光化学传感器是以光学信号为输出信息且针对特异性识别目标分子的探测器,在现代生物医学检测中扮演着重要的角色。光化学传感器可分为以紫外可见吸收为输出信号的比色化学传感器和以荧光为输出信号的荧光化学传感器。
本论文围绕光化学传感器的设计合成,开展了三部分工作:第一部分以二噻吩乙烯单元为母体,构建了比色化学传感器用于选择性识别F~-或Hg~(2+);第二部分以强荧光二苯乙烯单元为母体,构建了可同时识别氟离子和碱土金属离子的双功能荧光化学传感器和识别Zn~(2+)的比度荧光化学传感器;第三部分以罗丹明单元为母体,构建了Cr~(3+)和Hg~(2+)的荧光化学传感器,并探讨其在细胞荧光成像中的应用。具体研究内容如下:
1、基于二噻吩乙烯单元的比色化学传感器的构建 二噻吩乙烯由于具有热力学稳定的可逆光致变色行为、优良的耐疲劳性能、高的量子产率和快的响应等优点,因此在分子开关、信息存贮、分子导线、光驱动分子马达等方面得到了广泛的应用。我们将米基硼单元共价键合到二噻吩乙烯母体上,合成了两个具有光致变色性能的米基硼-二噻吩乙烯衍生物BTE-1B和BTE-2B,并利用氟离子与硼原子之间的酸碱相互作用或汞离子与噻吩硫原子之间的亲和作用,实现了利用化学物质调控光致变色。BTE-1B和BTE-2B处于开环态时,在氟离子的作用下,表现为340nm处的吸收峰的消失;而当BTE-1B和BTE-2B处于光稳定态时,最大吸收峰前者从560nm蓝移到490nm,而后者从655nm蓝移到490nm;在汞离子存在的条件下,对开环态的BTE-1B和BTE-2B的影响均很小,但是当BTE-1B和BTE-2B处于光稳定态时,最大吸收峰前者从560nm蓝移到490nm,而后者从655nm蓝移到490nm。因此,BTE-1B和BTE-2B是具有化学物质和光同时调控性质的分子开关体系。 目前,光致变色材料用于非破坏性读出还没有完全解决,主要问题是读出光与写入光以及擦除光之间的光谱重叠。上转换稀土纳米晶(UCNP)在980nm激光泵浦下可以转化为可见区的发射,其发射分别与BTE-1B和BTE-2B的吸收重叠,可望实现从UCNP到BTE-1B和BTE-2B的能量转移。为此,我们将稀土纳米晶(LaF_3:Yb,Ho:NaYF_4:Yb,Er)掺杂到具有光致变色性能的米基硼-二噻吩乙烯(BTE-1B和BTE-2B)聚合物薄膜中,利用分子之间的能量转移实现了非破坏性上转换荧光开关。
2、基于二苯乙烯单元的荧光化学传感器的构建 二苯乙烯型化合物由于具有较高的量子产率,在光电子学领域引起了人们的广泛关注。我们将能响应氟离子的米基硼单元和能识别碱土金属离子的氮杂冠醚单元同时引入到二苯乙烯共轭体系中合成了化合物DBTS。乙腈溶液中,在碱土金属离子(Mg~(2+),Ca~(2+),Ba~(2+))的作用下,DBTS在410nm的吸收和580nm的荧光均发生猝灭;而四氢呋喃溶液中,在氟离子的作用下,DBTS的最大吸收波长从410nm蓝移到330nm,而540nm的荧光发生明显的猝灭,因此,DBTS是一个对氟离子和碱土金属离子均有响应的双功能荧光化学传感器。此外,我们将具有强配位能力的三联吡啶单元引入到二苯乙烯体系合成了化合物Car-tpy,实现了Zn~(2+)的比度荧光化学传感。THF溶液中,在Zn~(2+)的存在条件下,Car-tpy的荧光发射峰从490nm红移到600nm。
3、基于罗丹明单元的荧光化学传感器的合成及其在细胞荧光成像中的应用 罗丹明具有长波长激发、荧光量子产率高、摩尔吸光系数大、光稳定好等优点,是一类性能优良的荧光化学传感器。我们以罗丹明单元为母体,引入不同的结合位点,利用金属离子诱导其从无荧光的螺环态向强荧光的开环态转变,实现了Hg~(2+)和Cr~(3+)的荧光化学传感,并进一步将其应用于细胞荧光成像中。 通过引入多结合位点的键合单元,合成了含有双罗丹明的衍生物Fc-RB。在Hg~(2+)的存在条件下,溶液从无色变成淡红色,并伴随585nm荧光的增强,表明Hg~(2+)的存在能诱导Fc-RB中的罗丹明单元开环。共聚焦荧光成像实验表明,Fc-RB具有良好的膜穿透能力,Hg~(2+)主要分布在HeLa细胞的胞浆区域。 由于萘酐和丹磺酰胺的荧光发射光谱和开环态罗丹明的吸收光谱具有很好的光谱重叠,满足分子内共振能量转移(FRET)的基本条件,因此我们将作为能量给体的萘酐和丹磺酰胺基团分别键接到罗丹明母体上合成了罗丹明的衍生物NA-RB和DANS-RB。在Cr~(3+)的存在条件下,NA-RB和DANS-RB被诱导开环,溶液的颜色由黄色变成淡红色,荧光发射峰由540nm红移到590nm,荧光颜色则由黄色变成红色,从而实现了Cr~(3+)的的比度荧光化学传感。更为重要的是,这两个荧光化学传感器NA-RB和DANS-RB可用于活细胞内Cr~(3+)的单光子比度荧光成像(NA-RB)和双光子比度荧光成像(DANS-RB),为研究Cr~(3+)的生理功能提供了一种新的研究方法。 此外,我们还合成了二吡咯氟硼-罗丹明的衍生物BODIPY-RB,Cr~(3+)能够选择性诱导罗丹明开环,溶液从无色变成淡红色,由于二吡咯氟硼的荧光发射和开环态的罗丹明不存在明显的光谱重叠,FRET过程并不明显,只能得到584nm的荧光增强的Cr~(3+)荧光化学传感,并进一步通过共聚焦荧光成像实验研究了Cr~(3+)在细胞中的分布。
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