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新型Fe~(3+)、Zn~(2+)荧光探针的设计与应用

邱琳  
【摘要】:生物体内存在着许多金属离子,它们在生物体的各种生理过程和病理过程中起着至关重要的作用。铁作为人体内含量最多的过渡金属元素,是生物体内许多具有重要功能蛋白和酶的组成部分,与生命体中多种生理功能相关;而锌元素是人体内的含量仅次于铁元素的过渡金属元素,同样在生命体中承载着许多重要的生理功能。研究发现Zn2+的代谢紊乱与很多神经退行性疾病的产生以及恶化密切相关。因此,体内铁和锌的检测对于阐明它们在生命活动中所起的作用有着重要的意义。由于荧光探针技术具有原位、实时、灵敏、无损等优点,近年来Fe3+和Zn2+荧光探针的研究发展备受关注。而由于Fe3+的顺磁性,往往会引起探针分子的荧光淬灭现象,所以在已经报道的Fe3+的荧光探针中,大部分是荧光淬灭型的探针,因此设计增强型Fe3+荧光探针非常重要,也极具挑战性;对于Zn2+的荧光探针,目前所报道的探针总体可分为荧光增强型和比例计量型两类,其中以增强型的Zn2+探针居多,而大部分该类探针分子的激发和发射波长都较短,在实际应用时容易受到生物体自发荧光的干扰。因此,通过构建新的平台并完善设计思路,设计合成激发波长和发射波长较长、水溶性好、选择性好且具有生物兼容性的Zn2+荧光探针具有广阔的应用前景。而构建多功能的荧光探针对拓展探针应用也有重要意义。本研究在全面了解目前Fe3+荧光探针的构筑及其在实际应用方面的优点和不足之后,利用N-羟乙基-二乙烯三胺(HEDTA, N2-hydroxylethyl diethylenetriamine chain)作为Fe3+的螯合基团偶合荧光基团蒽和罗丹明B,分别设计合成了两个Fe3+荧光增强型的探针分子L1和L2。这两个探针分子中的HEDTA螯合团含有的羟基,有利于选择性结合Fe3+,并与其另外三个N原子,协同参与Fe3+的配位。其中L1是基于PET机理的Fe3+增强、可逆型荧光探针。实验结果表明,在缓冲Tris-HCl体系中,L1对Fe3+显示出良好的选择性增强响应,其它常见金属离子的共存不干扰L1对Fe3+的响应。细胞造影结果表明,L1能够应用于细胞内Fe3+的定性检测,并且实现对细胞内Fe3+/Fe2+的区分。利用无荧光发射特性罗丹明B螺环结构开环后转化为具有荧光发射结构的特点,利用HEDTA偶联了两个螺环罗丹明B结构构建了Fe3+探针L2。通过与Fe3+配位后,分子中罗丹明B螺环打开,实现了对Fe3+的荧光增强响应。在缓冲体系中,L2与Fe3+配位后荧光增强约90倍,且在可见光下肉眼可以观察到溶液颜色的明显变化。细胞造影结果显示,L2可以靶向细胞中的线粒体,可实现对线粒体中Fe3+的检测。虽然该探针为chemodosimeter型探针,但是仍然具有一定的可逆响应能力。该探针克服了目前基于化学反应的chemodosimeter类增强型探针响应不可逆且慢的不足,是少数具有含水介质可逆增强响应Fe3+的荧光探针,为进一步发展Fe3+增强型探针提供了新思路。L1和L2的检测限分别为:5.80×10-7、1.0665×1-6M,均低于饮用水中铁离子的含量标准(300ug/L).由于许多报导的Zn2+荧光探针分子的激发波长与发射波长均较短,不利于进行生物造影实验。我们通过对BODIPY荧光团的meso位引入Zn2+螯合团和α-位引入对氧乙酰苯乙烯基,构筑了一个新的Zn2+荧光探针BDP-m-BPA。 a-位对氧乙酰苯乙烯基的引入使BODIPY荧光团分子内存在较强的ICT效应,不仅使该探针的最大吸收和发射波长接近于近红外区域,而且增加了斯托克斯位移。实验结果表明,探针具有本征和Excimer两个发射带,分别位于580 nm和660 nm。该探针分子是一个基于PET机理金属螯合荧光增强(MCHEF)型的Zn2+探针,Zn2+的结合能显著的增强探针分子的荧光强度,在缓冲Tris-HCl体系中,6当量的Zn2+可使荧光增强9.5倍。同时Zn2+的加入对两个发射带的影响不同,具有一定的比例计量响应能力。细胞造影实验表明了BDP-m-BPA可以实现对胞内Zn2+的检测,并且初步实现了对活细胞内Zn2+的比例计量造影的结果。实验结果同时表明,α位修饰BODIPY可以红移激发与发射波长,是一条构造高效比例计量型Zn2+探针的合理途径。随着纳米技术的发展,具有金属离子荧光识别功能的磁性纳米粒子近来也受到科研工作者的关注。在本研究的最后部分,我们将对Zn2+有荧光增强响应的8-氨基喹啉的衍生物QTEPA修饰到具有超顺磁性的Fe304纳米粒子表面,制备得到了具有核壳结构的双功能磁性纳米粒子Fe3O4@SiO2-QTEPA。该磁性纳米粒子具有良好的生物兼容性,保留了Fe304的超顺磁性,同时对溶液中Zn2+具有良好的选择性增强响应,增强效应为22倍。利用该粒子已实现细胞内的Zn2+的可逆响应成像。同时不仅在细胞层面实现了核磁共振成像与Zn2+荧光成像,而且还在活体小鼠水平上实现了T2型的核磁共振成像。这一研究表明利用一种试剂有可能同时实现特定组织的MRI造影区分和锌离子造影。


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