新型联吡啶钌环糊精超分子化合物：合成、性质及其在电致化学发光DNA生物传感器中的应用研究

论文摘要

自然界亿万年的进化创造了生命体,而执行生命功能是生命体中无数个超分子体系。超分子化学是研究分子间相互作用缔结而形成复杂有序且具有特定功能的分子聚集体的科学。超分子化学逐渐发展成为一门新兴的分子信息化学,它包括在分子水平和结构特征上的信息存储,以及通过特异性相互作用的分子识别过程,实现在超分子尺寸上的修正、传输和处理。它是化学和多门学科的交叉领域,它不仅与物理学、材料科学、信息科学、环境科学等相互渗透形成了超分子科学。而更具有重要理论意义和潜在前景的是在生命科学中的研究和应用。例如生物体内小分子和大分子之间高度特异的识别在生命过程中的调控,生物体内的信息输送（电子转移、能量传递、物质传输和化学转换）和生物体中受体.底物相互作用等,其基本现象都离不开超分子化学范畴。环糊精是超分子化学中最重要的主体物质之一,它能与许多有机、无机和生物分子形成主客体包结物,也正是由于这些独特的性质,现在对环糊精的研究已经发展成环糊精超分子化学而被广泛关注。对它的研究从主客体识别形成包合物的机理已经转移到对其在分析化学、医药制备、环境检测和生物传感器等领域的应用研究。将功能金属中心与环糊精联接构成的金属环糊精超分子化合物,由于同时具有环糊精的主客体识别特性和功能金属中心（例如,联吡啶钌）的特性,使其更加适合于超分子器件及传感器的设计。因此,金属环糊精超分子化合物已成为目前超分子化学中的研究热点。但是目前为止,金属环糊精大多以单核金属中心的形式存在。多核金属中心的环糊精超分子化合物因为具有多核的电子氧化还原中心,势必在光电子器件、荧光开关及生物分子多标记领域显示更为优越的性质,和更具独特的应用前景。电致化学发光（ECL）,特别是基于Ru（bpy）32+电致化学发光技术己被广泛应用临床的医学检验中,例如,目前临床中免疫、肿瘤标记物等检测均采用联吡啶钌电致化学发光检测技术。正是由于联吡啶钌电致化学发光检测技术在生物传感中有着极其重要的应用价值,许多科研工作者已经投入大量的科研力量研究新型联吡啶钌衍生物标记的电致化学发光生物传感技术,例如,多联吡啶钌标记,纳米颗粒包裹联吡啶钌等纳米技术标记等。然而,这些方法虽然可以提高在生物分子上的联毗啶钌标记量,但是往往存在阻碍所标记的生物分子活性或者稳定性不够理想等缺陷。因此,寻找能在标记电致化学发光试剂时更好地保持生物活性和更灵敏的电致化学发光信号仍是基于联吡啶钌的电致化学发光生物传感的主要研究目标。本论文在现有的环糊精衍生物合成的基础上,合成了β-环糊精6位单取代、二取代及三取代苯胺基衍生物,在此基础上,我们合成了两大类六个金属环糊精：多钌中心与多环糊精的联吡啶钌环糊精超分子化合物。通过对这些联吡啶钌环糊精超分子化合物的发光性质研究,我们发现多钌中心的联吡啶钌环糊精化合物具有非常强的荧光及电致化学发光特性,更重要的,这些化合物基于对特定客体分子的识别作用显示出高效的荧光及电致化学发光特性。基于多个钌中心联吡啶钌环糊精超分子化合物对客体分子对甲基红的高效电致化学发光猝灭特性,我们构建了电致化学发光DNA传感器,避免了传统的发光活性物固定及生物标记所需的烦琐程序,该传感器的设计由于其通过环糊精的主客体识别作用对生物分子的直接发光标记引入及非常高的灵敏度在电致化学发光生物传感器领域具有非常大的应用前景。本论文的创新点主要体现在以下几个方面：1)合成了一系列新型的金属环糊精超分子化合物。这包括了含多钌中心和多环糊精的二大类联吡啶钌环糊精超分子化合物等六个新化合物。特别是多联吡啶钌环糊精超分子化合物是一类未见报道得全新多核金属中心的环糊精超分子化合物。2)金属环糊精超分子化合物的电致化学发光行为的研究和应用未见报道。我们首次对联吡啶钌环糊精化合物和相应的主客体识别过程的电致化学发光行为以及可能的机理和特性做了研究。3)以联吡啶钌环糊精衍生物和主—客体识别为基础的DNA电致化学发光生物传感是一种全新的技术。我们提出的新技术将改变联吡啶钌直接标记到生物分子上的传统方法。这种技术通过联吡啶钌环糊精衍生物上的环糊精与标记在生物分子上的客体分子进行主一客体分子识别作用,达到将电致化学发光活性基团引入到生物分子上,从而实现对生物分子的间接标记。这种技术将会使生物分子标记更简单、价廉和更好地保持生物活性。同时,多联吡啶钌环糊精衍生物中,由于多个联吡啶钌发光中心的存在,这样可以很方便地实现生物分子的单个位点的多标记,这在一定程度上不但提高了标记效率而且提高了电致化学发光生物检测的灵敏度。本章论文总共分七章。第一章绪论本章首先阐述了超分子化学的概念及其发展背景,以及超分子化学领域所涉及的主客体化学、超分子自组装、分子器件的概念及发展状况。其次介绍了环糊精超分子化学的发展背景,重点阐述了环糊精衍生物的分类及其研究现状,环糊精在化学传感器中的应用。最后介绍了生物传感器中的DNA电化学传感器概念、原理及其应用,此外,介绍了电致化学发光的原理及电致化学发光体的发展现状,以及电致化学发光生物传感器的分类及研究现状。基于这些研究内容,提出了本论文的目的和意义。第二章苯胺基β-环糊精衍生物的合成基于环糊精衍生物在以主客体识别为研究重点的超分子化学领域的重要作用,我们以β-环糊精为原料,合成了苯胺基在β-环糊精6位羟基的单取代、取代及三取代三个化合物。为了成功获得目标化合物,我们提出了五个合成策略,实验证明三个是失败的,两个是成功的。在这成功的两个合成策略中,其中一个是实现β-环糊精6位进行多取代衍生物合成的较为成功的路线,另一个是在此基础上作的改进,用该路线我们通过两步反应即可获得β-环糊精苯胺基取代衍生物,虽然已经得到单取代产物,但是该路线还在进一步摸索中。这些多苯胺基取代的β-环糊精衍生物将会被应用在电化学修饰电极的制备及联吡啶钌环糊精超分子化合物的重要原料。第三章新型联吡啶钉环糊精超分子化合物的合成基于环糊精及金属环糊精衍生物的发展及研究现状,在第二章多苯胺基取代β-环糊精衍生物合成的基础上,我们合成了一系列新型的联吡啶钌环糊精超分子化合物。这些化合物可分为两个类型：单个环糊精多个钌中心和多个环糊精单个钌中心超分子化合物,其中单个环糊精多个钌中心超分子化合物分别为：Ru-CD、2Ru-CD及3Ru-CD；而多个环糊精单个钌中心超分子化合物分别为：Ru-2CD、Ru-3CD及Ru-6CD。我们对这些新的超分子配合物分别采用核磁共振及质谱进行了结构鉴定。第四章新型联吡啶钌环糊精超分子化合物的性质研究为了探索我们合成的新型的联吡啶钌环糊精超分子化合物在荧光及电化学传感器领域的应用,本章我们对第三章合成的联吡啶钌环糊精超分子化合物分别按多个钌中心及多个环糊精联吡啶钌环糊精化合物两个类型研究其紫外吸收、荧光发射、电化学及电致化学发光性质。研究结果表明,多个钌中心的联吡啶钌环糊精化合物显示出非常强的荧光及电致化学发光特性,这些结论为其荧光传感器及电化学生物传感器的设计提供非常重要的理论基础。第五章新型联吡啶钌环糊精超分子化合物基于主客体识别的荧光特性研究在本章,我们以二茂铁（Fc）、对甲基红（Dab）及亚甲基蓝（MB）作为客体分子,研究多钌中心及多环糊精的联吡啶钌环糊精超分子化合物基于对这些客体分子识别的荧光猝灭行为,研究结果表明,在Dab与MB存在下,这两类联吡啶钌环糊精化合物均显示出高效的荧光猝灭行为,而对于Fc,三个钌中心（3Ru-CD）及六个环糊精（Ru-6CD）的联吡啶钌环糊精化合物均显示出比其它同类化合物较高的荧光猝灭。第六章苯胺基β-环糊精衍生物玻碳修饰电极的研究在本章,我们将合成的苯胺基β-环糊精衍生物（MPA-β-CD）通过重氮化反应修饰到玻碳电极上,并通过红外及循环伏安法进行了表征,结果表明电化学还原重氮盐修饰电极具有操作简单,反应迅速,易于控制等特点。利用β-环糊精修饰电极建立了β-环糊精对二茂铁主客体识别作用,实现了大量Fc被电极表面的MPA-β-CD所捕获。因此,苯胺基p-环糊精重氮化修饰电极有望在电化学传感器领域有着广阔的应用前景。第七章新型联吡啶钌环糊精超分子化合物基于主客体识别的电致化学发光DNA生物传感器的研究基于第四章对联吡啶钌环糊精超分子化合物的电致化学发光（ECL）性质研究,我们以多钌中心的联吡啶钌环糊精超分子化合物即Ru-CD、2Ru-CD及3Ru-CD为研究对象,考察了客体分子Dab对这三个金属环糊精主体的ECL发光行为,结果表明Dab对多金属中心的3Ru-CD显示出非常高效的ECL猝灭,其原因也正是源于多核金属中心的存在所导致的高效的电子或能量转移过程。基于此,我们构建了3Ru-CD对目标DNA检测的ECL生物传感器。该技术基于联吡啶钌环糊精的主客体识别特性,实现对目标DNA检测的ECL生物传感技术不仅获得了目前所报道的最低的检测限,与传统的ECL DNA生物传感器相比,此技术避免了生物标记必需的繁琐化学反应过程使其显得更加经济,而同时这种在溶液中直接进行的生物检测技术与联吡啶钌电极表面固定技术相比具有简单可操作性强的优点。

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摘要

Abstract

第一章绪论

1 超分子化学

1.1 超分子化学背景介绍

1.2 主客体化学

1.2.1 超分子主体化合物的分类

1.2.2 分子识别

1.3 超分子自组装

1.4 分子器件

2 环糊精超分子化学研究进展

2.1 环糊精的研究背景

2.2 环糊精的结构与性质

2.3 环糊精衍生物

2.3.1 简单小分子有机物修饰环糊精衍生物

2.3.2 环糊精超分子聚合物

2.3.3 金属环糊精衍生物

2.4 环糊精衍生物在化学传感器中的应用

2.4.1 环糊精荧光传感器

2.4.1.1 单酰（dansyl）修饰的环糊精荧光传感器

2.4.1.2 芘（pyrene）修饰的环糊精荧光传感器

2.4.1.3 萘（naphthalene）修饰的环糊精荧光传感器

2.4.1.4 含多个主体的环糊精荧光传感器

2.4.2 环糊精电化学传感器

3 生物传感器

3.1 生物传感器概述

3.1.1 生物传感器概念

3.1.2 生物传感器分类

3.2 DNA电化学生物传感器

3.2.1 DNA生物传感器原理

3.2.2 DNA生物传感器技术的应用

3.2.2.1 在医学上的应用

3.2.2.2 在环境监测中的应用

3.2.2.3 在食品工业中的应用

3.3 电致化学发光生物传感器

3.3.1 电致化学发光基本原理

3.3.2 电致化学发光体（ECL Luminophores）

3.3.3 ECL生物传感器

4 本论文的目的和意义

参考文献

第二章苯胺基B-环糊精衍生物的合成

1 引言

2 实验部分

2.1 实验仪器与试剂

2.1.1 仪器

2.1.2 试剂

2.2 实验方法

2.2.1 策略一:胺基环糊精衍生物的合成

2.2.2 策略二:胺基环糊精衍生物的合成

2.2.3 策略三:胺基环糊精衍生物的合成

2.2.4 策略四:胺基环糊精衍生物的合成

2.2.5 策略五:胺基环糊精衍生物的合成

3 结果与讨论

3.1 环糊精胺基衍生物合成策略一

4）的合成'>3.1.1 化合物（A⁴）的合成

3.1.2 化合物（1）的合成

3.1.3 化合物（2）的合成

3.1.4 化合物（3）的合成

3.1.5 系列化合物（8）中的单取代、二取代及三取代的合成

3.1.5.1 环糊精苯胺基单取代产物的合成

3.1.5.2 环糊精苯胺基二取代产物的合成

3.1.5.3 环糊精苯胺基三取代产物的合成

3.2 环糊精胺基衍生物合成策略五

3.2.1 化合物（9）的合成

3.2.2 化合物（P5）的合成

4 结论

参考文献

第三章新型联吡啶钌环糊精超分子化合物的合成

1 引言

2 实验部分

2.1 仪器与试剂

2.1.1 仪器

2.1.2 试剂

2.2 实验方法

2.2.1 配体的合成

2Cl₂配体的合成'>2.2.1.1 Ru（bpy）₂Cl₂配体的合成

2.2.1.2 环糊精联吡啶配体的合成

3Cl₂配合物的合成'>2.2.1.3 Ru（bpy）₃Cl₂配合物的合成

2.2.1.4 Ru-CD配合物的合成

2.2.1.5 2Ru-CD配合物的合成

2.2.1.6 3Ru-CD配合物的合成

2.2.1.7 Ru-2CD配合物的合成

2.2.1.8 Ru-3CD配合物的合成

2.2.1.9 Ru-6CD配合物的合成

3 结果与讨论

3.1 配体的合成

2Cl₂的合成'>3.1.1 配体cis-Ru（bpy）₂Cl₂的合成

3.1.2 配体4的合成

3.1.3 配体5的合成

3.1.4 配体6的合成

3.1.5 配体7的合成

3.2 配合物的合成

3Cl₂的合成'>3.2.1 Ru（bpy）₃Cl₂的合成

3.2.2 Ru-CD的合成

3.2.3 2Ru-CD的合成

3.2.4 3Ru-CD的合成

3.2.5 Ru-2CD的合成

3.2.6 Ru-3CD的合成

3.2.7 Ru-6CD的合成

4 结论

参考文献

第四章新型联吡啶钌环糊精超分子化合物的性质研究

1 引言

2 实验部分

2.1 仪器与试剂

2.1.1 仪器

2.1.2 试剂

2.2 实验方法

2.2.1 紫外吸收光谱检测

2.2.2 荧光发射光谱检测

2.2.3 电化学循环伏安法检测

2.2.4 电致化学发光检测

3 结果与讨论

3.1 联吡啶钌环糊精超分子化合物的紫外吸收光谱性质

3.2 联吡啶钌环糊精超分子化合物的荧光发射光谱性质

3.3 联吡啶钌环糊精超分子化合物的电化学性质

3.4 联吡啶钌环糊精超分子化合物的ECL性质

4 结论

参考文献

第五章新型联吡啶钉环糊精超分子化合物主客体识别的荧光特性研究

1 引言

2 实验部分

2.1 实验仪器与试剂

2.1.1 仪器

2.1.2 试剂

2.2 实验方法

2.2.1 主客体溶液的配制

2.2.2 主客体溶液的荧光发射光谱测量

3 结果与讨论

3.1 联吡啶钉环糊精化合物基于主客体识别的荧光发射光谱

3.2 多钌中心联吡啶钉环糊精超分子化合物主客体识别的荧光特性

3.3 多环糊精的联吡啶钉环糊精超分子化合物主客体识别的荧光特性

4 结论

参考文献

第六章苯胺基B-环糊精衍生物重氮化修饰玻碳电极的研究

1 引言

2 实验部分

2.1 仪器与试剂

2.1.1 仪器

2.1.2 试剂

2.2 实验方法

2.2.1 GCE电极的预处理

2.2.2 MPA-β-CD电化学还原重氮化修饰玻碳电极

3 结果与讨论

3.1 MPA-β-CD在GCE上的固定

3.2 MPA-β-CD修饰电极对Fc的分子识别

4 结论

参考文献

第七章新型联吡啶钉环糊精超分子化合物基于主客体识别的电致化学发光DNA传感器研究

1 引言

2 实验部分

2.1 仪器与试剂

2.2 实验方法

2.2.1 DNA的杂交反应

2.2.2 主客体识别过程

2.2.3 工作电极的预处理

2.2.4 ECL检测

3 结果与讨论

3.1 多钌中心的联吡啶钌环糊精超分子化合物主客体识别的ECL行为

3.2 基于联吡啶钌环糊精超分子化合物主客体识别构建的ECL DNA生物传感器

4 结论

参考文献

附录:博士在读期间科研成果

致谢

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