几种基于激发态分子内质子转移荧光探针的合成与应用

【摘要】：荧光探针由于具有操作简便、高灵敏性、高选择性、快速检测、原位实时监测等优点,被广泛应用在生物活性分子标记、环境分析、细胞染色和临床医学检测诊断等许多方面。此外,与荧光成像技术相结合,荧光探针还能方便地用于生物体系中目标分析物的原位、适时、无损伤检测,并可用于监控活细胞中的生物分子及其生物过程。因此,分子荧光探针日益成为现代生命科学及疾病诊断等重要领域不可缺少的一种工具。激发态分子内质子转移(ESIPT)是指荧光分子受激发后,分子内质子供体(-OH和NH_2)通过分子内氢键,转移到邻近的质子受体子(NH、CHO)上,形成烯-醇互变异构体的过程。ESIPT化合物的吸收光谱和荧光发射光谱之间具有较大的Stokes位移,可有效消除因自吸收导致的荧光碎灭,从而大大提高了检测精度。此外,通过合理设计,一些ESIPT机制的荧光探针可以实现对目标分析物比率检测,为环境因素的影响(仪器或者探针分子浓度)提供一个内置校正。因此,具有ESIPT性质的化合物是一类可用于构建荧光探针的、理想的荧光基团。众所周知,重金属(汞离子)和过渡金属(铜离子)是一类对环境和生物体系具有害或者有利的金属离子;硫化氢是继一氧化氮和一氧化碳之后生物体内第三大内源性气体信号分子;亚硝酸盐作为食品添加剂可以诱发一些健康问题。因此,开发一些识别性能更加优越的荧光探针来检测这些待测物(汞离子、铜离子、硫化氢和亚硝酸盐)的含量以及它们在生物体内的分布,对环境保护、食品质量安全、疾病诊断和临床医学研究均有重要意义。本文的研究工作是合成几种具有高荧光量子产量、高稳定性、大的斯托克斯位移、生物兼容性好、近红外的ESIPT荧光基团并以此构建几种ESIPT机制荧光探针,实现对汞离子、铜离子、硫化氢和亚硝酸盐的荧光检测,并将其成功用于环境、食品检测和生物分析。主要研究内容和结果如下:(1)以具有典型激发态分子内质子转移(ESIPT)特征的有机小分子2-(1-对-甲苯基)-1H-菲并[9,10-D]咪唑-2-基)苯酚(Pol)为荧光基团,以对汞离子具有选择性作用的乙烯醚为识别基团,构建了一个Hg~(2+)荧光探针Pvi。该探针通过Hg~(2+)催化水解乙烯醚键,对Hg~(2+)展现了比率荧光响应,同时荧光最大发生峰产生明显的红移(~100nm),且其他金属无干扰。其传感机制通过荧光光谱、核磁共振和质谱分析进行了详细的研究。在实际应用方面,我们成功地将探针Pvi用于环境水样中汞离子检测并进行活细胞成像分析,这些结果表明探针Pvi在环境科学以及生物医学领域具有潜在的应用价值。(2)合成了一种基于激发态分子内质子转移机制(ESIPT)“关-开”型硫化氢(H_2S)荧光探针P-N_3。探针与H_2S作用后,产生较大的斯托克位移(~140 nm)和明显的荧光变化。探针P-N_3对H_2S具有较高的灵敏性和选择性,且不受其他生物巯基化合物的干扰。更重要的是,探针P-N_3具有较好的细胞膜渗透性,能够对活细胞中外源性H_2S进行可视化,表明其在生物学领域具有潜在的应用价值。(3)合成并了一个简单可靠的亚硝酸盐(NO_2~-)荧光探针,2-(1H-菲并[9,10-d]咪唑-2-基)苯胺(PA)。该探针用高荧光量子产率的菲并咪唑衍生物作为荧光基团,氨基作为识别基团。在酸性介质中,亚硝酸盐与探针分子上的氨基发生重氮化反应,随后发生分子内环化反应产生苯并哌唑衍生物,荧光淬灭。其作用机理通过核磁,红外光谱,空白对照试验以及理论计算进行确证。该探针表现出低pH依赖性,能够快速、高选择性地识别亚硝酸盐。在优化的条件下,探针对亚硝酸盐~-的线性响应范围为0.1-10μM,检测下限为4.3×10~-88 M。此外,探针PA成功应用于环境和食品样品中亚硝酸盐的检测。(4)通过在经典的ESIPT荧光信号基团,2-(2’-羟基苯基)苯并噻唑上构建一个特异性的反应位点(缩硫醛片段)和一个络合型的位点(苯并噻唑中的N和O原子),我们成功合成一个具有两个反应位点的双功能荧光探针2-(2-羟基-4-缩硫醛基)苯并噻唑(BT)。在没有分析物的情况下,探针分子上的羟基与噻唑中的氮原子发生分子内质子转移过程产生绿色荧光。由于汞离子能选择性地催化缩硫醛片段水解,降低整个分子的共轭程度,使荧光发生蓝移,因此可以根据反应前后不同波长处荧光强度比值的变化实现对汞离子检测。当加入铜离子后,铜离子可以与苯并噻唑中的N和O原子络合,发生电子转移,探针分子的荧光被淬灭。根据探针分子与汞和铜离子反应后产生不同的荧光信号,可以同时对这两种金属离子进行区分检测。探针BT与汞和铜离子的响应机制通过核磁、质谱和空白对照实验进行了确认。在分析实验中,该探针能够高选择地区分汞和铜离子而不受其他离子的干扰,其检测这两种金属离子的下限达到了纳摩尔级别。更为重要的是,探针BT能够有效地区分识别活细胞中汞和铜离子,表明其在生物学中的应用潜力。(5)以经典的近红外荧光基团二氰基甲烯基苯并四氢吡喃衍生物(简称1-OH)为原料,在羟基邻位引入一个氢键受体醛基得到一个具有分子内氢键作用的二氰基甲烯基苯并四氢呋喃衍生物(简称1-OH-CHO)。与传统的荧光基团1-OH相比,修饰后的1-OH-CHO具有更高的量子产率、较强的荧光稳定性、更大的斯托克位移、更适合再次修饰等特点。基于1-OH-CHO优秀的荧光性能,我们设计并合成了一个近红外硫化氢荧光探针(简称2-OH-CHO)。研究表明探针2-OH-CHO能够快速成像细胞内的硫化氢,产生明显的荧光“关-开”变化。此外,探针能高选择性地检测硫化氢,对化学性质相似的生物巯基化合物没有响应。更重要的是,醛基修饰后的荧光基团以及相应的探针所具有的明显优势通过空白对照实验进行了证明。