新型联吡啶钌环糊精超分子化合物：合成、性质及其在电致化学发光DNA生物传感器中的应用研究

1、个易找衣冉7 www.yitad_论文发表专家新型联毗睫钉环糊精超分子化合物：合成、性质及其在电致化学发光 dna生物传感器中的应用研究【摘要】：自然界亿万年的进化创造了生命体，而执行生命功能是生命 体中无数个超分子体系。超分子化学是研究分子间相互作用缔结而形 成复杂有序且具有特定功能的分子聚集体的科学。超分子化学逐渐发 展成为一门新兴的分子信息化学,它包括在分子水平和结构特征上的 信息存储,以及通过特异性相互作用的分子识别过程，实现在超分子尺 寸上的修正、传输和处理。它是化学和多门学科的交叉领域,它不仅 与物理学、材料科学、信息科学、环境科学等相互渗透形成了超分子 科学。而更具有重要理论意义

2、和潜在前景的是在生命科学中的研究和 应用。例如生物体内小分子和大分子z间高度特异的识别在生命过程 中的调控,生物体内的信息输送（电子转移、能量传递、物质传输和化 学转换）和生物体中受体底物相互作用等，其基本现象都离不开超分 子化学范畴。环糊精是超分子化学中最重要的主体物质之一,它能与 许多有机、无机和生物分子形成主客体包结物，也正是由于这些独特 的性质，现在对环糊精的研究已经发展成环糊精超分子化学而被广泛 关注。对它的研究从主客体识别形成包合物的机理已经转移到对其在 分析化学、医药制备、环境检测和生物传感器等领域的应用研究。将 功能金属中心与环糊精联接构成的金属环糊精超分子化合物,由于同 时具

3、有环糊精的主客体识别特性和功能金属中心（例如，联毗喘钉）的 特性，使其更加适合于超分子器件及传感器的设计。因此，金属环糊精个易找衣冉7 www.yitad_论文发表专家超分子化合物已成为目前超分子化学中的研究热点。但是目前为止, 金属环糊精大多以单核金属中心的形式存在。多核金属中心的环糊精 超分子化合物因为具有多核的电子氧化还原中心，势必在光电子器 件、荧光开关及生物分子多标记领域显示更为优越的性质，和更具独 特的应用前景。电致化学发光(ecl),特别是基于ru(bpy)32+电致化学 发光技术己被广泛应用临床的医学检验中，例如，目前临床中免疫、肿 瘤标记物等检测均采用联毗噪钉电致化学发光检测

4、技术。正是由于联 毗唏钉电致化学发光检测技术在生物传感中有着极其重要的应用价 值，许多科研工作者已经投入大量的科研力量研究新型联毗喘钉衍生 物标记的电致化学发光生物传感技术，例如，多联毗唳钉标记,纳米颗 粒包裹联毗喘钉等纳米技术标记等。然而，这些方法虽然可以提高在 生物分子上的联毗喘钉标记量，但是往往存在阻碍所标记的生物分子 活性或者稳定性不够理想等缺陷。因此,寻找能在标记电致化学发光 试剂时更好地保持生物活性和更灵敏的电致化学发光信号仍是基于 联毗唳钉的电致化学发光生物传感的主要研究目标。本论文在现有的 环糊精衍生物合成的基础上，合成了卩-环糊精6位单取代、二取代及 三取代苯胺基衍生物，在此

5、基础上，我们合成了两大类六个金属环糊 精：多钉中心与多环糊精的联毗喘钉环糊精超分子化合物。通过对这 些联毗噪钉环糊精超分子化合物的发光性质研究，我们发现多钉屮心 的联毗噪钉环糊精化合物具有非常强的荧光及电致化学发光特性，更 重要的，这些化合物基于对特定客体分子的识别作用显示出高效的荧 光及电致化学发光特性。基于多个钉中心联毗噪钉环糊精超分子化合c易戈衣再wwwyffab 怕 _ 论文发表专家 物对客体分子对甲基红的高效电致化学发光猝灭特性,我们构建了电 致化学发光dna传感器，避免了传统的发光活性物固定及生物标记 所需的烦琐程序，该传感器的设计由于其通过环糊精的主客体识别作 用对生物分子的直接

6、发光标记引入及非常高的灵敏度在电致化学发 光生物传感器领域具有非常犬的应用前景。本论文的创新点主要体现 在以下几个方面：1）合成了一系列新型的金属环糊精超分子化合物。 这包括了含多钉中心和多环糊精的二大类联毗喘钉环糊精超分子化 合物等六个新化合物。特别是多联毗喘钉环糊精超分子化合物是一类 未见报道得全新多核金属中心的环糊精超分子化合物。2）金属环糊精 超分子化合物的电致化学发光行为的研究和应用未见报道。我们首次 对联毗噪钉环糊精化合物和相应的主客体识别过程的电致化学发光 行为以及可能的机理和特性做了研究。3）以联毗喘钉环糊精衍生物和 主一客体识别为基础的dna电致化学发光生物传感是一种全新的技

7、 术。我们提出的新技术将改变联毗碇钉直接标记到生物分子上的传统 方法。这种技术通过联毗唳钉环糊精衍生物上的环糊精与标记在生物 分子上的客体分子进行主一客体分子识别作用,达到将电致化学发光 活性基团引入到生物分子上，从而实现对生物分子的间接标记。这种 技术将会使生物分子标记更简单、价廉和更好地保持生物活性。同时, 多联毗睫钉环糊精衍生物中，由于多个联毗唳钉发光中心的存在，这样 可以很方便地实现生物分子的单个位点的多标记，这在一定程度上不 但提高了标记效率而且提高了电致化学发光生物检测的灵敏度。本章 论文总共分七章。第一章绪论本章首先阐述了超分子化学的概念及其个易找衣冉7 www.yitad_ 论

8、文发表专家 发展背景，以及超分子化学领域所涉及的主客体化学、超分子自组装、 分子器件的概念及发展状况。其次介绍了环糊精超分子化学的发展背 景，重点阐述了环糊精衍生物的分类及其研究现状，环糊精在化学传感 器中的应用。最后介绍了生物传感器中的dna电化学传感器概念、 原理及其应用，此外，介绍了电致化学发光的原理及电致化学发光体的 发展现状，以及电致化学发光生物传感器的分类及研究现状。基于这 些研究内容，提出了本论文的目的和意义。第二章苯胺基卩-环糊精衍 生物的合成基于环糊精衍生物在以主客体识别为研究重点的超分子 化学领域的重要作用，我们以卩-环糊精为原料，合成了苯胺基在卜环糊 精6位疑基的单取代、

9、取代及三取代三个化合物。为了成功获得目标 化合物，我们提岀了五个合成策略，实验证明三个是失败的，两个是成 功的。在这成功的两个合成策略中，其中一个是实现卩-环糊精6位进 行多取代衍生物合成的较为成功的路线,另一个是在此基础上作的改 进，用该路线我们通过两步反应即可获得卜环糊精苯胺基取代衍生物, 虽然已经得到单取代产物，但是该路线还在进一步摸索中。这些多苯 胺基取代的（3-环糊精衍生物将会被应用在电化学修饰电极的制备及 联毗喘钉环糊精超分子化合物的重要原料。第三章新型联毗喘钉环糊 精超分子化合物的合成基于环糊精及金属环糊精衍生物的发展及研 究现状，在第二章多苯胺基取代卩-环糊精衍生物合成的基础上

10、,我们合 成了一系列新型的联毗喘钉环糊精超分子化合物。这些化合物可分为 两个类型：单个环糊精多个钉中心和多个环糊精单个钉中心超分子化 合物，其中单个环糊精多个钉中心超分子化合物分别为：ru-cd、个易找衣冉7 www.yitad_ 论文发表专家2ru-cd及3ru-cd；而多个环糊精单个钉中心超分子化合物分别为: ru-2cd. ru-3cd及ru6cd。我们对这些新的超分子配合物分别采 用核磁共振及质谱进行了结构鉴定。第四章新型联毗睫钉环糊精超分 子化合物的性质研究为了探索我们合成的新型的联毗睫钉环糊精超 分子化合物在荧光及电化学传感器领域的应用,本章我们对第三章合 成的联毗喘钉环糊精超分子

11、化合物分别按多个钉中心及多个环糊精 联毗喘钉环糊精化合物两个类型研究其紫外吸收、荧光发射、电化学 及电致化学发光性质。研究结果表明，多个钉中心的联毗噪钉环糊精 化合物显示出非常强的荧光及电致化学发光特性，这些结论为其荧光 传感器及电化学生物传感器的设计提供非常重要的理论基础。第五章 新型联毗卩定钉环糊精超分子化合物基于主客体识别的荧光特性研究 在本章，我们以二茂铁(fc)、对甲基红(dab)及亚甲基蓝(mb)作为客体 分了，研究多钉中心及多环糊精的联毗喘钉环糊精超分了化合物基于 对这些客体分子识别的荧光猝灭行为,研究结果表明，在dab与mb存 在下，这两类联毗唳钉环糊精化合物均显示出高效的荧光

12、猝灭行为，而 对于fc,三个钉中心(3ru-cd)及六个环糊精(ru-6cd)的联毗噪钉环糊 精化合物均显示出比其它同类化合物较高的荧光猝灭。第六章苯胺基 b环糊精衍生物玻碳修饰电极的研究在本章,我们将合成的苯胺丛p- 环糊精衍生物(mpa-p-cd)通过匝氮化反应修饰到玻碳电极上，并通过 红外及循环伏安法进行了表征，结果表明电化学还原重氮盐修饰电极 具有操作简单，反应迅速，易于控制等特点。利用卩-环糊精修饰电极建 立了卩-环糊精对二茂铁主客体识別作用，实现了大量fc被电极表面的c易戈衣冉7 www.yitad_论文发表专家mpa-p-cd所捕获。因此,苯胺基p环糊精重氮化修饰电极有望在电 化

13、学传感器领域有着广阔的应用前景。第七章新型联毗喘钉环糊精超 分了化合物基于主客体识别的电致化学发光dna生物传感器的研究 基于第四章对联毗睫钉环糊精超分子化合物的电致化学发光(ecl)性 质研究，我们以多钉中心的联毗噪钉环糊精超分子化合物即rmcd、 2ru-cd及3ru-cd为研究对象，考察了客体分子dab对这三个金属环 糊精主体的ecl发光行为，结果表明dab对多金属中心的3ru-cd显 示出非常高效的ecl猝灭，其原因也止是源于多核金属中心的存在所 导致的高效的电子或能量转移过程。基于此，我们构建了 3ru-cd对目 标dna检测的ecl生物传感器。该技术基于联毗唳钉环糊精的主客 体识别

14、特性，实现对目标dna检测的ecl生物传感技术不仅获得了 目前所报道的最低的检测限，与传统的ecldna生物传感器相比，此 技术避免了生物标记必需的繁琐化学反应过程使其显得更加经济，而 同时这种在溶液屮直接进行的生物检测技术与联毗喘钉电极表面固 定技术相比具有简单可操作性强的优点。【关键词】：超分子化学环糊 精主客体识别电致化学发光生物传感器分子器件生物标记【学位授予单位】：华东师范大学【学位级别】：博士【学位授予年份】：2011【分类号】:tp212.3【目录】：摘要12-17abstractl7-24第一章绪论24-641超分子化学 24-301.1超分子化学背景介绍24-251.2主客体

15、化学25-271.2.1超分子个易战抿再e _ 论文发表专家 主体化合物的分类25-261.2.2分子识别26-271.3超分子自组装 27-281.4分子器件28-302环糊精超分子化学研究进展30-402.1环糊 精的研究背景302.2环糊精的结构与性质30-322.3环糊精衍生物 32-362.3.1简单小分子有机物修饰环糊精衍生物32-342.3.2环糊精超 分子聚合物342.3.3金属环糊精衍生物34-362.4环糊精衍生物在化学 传感器中的应用36-402.4.1环糊精荧光传感器36-3单酰 (dansyl)修饰的环糊精荧光传感器3 l(pyrene

16、)修饰的环糊精荧 光传感器37-3 (naphthalene)修饰的环糊精荧光传感器 3含多个主体的环糊精荧光传感器38-392.4.2环糊精电化学传 感器39-403生物传感器40-523.1生物传感器概述40-413.1.1生物传 感器概念40-413.1.2生物传感器分类413.2dna电化学生物传感器 41-453.2.1dna生物传感器原理41-433.2.2dna生物传感器技术的应 用43-4在医学上的应用43-443.222在环境监测中的应用 4在食品工业屮的应用44-453.3电致化学发光生物传感器 45-523.

17、3.1电致化学发光基本原理45-473.3.2电致化学发光体 (eclluminophores)47-493.3.3ecl生物传感器49524本论文的目的 和意义52-53参考文献53-64第二章苯胺基环糊精衍生物的合成 64-811引言64-662实验部分66-722.1实验仪器与试剂662.1.1仪器 662.1.2试剂662.2实验方法66-722.2.1策略一:胺基环糊精衍生物的合 成67-682.2.2策略二:胺基环糊精衍生物的合成68-692.2.3策略三:胺 基环糊精衍生物的合成69-702.2.4策略四:胺基环糊精衍生物的合成 70-712.2.5策略五:胺基环糊精衍生物的合成

18、71-723结果与讨论个易找衣冉7 www.yitad_ 论文发表专家72-783.1环糊精胺基衍生物合成策略一 73-773.1化合物(a4)的合 成733.1.2化合物(1)的合成73-743.1.3化合物(2)的合成74-753.1.4化 合物(3)的合成753.1.5系列化合物(8)中的单取代、二取代及三取代的 合成75-7环糊精苯胺基单取代产物的合成7环糊精苯 胺基一取代产物的合成76-7环糊精苯胺基三取代产物的合成 773.2环糊精胺基衍生物合成策略五77-783.2.1化合物(9)的合成 77-783.2.2化合物(p5)的合成78

19、4结论78-79参考文献79-81第三章新 型联毗喘钉环糊精超分子化合物的合成81-1061引言81-832实验部 分83-952.1仪器与试剂83-842.1.1仪器832.1.2试剂83-842.2实验方 法 84-952.2.1 配体的合成 85-952.2.l.lru(bpy)_2cl_2 配体的合成 85-8 环糊精联毗噪配体的合成 86-872.2.1,3ru(bpy)_3cl_2 配 合物的合成87-8ru-cd配合物的合成88-902ru-cd配 合物的合成90-93ru-cd配合物的合成91-9ru

20、-2cd配 合物的合成9ru-3cd配合物的合成92-9ru-6cd配合 物的合成94-953结果与讨论95-1023.1配体的合成95-983.1.1配体 cis-ru(bpy)_2cl_2 的合成 953.1.2 配体 4 的合成 95-963.1.3 配体 5 的 合成96-973.1.4配体6的合成973.1.5配体7的合成97-983.2配合物 的合成 98-1023.2.lru(bpy)_3cl_2 的合成 98-993.2.2ru-cd 的合成 993.2.32ru-cd 的合成 99-1003.2.43ru-cd 的合成 1003.2.5ru-2

21、cd 的 合成 100-1013.2.6ru-3cd 的合成 1013.2.7ru-6cd 的合成 101-1024 结 论102参考文献102-106第四章新型联毗睫钉环糊精超分子化合物的 性质研究106-1201引言106-1082实验部分108-1102.1仪器与试剂-a% _ 论文发表专家108-1092.1.1 仪器 1082.1.2 试剂 108-1092.2 实验方法 109-1102.2.1 紫外吸收光谱检测1092.2.2荧光发射光谱检测1092.2.3电化学循环伏安法检测109-1102.2.4电致化学发光检测1103结果与讨论110-1163.1联毗唳钉环糊精超分子化合物的紫外吸收光谱性质110-1113.2联卩比唳钉环糊精超分子化合物的荧光发射光谱性质111-1133.3联毗噪钉环糊精超分子化合物的电化学性质113-1153.4联毗睫钉环糊精超分子化合物的ecl性质115164结论116参考文献116-120第五章新型联毗噪钉环糊精超分了化合物主客体识别的荧光特性研究120-1381引言120-1222实验部分122-1232.1实验仪器与试剂1222.1.1仪器1222.1.2试剂1222.2实验方法122-1232.2.1主客体溶液的配