（应用化学专业论文）新萘酰亚胺类荧光分子探针的合成及对金属离子的识别.pdf

摘要 摘要 金属离子是化学、生命科学、环境科学和医学等许多科学领域研究的重要 对象，对溶液中金属离子的识别和检测是分析化学的主要任务之一。荧光分子 探针检测法不仅简便，而且在高灵敏度、选择性、时间分辨、实时原位检测方 面均有突出优点。因此在传统的受体分子上按照荧光分子传感器设计原理连接 荧光团构造的超分子荧光传感器用于识别金属离子的研究受到越来越广泛的 关注。 设计并合成了3 个仅连接一个氮原子受体作为识别基的简单结构的萘酰亚 胺荧光分子探针，通过对其在不同溶剂体系中与金属离子作用时的荧光光谱变 化的研究，提出了结构简单的“荧光发色团连接基受体”类型的荧光分子探针 ( 如带有氨乙基受体) 在有机溶剂中对过渡金属离子的开关作用，可能不是过 渡金属离子与荧光分子探针直接作用的结果，是由于有机溶剂中存在的微量水 或加入的过渡金属水合盐等带入的水使过渡金属离子水解，水解产生的氢质子 与荧光分子探针的受体结合，阻断了光诱导电子转移( p e t ) 过程，导致荧光增 强。 基于p e t 原理，设计并合成了新型荧光分子开关4 ，5 一二 2 一( ，一= 甲氨 基) 乙氨基】1 ，8 - 萘酰亚胺( h i ) 、4 ，5 一二( 3 一( ，- 二甲氨基) 丙氨基卜i ，8 - 萘酰亚胺 ( h 2 ) 及4 氯5 ( n 甲基哌嗪基) 一l ，8 - 萘酰亚胺( h a ) 。在t r i s h c i 中性缓冲溶液 中，h l 与a g + 结合后体系颜色由黄绿色变为红色，h 1 为a g + 的专一选择性 变色识别探针；而且h 1 通过荧光淬灭选择性地识别金属离子c u ”、a g + ，h 1 分别与c u ”、a g + 形成了1 ：2 和l ：l 的络合物。 设计并合成了新型类冠醚荧光分子开关4 ，5 二 2 ( 2 - 羟乙氨基) 乙氨 大连理工大学蹲士学e 芷论文 基 - 1 ，8 - 萘酰亚胺( c 1 ) 、4 ，5 一二【2 - ( 2 一羟乙氧基) 乙氨基】- 1 ，8 - 萘酰亚胺( c 2 ) 及4 ，5 二( 2 一羟乙氨基) 1 ，8 - 萘酰亚胺( c 3 ) 。在t r i s h c i 中性缓冲溶液中，c i 选择性地 识别金属离子c u ”、c o ”，在金属离子浓度为0 - 1 1 0 。5m o l 1 范围内，其荧光 强度及吸光度分别与c u ”、c 0 2 + 的浓度呈线性关系。设计并合成了冠醚类荧光 分子开关c 4 - c 8 ，在甲醇一四甲基氢氧化铵体系中c 8 选择性识别金属离子z n ”， z n ”使c 8 荧光明显增强。 合成了萘酰亚胺衍生物季铵盐阳离子表面活性剂一碘化4 ( ，- 二甲基 哌嚷基) m 烷基1 ，8 萘酰亚胺( s l 、s 2 、s 3 和s 4 ) ，该类化合物有明显的临界 胶束浓度。利用共振光散射技术研究了s 1 与d n a 的相互作用，建立了利用 s 1 为光散射探针，测定纳克级核酸的新方法。在一定p h 值的条件下，s 1 能 与小牛胸腺d n a 相互作用，光散射强度较单一的s l 体系和d n a 体系明显增 强，无需加入表面活性剂和无机盐。对c t d n a 的检出限达到9 5n g m l ，线性 范围为o 4 p g m l 。 研究了卤代萘酐的室温磷光性质。卤代萘酐在以n a 2 s 0 3 作化学除氧剂， 环己烷作为起空间调节和空间匹配作用的第三组分，p c d 作为保护性介质， 在无外重原子存在的条件下，可以发射强而稳定的室温磷光。 关键词：荧光分子探针，萘酰亚胺，受体，识别，金属离子 2 a b s t r a c t t h e a n a l y s i s a n dd e t e c t i o no ft h e t r a n s i t i o nm e t a li o n si s c u r r e n t l y o f s i g n i f i c a n ti m p o r t a n c e f o r c h e m i s t r y ，a st h e y a r ec l o s e dw i t h b i o l o g y ， e n v i r o n m e n ta n dc l i n i c t h em e t h o do ff l u o r e s c e n c ei sn o to n l ys i m p l eb u ta l s o c a nr e a l i z er e a ls p a c e ，r e a lt i m e ，h i g hs e n s i t i v ea n ds e l e c t i v e s ot h ef l u o r e s c e n c e s u p r a m o l e c u l a rs e n s o r s ，w h i c ha r ec o m p o s e do ft r a d i t i o n a lr e c e p t o r sc o n n e c t i n g f l u o r o p h o r e s ，t om e t a li o n sa r ea t t r a c t i n gm a n yp e o p l e sa t t e n t i o n s t h r e en a p h t h a l i m i d ef l u o r e s c e n tp r o b e sw e r ed e s i g n e db a s e do np e t p r i n c i p l e a n ds y n t h e s i z e df o rs t u d y i n gt h er e c o g n i t i o nm e c h a n i s mo ft h ef l u o r e s c e n tp r o b e s t ot r a n s i t i o nm e t a li o n si n o r g a n i cs o l v e n t s ，a n dt h es p e c t r ao ft h ep r o b e si nt h e a b s e n c eo rp r e s e n c eo fm e t a li o n si nd i f f e r e n ts o l v e n t sw e r es t u d i e d t h er e s u l t s s h o w e dt h a tt h ef l u o r e s c e n c ee n h a n c e m e n tc o r r e s p o n d i n gt ot r a n s i t i o nm e t a li o n s o ft h ep r o b e si n f l u o r o p h o r e - s p a c e r r e c e p t o rf o r m a ti no r g a n i cs o l v e n t ，m i g h tb e i n d u c e db yp r o t o n s ，w h i c ho r i g i n a t e df r o mt h eh y d r o l y s i so ft r a n s i t i o nm e t a li o n s i nt h e p r e s e n c e o ft r a c ew a t e ri ns o l v e n t so ri nm e t a li o n s h y d r a t es a l t s ，t h e f l u o r e s c e n c ee n h a n c e m e n t m i g h t n o tb ef r o mt h ed i r e c ti n t e r a c t i o nb e t w e e n p r o b e sa n dm e t a li o n si no r g a n i cs o l v e n t s t h en o v e lf l u o r o s e n s o r so f 4 ，5 一d i s u b s t i t u t e d n - a l k y l 一1 ，8 一n a p h t h a l i m i d e s d e r i v a t i v e s ( h 1 ，h 2 ，h 3 ) w i t h d o u b l e e t h y l e n e d i a m i n or e c e p t o r s ，d o u b l e p r o p y l e n e d i a m i n or e c e p t o r so ro n em e t h y i p i p e r a z i n er e c e p t o rw e r ed e s i g n e da n d s y n t h e s i z e d ，r e s p e c t i v e l y ，t h e i r f l u o r e s c e n c ea n d a b s o r p t i o ns p e c t r a i nt h e p r e s e n c e o ra b s e n c eo fm e t a li o n si nt r i s h c ib u f f e r a q u e o u s s o l u t i o nw e r e s t u d i e d i nt h ep r e s e n c eo fa g + ，t h eh i sa b s o r p t i o nd i s p l a y e dc o l o rc h a n g ef r o m y e l l o w - g r e e n t o r e d ，i t sq u e n c h i n g a n dr e ds h i f ti nf l u o r e s c e n c ew e r ea l s o r e m a r k a b l e s i m i l a r l y ，h 1 s f l u o r e s c e n c ew a sa l s o s t r o n g l yq u e n c h e d i nt h e p r e s e n c eo f c u ” t h en o v e lf l u o r o s e n s o r so f4 5 - d i ( 2 h y d r o x y l e t h y l e n e a m i n o ) e t h y l e n e a m i n o n d o d y c y l 1 ，8 - n a p h t h a l i m i d e sa n di t sa n a l o g u e s ( c 1 ，c 2 ，c 3 ) ，w h i c hc a nf o r m e d 一一 查堡墨三查兰堕圭兰堡堡三 c r o w ne t h e r l i k e r e c e p t o r st h r o u g h t h ei n t r a m o l e c u l a r h y d r o g e n b o n d i n g o f h y d r o x y lg r o u p s a tt h ee n d ，w e r e d e s i g n e da n ds y n t h e s i z e d t h e i rf l u o r e s c e n t s p e c t r a i nt r i s - h c lb u f f e r a q u e o u ss o l u t i o n w e r er e c o r d e di nt h e p r e s e n c eo r a b s e n c eo ft r a n s i t i o nm e t a li o n s c 1s h o w e da s t r o n g q u e n c h i n g a n da c o n s i d e r a b l eb l u es h i f t r e s p o n s et oc u 2 + a n dc o ”，a n db o t ho ft h ef l u o r e s g e n t e i n t e n s i t ya n da b s o r p t i o no fc 1w e r ep r o p o r t i o n a lt ot h ec o n c e n t r a t i o no fc u ”o r c 0 2 + i nt h e r a n g e o fo 一1 1 0 m o l 1 t h ec r o w nf l u o r o s e n s o r s c 4 c 8w a s d e s i g n e da n ds y n t h e s i z e d a n dt h ef l u o r e s c e n c ei n t e n s i t yo fc 8w a se n h a n c e d w h e nz i n c i o n sw a sa d d e dt oi t s m e t h a n o l t e t r a m e t h y h y d r o x y l a m m o n i u m s o l l l t i o n t h en a p h t h a l i m i d ec a t i o n i cs u r f a c t a n t sw i t hp i p e r a z i n ew e r es y n t h e s i z e d ( s l ， s 2 ，s 3 ，s 4 ) ，a n dt h ec m cv a l u e so ft h i sk i n do fc o m p o u n d sw e r ed e t e r m i n e d t h e i n t e r a c t i o no fs 1w i t hd n aw a ss t u d i e d b y r e s o n a n c e l i g h ts c a t t i n g ( r l s l i n c o m m o nf l u o r e s c e n ts p e c t r a m e t e r ，a n dt h ea s s a yo fd e t e r m i n e dd n a u s i n gs 1a s r l sp r o b ew a sb u i l t i nt h ea b s e n c eo fs a l ta n ds u r f a c t a n t s ，t h er l si n t e n s i t yo f s li nd n as y s t e mw a se n h a n c e do b v i o u s l yc o m p a r e dw i t hs 1o rd n a s i n g l e s y s t e mw i t hp ha t 2 2 8 t h e i n c r e a s i n go fr l si n t e n s i t y i s p r o p o r t i o n a lt ot h e c o n c e n t r a t i o no fd n ai nt h e r a n g e o f0 - 4 g g m l f o rc t d n aw h e nt h e c o n c e n t r a t i o no fs li s 1 0 1 0 m o l l ，a n dt h ed e t e c t i o nl i m i t ( s n = 5 ) i s9 5 n g m 1 p h o s p h o r e s c e n c e ( r t p ) o fh a l o g e nn a p h t h a l i ca n h y d r i d ea t r o o mt e m p e r a t u r e w a ss t u d i e d t h er e s u l t ss h o w e dt h a th a l o g e nn a p h t h a l i ca n h y d r i d ec o u l de m i t s t r o n g a n ds t a b l er o o mt e m p e r a t u r ep h o s p h o r o u sw h e nn a 2 s 0 3a sac h e m i c a l d e o x y g e n a t o r ，3 - c da s ap r o t e c t i v em e d i u ma n dw i t h o u th e a v ya t o mp e r t u r b e r , w h i c hi m p l yt h a th a l o g e nn a p h t h a l i ca n h y d r i d em a yb eu s e da sp h o s p h o r k e y w o r d s ：f l u o r e s c e n c ep r o b e ，n a p h t h a l i m i d e s ，r e c e p t o r s ，r e c o g n i t i o n ，m e t a li o n s 4 大连理工大学博士学位论文 1 1 概述 第一章前言 1 9 8 7 年，n o b e l 化学奖授予p e d e r s o nc j ，c r a md j 和l e h nj - m ，标志 着化学的发展进入了一个新的时代。从p e d e r s e nc j 发现冠醚( c r o w ne t h e r ) t ” 到c r a md j 【2 1 和l e h nj - m 3 1 分别发展起来主客体化学( h o s t g u e s tc h e m i s t r y ) 、 超分子化学( s u p r a m o l e c u l ec h e m i s t r y ) ，超分子化学越来越引起人们广泛的关注 和浓厚的兴趣。 超分子化学是利用不同结构的独立单元借分子间的非共价键弱相互作用 力连接起来的复杂有序且具有特定功能的分子集合体的化学，现在已经成为化 学中发展迅速，极富挑战性的新领域之一。超分子的结合是建立在分子识别基 础之上的，所谓分子识别就是主体或受体对客体或底物的选择性结合并产生某 种特定功能的过程，互补性( c o m p l e m e n t a r i t y ) 和预组织( p r e o r g a n i z a t i o n ) 是决定 分子识别过程的两个关键因素，底物与受体的互补性包括空间结构及空间电学 特性的互补性。空间结构互补性包括“锁钥关系”和“诱导契合”，电学特性互 补包括氢键形成，静电作用，- s t a c k i n g 作用，阳离子一作用，疏水相互作 用等 4 1 。 在过去的二十年中，超分子光化学作为一门崭新的科学分支取得了巨大的 进展“。主要是因为超分子是通过设计而完成的，并赋予某种特定的功能， 同时这种由多个分子构件所组成的超分子可以被看作单一的智能单元来加以 分析和处理。自然界中光子被作为植物光合作用的能源和生物视觉过程中的视 觉单元，因此具有光功能性的超分子体系的设计多是构建一个人工的能量转 换、信息记录、能量贮存体系或是为实现这几种功能而必须的基本单元。 超分子光化学研究的中心问题是分子与光子之间的相互作用，以及分子与 分子间的结合和相互作用。当光子与分子发生作用使分子处于激发态时，个 第一章前言 常见的现象就是激发态分子经辐射衰变而发出分子荧光。这种荧光的发射是实 时地( r e a lt i m e ) ，同时也是原位的( r e a ls p a c e ) 。实时是因为分子荧光的寿命一般 处于i l s 级，几乎与光照引起的f r a n c k c o n d o n 跃迁建立激发态的时间相当，原 位是探针分子可进入到n m 级空间，可在分子水平上对环境进行微观的检测。 而且探针分子有可能被引入到动态或“活”的体系中，从而可对它们的性质以及 变化进行详细的研究。由于荧光的高灵敏可检测性，因此可在低浓度水平进行 检测【7 1 。 由于在信息传递过程中，荧光分子受不同的环境刺激如异构体互变、离子 配位、氧化还原、光电控制的电子能量转移、质子化、弱键的形成与断裂等发 生荧光变化，可以实现荧光的开- 关动作，更适于生物微观结构的识别和标记， 因而近年来荧光分子作为探针在生命科学 s l 、环境科学 9 1 、材料科学【】、信息 科学j 等领域得到了广泛的应用。 金属离子与生命科学、环境科学、医学等领域有着密不可分的联系，对其 识别和检测在分析化学中占有重要地位【1 2 , 1 3 。荧光分子探针检测法不仅方法简 便，而且在灵敏度、选择性、响应时间、原位测定( 如荧光成像技术) | 2 上及利用 光纤进行远距离检测方面均有突出优点，因此在传统的受体分子上连结荧光 团，构造超分子荧光传感器用于识别金属离子的研究颇受重视。此类光敏超分 子体系识别和检测金属离子的基本原理是基于受体分子对金属离子的识别，荧 光团则起信号转换作用。通过将受体分子的识别信息转换为光信号，并以荧光 基团的光物理性质表达，如荧光的增强或减弱、光谱的移动、荧光寿命的变化 等，最终实现对金属离子的检测。 1 2 荧光分子探针识别原理 1 2 1光诱导电子转移p e t 1 4 1 ( p h o t o i n d u c e de l e c t r o nt r a n s f e r ) 典型的p e t 体系是由包含电子给体的受体部分r ，通过一间隔基s ( 如 大连理工大学博士学位论文 一c h 2 一) 和荧光团f 相连而构建的。其中荧光团部分是光能吸收和荧光发射的 场所，受体部分则用于结合客体，这两部分被间隔基隔开，又靠间隔基相连而 成一个分子，构成了一个在选择性识别客体的同时又给出光信号变化的超分子 体系。p e t 荧光探针中，荧光团与受体单元之间存在着光诱导电子转移，对荧 光有非常强的淬灭作用。因此在未结合客体之前，探针分子不发射荧光，或荧 光很弱。一旦受体与客体相结合，光诱导电子转移作用受到抑制，甚至被完全 阻断，荧光团就会发射出强荧光( 见图l - 1 ) 。p e t 荧光探针的作用机制可由前 线轨道能量来说明( 见图1 2 ) 。由于与客体结合前后，荧光强度差别非常大， 呈明显的“关”，“开”状态，这类探针又被称做荧光分子开关。 e ( 丑)( b ) 圈1 - 1p e t 荧光开关一般原理圈 f i g u r e1 it h ep r i n c i p l eo fp e tf l u o r e s c e n ts w i t c h e s ：打8 ：棘 f l u o r o p h o r ef r e er e c e p t o r f l u o r o p h o r e b o u n dr e c e p t o r 圈i - 2p e t 机制的前线轨道理论示意图 f i g u r e1 2f r o n t i e ro r b i t a le n e r g yd i a g r a me l a b o r a t i n gt h em e c h a n i s mo fp e t s w i t c h e s 已报道的p e t 荧光开关分子中，多数都是以脂肪氨基，或氮杂冠醚作为受 体单元。d es i l v a 研究小组f 】5 】利用多种荧光团。设计了大量的该类p e t 探针， 用于氢质子、碱金属阳离子的识别。化合物i 【l 副是一个简单的p e t 荧光分子探 针，在甲醇中和k + 绍合后，荧光量子产率从o 0 0 3 增加至0 1 4 。钱旭红 t 6 1 等 合成的以4 氨基1 ，8 一萘酰亚胺为荧光团的p e t 荧光探针( 化合物2 ) ，对氢 第一章前言 质子有很好的识别作用，已被m o l e c u l a rp r o b e 公司推广为细胞内酸性内酯质 探针。d es i l v a 研究小组还利用类似子e d t a 结构的氨羧酸基团设计了化合物 3 1 17 1 化合物3 是螯合型的p e t 荧光分子探针，识别基羧酸基团形成一个小的 空穴，可以有效的螫合碱土金属c a 2 + 和m g ”。 h n n s e h e m e1 1f o u rt i c lf l u o r e s e e n tp r o b e s 式1 1 四种t i c t 荧光探针 大多数p e t 荧光分子探针的设计是基于受体与客体的结合，使光诱导电 子转移作用受到抑制，荧光团发射出强荧光的原理设计的。但是当与过渡金属 作用时，结果有时发生了变化。由于过渡金属的3 d 电子的氧化还原行为，可 以发生从荧光团到键合的过渡金属的电子转移，或者从过渡金属向荧光团的电 子转移，因此可以通过无辐射能量转移导致荧光淬灭。化合物4 t ”的受体冠醚 为硫杂冠醚，众所周知，硫杂冠醚与c u 2 + 有强的亲和能力，该分子设计也是基 于p e t 过程，但不同的是，与c u 2 + 键合后，产生了从荧光团到金属离子的p e t 过程，导致荧光淬灭。 1 2 2 分子内共轭电荷转移i c t 。1 ( i n t r a m o l e c u l a rc h a r g e t r a n s f e r ) 典型的i c t 荧光分子探针是荧光团上分别连接有强的推电子基和吸电子 基，是一个强的推拉电子体系，推电子基和吸电子基团荧光团挺轭相连，在 光激发下会产生从电子给体向受体的电荷转移。i c t 荧光探针的受体单元往往 是推拉电子体系整体中的一部分，当受体单元与客体结合时，会对荧光团的 推拉电子作用产生影响，或是减弱了分子内电荷转移，或是强化了电荷转移， p 渤沙勺幻叮渤 大连理工大学博士学垃论文 从而导致荧光光谱的变化，如光谱发生蓝移，或是红移。 化合物5 为典型的i c t 荧光探针 ”】，氮杂冠醚既是受体，同时也是推拉 电子体系的电子供给体。当冠醚与碱土金属离子如c a ”络合时，由于金属离子 的拉电子效应，降低了冠醚氮原子的供电子能力，因此发生荧光蓝移，且荧光 增强。受体单元为电子接受体的典型i c t 荧光探针化合物6 1 2 0 1 。二甲氨基为推 电子基，当受体与碱土金属c a ”结合后，拉电子能力增强，故荧光发生红移。 化合物7 【2 l l 为螫合型的i c t 荧光分子探针，可以选择性地与m 9 2 + 络合。多数 i c t 荧光探针在结合客体后，光谱都有明显移动，但荧光强度变化不明显。但 化合物8 2 2 1 是一个例外，与l i + 络台荧光增强9 0 倍，与m 9 2 + 络合增加2 2 5 0 倍。 5678 s e h e m el 一2f o u ri c tf l u o r e s c e n tp r o b e s 式i - 2 四种i c t 荧光探针 t i c t 实际是 c t 的特例。在具有推拉电子共轭体系的荧光分子中，如果 推电子基( 如二甲氨基) 通过可旋转的单键与荧光团相连，当荧光团被光子激 发时，由于强烈的分子内光诱导电荷转移，连接电子给体与荧光团的单键会发 生扭转，使原来与芳环共平面的电子供给体与芳环平面处于正交状态，原来的 共轭系统被破坏，部分电荷转移变为完全的电子转移，形成t i c t 激发态，原 有的i c t 荧光则被淬灭。t i c t 态往往是无荧光或者发射非常弱的长波荧光， 少数情况下出现i c t 与t i c t 双重荧光现象 2 3 , 2 4 1 。 化合物9 【2 4 是典型的t i c t 荧光分子探针。化合物i 0 2 5 1 表现为单重荧光。 第一章前言 化合物1 1 1 2 6 】表现为双重荧光，短波发射带为局部激发态产生的，而长波发射 带来源于t i c t 态，与阳离子键合后，由于氮杂冠醚与阳离子的相互作用，长 波吸收带强度下降。而化合物1 2 f 2 7 1 较为特殊，表现为三重荧光，除了局部激 发态和t i c t 产生的双重荧光外，在激发态，由于全氮杂冠醚的柔软性能导致 形成了分子内的激基缔合物，产生了第三重荧光。第三重荧光的产生取决于溶 剂，p h 和键合阳离子的微扰作用。 9 s c h e m ei - 3f o u rt i c tn u o r e s c e n tp r o b e s 式1 - 3 四种t i c t 荧光探针 1 2 ，3 激发单体激基缔合物【1 2 】( m o n o m e r e x c i m e r ) 当两个相同的荧光团如多环芳烃葸或芘等连接到一个受体分子的合适位 置时，其中一个被激发的荧光团( 单体) 会和另一个处于基态的荧光团形成分子 内激基缔合物。它的发射光谱不同于单体，表现为一个新的、强而宽、长波、 无结构发射峰。由于形成这种激基缔合物需要激发态分子与基态分子达到“碰 撞”距离3 5 x 1 0 - 1 0 m ，因此两个同种荧光团之间的距离成为激基缔合物形成和 破坏的关键。所以可利用各种超分子作用力改变两个荧光团之间的距离，从而 利用结合客体前后单体，激基缔合物的荧光光谱变化识别金属离子。 芘、蒽等荧光团由于具有较长的激发单线态寿命，常常用于单体激基缔合 物体系中。化合物1 3 28 1 ，通过酰胺基团连结了4 个萘分子，金属离子z n 2 + 进 。是息u 。人y 八 大连理工大学博士学位论文 入分子空腔，受体的腔体收缩，改变了4 个萘荧光团的位置，导致单体和激基 缔合物荧光发生改变。化合物1 4 f 2 引具有双芘荧光发色团，氮杂冠醚空腔络合 金属离子k + 或b a 2 + 后，改变了两侧芘基团之间的距离，使荧光发射增强，同 时单体激基缔合物的荧光强度比发生变化。化合物1 5 【3 0 】是两个萘荧光团通过 聚醚链连接的荧光化合物，碱土金属离子c a ”、b a ”可以与氧乙烯链上的多个 氧原子以及酯键上的氧原子络合，造成链的收缩，使两个葸环得以靠近，促进 激基缔合物的形成，使萘单体发射荧光强度减弱。 u - ) 1 5 s c h e m e1 - 4t h r e ep r o b e sb a s e do nm o n o m e r - e x c l m e rm e c h a n i s m 式1 - 4 三种基于激基缔台物原理的探针 1 2 4 荧光共振能量转移f r e t 1 2 ，3 1 1 ( f l u o r e s c e n c er e s o n a n c ee n e r g yt r a n s f e r ) 当能量给体荧光团d ，与能量受体a 相隔的距离远大于d a 的碰撞直径 时，只要d 与a 的基态和第一激发态两者的能级间能量差相当，或者说d 的 发射光谱与a 的吸收光谱能有效重叠，可以发生从d 到a 的非辐射能量转移， 又称为长距离能量转移。实际上d a 发生能量转移的条件是很苛刻的，两者除 了光谱重叠外，还必须以适当的方式排列，距离足够近。a 可以是荧光团，也 可以是荧光淬灭团。对于前种情形，激发d 时，由于能量转移，将观察到a 的荧光发射。而后一种情形，则只能观察到d 的荧光被淬灭。 化合物1 6 32 1 ，萘酰亚胺与葸通过烷基链相连，二者间距离较远，f r e t 效 率低，当用长波4 1 0 n t o 激发时，只能观察到d 萘酰亚胺在5 5 0 n m 发射的荧光。 当用短波3 6 7 n m 激发时，可以同时观察到蒽在4 0 0 - 4 5 0 n m 和萘酰亚胺在5 5 0 n m 霉号电 朋 w 巧弋m 八z 太j 炒 n n h 叙 盯 第一章前言 两个荧光发射峰，随着p h 值的增加，葸发射峰的强度急剧降低，而萘酰亚胺 发射峰的强度变化很小，可以用于氢质子的识别。 n h 2 1 6 式1 - 5由蒽与萘酰亚胺构成的f r e t 荧光探针 s c h e m el saf r e tf l u o r e s c e n tp r o b ew i t ht w ok i n d so ft w ok i n do ff l u o r e s c e n tg r o u p s 。，、。，、。，、。，、。，、n j c f s 。 17 式1 - 6由两种香豆素构成的f r e t 荧光探针 s c h e m e1 - 6af r e tf l u o r e s c e n tp r o b ew i t ht w ok i n d so fc o u m a r i n 两种香豆素分子通过醚链连接的化合物1 7 ”】，香豆素基团间距离较远， 能量共振转移效率低，当用短波激发时，只能观察到d 香豆素荧光，加入p b 2 + 时，p b 2 + 与开链聚醚形成络合物，拉近d a 距离，f r e t 效率得以提高，激发 d 时，能够观察到较强的a 的荧光发射。 能量共振转移荧光探针还广泛地应用于生物大分子的动态分析中。生物大 分子不仅结构复杂，而且多变，用x - 射线衍射法，或。h n m r 法都不能满足 生物大分子的多样性和动态研究的要求。当生物功能大分子，比如酶，引入 d a 荧光团后观察二者的能量转移可以间接检测功能激活前后结构变化【3 4 】。 1 3 荧光团 用做信号识别的荧光发射团多为芳香族化合物：如稠环芳烃，以葸、芘为 大连理工大学博士学位论文 主要代表的稠环芳烃类一般都具有强而稳定的荧光。在荧光探针领域里。它们 作为结构最简单的荧光团，经常用于基础理论的研究。另外它们易产生激基缔 合物荧光f 35 1 ，这一典型特征是其它种类的荧光团不能代替的。以荧光素f 化合 物1 8 ) 为主要代表的咕吨类荧光团 3 6 , 3 7 1 也是非常著名的荧光染料。菁类荧光染 料( 化合物1 9 ) t 3 8 】是近年来很受青睐的生物大分子标记用荧光染料，特点是波长 可调范围特别大，可以进入近红外区，能有效避开生物体系的背景荧光，提高 探针的灵敏性。吡咯甲川类荧光团( 化合物2 0 ) 3 9 ，4 0 1 的特点是荧光量子效率高， 随取代基变化其荧光波长可调范围大，不易受环境p h 的影响。1 ，8 - 萘酰亚胺 是一类优秀的荧光发色团 4 1 1 ，特别是4 位有强烈供电基团如氨基的衍生物都能 够发射很强的荧光，且s t o c k s 位移太。这类荧光团有很好的平面性，是优良的 d n a 嵌入剂【42 1 。其它常用的荧光团还有吖啶4 ”，丹磺酰胺“1 ，n b d t ”i ，香豆 素类【4 6 1 等。一般来说，几乎所有的荧光母体都可以用做探针的信号基团。 1 8 1 4 受体部分 1 4 i 冠醚f 4 7 】 n 刚“心锵r r f f r , m 榔磁锄 2 0 2 l s c h e m e1 - 7f o u rn n o r e s c c n tg r o u p s 式1 7 四种荧光团 在传统的主体分子中，冠醚分子由于具有神奇的双亲( 亲水和亲脂) 性能， 是客主识别中最主要的受体。配位作用主要是通过冠醚与客体分子，如各种 金属离子通过偶极离子作用形成具有一定稳定性的配合物：或者通过氢键与 客体分子生成配合物，如铵离子、有机中性分子等。将其和荧光团连接成的超 融 a 第一章前言 分子体系是非常理想的也是研究最多的一类阳离子配位荧光分子开关。 1 4 1 1 氧杂冠醚 一般的氧杂冠醚含氧数大部分为5 1 0 个，可与l i + 、n a + 、n h + 。、k + 、r b + 、 c s + 、a 矿、a u + 、c a ”、s r ”、b a 扣、c d 2 + 、h 矿、h g ”、p b 2 + 等形成络合物1 4 ”。 冠醚荧光分子探针的合成，大多是利用苯并冠醚的苯环的反应活性、苯环上取 代基的反应活性，或脂肪族冠醚侧链上功能基的活性，借助经典的有机化学反 应将荧光团引入。化合物1 8 4 8 】，1 9 【4 9 1 是利用苯并冠醚的苯环直接合成冠醚的， 2 0 c 5 “，2 1 5 1 1 是利用冠醚的侧链官能团直接合成荧光冠醚分子，用于金属离子 识别的。化合物1 9 由于柔韧性好，可以选择性的识别较大的金属离子b a ”。 化合物2 l 萘荧光团连接于冠醚的侧链上，此单臂冠醚对z n ”、c a ”、m 9 2 + 、 c s + 、r b + 、k + 、b a ”、n a + 、l i + 都具有荧光开关能力，其中对z n 2 + 的选择性最 高。 1 ，4 1 2 氮杂冠醚【4 7 s c h e m e1 - 8f o u rc r o w ne t h e rf l u o r e $ c c o tp r o b e s 式1 4 四种冠醚荧光分子探针 按环中氮原子的数量可分为单氮杂冠醚、双氮杂冠醚、多氮杂冠醚和全氮 杂冠醚( 大环多胺) 。单氮杂冠醚由于空腔的不同，可以选择性的络台不同的 大连理工大学博士学位论文 金属离子如n a + 、n h + 4 、k + 、c s + 、a g + 、c a ”、s r 2 + 、b a 2 + 等。双氮杂冠醚依 其不同的结构形式表现出对不同的金属离子显著的选择性。 含有杂原子的冠醚如氮杂冠醚，是客主识剐中倍受重视的一种类型，不仅 因为氮原子上易于连接其它基团，可以与荧光发射团形成各种类型的分子开 关，而且引入的氯原子对过渡金属和重金属离子有着特异的络合能力。氮杂冠 醚中的单氮杂18 冠6 和双氮杂18 一冠6 与荧光团以不同方式连接合成了许多 荧光客主识别分子，并用于生物化工、医学等领域。 s c h e m el 9t h r e ea z a c r o w2 1e t h e rf l u o r e s c e n tp r o b e s 式1 - 9 三种氮杂冠醚荧光探针 化合物2 2 i s 2 1 的受体为单氮杂冠醚，通过分子间氮杂冠醚与两个羰基氧协 同作用，可以对p b 2 + 进行有效的识别。1 9 9 6 年d es i l v a 等人报道的化合物2 3 5 3 1 中二氮杂1 5 冠5 中氮原子是苯胺电子体系的部分，碱性减弱，配体对n a + 具有极强的配位能力，配体对n a + 的包合禁阻了p e t 过程，使荧光发射增强。 化合物2 4 5 4 1 的分子设计非常巧妙，蒽上连有两个受体，苯并15 冠- 5 和氮 杂1 8 冠6 。苯并l5 冠5 是n a + 好的受体：氮杂1 8 一冠- 6 是k + 好的受体。在碱 性条件下，p e t 体系的荧光团和受体分别是葸和氮杂18 - 冠一6 ，p e t 过程使葸 案 咖 、cfl、。， 壤书。一 第一章前言 的荧光猝灭，加入k + 阻止了p e t 过程，使荧光增强。而在酸性介质中，氮杂 1 8 - 冠- 6 的n 原子和h + 结合，p e t 的f r 对转变为葸甲基铵离子和苯并1 5 - 冠 一5 中的苯并基团，则二烷氧基苯对荧光团的p e t 过程使其荧光猝灭。加入n a + 使荧光增强。 大环多胺集给体原子选择性、环穴选择及结构选择性于一身，用于金属离 子的识别具有独特的优越性。a k k a y a 和h u s t o n 等人利用大环多胺一全氮杂l 8 冠6 ，合成了化合物2 5 t 5 ”，该化合物可以选择性的识别z n ”，z n 2 + 结合使p e t 过程受阻，荧光增强了13 8 7 倍，其优点是可用于水溶液介质中金属离子的测 定。 h s c h e m e1 1 0t w op o l y a z a c r o w ne t h e rf l u o r e s c e n tp r o b e s 式1 1 0 二种多氮杂冠醚荧光探针 荧光团和受体的组合应用以及受体结合金属离子的多样性，使荧光开关不 断被开发出更新奇的功能。在一个体系中，同一个受体可以在接受第一个客体 后，利用第一个客体与第二个客体的相互作用，再接受第二个客体产生富于变 化的荧光开关效应。化合物2 6 5 6 1 在水溶液中c d 2 + ，c u 2 + 存在下，导致荧光淬 灭，c d 2 + 的淬灭程度远低于c u 2 + 的淬灭程度。但化合物2 6 与c d 2 + 的络合物在 h e p e s 中可阻选择性的识别磷酸根，并可用于磷酸二酯酶的实时分析检测。 除了单环冠醚外，两个或三个冠醚环的环状化合物如氮支套索冠醚也已应 用于分子识别，与单环冠醚相比，对某些碱金属离子如k + 、n a + 具有选择性高、 结合常数大等特点。苯并穴状配体与蒽荧光发射团相连的的化合物2 7 【5 ”，对 大连理工丈学簿士学位论文 k + 、n a + 体现p e t 荧光开关的“o f f - o n ”行为。化合物2 8 e 58 1 是将香豆素荧光团连 在具有选择配位能力的穴状配体上，配体中的两个氧原子与香豆素直接相连， 使香豆素荧光团的7 【电子能辅助穴状配体对碱金属离子进行识别，在调节p h 值的条件下，可以测定细胞内的k + 。 1 4 1 3 硫杂冠醚 s c h e m e1 - 1 1t w oa z a c r o w ne t h e rf l u o r e s c e n tp r o b e s 式1 】两种氯支套索冠醚荧光探针 自冠醚问世以来，人们在考察其络合性质时，注意到冠醚体系中的氧