新型光化学传感分子的设计合成与分子识别研究

论文摘要

本论文以香豆素作为荧光基团和发色基团,设计合成了一系列新型光化学传感分子,并将它们用于对特定的离子、生物小分子、酶和蛋白质物种的识别,取得了非常好的识别效果,其中部分传感分子可以应用于细胞内荧光成像。主要工作概述如下:1.设计合成了一种基于香豆素的肼衍生物（SR01）作为传感分子。它在乙腈溶液中能识别Hg2+离子,用肉眼即可观察到溶液颜色由橙色（490 nm）变成紫红色（575 nm）,而其它金属离子无此变化,体现了良好的识别选择性,该传感分子可在较长波长下检测Hg2+离子,而且具有较高灵敏度。2.设计合成了一种基于香豆素结构的席夫碱衍生物（WSCU）。该传感分子在水相中能比色识别Cu2+离子,用肉眼即可观察到溶液颜色由橙色（460 nm）变为红色（530 nm）。我们用NMR,MS等方法对识别的机制进行了研究,提出了一种合理的识别模型,而且进一步将其制成传感试纸,有望应用于Cu2+的快速检测。3.设计合成了一种基于香豆素结构的席夫碱衍生物（WSZN）。该传感分子可用于识别水相中的Zn2+离子,与Zn2+作用后荧光增强10倍。我们进一步用单晶结构分析确定了传感分子与Zn2+形成配合物的结构。此外用激光共聚焦显微镜研究了该传感分子在HepG2细胞内对Zn2+的荧光成像,取得了很好的效果。4.设计合成了一种香豆素的噻唑烷衍生物Ligand 1,该化合物在水相中易于被O2氧化,生成强荧光的Coumarin 6。然而,将该噻唑烷与HgCl2配位后,可制得一种无荧光的稳定配合物HgL作为传感分子,用于水相中识别生物巯基化合物,如半胱氨酸Cys（荧光增强13倍）,还原型谷胱甘肽GSH（荧光增强15倍）,而对于氧化型谷胱甘肽GSSG则无作用。利用这种选择性,还可进一步用于谷胱甘肽还原酶的选择性识别。我们用NMR,MS等方法对识别机理进行了深入研究,提出了一种全新的“潜荧光”传感机理。此外我们从HgL单晶结构中发现,其分子间存在特殊的Hg-S长程相互作用（3.112 ?）,该化学键长度超过了目前剑桥晶体结构数据库中记录的Hg-S键最长值（2.9 ?）。5.设计合成了一种基于香豆素的氨基硫脲衍生物Ligand 2,它在水相中有强荧光发射。将该化合物与HgCl2配位制得了一种无荧光的配合物Hg2L2作为传感分子。从单晶结构中发现Hg2L2是以氯桥相连的双核配合物。它在水相中的荧光发射能随着生物巯基化合物如Cys,GSH的加入而增强（约12倍）。而且Hg2+和GSH的交替加入可使溶液呈现循环的荧光“开”-“关”状态,这种循环的荧光“开”-“关”过程可以用肉眼明显的观察到。进一步研究发现,其对谷胱甘肽还原酶的识别有很好的选择性。此外,该可“再生”的传感分子能够用于细胞内生物巯基化合物的荧光成像,在不同种类的细胞中均取得了很好的效果。

论文目录

• 中文摘要
• Abstract
• 第一章 前言
• 1.1 超分子化学与分子识别
• 1.2 超分子光化学与光化学传感分子
• 1.3 基于不同作用机制的光化学传感分子概述
• 1.4 小结
• 1.5 本论文的设计思想与研究内容
• 2+的香豆素类传感分子'>第二章 基于 ICT 机制识别 Hg²⁺的香豆素类传感分子
• 2.1 引言
• 2+的传感分子设计原理与思路'>2.1.1 识别 Hg²⁺的传感分子设计原理与思路
• 2.2 实验部分
• 2.2.1 仪器与试剂
• 2.2.2 有机合成部分
• 2.2.3 传感分子识别性质测试
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 分子识别的选择性
• 2.3.2 分子识别中的定量关系
• 2.3.3 分子识别中的离子干扰
• 2.4 小结
• 2+的香豆素类传感分子'>第三章 基于 ICT 机制识别水相中 Cu²⁺的香豆素类传感分子
• 3.1 引言
• 2+的传感分子设计原理与思路'>3.1.1 水相中识别 Cu²⁺的传感分子设计原理与思路
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 仪器与试剂
• 3.2.2 有机合成部分
• 3.2.3 传感分子识别性质测试
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 有机合成部分
• 3.3.2 分子识别的选择性
• 3.3.3 分子识别中的定量关系
• 3.3.4 pH 值对传感分子性质的影响
• 3.3.5 分子识别机理的研究
• 3.3.6 分子识别中的离子干扰
• 3.3.7 传感分子检测试纸的制备与评价
• 3.4 小结
• 第四章 基于 C=N 双键异构化作用的香豆素类传感分子及其细胞生物学应用
• 4.1 引言
• 2+的传感分子的设计原理与思路'>4.1.1 水相中识别 Zn²⁺的传感分子的设计原理与思路
• 4.2 实验部分
• 4.2.1 仪器与试剂
• 4.2.2 有机合成部分
• 4.2.3 传感分子识别性质测试
• 2+离子的细胞内荧光成像部分'>4.2.4 Zn²⁺离子的细胞内荧光成像部分
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 有机合成部分
• 4.3.2 分子识别的选择性
• 4.3.3 分子识别中的定量关系
• 4.3.4 分子识别机理的研究
• 2+的分子识别域与构效关系'>4.3.5 Zn²⁺的分子识别域与构效关系
• 2+的细胞内荧光成像研究'>4.3.6 Zn²⁺的细胞内荧光成像研究
• 4.4 小结
• 第五章 基于化学反应的香豆素类传感分子及其在酶生物化学中的应用
• 5.1 引言
• 5.1.1 识别谷胱甘肽还原酶的传感分子设计原理与思路
• 5.2 实验部分
• 5.2.1 仪器和试剂
• 5.2.2 有机合成部分
• 5.2.3 传感分子识别性质测试
• 5.3 结果与讨论
• 5.3.1 有机合成部分
• 5.3.2 传感分子 HgL，Ligand 1，coumarin6 的性质比较
• 2+的作用及其计量比'>5.3.3.L igand 1 与 Hg²⁺的作用及其计量比
• 5.3.4 传感分子 HgL 结构的单晶 X-ray 解析
• 5.3.5 分子识别部分
• 5.3.6 分子识别机理研究
• 5.3.7 pH 值对 HgL 稳定性的影响
• 5.3.8 水相中谷胱甘肽还原酶的选择性识别
• 5.4 小结
• 第六章 基于配位作用的可“再生”型香豆素类传感分子及其生物学应用
• 6.1 引言
• 6.1.1 识别生物巯基化合物的传感分子设计原理与思路
• 6.2 实验部分
• 6.2.1 仪器与试剂
• 6.2.2 有机合成部分
• 6.2.3 传感分子识别性质测试
• 6.2.4 生物巯基化合物的细胞内荧光成像部分
• 6.3 结果与讨论
• 6.3.1 传感分子的光物理性质
• 2+的识别作用及其计量比'>6.3.2 配体 Ligand 2 与 Hg²⁺的识别作用及其计量比
• 6.3.3. 配体 Ligand 2 与传感分子 Hg2L2 单晶结构的 X-ray 解析
• 6.3.4.分子识别研究
• 6.3.5. 传感分子在识别中的可“再生”性
• 6.3.6.传感分子的识别机理研究
• 6.3.7.不同 pH 值对传感分子的影响
• 6.3.8.水相中谷胱甘肽还原酶的选择性识别
• 6.3.9. 生物巯基化合物的细胞内荧光成像研究
• 6.4.小结
• 第七章 总结与思考
• 参考文献
• 附录:论文中目标产物和重要中间体的核磁共振氢谱与碳谱
• 发表和待发表文章
• 致谢