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基于氟硼二吡咯染料的反应型荧光探针及生物成像应用

2020-12-02阅读(489)

基于氟硼二吡咯染料的反应型荧光探针及生物成像应用

论文摘要

氟硼二吡咯（BODIPY）染料因其结构易于合成,具有良好的光和化学稳定性、较高的摩尔消光系数和荧光量子产率、狭窄的荧光发射峰等优异的光化学物理性质,已被广泛应用于生物成像、光动力治疗、激光染料、OLED发射材料和有机光伏等领域。然而,传统BODIPY染料也存在诸如发射单一、波长较短、Stocks位移较小、分子组合设计少等这样的不足,使其在细胞器和生物荧光成像,以及其它光学应用领域受到限制。因此,本论文对BODIPY发色团进行结构修饰,通过合理的分子组合、设计,构筑了多种基于BODIPY骨架的大π共轭体系和功能性分子;并且,基于分析物的特异性化学反应,开发了系列检测生物活性分子的BODIPY荧光探针,并对其荧光性质和生物成像应用进行了研究。相关内容如下:1.将硒代吗啉单元和BODIPY荧光团进行组合,设计、合成了一例新型的、检测溶酶体内过氧化氢（H2O2）的荧光探针BODIPY-Se。通过对硒代吗啉上氮原子的质子化,以及硒原子与过氧化氢的氧化反应,硒代吗啉上氮原子对BODIPY荧光团产生的光诱导电荷转移效应（PET）可以得到有效抑制,从而实现BODIPY-Se荧光信号的逐步增强。同时,BODIPY-Se能够在H2O2与谷胱甘肽（GSH）之间实现5次氧化还原循环。细胞和生物体荧光成像结果表明,BODIPY-Se能够很好的作用于细胞溶酶体（pearson系数为0.96）,并对细胞内源和外源性过氧化氢浓度的变化产生荧光响应。2.以BODIPY发色团为核心,设计、合成了基于氧化-成环反应的过氧化氢荧光探针BODIPY-BQ。BODIPY发色团双侧2,6-位引入的硼酸酯充当底物识别器,可实现与过氧化氢的特异性氧化还原化学反应。BODIPY发色团3,5-位以不饱和的丙烯酸酚羟基酯修饰,使BODIPY染料的吸收和发射波长明显红移。BODIPY-BQ能够选择和灵敏性的与过氧化氢发生作用,通过硼酸酯氧化-水解,继而发生分子内的酯交换-成环反应,促使探针分子形成新的共轭体系,并导致探针荧光明显降低。3.通过Knoevenagel缩合反应,将?（11）?-不饱和吡唑啉酮单元连接到BODIPY发色团2位,设计、合成了靶向线粒体和选择性检测次氯酸根的荧光探针BODIPY-Pyra。BODIPY荧光团与吡唑啉酮单元通过C=C双键进行桥接,形成了扭转的分子内电子转移（TICT）,具有较弱的红光。而环境黏度的增加将有效抑制TICT作用,促使探针红色荧光增强。此外,通过C=C双键与次氯酸根的氧化裂解反应,BODIPY-Pyra能够选择和灵敏性的与次氯酸根发生氧化还原反应,并促使探针的紫外和荧光发射蓝移。细胞和生物荧光成像实验表明,BODIPY-Pyra可作用于细胞线粒体（pearson系数为0.97）,也能够对细胞和生物体内次氯酸根浓度的变化进行荧光检测。4.通过Sonogashira偶联反应和Knoevenagel缩合反应,分别在BODIPY发色团两侧2,6-位引入了萘酰亚胺荧光团和不饱和吡唑啉酮结构,设计、合成了定位于溶酶体,且具有双识别位点和比率型变化的次氯酸/根荧光探针BODIPY-Np。在双识别位点作用下,BODIPY-Np能够与次氯酸/根迅速发生作用,使萘酰亚胺上的硫醚氧化为亚砜,萘酰亚胺单元荧光降低;同时,不饱和吡唑啉酮上的C=C双键断裂,BODIPY核荧光打开,荧光光谱呈现比率型变化。生物荧光成像实验表明,BODIPY-Np能够作用于细胞溶酶体（pearson系数为0.98）,并可对细胞和生物体中的次氯酸产生荧光响应。5.通过Sonogashira偶联反应,构筑了具有分子内电荷转移（ICT）效应和双波段、长波发射的BODIPY-三苯胺荧光平台,并设计、合成了具有不同光物理性质的荧光探针BTN和BTB。在BODIPY发色团双侧2,6-位对称性的引入三苯胺乙炔基,促使BODIPY染料发射波长明显红移至近红外区,并呈现D-A-D电子结构特征。BTN分子在三苯胺外围引入四个羟基肟作为识别器,实现了对次氯酸的多位点、快速（10s）和特异性反应,并在光谱上呈现比色和比率型变化特征。然而,在三苯胺外围引入不饱和丙烯酸叔丁醇酯替代羟基肟,得到具有固体荧光和聚集诱导发光性质的荧光分子BTB。BTB分子结构不仅呈现出明显的ICT特征和溶剂效应,而且具有较大的荧光发射波长和拟Stocks位移。在二甲基亚砜/水体系中,随含水量的增高,BTB分子呈现出明显的聚集诱导荧光增强性质。并且,BTB分子还表现出对半胱氨酸的选择性作用,可导致BTB分子的聚集诱导荧光淬灭。6.通过suzuki偶联反应,将短波BODIPY荧光团与长波BODIPY染料进行组合,构筑了具有跨键能量转移（TBET）性质的荧光分子BODIPY-By。BODIPY-By分子以短波BODIPY为能量供体,长波BODIPY为能量受体,刚性的联苯基为连接基团,呈现出跨键能量转移（ETE=86%）的性质。长波BODIPY染料上含有一对?（11）?-不饱和双键,具有一定亲核反应性;使BODIPY-By能够选择性的与半胱氨酸/同型半胱氨酸发生共轭加成反应,并呈现出比率型的荧光变化。相对于半胱氨酸,同型半胱氨酸与BODIPY-By分子表现出更快的反应速率;因此,BODIPY-By可实现选择性检测同型半胱氨酸的目的。生物体内的荧光成像实验表明,BODIPY-By分子具有较好的渗透性和生物相容性,并可用于生物体内Cys/Hcy的检测。

论文目录

  • 中文摘要
  • Abstract
  • 第一章 绪论
  •   1.1 荧光探针
  •   1.2 荧光探针设计方法和传感机制
  •   1.3 BODIPY发色团的修饰和应用
  •     1.3.1 BODIPY荧光团的结构和性质
  •     1.3.2 BODIPY在生物成像和化学传感中的应用
  •     1.3.3 BODIPY在肿瘤光动/热治疗中的应用
  •   1.4 基于BODIPY染料的次氯酸和过氧化氢荧光探针
  •     1.4.1 选择性检测HOCl的BODIPY荧光探针
  • 2O2的BODIPY荧光探针'>    1.4.2 选择性检测H2O2的BODIPY荧光探针
  •   1.5 基于BODIPY染料的生物硫醇探针
  •     1.5.1 选择性检测Cys/Hcy的BODIPY荧光探针
  •     1.5.2 选择性检测GSH的 BODIPY荧光探针
  •     1.5.3 同时检测Cys/Hcy和GSH的BODIPY荧光探针
  •   1.6 课题的提出
  • 第二章 基于BODIPY染料溶酶体定位的过氧化氢荧光探针
  •   2.1 引言
  •   2.2 探针BODIPY-Se的设计
  •   2.3 BODIPY-Se的合成路线
  •   2.4 实验部分
  •     2.4.1 仪器和试剂
  •     2.4.2 中间体和目标分子的合成
  •     2.4.3 实验方法
  •     2.4.4 生物荧光成像
  •   2.5 探针BODIPY-Se结果与讨论
  •     2.5.1 探针BODIPY-Se的合成
  •     2.5.2 探针BODIPY-Se随pH变化的荧光响应
  • 2O2的浓度滴定'>    2.5.3 探针BODIPY-Se与H2O2的浓度滴定
  •     2.5.4 探针BODIPY-Se的选择性
  • 2O2反应的动力学测试'>    2.5.5 探针BODIPY-Se与H2O2反应的动力学测试
  •     2.5.6 探针BODIPY-Se检测机理
  •     2.5.7 探针BODIPY-Se氧化还原循环的荧光响应
  •     2.5.8 探针BODIPY-Se细胞毒性测试
  •     2.5.9 探针BODIPY-Se生物荧光成像
  •   2.6 本章小结
  • 第三章 基于BODIPY染料氧化-环合反应的过氧化氢荧光探针
  •   3.1 引言
  •   3.2 探针BODIPY-BQ的设计
  •   3.3 探针的合成路线
  •   3.4 实验部分
  •     3.4.1 仪器和试剂
  •     3.4.2 中间体和目标分子的合成
  •     3.4.3 实验方法
  •     3.4.4 生物荧光成像
  •   3.5 探针BODIPY-BQ结果与讨论
  •     3.5.1 探针BODIPY-BQ的合成
  • 2O2的浓度滴定'>    3.5.2 探针BODIPY-BQ与 H2O2的浓度滴定
  •     3.5.3 探针BODIPY-BQ的选择性实验
  •     3.5.4 探针BODIPY-BQ与反应前后pH滴定实验
  •     3.5.5 探针BODIPY-BQ的检测机理
  •     3.5.6 探针BODIPY-BQ细胞毒性测试
  •     3.5.7 探针BODIPY-BQ生物成像实验
  •   3.6 本章小结
  • 第四章 基于BODIPY染料线粒体定位的次氯酸根荧光探针
  •   4.1 引言
  •   4.2 探针BODIPY-Pyra的设计
  •   4.3 BODIPY-Pyra的合成路线
  •   4.4 实验部分
  •     4.4.1 仪器和试剂
  •     4.4.2 中间体和目标分子的合成
  •     4.4.3 实验方法
  •     4.4.4 生物荧光成像
  •   4.5 探针BODIPY-Pyra结果与讨论
  •     4.5.1 探针BODIPY-Pyra的合成
  •     4.5.2 探针BODIPY-Pyra荧光随黏度的变化
  •     4.5.3 探针BODIPY-Pyra的选择性
  •     4.5.4 探针BODIPY-Pyra与次氯酸根浓度滴定
  •     4.5.5 探针BODIPY-Pyra随 pH变化的影响
  •     4.5.6 探针BODIPY-Pyra与次氯酸钠的动力学测试
  •     4.5.7 探针BODIPY-Pyra检测机理
  •     4.5.8 探针BODIPY-Pyra细胞毒性测试
  •     4.5.9 探针BODIPY-Pyra生物荧光成像
  •   4.6 本章小结
  • 第五章 基于BODIPY-萘酰亚胺的比率型次氯酸/根荧光探针
  •   5.1 引言
  •   5.2 探针BODIPY-Np的设计
  •   5.3 荧光探针的合成路线
  •   5.4 实验部分
  •     5.4.1 仪器和试剂
  •     5.4.2 中间体和目标分子的合成
  •     5.4.3 实验方法
  •     5.4.4 生物荧光成像参照
  •   5.5 探针BODIPY-Np结果与讨论
  •     5.5.1 探针BODIPY-Np的合成
  •     5.5.2 探针BODIPY-Np与次氯酸的浓度滴定
  •     5.4.3 探针BODIPY-Np的选择性实验
  •     5.4.4 探针BODIPY-Np与反应前后pH滴定实验
  •     5.4.5 探针BODIPY-Np与次氯酸根的动力学测试
  •     5.4.6 探针BODIPY-Np检测机理
  •     5.5.7 探针BODIPY-Np细胞毒性测试
  •     5.5.8 探针BODIPY-Np生物荧光成像
  •   5.6 本章小结
  • 第六章 基于BODIPY-三苯胺红光染料的构建及对次氯酸、半胱氨酸的荧光响应
  •   6.1 引言
  •   6.2 探针BTN和 BTB的设计
  •   6.3 荧光探针的合成路线
  •   6.4 实验部分
  •     6.4.1 仪器和试剂
  •     6.4.2 中间体和目标分子的合成
  •     6.4.3 实验方法
  •     6.4.4 生物荧光成像
  •   6.4 探针BTN结果与讨论
  •     6.4.1 探针BTN的合成
  •     6.4.2 探针BTN与次氯酸的浓度滴定
  •     6.4.3 探针BTN对各种活性氧物种和其它离子的选择性实验
  •     6.4.4 探针BTN与次氯酸钠反应前后pH滴定实验
  •     6.4.5 探针BTN与次氯酸反应的动力学测试
  •     6.4.6 探针BTN的双光子性质
  •     6.4.7 探针BTN检测机理
  •     6.4.8 探针BTN生物成像实验
  •   6.5 BTB结果与讨论
  •     6.5.1 荧光分子BTB的合成
  •     6.5.2 荧光分子BTB的荧光性质
  •     6.5.3 荧光分子BTB在混合溶剂中的聚集诱导荧光性质
  •     6.5.4 荧光分子BTB的电子结构
  •     6.5.5 荧光分子BTB与活性分子的相互作用
  •     6.5.6 荧光分子BTB与半胱氨酸的浓度滴定
  •     6.5.7 荧光分子BTB与pH作用的荧光响应
  •     6.5.8 荧光分子BTB与半胱氨酸的动力学实验
  •     6.5.9 荧光分子BTB与半胱氨酸的检测机理
  •   6.6 小结
  • 第七章 基于BODIPY-BODIPY能量转移体系的构建及对Cys/Hcy的选择性识别
  •   7.1 引言
  •   7.2 探针BODIPY-By的设计
  •   7.3 荧光探针的合成路线
  •   7.4 实验部分
  •     7.4.1 仪器和试剂
  •     7.4.2 中间体和目标分子的合成
  •     7.4.3 实验方法
  •     7.4.4 生物成像
  •   7.5 探针BODIPY-By结果与讨论
  •     7.5.1 探针BODIPY-By的合成
  •     7.5.2 探针BODIPY-By的荧光性质
  •     7.5.3 探针BODIPY-By与 Cys、Hcy和 GSH的作用
  •     7.5.3 探针BODIPY-By与半胱氨酸、同型半胱氨酸的动力学测试
  •     7.5.4 探针BODIPY-By的选择性实验
  •     7.5.5 探针BODIPY-By与 pH关系
  •     7.6.6 探针BODIPY-By检测机理
  •     7.5.7 探针BODIPY-By的细胞毒性测试
  •     7.5.8 探针BODIPY-By生物成像实验
  •   7.6 本章小结
  • 第八章 全文总结
  •   8.1 结论
  •   8.2 论文主要创新点
  •   8.3 展望
  • 参考文献
  • 附录
  • 发表论文
  • 致谢

    • 文章来源

    类型: 博士论文

    作者: 许超

    导师: 钱鹰

    关键词: 氟硼二吡咯,化学反应,活性分子,细胞器,荧光成像

    来源: 东南大学

    年度: 2019

    分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑

    专业: 生物学,化学

    单位: 东南大学

    基金: 国家自然科学基金项目(61178057)

    分类号: O657.3;Q-334

    DOI: 10.27014/d.cnki.gdnau.2019.003864

    总页数: 174

    文件大小: 11073k

    下载量: 61

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