基于FRET原理的硫醇荧光比率探针的合成及光谱性能的研究

论文摘要

化学荧光探针具有响应速度快、灵敏度高、操作简便、重现性好、设备简单等优点。并且,通过荧光成像,化学荧光探针还能够在生物体系中对被分析物进行高空间分辨的快速分析,而且对生物样品几乎不会产生破坏。因此,化学荧光探针近年来被广泛应用于金属离子,有机小分子,生物大分子,极性,粘度,pH值,细胞活性等被分析对象的识别和检测。在本文中,我们利用NCL（native chemical ligation）反应机理,设计合成了第一个基于荧光共振能量转移（FRET）信号机制的比率硫醇探针,并且成功的应用于生物体系内硫醇的荧光比率成像。目前,文献中报道的硫醇荧光探针,主要是通过与探针作用,改变探针的荧光强度（荧光增加或荧光淬灭）,来进行信息的表达,而几乎没有荧光比率探针的报道,更没有针对硫醇在生物体系内的荧光比率成像的报道。因此,开发出对硫醇选择性的并且能够应用于生物体系内进行荧光比率成像的荧光比率探针具有很重大的意义。针对这一情况,我们设计了以FRET（荧光共振能量传递）荧光信号传感为原理,以NCL为反应机理的硫醇荧光比率探针。为了实现这一目标,我们先后设计了两个体系:丹磺酰氯-罗丹明能量传递体系和BODIPY-罗丹明能量传递体系。在丹磺酰氯-罗丹明体系中,我们一共经过了两次合成路线的设计,经过连续4步的合成,最终得到两个目标分子。但是经过光谱性能的研究发现合成的这两个基于FRET原理的硫醇荧光比率探针灵敏度低,发射光谱重叠严重,分辨率差。所以我们采用BODIPY-罗丹明能量传递体系,重新设计硫醇比率荧光探针。在罗丹明酸-BODIPY体系中,我们一共经过了三次合成路线的设计,在多次失败和不断地讨论与修改下,最终经过连续12步合成,得到一个目标分子:硫醇荧光比率探针。首先,由于探针是荧光比率型的,测量时在两个波长处发射荧光,它能够修正荧光探针在检测时容易受到环境影响所产生的误差。其次,探针非常有利于定量检测被分析物中硫醇的含量。最后,探针的实际应用广泛,我们成功的应用该探针定量检测新生小牛血清中硫醇的含量,人体尿液中硫醇的含量,以及在活细胞中比值成像。探针的优点有:在生理pH条件下,有较高的稳定性并且运行良好;有很好的选择性;较高的灵敏性;探针能在一个大的信号变化范围比值检测,成一个线性的动力学范围。更重要的是,该探针已经成功应用于在生物体液中比率检测硫醇,以FRET为原理在活细胞中对硫醇比值成像。因此,我们预计,该探针在不同的生物应用中,将会是一个非常有用的工具,例如在生物体液内定量检测硫醇;荧光标记蛋白质;以及作为一个检测含有巯基的酶的产品,用来筛选酶抑制剂等等。此外,以NCL反应机理为基础,设计硫醇探针的概念可以广泛的适用于构建比率硫醇探针。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 荧光共振能量转移（FRET）介绍
• 1.2.1 FRET 共振能量转移计算
• 1.3 罗丹明类荧光染料介绍
• 1.4 罗丹明开环过程的应用
• 1.4.1 利用开环过程检测金属离子
• 1.4.2 合成罗丹明衍生物探针
• 1.4.3 荧光共振能量转移（FRET）引入到罗丹明开环过程中
• 1.4.4 检测氧化剂或谷胱甘肽
• 1.4.5 应用开环反应过程设计分子逻辑门
• 1.4.6 总结
• 1.5 BODIPY 类荧光染料介绍
• 1.6 BODIPY 的合成
• 1.6.1 BODIPY 8-位取代反应
• 1.6.2 BODIPY 2,6-位取代反应
• 1.6.3 氟硼吡咯的3, 5-位衍生物
• 1.6.4 总结
• 1.7 硫醇荧光探针介绍
• 1.7.1 硫醇荧光探针的设计方法
• 1.7.2 硫醇荧光探针的检测方法
• 1.8 荧光比率探针
• 1.8.1 荧光比率探针的优点
• 第2章 硫醇荧光比率探针的设计及合成表征
• 2.1 研究背景
• 2.2 本论文的设计思想
• 2.3 本论文的研究工作
• 2.4 丹磺酰氯-罗丹明能量传递体系硫醇探针的设计与合成
• 2.4.1 仪器与试剂
• 2.4.2 探针分子的设计
• 2.4.3 探针分子的合成路线
• 2.4.4 实验部分
• 2.4.4.1 丹磺酰氯连罗丹明酸体系第一次合成
• 2.4.4.2 丹磺酰氯连罗丹明酸体系第二次合成
• 2.4.5 小结与讨论
• 2.5 BODIPY-罗丹明能量传递体系硫醇探针的设计与合成
• 2.5.1 仪器与试剂
• 2.5.2 探针分子的设计
• 2.5.3 探针分子的合成路线
• 2.5.4 实验部分
• 2.5.4.1 BODIPY-罗丹明体系第一次合成
• 2.5.4.2 BODIPY-罗丹明体系第二次合成
• 2.5.4.3 BODIPY-罗丹明体系第三次合成
• 2.5.5 小结与讨论
• 2.6 本章总结
• 第3章 硫醇荧光比率探针光谱性能与反应机理研究
• 3.1 仪器与试剂
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 PBS 缓冲溶液的配制
• 3.2.2 探针测试溶液的配置
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 探针最优化结构的模拟
• 3.3.2 探针的吸收光谱
• 3.3.3 探针的发射光谱
• 3.3.4 探针化合物对硫醇的荧光比率响应
• 3.3.5 产物结构的确定
• 3.3.6 探针化合物的稳定性研究
• 3.3.7 时间曲线
• 3.3.8 pH 值的影响
• 3.3.9 选择性与竞争性研究
• 3.3.10 探针的粗步应用研究
• 3.3.10.1 生物样品中硫醇的检测
• 3.3.10.2 活细胞中硫醇的比值成像研究
• 3.4 探针检测机理
• 3.5 小结与讨论
• 结论
• 参考文献
• 附录 A 攻读学位期间所发表的学术论文目录
• 附录 B 合成化合物一览图
• 附录 C 部分化合物的谱图
• 致谢