氟硼二吡咯（BODIPY）荧光探针的设计、合成与应用研究

论文摘要

荧光分子探针能够将分子识别的信息转换成荧光信号,具有最高可达单分子检测的高灵敏度、能够实现开关操作、对亚微粒子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。开关型信号变化能够降低自身荧光的干扰,从而极大地提高探针的灵敏度。氟硼吡咯（BODIPY）作为荧光发色团具有非常优越的特性：1、摩尔消光系数比较大；2、尖锐的紫外吸收和荧光发射峰；3、很高的荧光量子产率；4、对极性和PH的耐受性比较好,而且在生理环境下非常稳定。本文基于BODIPY荧光团,设计合成了五个荧光探针。所有探针结构都经1H NMR、13C NMR和HRMS等确认。利用紫外-可见光和荧光光谱法系统研究了荧光探针对目标物的识别性能及识别机理。1、将多酰胺链受体通过苯乙烯基共轭连接到BODIPY的3位,合成了Cd2+探针CSl。该探针在中性缓冲液中高选择、高灵敏识别镉离子,镉离子结合前后荧光强度增强了大约200倍,荧光量子产率增加了大约100倍。CSI可以裸眼和荧光双通道区分Cd2+和Zn2+。它还可以穿透细胞膜,用于细胞内的Cd2+成像。2、在BODIPY的3位和5位引入两个多酰胺链受体,合成了探针CS2。它可以在中性缓冲溶液中选择性地识别镉离子,在镉离子结合前后真正实现了从无到有OFF-ON地信号变化。探针CS2和镉离子的金属螯合物CS2-Cd在水溶液中可以高灵敏、高选择性地检测PPi。在PPi存在时,CS2-Cd的荧光强度会迅速地减弱,但是在同样条件下PPi类似物（ADP和ATP）没有引起任何荧光变化。3、在BODIPY的3位和5位引入不同的取代基,设计、合成了近红外探针HMS （λem=658 nm）。该荧光探针的选择性可以通过改变缓冲体系进行调控,在不同的缓冲液体系,HMS可以选择性识别Hg2+、Pb2+和Cd2+。4、合成了基于氟硼吡咯荧光团和肼活性基团的次氯酸根离子荧光探针HCS。该探针在中性条件下,随着C1O-的加入,HCS的吸收有着明显的波长变化,荧光急剧增加而且有明显的蓝移过程。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 前言
• 1.1 绪论
• 1.2 荧光产生的机制
• 1.3 荧光探针的信号传递机制
• 1.3.1 光诱导电子转移（Photoinduced Electron Transfer,PET）机理
• 1.3.2 PET机理荧光探针示例
• 1.3.3 分子内电荷转移（Intramolecula Charge Transfer,ICT）机理
• 1.3.4 ICT机理荧光探针示例
• 1.3.5 荧光共振能量转移（fluorescence resonance energy transfer,FRET）机理
• 1.3.6 FRET机理荧光探针示例
• 1.4 氟硼吡咯（BODIPY）荧光团简介
• 1.4.1 氟硼吡咯荧光团及其特点
• 1.4.2 BODIPY的合成
• 1.4.2.1 以吡咯和酰氯或酸酐合成
• 1.4.2.2 以吡咯和醛合成
• 1.4.3 BODIPY的修饰改造
• 1.4.3.1 BODIPY 8-取代基的改造
• 1.4.3.2 BODIPY母核的修饰
• 1.4.3.2.1 磺化反应
• 1.4.3.2.2 硝化反应
• 1.4.3.2.3 卤化反应
• 1.4.3.2.4 亲核取代反应
• 1.4.3.2.5 长波长衍生物
• 1.5 荧光探针的分类及应用
• 1.5.1 有机小分子荧光发色团
• 1.5.2 有机小分子荧光探针
• 1.5.2.1 金属离子探针
• 1.5.2.2 pH探针
• 1.5.2.3 光动力治疗
• 1.5.3 其他类型荧光探针及其应用
• 1.6 本论文的指导思想和主要目标
• 2+探针'>第二章 基于PET原理的OFF-ON型Cd²⁺探针
• 2.1 引言
• 2.2 探针分子设计
• 2.3 探针分子识别机理
• 2.4 仪器和试剂
• 2.5 合成路线
• 2.5.1 化合物2-1合成
• 2.5.2 化合物2-2合成
• 2.5.3 化合物2-3合成
• 2.5.4 化合物2-4合成
• 2.5.5 化合物2-5合成
• 2.5.6 化合物2-6合成
• 2.5.7 化合物CS和CS1合成
• 2.6 探针CS1性能测试
• 2.6.1 CS1母液的配制
• 2.6.2 金属离子的配制
• 2.6.3 探针pH滴定实验
• 2.6.4 CS1荧光量子产率的测定
• 2.6.5 Job曲线的测定
• 2.5.6 探针与金属离子络合常数的测定
• 2.7 结果与讨论
• 2.7.1 探针CS和CS1荧光性能比较
• 2.7.2 pH对探针CS1的影响
• 2+诱导CS1的光谱变化'>2.7.3 Cd²⁺诱导CS1的光谱变化
• 2.7.4 Job曲线和结合常数测定
• 2.7.5 探针CS1在低浓度镉离子时荧光响应曲线
• 2.7.6 探针CS1对金属离子的选择性和竞争性
• 2.7.7 探针CS1的细胞成像
• 2.8 本章小结
• 第三章 近红外高灵敏、高选择性的镉离子和焦磷酸根离子探针
• 3.1 引言
• 3.2 探针分子设计
• 3.3 仪器和试剂
• 3.4 探针CS2的合成
• 3.5 探针CS2性能测试
• 3.5.1 CS2母液的配制
• 2+螯合物的配置'>3.5.2 CS2和Cd²⁺螯合物的配置
• 3.5.3 探针pH滴定实验
• 2+滴定'>3.5.4 Cd²⁺滴定
• 3.5.5 PPi滴定
• 3.6 结果与讨论
• 3.6.1 pH对探针CS2的影响
• 2+诱导CS2的光谱变化'>3.6.2 Cd²⁺诱导CS2的光谱变化
• 3.6.3 探针CS2对金属离子的选择性和竞争性
• 3.6.4 pH对金属螯合物CS2-Cd的影响
• 3.6.5 CS2-Cd的PPi滴定
• 3.6.6 CS2-Cd对阴离子的选择性和竞争性
• 3.7 本章小结
• 第四章 选择性可调的近红外重金属离子探针
• 4.1 引言
• 4.1.1 汞来源及其危害
• 4.1.2 ON-OFF型汞离子荧光探针
• 4.1.3 OFF-ON型汞离子荧光探针
• 4.1.4 铅离子危害
• 4.1.5 铅离子探针示例
• 4.2 探针分子设计
• 4.3 仪器和试剂
• 4.4 探针HMS的合成
• 4.5 探针HMS性能测试设计
• 4.5.1 HMS母液的配制
• 4.5.2 HMS的pH滴定实验
• 4.5.3 HMS的离子选择性、竞争性和滴定实验
• 4.6 结果与讨论
• 4.6.1 pH对探针HMS的影响
• 4.6.2 HMS在不同缓冲液中的选择性
• 4.6.3 探针CS在不同缓冲液中的选择性
• 2+和Hg²⁺的识别'>4.6.4 探针HMS对Cd²⁺和Hg²⁺的识别
• 2+识别'>4.6.4.1 Cd²⁺识别
• 2+识别'>4.6.4.2 Hg²⁺识别
• 2+与HMS的结合常数'>4.6.5 Cd²⁺与HMS的结合常数
• 4.6.6 HMS区分重金属
• 4.7 本章小结
• 第五章 次氯酸根离子探针
• 5.1 前言
• 5.1.1 活性氧简介
• 5.1.2 次氯酸根离子简介
• 5.1.3 次氯酸根&活性氧荧光探针
• 5.2 探针分子设计
• 5.3 仪器和试剂
• 5.4 探针HCS合成路线
• 5.4.1 化合物5-1的合成
• 5.4.2 化合物5-2的合成
• 5.4.3 化合物5-3的合成
• 5.4.4 探针HCS的合成
• 5.5 探针性能测试设计
• 5.5.1 探针HCS母液的配置
• 5.5.2 探针HCS的pH滴定
• 5.5.3 NaClO溶液有效氯的滴定
• 5.6 结构与讨论
• 5.6.1 pH对探针HCS的影响
• -的响应'>5.6.2 探针HCS对ClO^-的响应
• 5.7 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 论文创新点
• 攻读博士期间发表和待发表的文章
• 致谢