几种有机荧光传感器的合成及其在内源性生物酶和硫醇检测中的应用研究

【摘要】：近年来,有机荧光传感器成为化学、环境和生物等学科及其交叉学科的研究热点,这是因为有机荧光传感器具有合成过程简单、成本低廉、能实现识别手段多样化等优点。而且有机荧光传感器在测试的过程中操作简单,样品不需要进行复杂的预处理工序,能对被检测物进行实时原位检测,同时还有很好的细胞膜穿透性,能对活体细胞和活体组织进行跟踪成像,因此具有很好的生物应用前景。本文通过设计合成三种基于不同荧光响应机理的有机荧光传感器,分别实现了对人体内源性生物酶和小分子生物硫醇的定量检测和生物成像。首先,我们设计合成了一种基于激发态分子内质子转移(ESIPT)机理的碱性磷酸酶(ALP)荧光探针。该探针是由一种黄酮类荧光团上的羟基修饰上磷酸基团制备而成,该磷酸基团具有双重功能:阻断荧光团发生ESIPT效应和作为碱性磷酸酶发生特异性水解反应的响应基团。当磷酸基团存在时,探针分子中羟基被保护起来,因此无法发生ESIPT效应,荧光团互变异构体的荧光被淬灭,当有碱性磷酸酶存在时,磷酸酶催化水解磷酸基团,放出荧光团上的羟基,因此可以实现分子内互变异构,发出强烈的荧光。该探针体系具有很好选择性和很低的检测下限,检测下限达到了0.032 U/L,并且可以用于实际生物样品,如血清中碱性磷酸酶的测定。与此同时,我们设计的探针分子很容易被细胞摄取,并且具有很低的细胞毒性,可以对细胞内生的碱性磷酸酶进行生物成像。其次,我们设计了一种巧妙的比率型荧光传感体系用于透明质酸酶(HAase)检测,该体系是基于透明质酸(HA)诱导的激基缔合物发射,并能对HAase进行灵敏检测,检测下限达0.007 U/mL。通过合成正电荷芘衍生物N-Py,利用静电相互作用的原理使得N-Py与带负电荷的透明质酸分子结合形成聚集体系,发出激基缔合物的荧光。当HAase加入到传感体系中,HAase催化水解透明质酸生成小片段,破坏了N-Py的激基缔合物状态,形成激发单体状态,发出激发单体的荧光。这种激基缔合物-激发单体的荧光比率信号转换可以用来检测HAase含量。探针分子在形成激基缔合物后需要可见光激发,红光发射,这一性质使得体系能较好地消除生物样品的自荧光干扰,提高检测的准确性。同时测试体系还成功被用于人尿液中HAase的检测,并取得令人满意的准确度。该HAase传感体系的设计策略可以为其他荧光比率型生物酶传感器的设计提供参考和思路。最后,我们将两种荧光团组合制备出了一种能对硫醇进行特异性响应的荧光探针。该探针具有双硫醇响应机制,通过与不同硫醇反应后,在不同波长激发下发出两种独立的近红外和绿色荧光发射信号,来同时对GSH和Cys/Hcy进行区分。该探针是由花菁类荧光团NR-OH与NBD基团通过醚键相连得到,连接处即为GSH和Cys/Hcy的响应位点。该探针由于存在从NR-OH基团到NBD基团的ICT效应,因此本身没有荧光。当GSH加入后,探针体系会在716 nm处发出NR-OH的荧光,而另外一种产物NBD-GSH由于硫原子的淬灭作用而不能发出荧光。当Cys/Hcy加入后,由于这两种硫醇接上NBD基团后能发生分子内结构转换,不存在淬灭作用,因此在470和670 nm光激发下,会发出两种独立的荧光发射,分别为550和716 nm。这种有区别的荧光发射方式可以用来同时区分GSH和Cys/Hcy。该探针还能应用于人血清样品中硫醇的检测,在细胞实验中表现出很低的细胞毒性,并且能在复杂细胞环境中进行成像。因此,该探针体系可提供一种有用的方法用于进一步阐明硫醇的生物作用和跟硫醇相关的疾病病理分析。