新型氟硼二吡咯类反应型荧光探针的设计、合成及应用

【摘要】：荧光化学传感器已广泛应用于各种领域,如生物学、生理学、药理学和环境科学等,同时基于不同荧光团的荧光探针已被开发出来,其中氟硼二吡咯类(BODIPY)化合物由于其较高的光稳定性和化学稳定性、强荧光发射以及易于修饰等优异的性能,广泛应用于离子、中性分析物以及生命体中的生物分子的检测。与BODIPY相比,吡咯并吡咯氮杂-BODIPY化合物由于其大的平面共轭结构,发射波长能达到近红外区域,在生物成像领域具有独特的优势。本论文设计并合成了一系列BODIPY类反应型荧光探针,并将它们应用于F~-、CN~-和胺的检测中。本论文主要侧重于新型氟硼二吡咯类反应型探针的设计策略、合成方法及其应用研究。主要包括以下几个方面的研究内容:(1)通过简单巧妙的设计,合成了一种固态发红光的BODIPY化合物BODIPY-CN,并作为反应型荧光探针,将其应用于CN~-的检测。探针BODIPY-CN能够在60 s内实现对CN~-的快速响应,CN~-的加入使BODIPY-CN溶液颜色由黄绿色变为紫粉色,同时发生96%的荧光淬灭。故探针可通过比色和荧光手段实现对CN~-的检测,同时具有很高的选择性和非常快的响应速度。另一方面,分子中引入单双氰基乙烯基团能够有效降低分子的平面性,同时在BODIPY的meso位苯环上引入额外的大体积溴原子,两者都能够抑制紧密π-π堆积,阻碍由于分子间堆积引起的荧光淬灭,从而实现了BODIPY-CN的固态发光。(2)通过Suzuki反应合成出了一种新型的多功能型荧光探针(TPA-BODIPY),F~-和CN~-的加入使探针TPA-BODIPY溶液颜色由黄绿色分别变为黄色和肉色,荧光分别淬灭了89%和94%。克服了以往传统探针只能特异性识别单一物种的缺点,TPA-BODIPY能通过比色和荧光的改变来同时区分检测F~-和CN~-,其他阴离子没有产生干扰。在区分检测过程中,F~-和CN~-以不同的作用方式使BODIPY基团分解。(3)通过在探针分子中引入两个不同的路易斯酸中心(BODIPY核和硼酸酯基团),合成出另一种新型的多功能型荧光探针Boryl-BODIPY。应用于F~-和CN~-的高区分度的区分检测。其中F~-和CN~-的加入使探针溶液颜色由玫红色分别变为靛青色和淡粉红色,荧光颜色从橙黄色分别变为靛青色和绿色。由于F~-和CN~-不同的极化能力及配位能力,F~-既能与Boryl-BODIPY中的硼酸酯基团结合,同时又能进攻BODIPY核的B-N键,而CN~-只能亲核进攻BODIPY核的B-N键,两种阴离子与探针不同的作用方式产生不同的紫外和荧光变化,根据溶液颜色和荧光的不同变化来区分检测F~-和CN~-。(4)通过简单的合成步骤首次合成出两个具有聚集诱导发光效应的近红外发射的吡咯并吡咯氮杂-BODIPY化合物(PPAB-2和PPAB-3),分子设计中,引入一个或者两个三苯乙烯基团,能够实现分子从聚集荧光淬灭向聚集诱导发光的转变。PPAB具有良好的光稳定性,通过Pluronics F127包裹制备出水溶性纳米粒子,并将其应用于近红外细胞成像中。(5)设计合成了一种新的吡咯并吡咯氮杂-BODIPY化合物(PPAB-Py),其可作为反应型荧光探针,应用于腐胺、尸胺这类生物二胺的高选择性检测,而其他的一级伯胺、仲胺、叔胺、芳香胺、醇、酯及酰胺类对生物胺的检测并不会产生干扰。在生物胺检测过程中产生了225 nm的紫外可见吸收光谱的蓝移,以及12倍的荧光增强现象,检测限低至ppb级。故PPAB-Py可实现对生物胺的高选择性、高灵敏度以及比色和荧光双模式的检测。在探针与生物胺相互作用过程中,发生逐步的发色团分解反应,首先发生动力学控制B-N键的断裂步骤,随后发生两个快速的氨基置换和水解步骤反应,这样连续的反应使得探针的共轭结构逐步分解,得到更小结构的共轭分子,同时产生明显的紫外及荧光信号响应。我们首次提出利用这种独特的逐步的发色团分解反应应用于生物胺检测,为新型PPAB类荧光探针的设计提供了新的思路。(6)研究了PPAB-Py纳米聚集体在胺检测中的应用,纳米聚集体对正己胺具有很高的选择性。在检测过程中,纳米聚集体颜色快速地由绿色变为黄色,同时荧光由无变为黄色荧光,检测限低至2.53 nM。生物胺以及其他的一级伯胺、仲胺、叔胺、芳香胺、醇、酯及酰胺类对正己胺的检测并不会产生干扰,故PPAB-Py纳米聚集体能够高灵敏度、高选择性识别正己胺。PPAB-Py纳米聚集体与正己胺反应过程中,先后经历PPAB-Py的分解和水解过程,产生比色和荧光信号的改变。