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《上海工程技术大学》 2016年 硕士论文
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基于萘酰亚胺和吩噻嗪的分子荧光探针在ROS和微环境检测中的研究

汪林林  
【摘要】:有机小分子荧光探针是一类基于荧光染料信号单元的荧光检测材料。大部分有机小分子荧光探针具有优异的荧光发光性质、并且易于修饰、可以在紫外-可见-近红外光区域通过合理的设计调控发光波长与量子效率。另外,相对于纳米材料,有机小分子探针具有较低的毒性,较好的生物代谢性质,这些优点使得其在环境监测、生物活检等许多方向发展出了广泛的应用领域。本论文以分子量较小的吩噻嗪、萘酰亚胺等芳杂环荧光染料为母体,通过简单的分子设计,获得在不同波段发光的荧光材料,并通过新的共轭体系构建,提高荧光团在聚集状态下的发光强度。主要内容和结果包括以下几个方面:第一章简介小分子荧光探针的产生、发展以及分子识别机理,通过对研究前沿的评述,提出本论文的基本设计思路与研究方法。第二章简介了吩噻嗪荧光团在聚集发光材料中的研究进展,根据吩噻嗪的荧光发光特点,提出了通过位阻基团硼酸酯的引入实现新型吩噻嗪聚集发光材料的设计,并根据吩噻嗪的结构特点,设计了以位于吩噻嗪染料中心的硫原子作为次氯酸识别位点的比率型荧光探针(QC1)。合成并通过核磁、质谱等手段表征了染料及其中间体,通过紫外和稳态荧光光谱研究了材料的光物理性质和聚集诱导发光性质。在HEPES溶液体系下,探针QC1对次氯酸根离子具有高度的选择性、灵敏度和较短的响应速度。通过对相似的吩噻嗪染料母核与次氯酸的核磁、质谱滴定,并通过二者的反应纯化出了次氯酸反应后的产物,从而确定了QC1的探针工作原理。第三章设计并合成了基于4位偶联的双萘酰亚胺荧光染料BNAP,其中两个萘酰亚胺部分是通过在4-溴-1,8-萘酰亚胺在钯催化条件下与联硼酸频那醇酯的一步偶联反应高收率地合成出来的。萘酰亚胺单元是一个高效的分子内电荷转移单元,其自身在1,8位的内酰亚胺结构提供了强的吸电子作用,本章在其对位的4位上,通过引入共轭单元构建了一个共轭体系可调节的分子内电荷转移荧光转子。在一般有机溶剂中,BNAP呈现分子状态,并通过分子内旋转消耗激发态能量,其量子效率随着溶剂的极性增加而快速降低。在高粘度环境中,由于转子的内旋转作用受到抑制,bnap在长波端的表现出强的荧光发射。另一方面,在水溶液当中,bnap具有一般分子内电荷转移材料所不具备的较强荧光,这是由于转子型共轭单元在聚集时分子平面性较差,不会产生pp堆积,从而显示出一定的聚集发光性质。这一聚集发光性质也通过对不同溶剂的荧光寿命实验得到了进一步的验证。因此,bnap作为分子转子,可以在发射波长和强度的这两个参数上发生明显的变化,这较普通的转子型荧光黏度探针的单通道猝灭响应更具优势。在此基础上,通过对固定黏度体系的温度变化进行研究发现,bnap显示出对粘度相关的温度变化的高灵敏性。因此可以用于产生黏度变化的温度检测领域,比如润滑油质量检测和体液黏度炎症检测行业。第四章在前一章基础上,通过?体系拓展的设计策略,设计并合成了三种具有不同推拉电子能力的萘酰亚胺的聚集诱导发光材料napb、napfb、nap-tba。通过核磁、质谱对三个化合物及其中间体进行了表征。通过吸收和稳态荧光光谱研究了化合物在固体状态和不同的溶液的光物理性质。另外,通过对化合物在黏度、ph等微环境中的变化研究,比较了三个化合物与bnap在微环境监测中的性质差异。第五章通过相同的单键偶合设计策略,以给电子性质的三苯胺为母核,通过suzuki偶联反应,设计合成了d-?-a结构的二吡啶三苯胺荧光染料。并进一步通过knoevenagal缩合引入强吸电子的硝基乙烯单元,设计合成了一类对亚硫酸盐具有显著同步荧光响应的荧光探针(dptpa2)。通过初步的光物理性质研究发现,dptpa2在水溶液中可以输出超过600nm的红色荧光,这一现象也在粉末状态时被我们发现。这一红色荧光较dptpa2在普通有机溶液中的发射红移很多,并且显示出明显的聚集发光现象。基于同步荧光光谱技术,dptpa2的光谱显示出对亚硫酸根阴离子的选择性比率响应。在加入了亚硫酸盐后,同步荧光信号从474nm蓝移到362nm,说明分子共轭体系缩小,这与亚硫酸根对?,?-不饱和体系的加成反应结果相吻合。该加成反应机理我们采用dptpa2的二甲胺基类似物与亚硫酸钠反应,并采用了核磁与质谱滴定来验证。与普通的荧光的方法相比,同步荧光方法具有完全独立的双重发射信号,更适合构建比率型荧光探针体系。第六章由于半胱氨酸在生物体内的重要作用,我们设计并研究了基于吩嗪的半胱氨酸荧光分子探针(phs)。选择了吩噻嗪的类似物吩嗪作为荧光团,避免了吩噻嗪结构中硫原子的氧化活性对半胱氨酸巯基的竞争。通过与上一章类似的亲核反应设计,在吩嗪上引入氰基丙烯酸结构,通过氰基与羧基的强吸电子作用,增强?位碳原子的正电性,利于巯基化合物的亲核进攻效率。通过对羧基的活化,增加其捕获氨基的能力。通过对PHS在缓冲液中的吸收、发射、激发光谱的研究发现,PHS对半胱氨酸具有特异性响应,通过核磁和质谱滴定实验验证了PHS对半胱氨酸的识别机理。在此基础上,我们进一步将PHS应用于细胞内生物硫醇的检测成像,获得了Hela细胞中的硫醇分布成像图,并通过NEM清除硫醇后验证了成像信号来自于PHS与半胱氨酸的反应产物。第七章基于BODIPY荧光团设计了一系列从可见光区到近红外光区的荧光探针分子。通过以吲哚替代吡咯合成了半吲哚BODIPY红光化合物BNB-1,BNB-2,并通过吸收、荧光光谱、荧光寿命光谱以及循环伏安测试研究了化合物的结构、光谱性质与溶剂极性的关系;通过引入对二甲氨基苯甲醛增加BODIPY的共轭,合成出了近红外发射的BODIPY-PhOSi和BODIPY-DMA等化合物,并对其进行了氟离子检测方向的研究。第八章总结。


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