幾種新型熒光分子探針的合成及性能研究.pdf

1、本論文研究分為兩個(gè)階段。第一階段是在湖南大學(xué)“985”專項(xiàng)基金項(xiàng)目平臺下重點(diǎn)研究了有機(jī)熒光分子探針的設(shè)計(jì)合成及性能研究；第二階段是在國家留學(xué)基金委高水平大學(xué)研究生聯(lián)合培養(yǎng)項(xiàng)目平臺下重點(diǎn)研究了納米熒光探針的合成、性能研究及在生物醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用。第一部分：幾種基于DPA基團(tuán)的有機(jī)熒光分子探針的設(shè)計(jì)、合成及性能研究在第一部分中，首先概述了熒光探針研究的歷史、現(xiàn)狀和最新進(jìn)展，探討了這類電子轉(zhuǎn)移反應(yīng)的實(shí)際應(yīng)用。分子熒光具有許多特殊性質(zhì)，比如靈敏度高

2、、響應(yīng)快、可以在單分子水平上和遠(yuǎn)距離監(jiān)測、易于實(shí)現(xiàn)人-分子之間的聯(lián)系等等。同其它材料相比，有機(jī)分子有更好的可設(shè)計(jì)性和可裁接性，因此新型有機(jī)分子熒光探針的開發(fā)研究已成為人們關(guān)注的熱點(diǎn)，設(shè)計(jì)、合成性能優(yōu)異的有機(jī)分子是開發(fā)研究中的重要組成部分。我們不僅充分探討了設(shè)計(jì)熒光分子探針時(shí)所遵循的原則性，而且更進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)了合成的簡便性和易于向多種領(lǐng)域衍生的可能性。鑒于目前人們生活中對金屬離子檢測的迫切需要，由此本論文確定的研究目標(biāo)是發(fā)展高量子產(chǎn)率的熒光

3、分子探針并探討它在多個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用。本部分主要通過有機(jī)偶聯(lián)的方法設(shè)計(jì)合成了幾種化學(xué)熒光探針，研究了它們對不同金屬離子檢測的選擇性以及檢測的靈敏度。
　　 (1)芘是一種具有強(qiáng)熒光活性的芳香烴有機(jī)物，熒光特性和光敏感性在光化學(xué)反應(yīng)中起著重要作用。同時(shí)它易于合成多種衍生物，通過胺化還原反應(yīng)連接DPA基團(tuán)，有助于整個(gè)熒光分子探針的親水性質(zhì)。對于一個(gè)熒光分子探針而言，DPA基團(tuán)的鏈狀敞開式結(jié)構(gòu)使它能夠快速與金屬離子絡(luò)合，保證檢測的實(shí)時(shí)性。

4、不僅便于分子在水溶液中的應(yīng)用，而且為分子探針的進(jìn)一步衍生和固載提供了反應(yīng)活性基團(tuán)，將有可能固載于聚酯、聚醚、烯烴共聚物上做成傳感器器件。設(shè)計(jì)合成了一種基于PET 過程作用原理的芘型DPA 熒光分子探針。作為表征介質(zhì)極性的熒光探針，能夠快速與金屬離子絡(luò)合，保證檢測的實(shí)時(shí)性。在300 nM的檢測水平上，對于熒光探針分子Zn2+和Cd2+明顯要優(yōu)于其它金屬離子溶液，在Zn2+為0～0.40μM 范圍內(nèi)的檢測限達(dá)到0.26 μg/L，并對Zn2

5、+擁有良好的單一選擇性響應(yīng)。同時(shí)該熒光分子探針對pH值的不敏感性，可避免生物體受到外界刺激后引起pH值變化，有應(yīng)用于生物體系的發(fā)展前景。(2)二苯乙烯由于具有較好的平面性、共軛性而成為常見的共軛橋，根據(jù)其特點(diǎn)設(shè)計(jì)的熒光分子探針將具備分子相對較小，既有親脂性又有親水性，有在各種不同環(huán)境檢測中進(jìn)行測定的可能。通過設(shè)計(jì)期望這種探針分子能夠克服傳統(tǒng)有機(jī)熒光分子探針?biāo)苄圆缓?、工作光譜不在可見光區(qū)、選擇性不高的缺點(diǎn)。設(shè)計(jì)合成了一種基于ICT過程的

6、二苯乙烯型DPA熒光探針分子。斯托克斯位移較大（74～130 nm），可避免吸收光譜干擾發(fā)射光譜，從而提高測試的靈敏度與準(zhǔn)確性。在DMSO/H2O(10/90，v/v)和MeCN/H2O(10/90，v/v)體系中Cu2+和Cu+表現(xiàn)了對該熒光探針分子優(yōu)良的靈敏度，在Cu2+為0～0.50 μM范圍檢測限達(dá)到25 nM，并對銅離子擁有良好的單一選擇性響應(yīng)，使熒光分子傳感與檢測真正成為一類常規(guī)的水質(zhì)檢測技術(shù)。
　　 (3)含有雜原

7、子的苯并噻唑作為一類電致發(fā)光材料顯示了獨(dú)特的優(yōu)勢，同時(shí)其結(jié)構(gòu)易于調(diào)整，可以通過引入雙鍵、苯環(huán)等不飽和基團(tuán)、以及各種生色團(tuán)來改變共軛程度。改變材料的發(fā)光波長，其發(fā)光波長可以覆蓋整個(gè)可見光范圍，從而能衍生出更多的熒光分子探針結(jié)構(gòu)來。設(shè)計(jì)合成了一種基于ICT 過程的苯并噻唑型DPA 熒光探針分子。在MeCN/H2O(10/90，v/v)體系中Sn2+和Fe3+表現(xiàn)了對該熒光探針分子優(yōu)良的熒光猝滅效果，在Sn2+為0～0.50 μM 范圍內(nèi)檢測

8、限達(dá)到134 nM，并對Sn2+擁有良好的單一選擇性響應(yīng)。這種熒光分子探針的開發(fā)具有較好的應(yīng)用價(jià)值和發(fā)展前景。
　　 (4)異維A酸是一種含芳香環(huán)的單雙鍵交替的π共軛體系藥物分子，存在著單雙鍵交替結(jié)構(gòu)的異變性，但是該分子的缺點(diǎn)是共軛的萜烯鏈結(jié)構(gòu)末端缺少熒光團(tuán)的存在，同時(shí)分子的共平面性和共軛程度也不甚理想。另外，傳統(tǒng)的炔鍵形成往往要涉及到羧基保護(hù)與脫保護(hù)步驟，而研究出一種新型無銅Sonogashira偶聯(lián)方法用于直接偶聯(lián)鹵代芳香羧

9、酸與端炔分子，將能大大簡化反應(yīng)流程，提高合成效率。
　　 通過不同底物的選擇，拓展了在無銅Sonogashira反應(yīng)條件下將鹵代芳香羧酸與端炔的直接偶聯(lián)。具有操作簡單、產(chǎn)率高的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)反應(yīng)后處理方便，產(chǎn)物的分離和純化也簡單易行。并將反應(yīng)底物進(jìn)一步得以拓展，實(shí)現(xiàn)了乙炔型維A酸類藥物分子和乙炔型DPA熒光分子探針的合成，表現(xiàn)出該體系良好的應(yīng)用前景。同時(shí)設(shè)計(jì)合成了以異維A酸結(jié)構(gòu)為底物，連接DPA分子形成一個(gè)類似PET過程的結(jié)構(gòu)分子，

10、考察結(jié)構(gòu)特點(diǎn)對熒光探針分子的影響。其較強(qiáng)的紫外吸收能力得以保留，但金屬離子的加入也不能引起化合物發(fā)生電子躍遷，同時(shí)紫外吸收波長保持穩(wěn)定，通過吸收光譜的檢測無法來識別金屬離子。合成過程中得到了一個(gè)化合物單晶，并通過了X射線單晶衍射解析。第二部分：量子點(diǎn)的合成與納米熒光探針的研究在第二部分中，量子點(diǎn)作為一種新型熒光探針，與傳統(tǒng)熒光染料相比，具有許多優(yōu)良的光學(xué)性質(zhì)，已在分子生物學(xué)、細(xì)胞生物學(xué)、醫(yī)學(xué)等研究領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。相對于傳統(tǒng)的有機(jī)熒光染

11、料,大小均勻的半導(dǎo)體量子點(diǎn)發(fā)射光譜窄且具有尺寸調(diào)諧特性、用單個(gè)波長即可激發(fā)不同的量子點(diǎn)、熒光量子產(chǎn)率高、穩(wěn)定性好和具有很好的生物相容性等優(yōu)點(diǎn)。針對當(dāng)前有機(jī)溶劑中合成量子點(diǎn)仍然存在反應(yīng)條件苛刻反應(yīng)溫度高、原料金屬有機(jī)化合物易燃、易爆、毒性大和溶劑昂貴等缺點(diǎn)采用改進(jìn)的綠色化學(xué)合成方法制備出了高熒光產(chǎn)率的分散性好的半導(dǎo)體量子點(diǎn)，研究了反應(yīng)時(shí)間反應(yīng)溫度以及反應(yīng)溶劑對量子點(diǎn)生長情況及性能的影響。與傳統(tǒng)的有機(jī)熒光探針相比，表面充分鈍化的量子點(diǎn)具有激

12、發(fā)光譜寬，發(fā)射光譜窄且對稱分布，最大發(fā)射波長位置可調(diào)，不易光解的特點(diǎn)，因此可以作為熒光探針對生物樣品和細(xì)胞進(jìn)行成功染色。若表面未加充分鈍化，則量子點(diǎn)的熒光特性對周圍環(huán)境的變化非常敏感，這是此類熒光探針檢測無機(jī)離子、蛋白質(zhì)、DNA的理論基礎(chǔ)。
　　 (5)微波輻射法由于快速、簡便、高效、綠色等優(yōu)點(diǎn)，近年來被廣泛的應(yīng)用于有機(jī)合成的加速反應(yīng)和無機(jī)納米材料的合成。采用微波輻射法，在低溫條件下（50℃～140 ℃），以甘油作為良好傳熱介質(zhì)

13、，柴油作為溶劑，油酸作為配體，沒有使用有劇毒的TOPO作為配體，快速合成了CdSe量子點(diǎn)。考察了在不同溫度、不同反應(yīng)時(shí)間、不同配比、不同微波功率條件下量子點(diǎn)光學(xué)性能的變化規(guī)律。所合成的量子點(diǎn)具有良好的光學(xué)性能，量子產(chǎn)率最高可達(dá)70 ％，發(fā)射峰半峰寬最小在28nm。
　　 該方法進(jìn)一步降低了原料成本，簡化了實(shí)驗(yàn)工藝，實(shí)現(xiàn)了環(huán)境友好綠色合成，進(jìn)一步促進(jìn)了CdSe量子點(diǎn)合成工藝的發(fā)展和生物上的應(yīng)用。
　　 (6)利用羧基與Cu

14、2+離子之間的配位作用，合成了基于聚合物Mao-mPEG包覆的水溶性CdSe/CdS型核殼量子點(diǎn)作為熒光探針。在其它金屬離子共存的情況下能高選擇性的定量測定Cu2+，在Cu2+為0～0.5 μM范圍內(nèi)得出量子點(diǎn)熒光探針的檢測限達(dá)到16 nM，建立了熒光猝滅效應(yīng)測定Cu2+離子的新方法，并從機(jī)理上闡釋了量子點(diǎn)熒光猝滅的原因。選擇發(fā)射波長為595 nm的量子點(diǎn)探針作為研究對象，可以有效的消除潛在的生物應(yīng)用上的干擾，使生物樣品和細(xì)胞實(shí)體分析成