光化學(xué)傳感器的設(shè)計(jì)、合成與應(yīng)用研究

光化學(xué)傳感器是以光學(xué)信號為輸出信息且針對特異性識(shí)別目標(biāo)分子的探測器,在現(xiàn)代生物醫(yī)學(xué)檢測中扮演著重要的角色。光化學(xué)傳感器可分為以紫外可見吸收為輸出信號的比色化學(xué)傳感器和以熒光為輸出信號的熒光化學(xué)傳感器。本論文圍繞光化學(xué)傳感器的設(shè)計(jì)合成,開展了三部分工作:第一部分以二噻吩乙烯單元為母體,構(gòu)建了比色化學(xué)傳感器用于選擇性識(shí)別F~-或Hg~(2+);第二部分以強(qiáng)熒光二苯乙烯單元為母體,構(gòu)建了可同時(shí)識(shí)別氟離子和堿土金屬離子的雙功能熒光化學(xué)傳感器和識(shí)別Zn~(2+)的比度熒光化學(xué)傳感器;第三部分以羅丹明單元為母體,構(gòu)建了Cr~(3+)和Hg~(2+)的熒光化學(xué)傳感器,并探討其在細(xì)胞熒光成像中的應(yīng)用。具體研究內(nèi)容如下: 1、基于二噻吩乙烯單元的比色化學(xué)傳感器的構(gòu)建 二噻吩乙烯由于具有熱力學(xué)穩(wěn)定的可逆光致變色行為、優(yōu)良的耐疲勞性能、高的量子產(chǎn)率和快的響應(yīng)等優(yōu)點(diǎn),因此在分子開關(guān)、信息存貯、分子導(dǎo)線、光驅(qū)動(dòng)分子馬達(dá)等方面得到了廣泛的應(yīng)用。我們將米基硼單元共價(jià)鍵合到二噻吩乙烯母體上,合成了兩個(gè)具有光致變色性能的米基硼-二噻吩乙烯衍生物BTE-1B和BTE-2B,并利用氟離子與硼原子之間的酸堿相互作用或汞離子與噻吩硫原子之間的親和作用,實(shí)現(xiàn)了利用化學(xué)物質(zhì)調(diào)控光致變色。BTE-1B和BTE-2B處于開環(huán)態(tài)時(shí),在氟離子的作用下,表現(xiàn)為340nm處的吸收峰的消失;而當(dāng)BTE-1B和BTE-2B處于光穩(wěn)定態(tài)時(shí),最大吸收峰前者從560nm藍(lán)移到490nm,而后者從655nm藍(lán)移到490nm;在汞離子存在的條件下,對開環(huán)態(tài)的BTE-1B和BTE-2B的影響均很小,但是當(dāng)BTE-1B和BTE-2B處于光穩(wěn)定態(tài)時(shí),最大吸收峰前者從560nm藍(lán)移到490nm,而后者從655nm藍(lán)移到490nm。因此,BTE-1B和BTE-2B是具有化學(xué)物質(zhì)和光同時(shí)調(diào)控性質(zhì)的分子開關(guān)體系。 目前,光致變色材料用于非破壞性讀出還沒有完全解決,主要問題是讀出光與寫入光以及擦除光之間的光譜重疊。上轉(zhuǎn)換稀土納米晶(UCNP)在980nm激光泵浦下可以轉(zhuǎn)化為可見區(qū)的發(fā)射,其發(fā)射分別與BTE-1B和BTE-2B的吸收重疊,可望實(shí)現(xiàn)從UCNP到BTE-1B和BTE-2B的能量轉(zhuǎn)移。為此,我們將稀土納米晶(LaF_3:Yb,Ho:NaYF_4:Yb,Er)摻雜到具有光致變色性能的米基硼-二噻吩乙烯(BTE-1B和BTE-2B)聚合物薄膜中,利用分子之間的能量轉(zhuǎn)移實(shí)現(xiàn)了非破壞性上轉(zhuǎn)換熒光開關(guān)。 2、基于二苯乙烯單元的熒光化學(xué)傳感器的構(gòu)建 二苯乙烯型化合物由于具有較高的量子產(chǎn)率,在光電子學(xué)領(lǐng)域引起了人們的廣泛關(guān)注。我們將能響應(yīng)氟離子的米基硼單元和能識(shí)別堿土金屬離子的氮雜冠醚單元同時(shí)引入到二苯乙烯共軛體系中合成了化合物DBTS。乙腈溶液中,在堿土金屬離子(Mg~(2+),Ca~(2+),Ba~(2+))的作用下,DBTS在410nm的吸收和580nm的熒光均發(fā)生猝滅;而四氫呋喃溶液中,在氟離子的作用下,DBTS的最大吸收波長從410nm藍(lán)移到330nm,而540nm的熒光發(fā)生明顯的猝滅,因此,DBTS是一個(gè)對氟離子和堿土金屬離子均有響應(yīng)的雙功能熒光化學(xué)傳感器。此外,我們將具有強(qiáng)配位能力的三聯(lián)吡啶單元引入到二苯乙烯體系合成了化合物Car-tpy,實(shí)現(xiàn)了Zn~(2+)的比度熒光化學(xué)傳感。THF溶液中,在Zn~(2+)的存在條件下,Car-tpy的熒光發(fā)射峰從490nm紅移到600nm。 3、基于羅丹明單元的熒光化學(xué)傳感器的合成及其在細(xì)胞熒光成像中的應(yīng)用 羅丹明具有長波長激發(fā)、熒光量子產(chǎn)率高、摩爾吸光系數(shù)大、光穩(wěn)定好等優(yōu)點(diǎn),是一類性能優(yōu)良的熒光化學(xué)傳感器。我們以羅丹明單元為母體,引入不同的結(jié)合位點(diǎn),利用金屬離子誘導(dǎo)其從無熒光的螺環(huán)態(tài)向強(qiáng)熒光的開環(huán)態(tài)轉(zhuǎn)變,實(shí)現(xiàn)了Hg~(2+)和Cr~(3+)的熒光化學(xué)傳感,并進(jìn)一步將其應(yīng)用于細(xì)胞熒光成像中。 通過引入多結(jié)合位點(diǎn)的鍵合單元,合成了含有雙羅丹明的衍生物Fc-RB。在Hg~(2+)的存在條件下,溶液從無色變成淡紅色,并伴隨585nm熒光的增強(qiáng),表明Hg~(2+)的存在能誘導(dǎo)Fc-RB中的羅丹明單元開環(huán)。共聚焦熒光成像實(shí)驗(yàn)表明,Fc-RB具有良好的膜穿透能力,Hg~(2+)主要分布在HeLa細(xì)胞的胞漿區(qū)域。 由于萘酐和丹磺酰胺的熒光發(fā)射光譜和開環(huán)態(tài)羅丹明的吸收光譜具有很好的光譜重疊,滿足分子內(nèi)共振能量轉(zhuǎn)移(FRET)的基本條件,因此我們將作為能量給體的萘酐和丹磺酰胺基團(tuán)分別鍵接到羅丹明母體上合成了羅丹明的衍生物NA-RB和DANS-RB。在Cr~(3+)的存在條件下,NA-RB和DANS-RB被誘導(dǎo)開環(huán),溶液的顏色由黃色變成淡紅色,熒光發(fā)射峰由540nm紅移到590nm,熒光顏色則由黃色變成紅色,從而實(shí)現(xiàn)了Cr~(3+)的的比度熒光化學(xué)傳感。更為重要的是,這兩個(gè)熒光化學(xué)傳感器NA-RB和DANS-RB可用于活細(xì)胞內(nèi)Cr~(3+)的單光子比度熒光成像(NA-RB)和雙光子比度熒光成像(DANS-RB),為研究Cr~(3+)的生理功能提供了一種新的研究方法。 此外,我們還合成了二吡咯氟硼-羅丹明的衍生物BODIPY-RB,Cr~(3+)能夠選擇性誘導(dǎo)羅丹明開環(huán),溶液從無色變成淡紅色,由于二吡咯氟硼的熒光發(fā)射和開環(huán)態(tài)的羅丹明不存在明顯的光譜重疊,FRET過程并不明顯,只能得到584nm的熒光增強(qiáng)的Cr~(3+)熒光化學(xué)傳感,并進(jìn)一步通過共聚焦熒光成像實(shí)驗(yàn)研究了Cr~(3+)在細(xì)胞中的分布。