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基于常见荧光染料的小分子荧光探针的设计、合成及性能研究

作　者: 曹孝卫
导　师: 林伟英
学　校: 湖南大学
专　业: 有机化学
关键词: 常见荧光团荧光探针香豆素罗丹明 BODIPY 花菁素
分类号: O621.13
类　型: 博士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

荧光探针是一种能够将分子间的作用关系转化成了荧光信号的工具，已经成为现代科学和医学领域，如：临床诊断，生物技术，分子生物学，生物化学，材料科学，分析和环境化学等，不可或缺的工具。香豆素，氟硼荧，罗丹明，花菁素等常见荧光染料由于优良的光学和生物性能，如：荧光量子产率高，光稳定性好，生物兼容性好等，已被广泛用作信号团荧光用于各种荧光探针的设计和合成中。随着荧光仪器和荧光成像技术的发展，荧光探针对目标物的实时在线以及空间分辨的检测功能使得荧光探针的优点更加突出，成为科学研究中的理想工具。利用常见荧光染料构建更多种类的荧光探针具有重要的意义。本论文以香豆素，罗丹明，氟硼荧，花菁素为荧光信号团，分别构建了以硫脲类物质，汞离子，氟离子，硫阴离子为目标物的荧光探针。具体内容如下：针对单官能团转移策略设计的荧光探针选择性差的问题，找到了利用双官能团转移策略设计高选择性荧光探针的方法。基于此策略，在香豆素染料上同时引入羰基和溴原子两个淬灭基团设计合成了第一个荧光增强的硫脲类探针。该探针对硫脲的检测具有很高的灵敏性和选择性，检测下限达到2.8×10-7M，而且能够检测实际环境水样与土样中的硫脲。机理研究表明，该探针与硫脲类物质作用，是通过Hantzsch’s反应生成噻唑类物质，同时移去了羰基和溴原子淬灭基团，实现了双官能团转移的目的，从而使得探针荧光增强。以上例子说明，双官能团转移策略能够用来构建更多的高选择性的荧光探针。基于汞离子的嗜硫性和亲炔性，将硫原子和炔基组成新的汞离子受体，以罗丹明染料为荧光团，设计和发展了一个新的不可逆汞离子荧光增强探针。该探针对汞离子的响应表现出荧光增强倍数大（140倍），选择性高，检测下限低，响应时间短等优点。对汞离子响应机理的初步研究表明，探针对汞离子的响应既有配位作用又有媒介催化作用。探针能够检测细胞内的汞离子说明该探针具有广泛的应用潜质。基于汞离子的嗜硫性和亲烯性，将硫原子和烯基组成新的汞离子受体，以罗丹明染料为荧光团，设计和发展了一个新的可逆汞离子荧光增强探针。该探针能在中性的几乎100%水环境中对汞离子进行可逆检测，并且具有高选择性和灵敏性,检测下限达到了27.5nM。同样的，该探针也能够能够对活细胞中的汞离子进行可逆检测。所以，该探针将具有更多的生物应用，硫原子和烯基官能构成的汞离子新配体也将用来发展更多的可逆汞离子荧光传感器。针对近红外荧光染料花菁素的荧光信号难以调节的问题，找出了利用替代置换机理调节其荧光信号的方法。花青素染料和铜离子配体8-氨基喹啉通过哌嗪连接，构建了第一个近红外荧光增强的硫离子荧光探针。该探针在水溶液环境中对硫离子选择性高，响应灵敏度高，以及适用于较广的pH值范围。这种基于过渡金属离子或者重金属离子淬灭近红外荧光的置换取代策略，将能够用于其它阴离子近红外荧光增强探针的设计。基于香豆素染料和氟硼荧染料分子内电荷转移趋势的特点，设计合成了香豆素氟硼荧新的杂化染料平台。以该新染料为荧光团进一步设计合成了氟离子比值荧光探针。该探针对氟离子响应具有紫外吸收光谱移动大（88nm），荧光比值信号增强倍数大(I472/I606=17.4)，选择性好等特点。密度泛函理论计算合理的解释了探针对氟离子响应的光谱行为。这具有分子内电荷转移信号调节机制的香豆素硼荧平台将能够用来开发更多的比值荧光探针。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-12
第1章绪论  12-40
  1.1 引言  12
  1.2 荧光分析原理  12-19
    1.2.1 荧光分析技术的发展概述  12-13
    1.2.2 荧光的产生原理  13-14
    1.2.3 荧光光谱特征  14
    1.2.4 荧光主要参数  14-15
    1.2.5 有机物荧光与结构的关系  15-18
    1.2.6 有机物荧光与外界环境的关系  18-19
  1.3 荧光探针  19-24
    1.3.1 荧光探针的设计原理  19-21
    1.3.2 信号传递机制  21-24
  1.4 常见染料的合成及应用  24-39
    1.4.1 香豆素  24-28
    1.4.2 罗丹明  28-31
    1.4.3 氟硼荧（BODIPY）染料  31-35
    1.4.4 花菁类染料  35-39
  1.5 本论文的研究工作  39-40
第2章基于香豆素染料的荧光增强硫脲类探针  40-59
  2.1 设计思路  40-41
  2.2 仪器与试剂  41-42
    2.2.1 仪器  41
    2.2.2 试剂  41-42
  2.3 实验方法  42-45
    2.3.1 目标探针的合成与表征  42-43
    2.3.2 探针对硫脲识别的荧光光谱检测  43-45
  2.4 结果与讨论  45-57
    2.4.1 探针光谱研究  45-50
    2.4.2 探针识别硫脲类物质的机理研究  50-56
    2.4.3 探针的应用研究  56-57
  2.5 小结  57-59
第3章基于罗丹明染料的不可逆汞离子荧光探针  59-78
  3.1 设计思路  59-60
  3.2 仪器与试剂  60
    3.2.1 仪器  60
    3.2.2 试剂  60
  3.3 实验方法  60-64
    3.3.1 目标探针的合成与表征  60-63
    3.3.2 探针对汞离子识别的荧光光谱检测  63-64
  3.4 结果与讨论  64-76
    3.4.1 探针光谱研究  64-70
    3.4.2 探针识别汞离子的机理探讨  70-75
    3.4.3 探针在细胞中的应用  75-76
  3.5 小结  76-78
第4章基于罗丹明染料的可逆汞离子荧光探针  78-91
  4.1 设计思路  78-79
  4.2 仪器与试剂  79
    4.2.1 仪器  79
    4.2.2 试剂  79
  4.3 实验方法  79-82
    4.3.1 目标探针的合成与表征  79-80
    4.3.2 探针对汞离子识别的荧光光谱检测  80-82
  4.4 结果与讨论  82-89
    4.4.1 探针光谱研究  82-86
    4.4.2 探针识别汞离子的机理探讨  86-89
    4.4.3 探针在细胞中的应用  89
  4.5 小结  89-91
第5章基于花菁素染料的硫离子近红外荧光增强探针  91-106
  5.1 设计思路  91-92
  5.2 仪器与试剂  92
    5.2.1 仪器  92
    5.2.2 试剂  92
  5.3 实验方法  92-96
    5.3.1 目标探针的合成与表征  92-94
    5.3.2 探针对硫离子识别的光谱检测  94-96
  5.4 结果与讨论  96-105
    5.4.1 探针识别光谱研究  96-103
    5.4.2 探针识别硫离子的机理研究  103-105
  5.5 小结  105-106
第6章基于氟硼荧香豆素杂化染料的氟离子比值探针  106-120
  6.1 设计思路  106-107
  6.2 仪器与试剂  107
    6.2.1 仪器  107
    6.2.2 试剂  107
  6.3 实验方法  107-110
    6.3.1 目标探针的合成与表征  107-109
    6.3.2 探针对氟离子识别的光谱检测  109-110
  6.4 结果与讨论  110-118
    6.4.1 探针光谱研究  110-115
    6.4.2 探针识别氟离子的机理研究  115-118
  6.5 小结  118-120
结论  120-122
参考文献  122-146
附录 A 攻读学位期间所发表的学术论文目录  146-147
附录 B 部分化合物的谱图  147-156
致谢  156

基于常见荧光染料的小分子荧光探针的设计、合成及性能研究

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