氟硼二吡咯树形分子荧光共振能量转移、离子识别及其应用

论文摘要

本论文以氟硼二吡咯为母体荧光团,与萘酰亚胺、罗丹明、近红外氧杂蒽、三苯胺等化合物通过点击化学构筑了一系列荧光探针。在构筑探针的同时,利用不同的识别机理及识别基团进行有效的组合,得到了一系列多通道比率型荧光探针及树枝状分子。这些探针具有许多不同的优异性质,例如分子内荧光共振能量转移、近红外发射、双光子荧光等。这些探针都能对特定的目标物实现选择性的识别,包括阳离子、活性氧及活性硫小分子。本论文对这些探针的识别机理及荧光性质进行了详细的研究和分析。以下是本论文概述:第一章:总述荧光探针的优点和发展进程,对荧光的发光机理进行的介绍。详细的介绍了一些荧光探针的设计方法,荧光信号的传导机制。概述了荧光探针分子的应用领域和发展现状。介绍了BODIPY类荧光探针的优异性质,给出了本文的设计思想。第二章:本章以萘酰亚胺和氟硼二吡咯为母核构筑了两个能够实现荧光共振能量转移（FRET）的荧光分子NP-BODIPY与NPI-BODIPY。在分子的构筑过程中,采用点击化学1,3-偶极环加成反应将两个荧光团通过三唑环互相连接有效的简化了合成难度。荧光分子NP-BODIPY具有聚集诱导荧光现象,固体NP-BODIPY在暗室中紫外灯下呈紫红色荧光。研究还发现具有两个三唑环连接链的双枝化合物NPI-BODIPY,其两个三唑环形成了一个有效的金属螯合位点,能够选择性的检测环境中的Hg2+离子。为了使荧光染料能够具有较好的水溶性,采用正相微乳液法制备了荧光纳米粒子,大大提高了染料在水溶液中的分散性。拓宽了染料在环境监测,生物示踪等领域的应用前景。第三章:本章以罗丹明和氟硼二吡咯为母体荧光团通过点击化学,构建了两个荧光增强型树枝状比率型荧光探针RhB-BODIPY与RhB-BODIPY-OH,并通过核磁共振氢谱、碳谱以及高分辨质谱对化合物进行了结构鉴定和表征。探针RhB-BODIPY实现了在离子和质子诱导下,从以氟硼二吡咯为能量供体到罗丹明为能量受体的分子内的荧光共振能量转移（FRET）,能量转移效率达到了一个较高的水平。探针RhB-BODIPY能够对Hg2+离子实现专一高效的识别。此外,探针RhB-BODIPY-OH能够对Fe3+和Hg2+离子实现选择性的灵敏识别,并且两个探针的识别过程都是裸眼可视化识别。探针RhB-BODIPY-OH实现了4个识别位点的多通道组合识别,具有较低的检测限。最后成功的将探针应用于活细胞成像,并在活细胞内进行了外源性离子识别。第四章:本章在三苯胺氟硼二吡咯的基础上构建了两个树枝状荧光探针TPA-BODIPY和TPA-BODIPY-OH,两个探针对Fe3+与Hg2+离子具有较高选择性和较低检测限。在TPA-BODIPY的基础上,对母核BODIPY的3,5进行了共轭缩合延伸了母核的共轭结构,得到了具有近红外发射的荧光探针TPA-BODIPY-OH,并且该探针实现了三波段的比率型检测。探针TPA-BODIPY和TPA-BODIPY-OH实现了多位点,多通道比率型组合,在日光及紫外照射下的裸眼可视化识别。机理研究表明在探针未与离子识别之前,由于PET效应,探针的荧光受到抑制,当与离子发生反应后,席夫碱C=N双键断键,生成C=O双键,此时荧光被打开并增强。该检测过程在生理环境条件下具有较高的稳定性。第五章:相比于其它章节所述探针,本章设计的荧光探针是综合考虑了前文所述探针的优缺点,取长补短而得。本章以近红罗丹明为平台构建了一个能够实现双光子荧光发射的近红外树枝状荧光探针NRhB-BODIPY,该探针在性质上具有很大的提升:其一,实现了双光子荧光发射,并能在双光子发射的条件下对Hg2+离子实现专一性识别;其二,荧光探针实现了长波长的近红外荧光发射;其三,荧光探针保持了罗丹明类荧光探针的低检测限;其四,该探针实现了多次循环利用,可以重复实现荧光信号的“开-关”。在生物及光电材料领域有巨大的应用前景。第六章:本章创造性的设计并合成了一个能够实现近红外发射的双光子活性氧探针（NCS-BOD-OCH3）,该探针能够对ClO-实现选择性识别及近红外区域的双光子荧光发射。探针NCS-BOD-OCH3的检测机理利用了ClO-氧化下的硫脲结构脱硫环化反应机理,该反应是ClO-诱导的氧化还原反应,利用反应前后的荧光信号变化,实现了对ClO-的比率型检测。第七章:本章利用生物荧光分子绿色荧光蛋白（GFP）类的荧光母核,通过化学修饰的方法合成了一个能够实现红光发射的活性硫探针（RFP）。利用荧光蛋白类母核的优异性质,例如较好的水溶性,良好的生物相容性,较大的斯托克斯位移,稳定的光物理性质,在细胞内抗干扰能力强等特点,来提高探针的性质和应用领域。探针RFP能够对半胱氨酸（Cys）实现选择性识别。由于半胱氨酸（Cys）,同型半胱氨酸（Hcy）以及谷胱甘肽（GSH）具有类似的结构和反应性,通常检测过程很难区分Cys,Hcy及GSH。然而探针RFP利用识别基团丙烯酰氯与Cys,Hcy及GSH的反应时间不同,实现了三者荧光信号响应上的区分,进而实现了对Cys的选择性与专一性识别。第八章:结论

论文目录

• 中文摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
•   1.1 绪论
•   1.2 荧光的产生机理
•   1.3 荧光探针信号响应机制
•     1.3.1 分子内电荷转移（ICT）
•     1.3.2 光致诱导电子转移（PET）
•     1.3.3 荧光共振能量转移（FRET）
•     1.3.4 聚集诱导发光（AIE）
•     1.3.5 扭曲分子内电荷转移（TICT）
•   1.4 荧光探针的研究进展及应用
•     1.4.1 阳离子检测
•     1.4.2 活性氧小分子检测
•     1.4.3 生物活性硫小分子检测
•     1.4.4 粘度探针
•     1.4.5 蛋白质错误折叠及聚集探针
•     1.4.6 其它类型应用
•   1.5 氟硼二吡咯（BODIPY）类荧光染料
•   1.6 本论文的选题依据及研究内容
•   1.7 本论文合成的探针分子及重要中间体
•   参考文献
• 第二章 氟硼二吡咯-萘酰亚胺荧光分子的构筑及其荧光性质的研究
•   引言
•   2.1 实验部分
•     2.1.1 主要试剂和溶剂
•     2.1.2 主要实验仪器
•     2.1.3 氟硼二吡咯-萘酰亚胺荧光分子的设计与合成
•   2.2 实验方法
•     2.2.1 氟硼二吡咯-萘酰亚胺化合物的合成及其表征
•   2.3 结果与讨论
•     2.3.1 用Click反应构建氟硼二吡咯-萘酰亚胺荧光分子
•     2.3.2 化合物NP-BODIPY与 NPI-BODIPY的基本紫外光谱和荧光光谱
•     2.3.3 NP-BODIPY的荧光共振能量转移及AIE效应
•     2.3.4 NPI-BODIPY对 Hg2+离子的选择性识别
•     2.3.5 荧光强度对不同Hg2+离子浓度的响应变化
•     2.3.6 荧光纳米粒子的制备及表征
•     2.3.7 不同pH条件下的荧光信号响应
•     2.3.8 活细胞成像
•   2.4 本节小结
•   参考文献
• 第三章 氟硼二吡咯-罗丹明树枝状多通道比率型探针的构筑及其荧光性质的研究
•   引言
•   3.1 实验部分
•     3.1.1 主要试剂和溶剂
•     3.1.2 主要实验仪器
•     3.1.3 罗丹明-氟硼二吡咯荧光分子的合成路线
•   3.2 实验方法
•     3.2.1 氟硼二吡咯-萘酰亚胺化合物的合成及其表征
•   3.3 结果与讨论
•     3.3.1 利用点击化学构建罗丹明-氟硼二吡咯类树枝状荧光探针分子
•     3.3.2 探针RhB-BODIPY与 RhB-BODIPY-OH的基本紫外光谱和荧光光谱
•     3.3.3 探针RhB-BODIPY与 RhB-BODIPY-OH对目标离子的可视化识别
•     3.3.4 探针RhB-BODIPY与 RhB-BODIPY-OH对离子的定量检测
•     3.3.5 探针RhB-BODIPY与 RhB-BODIPY-OH对离子的检测机理
•     3.3.6 pH对探针RhB-BODIPY及 RhB-BODIPY-OH荧光信号的影响
•     3.3.7 探针RhB-BODIPY-OH荧光纳米粒子的制备
•     3.3.8 探针RhB-BODIPY及 RhB-BODIPY-OH的活细胞成像
•   3.4 本章小结
•   参考文献
• 第四章 氟硼二吡咯-三苯胺树枝分子的构筑及其荧光性质的研究
•   引言
•   4.1 实验部分
•     4.1.1 主要试剂和溶剂
•     4.1.2 主要实验仪器
•     4.1.3 氟硼二吡咯-三苯胺类荧光分子的设计与合成
•   4.2 实验方法
•     4.2.1 氟硼二吡咯-三苯胺树枝状荧光探针的合成及其表征
•   4.3 结果与讨论
•     4.3.1 用Click反应合成氟硼二吡咯-三苯胺荧光分子
•     4.3.2 化合物TPA-BODIPY与 TPA-BODIPY-OH的基本紫外光谱和荧光光谱
•     4.3.3 探针TPA-BODIPY与 TPA-BODIPY-OH对 Fe3+及Hg2+的选择性识别
•     4.3.4 探针TPA-BODIPY与 TPA-BODIPY-OH对 Fe3+及Hg2+的定量检测
•     4.3.5 探针TPA-BODIPY与 TPA-BODIPY-OH对离子的检测机理
•     4.3.6 干扰离子及p H对探针荧光信号的影响
•     4.3.7 探针TPA-BODIPY-OH荧光纳米粒子的制备及活细胞成像
•   4.4 本章小结
•   参考文献
• 第五章 氟硼二吡咯近红外反应型双光子荧光探针的构筑及其荧光性质的研究
•   引言
•   5.1 实验部分
•     5.1.1 主要试剂和溶剂
•     5.1.2 主要实验仪器
•     5.1.3 近红外罗丹明树枝状荧光探针的设计与合成
•   5.2 实验方法
•     5.2.1 近红外罗丹明树枝状探针的合成及其表征
•   5.3 结果与讨论
•     5.3.1 双光子荧光探针NRhB-BODIPY的构建
•     5.3.2 双光子荧光探针NRhB-BODIPY的基本荧光性质
•     5.3.3 近红外双光子荧光探针NRhB-BODIPY的 Hg2+离子识别性质
•     5.3.4 双光子近红外探针NRhB-BODIPY对 Hg2+离子的识别机理
•     5.3.5 近红外探针NRhB-BODIPY在不同p H溶液中的荧光性质
•     5.3.6 近红外探针NRhB-BODIPY的循环检测与活细胞成像
•   5.4 本章小结
•   参考文献
• 第六章 基于氟硼二吡咯的双光子近红外发射活性氧（Cl O-）荧光探针
•   引言
•   6.1 实验部分
•     6.1.1 主要试剂和溶剂
•     6.1.2 主要实验仪器
•     6.1.3 近红外双光子荧光发射ClO-探针NCS-BOD-OCH3的合成
•   6.2 实验方法
•     6.2.1 近红外双光子荧光发ClO-探针NCS-BOD-OCH3的合成及表征
•   6.3 结果与讨论
•     6.3.1 近红外双光子ClO-探针的合理设计
•     6.3.2 探针NCS-BOD-OCH3对ClO-的选择性及定量检测
•     6.3.3 探针NCS-BOD-OCH3及RFP对目标物的检测机理
•     6.3.4 探针NCS-BOD-OCH3及RFP的实际应用与生物示踪
•   6.4 本节小结
•   参考文献
• 第七章 红光发射荧光蛋白类活性硫醇Cys探针的合成与应用
•   引言
•   7.1 实验部分
•     7.1.1 主要化学试剂和实验仪器
•     7.1.3 红光发射的荧光蛋白类Cys探针RFP的合成
•   7.2 实验方法
•     7.2.1 荧光蛋白类活性硫探针的合成及表征
•   7.3 结果与讨论
•     7.3.1 红光发射荧光蛋白类Cys探针RFP的合理设计
•     7.3.2 探针RFP对 Cys的探针行为及定量检测
•     7.3.3 探针RFP对半胱氨酸Cys的检测机理
•     7.3.4 探针RFP的生物示踪以及对Cys的内源性和外源性检测
•   7.4 本章小结
•   参考文献
• 第八章 结论
• 攻读博士期间发表的论文及专利
• 致谢
• 附录

文章来源

类型: 博士论文

作者: 沈宝星

导师: 钱鹰

关键词: 氟硼二吡咯,荧光探针,荧光共振能量转移,近红外发射,细胞成像

来源: 东南大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑

专业: 生物学,化学

单位: 东南大学

基金: 国家自然科学基金项目(61178057)

分类号: Q503;O657.3

DOI: 10.27014/d.cnki.gdnau.2019.000322

总页数: 184

文件大小: 12412K

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