BODIPY和罗丹明类阳离子荧光探针的研究

论文摘要

荧光分子探针具有诸如最高可达单分子检测的高灵敏度、能够实现开关操作、对亚微粒具有可视的亚纳米空间分辨能力和亚毫秒时间分辨能力、原位检测（荧光成像技术）以及利用光纤进行远距离检测等众多优点。氟硼荧（BODIPY）和罗丹明类荧光染料具有优异的光化学光物理性质，例如高的摩尔消光系数、良好的光稳定性、高的荧光量子产率等优点。因此，基于氟硼荧类和罗丹明类染料荧光分子探针的研究己引起人们越来越多的关注。设计合成了BODIPY类pH荧光分子探针M1-M6。M5对pH的响应范围是pH5．36-3．66，其它都是近中性的pH荧光分子探针，M1-M6是专一识别质子的pH荧光分子探针。同时，发现可以通过增加BODIPY染料8位亚甲基氮原子上取代基的数量、增加脂肪链取代基的链长、引入芳香烃基团等途径来降低此类染料的pKa值，这主要是由于该氮原子附近存在的空间张力增加，使得氮原子的质子化变得更难。这种通过改变BODIPY染料8位亚甲基氮原子上的取代基来调变探针pKa对此类pH荧光分子探针设计很有意义。基于PET原理设计合成了BODIPY类pH荧光分子探针BDTA。BDTA具有非常狭窄的pH识别范围（pH 2．00-0．65），具有很高的pH灵敏度。此外，BDTA不能够识别金属离子和阴离子，因此，BDTA是一个专一识别质子的pH荧光分子探针。基于PET原理设计合成了BODIPY类荧光化合物BPb1，在乙腈中其最大吸收波长（496 nm）和最大发射波长（505 nm）在可见区，荧光量子产率为0．013，加入过量Pb2+后，pb2+-BPb1络合物的荧光量子产率增大到0．693。其它常见金属离子和阴离子在乙腈中对BPb1检测Pb2+没有明显的干扰。荧光增强是由于pb2+和受体的络合阻断了探针分子中由受体到荧光母体的光诱导电子转移（PET）。设计合成了两个罗丹明类Cu2+荧光增强型分子探针RB2和RG2。在Tris-HCl中性缓冲液中，RB2和RG2在常见金属离子中(Na+，K+，Mg2+，Ca2+，Ba2+，Mn2+，Cd2+，Cr3+，Co2+，Ni2+，Ag+，Pb2+，Zn2+，Fe3+，Fe2+，Hg2+)和常见阴离子(Ac-，Cl-，NO3-，H2PO4-，PO43-，SO42-)中能够专一性地识别Cu2+，具有很高的灵敏度，RB2至少可以检测到1 nM Cu2+；RG2至少可以检测到0．1 nM Cu2+。加入Cu2+后，RB2和RG2的荧光强度分别增大约195倍和309倍。RB2、RG2对pH不敏感，可以在较宽的pH范围（包括重要的生理pH范围）内对Cu2+高灵敏地识别。RB2、RG2分别和Cu2+作用后，溶液的颜色和荧光发生明显地变化。合成了罗丹明类荧光化合物RB1和RG1。RG1对pH的响应范围是pH 4．51-0．96。随着酸度的增加（pH 4．51-0．96），RG1的吸光度和荧光强度将逐渐增大，pH降到0．96时，其荧光强度增大了约69倍，而且RG1对常见金属离子和阴离子都没有响应，所以RG1是一个高灵敏、可以专一识别质子的pH荧光分子探针。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 前言
• 1.1 绪论
• 1.2 分子荧光产生原理
• 1.3 荧光分子探针识别原理
• 1.3.1 光诱导电子转移
• 1.3.2 分子内电荷转移
• 1.3.3 激基缔合物
• 1.3.4 荧光共振能量转移
• 1.3.5 光诱导质子转移
• 1.3.6 激发态分子内质子转移
• 1.4 荧光团
• 1.5 识别基团
• 1.5.1 杯芳烃
• 1.5.2 吡啶及其衍生物
• 1.5.3 冠醚
• 1.5.4 环糊精
• 1.5.5 五元杂环和类杂环
• 1.5.6 核糖核酸
• 1.5.7 多肽
• 1.5.8 其它识别基团
• 1.6 本研究工作的主要内容
• 2 基于BODIPY的pH荧光分子探针
• 2.1 概述
• 2.2 实验部分
• 2.2.1 原料和仪器
• 2.2.2 中间体的合成
• 2.2.3 目标化合物的合成
• 2.2.4 单晶结构测定
• 2.2.5 吸收光谱和荧光光谱的测定
• 2.2.5.1 不同溶剂中吸收光谱和荧光光谱的测定
• 2.2.5.2 pH对荧光光谱影响的测定
• 2.2.5.3 金属离子和阴离子对荧光光谱影响的测定
• 2.2.5.4 摩尔消光系数的测定
• 2.2.5.5 荧光量子产率的测定
• 2.2.5.6 Stokes位移的测定
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 M1-M6在不同溶剂中的光谱性质
• 2.3.2 pH对M1-M6荧光光谱的影响
• a）的影响'>2.3.3 分子结构对M1-M6酸解离常数（pK_a）的影响
• 2.3.4 金属离子和阴离子对M1-M6荧光光谱的影响
• 2.3.5 基于BDTA的pH荧光分子探针
• 2.3.5.1 N2的晶体结构
• 2.3.5.2 BDTA的晶体结构
• 2.3.5.3 BDTA在不同溶剂中的光谱性质
• 2.3.5.4 pH对BDTA吸收光谱和荧光光谱的影响
• 2.3.5.5 金属离子和阴离子对BDTA荧光光谱的影响
• 2.4 本章小结
• 2+荧光分子探针'>3 基于BODIPY的Pb²⁺荧光分子探针
• 3.1 概述
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 原料和仪器
• 1的合成'>3.2.2 BPb₁的合成
• 3.2.3 吸收光谱及荧光光谱的测定
• 3.2.4 pH对荧光光谱影响的测定
• 3.2.5 金属离子和阴离子对荧光光谱影响的测定
• 3.3 结果与讨论
• 1对金属离子的识别'>3.3.1 BPb₁对金属离子的识别
• 1荧光光谱的影响'>3.3.2 pH对BPb₁荧光光谱的影响
• 2+对BPb₁吸收光谱和荧光光谱的影响'>3.3.3 pb²⁺对BPb₁吸收光谱和荧光光谱的影响
• 1和pb²⁺的络合比'>3.3.4 BPb₁和pb²⁺的络合比
• d'>3.3.5 表观解离常数K_d
• 1荧光光谱的影响'>3.3.6 阴离子对BPb₁荧光光谱的影响
• 3.4 本章小结
• 2+和pH荧光分子探针'>4 基于罗丹明类的Cu²⁺和pH荧光分子探针
• 4.1 概述
• 4.2 探针分子设计和合成路线
• 4.3 实验部分
• 4.3.1 实验仪器、试剂及方法
• 4.3.2 单晶结构测定
• 4.3.3 中间体的合成
• 4.3.4 目标化合物的合成
• 4.3.5 吸收光谱及荧光光谱的测定
• 4.3.6 pH对吸收光谱和荧光光谱影响的测定
• 4.3.7 金属离子和阴离子对吸收光谱和荧光光谱影响的测定
• 4.3.8 荧光量子产率的测定
• 4.4 结果与讨论
• 4.4.1 探针的晶体结构
• 4.4.2 pH对RB2、RG2吸收光谱和荧光光谱的影响
• 2+的影响'>4.4.3 乙腈中水的含量对RB2、RG2识别Cu²⁺的影响
• 2+对RB2、RG2吸收光谱和荧光光谱的影响'>4.4.4 Cu²⁺对RB2、RG2吸收光谱和荧光光谱的影响
• 2+识别机理的研究'>4.4.5 RB2、RG2对Cu²⁺识别机理的研究
• 2+的反应摩尔比'>4.4.6 RB2、RG2与Cu²⁺的反应摩尔比
• 2+的灵敏度'>4.4.7 RB2、RG2检测Cu²⁺的灵敏度
• 2+的响应时间研究'>4.4.8 RB2、RG2对Cu²⁺的响应时间研究
• 2+的选择性'>4.4.9 RB2、RG2检测Cu²⁺的选择性
• 2+的影响'>4.4.10 乙醇中水的含量对RB2、RG2识别Cu²⁺的影响
• 4.4.11 在乙醇水溶液中不同金属离子对RB2、RG2荧光光谱的影响
• 4.4.12 pH对RB1和RG1的吸收光谱和荧光光谱的影响
• 4.4.13 金属离子对RB1、RG1荧光光谱的影响
• 4.4.14 阴离子对RB1、RG1荧光光谱的影响
• 4.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 附录A 典型化合物核磁谱图
• 创新点摘要
• 攻读博士学位论文期间发表学术论文情况
• 致谢