC、9E-ASCAC和9E-HSCAC在苯、乙醇和水中的光谱性质表明它们对环境有很好的敏感性，在不同溶剂中的荧光强度及量子产率差别很大。在乙醇溶液中，加入半胱氨酸后，9E-PCAC、9E-ASCAC和9E-HSCAC的荧光强度增大非常明显，而在PBS缓冲液中基本没有变化，这表明三个分子可能是环境敏感性及“光开关”型的半胱氨酸探针。在乙醇中，9E-PCAC与半胱氨酸作用后，其最大吸收峰与最大荧光发射峰均红移近100 nm，量子产率为8.23％，而且具有良好的双光子性能，双光子吸收截面和活性吸收截面分别为227.55 GM和18.14 GM，因此，9E-PCAC可以通过峰位变化及荧光强度变化两种手段来探测半胱氨酸。9E-ASCAC和9E-HSCAC结合半胱氨酸后，荧光峰位并没有太大变化，但其荧光强度分别增大了42倍和120倍，它们会是理想的“光开关”型单光子半胱氨酸探针。此外，三个分子对半胱氨酸都具有很好的专一识别性，不会受到其它氨基酸特别是高半胱氨酸和谷胱甘肽的影响。考察了生理pH值对三个分子探针性能的影响：在pH=4-8范围内，pH值不会对其荧光性能产生太大影响，从而不会影响到其在生物细胞中的应用。对HeLa细胞活染色及细胞内荧光成像结果表明：三个分子都能进入活细胞染色，并能实现宽场成像，且9E-PCAC能得到清晰的双光子荧光成像，可以观测半胱氨酸的分布情况。因此，9E-PCAC、9E-ASCAC和9E-HSCAC应是具有实际应用价值的半胱氨酸探针，尤其是9E-PCAC，它在半胱氨酸双光子生物成像方面将会有很好的应用前景。
　　 在双光子光聚合方面，我们以已合成的双光子材料DBMB为引发剂，利用20倍的超长工作距离物镜，通过精密移动平台在800nm激发下制作了周期间距在15-200μm之间的高周期间距微结构。同时，我们对BDBAS/TMPTMA体系双光子光聚合机理进行了探讨。利用ESR技术，我们在BDBAS/TMPTMA体系中实时捕捉到明确的自由基信号，首次证实了双光子聚合的自由基机理。聚合体系的紫外吸收、单光子和双光子荧光性质表明BDBAS与TMPTMA之间存在能量转移，而当引发剂单独存在时，我们没有捕捉到明确的自由基信号，因此引发剂和单体间存在能量转移是在双光子辐照下产生自由基的必要条件。
　　 本论文对合成的两类双光子生物荧光探针、双光子光聚合制备高周期间距微结构及双光子光聚合机理进行了较为系统地研究，获得了一些有创新意义的研究成果，为进一步研究有机双光子材料在生物荧光探针和光聚合领域的应用奠定了基础。

目录

文摘

英文文摘

CONTENTS

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 双光子吸收的基本理论

1.3 双光子吸收材料概况

1.3.1 双光子吸收材料的特点

1.3.2 双光子吸收材料的应用

1.4 双光子光聚合技术

1.5 双光子荧光探针技术

1.5.1 双光子荧光显微技术

1.5.2 双光子荧光探针的设计原理

1.5.3 双光子荧光探针的研究概况

1.6 论文的研究意义及内容

参考文献

第二章 双光子生物荧光探针的设计、合成与表征

2.1 双光子生物荧光探针的设计

2.2 双光子探针的合成与表征

2.2.1 实验仪器与试剂

2.2.2 咔唑三阳离子盐类双光子DNA探针的合成

2.2.3 吲哚类双光子DNA探针的合成

2.2.4 吡咯类双光子DNA探针的合成

2.2.5 咔唑类半胱氨酸探针的合成

2.3 小结

参考文献

第三章 双光子DNA探针的光谱性质及其与ctDNA作用的研究

3.1 双光子DNA探针的光谱性质

3.1.1 测试仪器

3.1.2 探针分子在不同溶剂中的吸收光谱

3.1.3 探针分子在不同溶剂中的单光子荧光光谱

3.1.4 探针分子在不同溶剂中的双光子荧光光谱

3.1.5 探针分子在不同溶剂中的光谱性质小结

3.2 探针分子与ctDNA作用的研究

3.2.1 DNA浓度的测定

3.2.2 小分子与DNA的作用方式

3.2.3 紫外吸收滴定

3.2.4 诱导圆二色谱图

3.2.5 单光子荧光滴定

3.2.6 双光子荧光滴定

3.2.7 DNA存在下的光稳定性

3.2.8 探针在ctDNA存在下的光物理性质

3.3 探针在细胞中的双光子显微成像

3.4 小结

参考文献

第四章 半胱氨酸探针的初探

4.1 引言

4.2 探针在不同溶剂中的光谱性质

4.3 探针与半胱氨酸作用的体外测试

4.3.1 紫外吸收滴定

4.3.2 荧光滴定

4.3.3 探针与半胱氨酸反应后的光学数据

4.3.4 探针的选择性

4.3.5 pH值对探针性能的影响

4.4 探针在活细胞中的荧光成像

4.5 小结

参考文献

第五章 双光子光聚合及机理的研究

5.1 引言

5.2 双光子聚合制作大周期律的周期性结构

5.2.1 双光子聚合所用的材料和装置

5.2.2 双光子聚合步骤

5.2.3 周期性结构的制作

5.3 双光子聚合自由基机理的证实

5.3.1 聚合反应体系

5.3.2 仪器与设备

5.3.3 聚合体系的紫外光谱

5.3.4 聚合体系的单光子荧光光谱

5.3.5 聚合体系的双光子荧光光谱

5.3.6 实时捕捉双光子聚合自由基信号

5.3.7 双光子自由基聚合反应机理的探讨

5.4 小结

参考文献

第六章 全文总结与展望

6.1 论文总结

6.2 创新点

6.3 有待开展的工作

附录

致谢

攻读博士学位期间发表的论文及获得的奖励