应用化学毕业论文开题报告-新型铜离子荧光探针的合成及性质研究.doc

毕业设计(论文)开 题 报 告 题 目 新型铜离子荧光探针的合成及性质研究 学 院 化学与化工学院 专业及班级 应用化学1101班 姓 名 王 彩 花 学 号 1115020104 指 导 教 师 李侃社、李锦、闫兰英、牛红梅、康洁、朱雪丹、陈创前、章结兵日 期 2015年03月27日 西安科技大学毕业设计(论文)开题报告题 目新型铜离子荧光探针的合成及性质研究选题类型基础研究一、选题背景1.1 荧光 荧光，又作“萤光”，是指一种光致发光的冷发光现象。当某种常温物质经某种波长的入射光（通常是紫外线或X射线）照射，吸收光能后进入激发态，并且立即退出激发态并发出比入射光的的波长长的出射光（通常波长在可见光波段）；而且一旦停止入射光，发光现象也随之立即消失。具有这种性质的出射光就被称之为荧光。产生荧光的条件是：物质分子必须具备吸收特征频率的生色基团的结构。1.2 荧光探针 荧光探针(fluorescence probes)就是荧光染色试剂，是能在外在光源激发下发射出一定波长可见光的一类有机化合物。荧光分子经过特殊的设计，能够选择性识别待测物，再将这种识别信息转换成荧光信号传递给外界，具有这种功能的分子就是荧光分子探针。荧光的发现是在十六世纪中叶，西班牙科学家Monardes最早记录了荧光现象，而真正把荧光法应用于分析检测却是300多年后的事情。1987年，诺贝尔奖获得者莱恩教授提出了“超分子化学”，即分子自组装现现象，这是一种基于分子识别，主客体相结合并产生某种特定的新功能的过程。正是基于这种分子识别的思想，人们将荧光信号与识别过程结合了起来，提出了分子荧光探针的概念。分子荧光探针通常由荧光团(fluorophore)、间隔基团(spacer)、识别基团(receptor unit)三部分组成。荧光团起到信号转换作用，将识别信息装换成可以记录测量的光学信号，不同的荧光团，它的最大发射波长不同，发光强度和Stocks位移也不同，常见的荧光团有：稠环化合物，香豆素化合物，荧光素化合物，罗丹明化合物，花菁化合物等。识别基团一般通过弱相互作用，如氢键、配位键、静电引力、分子间范德华力等结合客体，实现荧光探针的专性识别。间隔基团连接了荧光团和识别基团，使整个荧光探针成为一个有机整体。 金属离子荧光分子探针，则是指能和体系中存在的某种特定金属离子发生作用，并且通过荧光信号的变化反应出该种金属离子的浓度信息的荧光分子探针即选择性识别离子并将识别信息转换为荧光的形式。当识别基团和被分析物结合后，导致荧光团所处的环境的变化，具体表现为荧光团部分发色荧光猝灭或增强（荧光化学探针），或者颜色产生变化（比色化学探针），这是最常见的探针工作原理。荧光分子探针由于其灵敏度高，无需参比，不受电场、磁场的影响、易于通过光纤实现远程实时、在线自动监测等优点而极为引人注目。1.3 铜离子荧光探针1.3.1发展背景及研究意义随社会科技的发展铜元素作为生物体内所必需的一种微量重金属元素和必需的营养素在各个领域受到了广泛的关注，其在细胞中的含量仅次于锌和铁，在各种有机体的基本生理过程中发挥着重要作用，铜离子在生物体内的含量很小，但铜缺乏可导致生长和代谢的紊乱，铜离子的含量过多同样也会对生物体产生巨大的毒害作用。体内的铜离子代谢平衡受到破坏会导致神经退行性疾病的发生，例如缅克斯综合症、威尔森氏综合症、家族性肌萎缩症和阿尔茨海默氏症等疾病。因此，寻求一种快速灵敏简便的铜离子检测方法在生物研究和医学诊断中具有重要的意义。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，对其识别和检测是化学、生物学、临床生物学及环境学众多研究领域的热点课题。目前，检测Cu2+已知的主要方法有原子吸收光谱法、原子发射光谱法、电化学法、荧光光谱法等。其中荧光法因检出限低、操作简单和高选择性，已得到了广泛的关注。 它是一类能特异性识别目标分子并适合直接检测或带有可检测标记物的高效探测试剂,随着21世纪生命科学的迅猛发展，在揭示和了解生命的奥秘、疾病的诊断与治疗、环境监测等重要科学研究领域，对光学探针技术提出了大量崭新的课题，目前主要集中在蛋白质、核酸和多肤等生物大分子分析，生物药物分析，超痕量和超微量生物活性物质分析等。由于二价铜离子是d轨道结构顺磁性离子，对荧光具有较强的猝灭性，大多数报道的铜离子荧光分子探针都是猝灭型的，在探针识别客体时荧光猝灭不利于高通量信号输出，所以开发高灵敏、高选择性的荧光增强型铜离子荧光分子探针具有重要意义。在近几年中，文献报道了多种基于不同检测机理的铜离子荧光探针，基于化学反应机理的铜离子荧光探针引起了人们的极大关注。和其他方法相比，荧光探针具有高选择性、灵敏度、实时监控、方法简便、取量少等优点，现已被广泛应用于环境监测、水质和土壤分析、临床化验、海洋考察、工业流程控制以及地质、冶金、农业、食品和药物分析等领域。所以努力研究设计并合成出具有更高选择性和检测灵敏度的新型铜离子荧光探针对社会的发展有着极其重要的意义。1.3.2国内外的研究现状1997年，Czafinik等首次利用该机理设计合成了罗丹明B酰肼探针(图1），该探针可以选择性识别铜离子，其原理是基于铜离子催化罗丹明B酰肼水解生成强荧光的罗丹明B分子。图12006年，Zeng等报道了一种高度选择性的Cu2+荧光探针，该探针采用硫冠醚结构作为探针的识别基团而荧光基。团则为BODIPY染料。由于PET作用，探针本身的荧光强度十分微弱，当探针的识别基团与Cu2+螯合后(图2），PET受到限制，探针的量子产率从之前的0016增至013发出强烈荧光。实验结果表明，在所有检测的离子(Ca2+、Mg2+、Mn2+、Fe3+、Co2+、Ni2+、Cu2+、Zn2+)中，该探针对Cu2+表现出良好的选择性和灵敏性。最后成功的应用于活细胞荧光成像检测，有助于帮助阐释亚铜离子在细胞内的生理学及病理学作用。图2 2010年，Domaille D W等对此探针进行了改进。将硫冠醚结构连接到BODIPY的5位，合成了一种新型的探针结构。该探针与Cu2+螯合后荧光强度随之增加了20倍，并表现出良好的选择性。 2012年，Molinat等人通过氮杂1，3一丁二烯将芘与对甲氧基苯甲醛相连合成得到了一种新的化合物，在乙腈溶液中能够对Cu2+产生选择性响应(图3）。Cu2+加入后，乙腈溶液的颜色由黄色变为橙色，荧光强度增加22倍；而在乙腈一水混合溶液中却表现对Cu2+和Hg2+的同时响应，荧光强度分别增加10倍和13倍。图3 2012-2014年，钱旭红等人利用了N-丁基-4-溴-5-硝基-1，8-萘酰亚胺的高反应活性，设计了两个基于ICT原理的专一性识别Cu2+的比率荧光探针。化合物的结合减弱了共轭氮原子对荧光团的供电子能力，导致最大发射波长由525nm蓝移至475 nm，荧光颜色由黄绿色变为蓝色，可以非常方便地用肉眼直接观测。对Cu2+有很高的灵敏度，其最低检测限可达l0nmolLVakkallcheril SJisha等报道的铜离子荧光探针，一种分子(图4）中存在萘酰亚胺和萘两个荧光发色团，可发射339nm和525 nm两种波长的光，但由于连拉基团中的磺酰基团可与Cu2+络合，从而阻止荧光共振能量转移，使得该荧光探针遇Cu2+后主要发射波长339nm的光。 图4 最近，张晓兵等报道了Cu2+荧光探针是一种罗丹明类化合物(图5），在Cu2+的作用下其螺胺环开环可产生强荧光，可用于检测HeLa细胞中的Cu2+浓度。 图5 荧光探针法具有灵敏度高，选择性好，方法简便，取样量少等优点，但寻找新的铜离子荧光传感器仍然是一个热的研究领域。1.4 荧光探针的识别机理 荧光分子探针的识别原理可分为光诱导电子转移（PET，photoinduced electron transfer）、分子内共轭电荷转移（ICT, intramolecular charge transfer）和荧光共振能量转移（FRET, fluorescence resonance energy transfer）和激基缔合物(excimer)等。1.4.1光诱导电子转移(PET) 基于PET识别机理的荧光探针，识别基团中通常含有能提供高能孤对电子的负电荷原子(如N原子)，它能够将其中的一个电子转移到激发态的荧光团上，占据荧光团的激发空轨道，阻止荧光团激发态电子回到基态，从而导致荧光的猝灭。然而，结合阳离子后，识别基团的还原电位升高，相应的最高分子占据轨道(HOMO)的能量低于荧光团的能量，结果导致光诱导电子转移被禁止，荧光发射强度增大。1.4.2分子内电荷转移(ICT) 不同于PET机理的荧光探针，在基于ICT机理的荧光探针中识别基团与荧光团直接相连，其给电子基上的孤对电子与荧光团形成共轭结构。在这种情况下，处于光照激发态的分子，给电子基与荧光团之间就能够发生分子内电荷转移。然而，当识别基团结合了客体离子后，不但分子的最低能量占据轨道(LUMO)与最高能量占据轨道(HOMO)之间的能隙会发生变化，而造成荧光强度的变化，而且分子内的ICT效应也会受到影响，而导致荧光最大发射波长发生移动。1.4.3荧光共振能量转移(FRET) 荧光共振能量转移（FRET）是指两个荧光团在足够靠近时，当供电子体受激发电子跃迁到更高的能级态，该电子回到基态前，通过偶极子的相互作用，发生电子向另一个供电子体转移的过程。FRET荧光探针的组成和其他荧光探针不同，它是由受体、连接臂和至少两个的荧光团组成的，这两个荧光团一个是能量给体(donor)，另一个是能量受体(acceptor)。如果两个以上的不同的荧光团彼此之间的距离合适，一个荧光团（Donor）的荧光发射光谱和另一个荧光团（Acceptor）的吸收光谱重叠，当荧光团（Donor）受激发时会与荧光团（Acceptor）形成电子能量转移，使得荧光团（Donor）的特征峰消失或减弱，出现的是荧光团（Acceptor）的发射峰。如以Kim等人合成基于FRET机制、识别Cu2+的荧光探针(图6）为例，化合物在420nm的光激发下，507nm处会出现丹酰基的强荧光峰，当加入Cu2+后，发射峰移至580nm，发出罗丹明基的粉红色荧光。 图61.4.4 激基缔合物(excimer) 两个相同的独立稠环化合物连接到同一受体的合适位置，其荧光发射会相互作用，产生比原来单体荧光波长更长的强而宽的发射峰，这种由激发态和基态分子相互碰撞而产生新的荧光发射就是因为单体之间形成了激基缔合物。然而，激发态分子要能够和基态分子发生碰撞，两个单体荧光团之间就必须具有合适的位置，这也是设计此类探针的关键。1.5 荧光探针研究种类 荧光探针一般是由荧光团通过连接基与受体相连而成，按荧光团将荧光探针分为：香豆素类、荧光素类、罗丹明类、菁染料类、BODIPY类和萘酰亚胺类。1.5.1香豆素类 香豆素类化合物具有荧光量子产率高、Stokes位移大、光物理和光化学性质可调以及光稳定性好等优点，因此近年来香豆素类荧光探针的设计、合成逐渐成为一个新兴的研究热点。香豆素衍生物基本结构为苯并吡喃环(图7），其功能取决于香豆素环上取代基的性质。当香豆素的3位为吸电子基团、7位为给电子基团，可形成“推，拉”电子体系，使这类香豆素衍生物具有优良的荧光性能，香豆素具有合适的最大激发、发射波长，可以有效地降低细胞组分和生理液体的背景荧光，因此广泛应用在生物体检测中。香豆素具有足够大的Stokes位移避免了激发光谱和发射光谱的重叠，较高的荧光量子产率使低浓度检测成为可能。因此，香豆素类荧光化合物的设计、合成在基础科学研究和实际应用方面都具有重要意义。如ICT新型荧光探针对Hg2+的检测(图8）。图8图7 1.5.2荧光素 荧光素及其衍生物是重要的荧光探针材料，属于呫吨染料。荧光素（ fluorescein）又称荧光黄，化学名称为3，6-二羟基螺异苯并呋喃-1（3H），9-（9H）-呫吨-3-酮或9-（邻羧苯基）-6-羟基-3H-呫吨-3-酮(图9）。由于氧桥键把两个苯环固定在一个平面上，使分子具有刚性共平面结构，在激发光的作用下能产生强烈的荧光。如图10一种荧光素类探针对Cd2+的检测。 荧光素具有高的消光系数，激发和发射波长都在可见光区，在水中具有较高的荧光量子产率，无毒，成本低等优点。自1871 年Bayer 首次合成出荧光素至今一百多年的时间仍然被广泛的应用于研究蛋白质的结构特性。但其所具有的特定属性也限制了它在许多研究领域中的进一步应用：（1）较小的Stoke 位移，使得样品背景对荧光的干扰相对较大；（2）荧光量子产率对pH 值敏感，在生物体内的生理环境下荧光量子产率降低；（3）具有对光敏感的基团，在强光检测下容易分解等。图9 图101.5.3罗丹明类 罗丹明(R)及其衍生物是一类重要的荧光探针染料，属于呫吨类碱性染料,结构如图12。由于苯环间氧桥的存在，分子具有刚性共平面结构，这使其分子结构稳定性增强，在激发光的作用下能产生强烈的荧光，在红色可见光区（500nm-700nm）受样品背景干扰相对较少，是生物分析中经常用到的荧光染料，具有很高的研究和商业价值。因此，国内外的科学家致力于以罗丹明为母体，通过引入不同的官能团对罗丹明的结构进行设计，来改善罗丹明类荧光染料的性能，以期望用于不同的研究中。图121.6 我的课题通过上述荧光探针机理及种类及前人对铜离子荧光探针的研究，发现人们在研究单个的香豆素、荧光素类荧光探针延伸方面较多。本课题开发新的思路将香豆素和荧光素类两种荧光团结合在一起通过简单的肼解和席夫碱反应原理使-NH2与-CHO结合，自己合成一种新型的的铜离子荧光探针(图13)来实现铜离子的检测。图131.7 选题目的与意义 近年来，关于铜离子荧光针的报道有很多，其中一些淬灭型探针已经成功应用到生物领域。但是绝大部探针都有选择性不高、响应时间比较长、溶解度低等缺点。此外，有些探针只能应用在非水溶剂中，这就限制了它在环境和生物体这样的水相环境中的应用。因此，设计合成能够在细胞中应用、高选择性、高灵敏度、能够快速识别铜离子的探针已经成为当今社会的一大热点。 本课题将香豆素在可见光的范围内具有很强的荧光性，光稳定性好，光物理、光化学性质可调、荧光量子效率高和Stokes位移大等优点与荧光素具有高的消光系数，激发和发射波长都在可见光区，在水中具有较高的荧光量子产率，无毒，成本低等优点相结合通过简单肼解,席夫碱反应合成一种新型的铜离子荧光探针,并通过研究它的紫外光谱与荧光谱,磁性分析等，此新型荧光探针结合香豆素与荧光素的优点撇弃两者的缺点，使达到到的新型探针具有高选择性、高灵敏度、能够快速作用于细胞的检测铜离子的效果，研究此课题不仅拓展了人们对香豆素与荧光素荧光基团的了解,而且构建了一种新的分铜离子的方法。希望随着多种荧光探针的开发和研究可以帮助人们更好的分析问题，更加直观的了解生物体内各种物质的分布情况以及部分生理活动的进行方式。同时在探索铜离子荧光探针的道路上不断改进和提高使其得到更好的发展。参考文献：1 时丽丽.用于金属离子识别的新型荧光探针的合成及性能研究D.2013 2 向雨秘,龙少波,朱勍.铜离子荧光探针的研究进展N.轻工科技报,2013,2 3 Min TONG L-Bing JIANG Li SUN Jian YIN Gui .A Highly Sensitive and Selective Colorimetric Fluorescent ZincSensor Based on FluoresceinGUOJ.CHINESE JOURNAL OF INORGANIC CHEMISTRY,2009,25(6) 4 Li Zhang , Xianhong Zhang. A selectively fluorescein-based colorimetric probe for detectingcopper(II) ion J. Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy ,2014,133:5459 5 孟双明,WANG Shang-zhi,GUO Yong等.罗丹明类荧光探针的合成及在铜离子测定中的应用.Journal of Shanxi Datong University(Natural Science Edition)N.山西大同大学学,2013, 29(1):1-39 6 石晓花.荧光探针的制备及表征C. 2011: 20-267李蒙蒙.吡唑啉荧光探针的合成结构表征及性质研究R.2013:76-77 8赵秀文,张亚男等.基于香豆酰肼的高选择性的铜离子荧光探针J.2010,31(3):434-438 9李晓花,马会民,董素英,段学军,聂丽华,孙铭.一种新的荧光素类荧光探针的设计合成及其对血清中组氨酸的选择性标记N.高等学校化学学报,2003,24(11) 10魏明杰.几种香豆素类和荧光素类小分子探针的合成及其分析应用D.2013:1-12 11 Becker J S,Zoriy M V,Pickhardt C,et a1.