基于罗丹明-苯并噻唑骨架荧光探针的合成及推广

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论文字数:39566 论文编号:sb2022062417163448785 日期:2022-07-13 来源:硕博论文网

本文是一篇药学论文,本文通过一系列光谱研究,可以看出该探针 AHT荧光量子产率比较高,线性关系好(线性范围为 0-46 μM),检出限低(0.3 μM),灵敏度高,选择性好,可应用于生物体内分析物的检测。
第一章 绪论
1.1 研究背景
荧光探针是一种基于检测目标诱导或调控的光信号变化实现分析传感的工具。该检测器快速简单,近年来发展迅速[1],荧光探针应用广泛,主要由三部分组成,在特定激发下产生荧光信号的荧光团、将反应基团和荧光团连接起来的连接基团、可以通过化学反应或络合等方式与待测物进行识别的识别基团(见图 1.1)。荧光探针加入待测物后,识别基团与待测物发生反应或络合等方式改变了体系荧光性质,通过加入待测物前后荧光性质的改变达到检测的目的。

药学论文参考
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常见的荧光团有四苯乙烯类[2],香豆素类[3],氧杂蒽类[4],菁染料类[5,6],萘酰亚胺类[7]等。荧光团的光学性质与探针的识别性能息息相关,已经成为探针研究领域的一个重要的内容,广泛应用于化学、环境、材料等领域。
比率型荧光探针能够根据两个发射波长处峰的比值来检测分析物[8],最早的比率型荧光探针由美国的钱永健等人提出[9,10],目前,这类探针的研究进入了一个新的阶段。比率型荧光探针通常指探针与待测分析物反应后,其最大激发或发射光谱的波长产生了漂移变化,可以通过计算两个波长处的荧光强度比值来进行测量。比率型荧光探针由于其通过比值检测的特点,较单波长探针可以消除探针漂白、激发强度变化等因素带来的一些误差。罗丹明荧光团发光性能较好,发射波长较长,在荧光探针的设计中常用作荧光团,近年来也有许多研究者通过罗丹明和其它荧光团连接设计探针对目标待测物进行比率检测。
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1.2 比率型荧光探针的研究进展
比率型荧光探针根据其发光机制,可以分为四类:基于激发态分子内质子转移(ESIPT)[17,18]发光机制的比率型荧光探针,基于分子内电荷转移(ICT)[19,20]发光机制的比率型荧光探针,基于荧光能量共振转移(FRET)[21]发光机制的比率型荧光探针和基于激发态能量转移(EET)发光机制的比率型荧光探针。
1.2.1 基于激发态分子内质子转移(ESIPT)发光机制的比率型荧光探针的研究进展
激发态分子内质子转移(ESIPT)是探针在光激发下,探针分子中的受体与供体之间发生了质子转移,形成了氢键,从烯醇式变为酮式[22,23],分子内部共轭结构发生变化,发射峰红移,所以这类探针具有较大的斯托克斯位移、灵敏度高、光稳定性好等优点。具有 ESIPT 效应的代表性荧光团有 2-(2,-羟基苯基)苯并噁唑(HBO)、2-(2,-羟基苯基)苯并噻唑(HBT)、2-(2,-羟基苯基)苯并咪唑(HBI)以及 3-羟基黄酮衍生物(见图 1.4),HBT 发生 ESIPT 过程的机理如下图[24](见图 1.5)。
Liu 课题组[25]经过两步缩合反应合成了探针 1,该探针基于 ESIPT 过程可以检测HepG2 细胞中的亚硫酸盐(见图 1.6)。将 HPQ 骨架和 Rhodamine B 连接起来,探针在溶液中发生了 ESIPT 过程,发出了 HPQ 的蓝色荧光及罗丹明的橙红色荧光,在 450 nm和 566 nm 处有两个荧光发射信号。当探针 1 与亚硫酸盐进行 1,4-迈克尔加成反应生成1-SO3-,ESIPT 过程仍然存在,但 RB 部分的橙红色荧光淬灭,此时 566 nm 处的发射峰慢慢降低,最终只在 450 nm 处有发射峰。形成了 I566 nm/I450 nm 的比率型荧光探针。线性范围为 0-15 μM,探针 1 是一个敏感,高效和快速响应亚硫酸盐的工具,具有巨大商业潜力。
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第二章 基于罗丹明-苯并噻唑骨架检测 Fe2+荧光探针的合成及应用
2.1 引言
铁(Fe)是最丰富的过渡金属,铁离子在人体中发挥着多种重要作用[66-68]。依赖于其强大的氧化还原活性可以进行氧传递、电子传递和酶反应[69,70],生物系统获得了一种复杂的调节机制,以维持细胞铁通量的良好平衡。铁调节系统的破坏会造成人体环境的损伤,如癌症[71-74]、肝炎和帕金森病[75,76]等疾病。然而,高浓度的铁(III)在人体内会导致细胞死亡。还会造成环境污染[77,78]。同时,人体缺铁也会导致贫血等一些疾病。活性铁具有较强的水溶性、胞内还原性和与 Fe2+结合的亲和力,主要以亚铁离子(Fe2+)存在,其氧化还原稳态受到铁调控转录因子及其相关蛋白的严格调控,Fe2+/Fe3+之间的化学平衡受中性水缓冲液中氧浓度的影响,在厌氧条件下,特别是还原剂存在的情况下Fe2+稳定存在[79-82]。
因此,控制 Fe2+的水平浓度非常重要[83]。用于检测 Fe2+的传统技术包括 FAAS(火焰原子吸收光谱法)[84],CE(毛细管电泳)[85]以及 ICP-AES(电感耦合等离子体-原子发射光谱法)[86]。在金属离子的各种检测方法中,荧光传感技术结构简单、能实时检测、灵敏度高、等优点而成为一个研究热点[87-90],由于荧光化学传感器在工业、医药、人类健康和环境等方面的重要作用,近年来,用于生物和环境重要金属离子的荧光化学传感器的发展受到了广泛关注。
比率型荧光探针在同一个激发下有两个发射波长,比单波长荧光探测器更加准确,可以消除仪器、环境、样品溶液等带来的误差。我们在罗丹明-苯并噻唑骨架上合成了检测 Fe2+的比率型荧光探针 HOS,首先,我们用 2,4-二羟基水杨醛和邻氨基苯硫酚通过缩合反应合成了化合物 1,4-二乙氨基酚和邻苯二甲酸酐合成化合物 2,化合物 2 与 1反应得到开环的罗丹明的基本骨架 3。用间氯过氧苯甲酸和 3 反应使罗丹明关环并引入氮氧化物识别位点。运用 ESIPT 机理设计了一个比率型荧光探针。
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2.2 实验部分
2.2.1 试剂与仪器

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(1)化合物 1 的合成:准确称取 2,4-二羟基苯甲醛(345 mg, 2.50 mmol, 1.00 equiv.)置于 50 mL 圆底烧瓶中,冷肼中除水除氧 0.5 h 后用注射器吸取无水 DMF 8 mL 注入反应容器,待反应原料溶解后加入邻氨基苯硫酚(313 mg,2.50 mmol,1.00 equiv.),160 ℃搅拌使其溶解。然后加入焦亚硫酸钠(950 mg, 5.00 mmol, 2.00 equiv.),在 160 ℃下加热回流 2 h。反应结束后放置至室温,边搅拌边加入冷水中,有沉淀产生,将沉淀过滤洗涤数次,直到抽滤所得液体变为浅黄色,所得沉淀在烘箱中 45 ℃烘干,得到黄色固体化合物 1(收率为 99.8%,Rf=0.56,PE:EtOAc=3:1)。
(2)化合物 2 的合成:准确称取 3-二乙氨基酚(5.00 g, 30.3 mmol, 1.00 equiv.)、邻苯二甲酸酐(4.70 g, 31.8 mmol, 1.10 equiv.)置于 100 mL 圆底烧瓶中,加入 20 mL 甲苯使其溶解,80 ℃回流 10 h,90 ℃回流 5 h,100 ℃回流 2 h,110 ℃回流 1 h,反应结束后,冷却到室温,生成沉淀,将沉淀抽滤并用正丁醇洗涤,得到粉色固体化合物 2(收率为 68.3%,Rf=0.23,DCM:MeOH=20:1)。
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第三章 基于罗丹明-苯并噻唑骨架检测 Hg2+荧光探针的合成及应用..............................29
3.1 引言...................................29
3.2 实验部分.................................30
3.2.1 试剂与仪器.............................30
3.2.2 探针 AHT 的合成...........................30
第四章 基于罗丹明-苯并噻唑骨架检测 ClO-荧光探针的合成及应用...............................39
4.1 引言....................................39
4.2 实验部分.................................39
结论.............................47
第四章 基于罗丹明-苯并噻唑骨架检测 ClO-荧光探针的合成及应用

4.1 引言
次氯酸盐作为一种消毒剂、除臭剂、漂白剂广泛应用[109]。HOCl 作为一种活性氧(ROS),在生命中起着重要的作用。它是由髓过氧化物酶(MPO)介导的氯离子的过氧化反应产生的[110]。在先天免疫中,一旦微生物入侵,HOCl 作为一种氧化剂具有强大的抗菌活性,内源性 HOCl 能够杀灭细胞内大量的细菌和病原体进而达到保护人体的作用。但是,HOCl 的异常水平会导致关节炎、哮喘、肺损伤和肾脏疾病等疾病[111-114]。
基于 HOCl 的危害及其重要的作用,对于其精确测量已成为众多科研工作者想要攻破的难题。过去的几十年里,科学家们开发了许多检测次氯酸盐的分析方法,如比色法、荧光法、电化学法等[115-118]。荧光探针因其高灵敏度、高实时响应、低成本而成为很有前途的检测工具。不仅可以检测生物体中 HClO,还可以检测环境中的 HClO[119]。
近年来,许多基于不同荧光团开发的单波长检测 HOCl 的荧光探针被报道[120-123]。由于是单波长探针,受测试温度、探针的浓度、测量仪器设备等多种外部因素的影响。我们以罗丹明-苯并噻唑为荧光母核,引入噻吩酰基,设计了可以识别 HClO 的荧光探针 OST,在加入 ClO-前,激发波长为 530 nm,探针在 585 nm 处的荧光信号很低,在该探针在加入 ClO-后,由于 ClO-的强氧化作用,将 C-N 和苯环上的酯键切断,诱导罗丹明开环,发出强烈荧光。在 585 nm 处的荧光信号升高。在加入 ClO-前后,颜色变化明显,可肉眼识别 HClO,能够很好的检测细胞环境中的 ClO-。
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结论
本文基于罗丹明-苯并噻唑骨架设计合成了三种小分子荧光探针 HOS、AHT 和OST,分别用于 Fe2+、Hg2+和 ClO-的检测,并对它们的光谱性质和应用进行了研究。
1. 以氮氧化物为识别基团,基于 ESIPT 机理研制了检测 Fe2+的比率型荧光探针。与Fe2+反应后,氮氧化物被还原,罗丹明开环,ESIPT 过程被阻断,探针溶液颜色由原来的黄绿色荧光变为红色荧光。该探针检测 Fe2+的最低检出限为 3.1 nM,反应灵敏(1 s内迅速反应),适用于 pH 值为 6-11 的生理环境中,此外,该探针发射波长较长,易穿过生物组织,且为比率型探针,能够降低由于探针浓度及设备因素而引起的数据失真。为检测生物环境中的 Fe2+奠定了基础。
2. 在罗丹明-苯并噻唑骨架的基础上,引入了硫脲基团,设计合成了一种特异性识别Hg2+的探针 AHT。在加入 Hg2+后,两分子探针中的 S 原子和 N 原子和 Hg2+形成配位键,诱导罗丹明开环,发出强烈荧光。通过一系列光谱研究,可以看出该探针 AHT荧光量子产率比较高,线性关系好(线性范围为 0-46 μM),检出限低(0.3 μM),灵敏度高,选择性好,可应用于生物体内分析物的检测。
3. 在罗丹明-苯并噻唑骨架上通过取代反应,引入了噻吩酰基,设计合成了能快速检测 ClO-的荧光探针 OST,该探针本身有很弱的荧光信号,加入 ClO- 后,C-N 键和苯环上的酯键被切断,形成了 N=N 键和羟基,经过分子内电荷转移,罗丹明骨架的螺环打开,发出红色荧光。探针 OST 具有荧光量子产率高、线性关系良好(线性范围为0-20 μM)、抗干扰能力强、反应速度快(1 min 反应达到平稳)、灵敏度和选择性高等优点,在探针 OST 溶液中加入 ClO-,通过肉眼就可以看到颜色明显变化,为快速检测 ClO-提供了方法。
参考文献(略)


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