（无机化学专业论文）铱磷光配合物的合成及其在生物成像中的应用.pdf

上海师范人学硕。l ：学何论文摘要 中文摘要 铱磷光配合物具有量子效率高、发射寿命长、可以实现可见光激发和可通过改 变配体结构调节发光等优点，正逐渐被应用于化学传感器和生物成像领域。本论文 中首先合成了一例阴离予型铱配合物，将其用于汞离子检测和活细胞磷光标记；其 次利用g d ( l l i ) 配合物具有高弛豫率、优良的热动力学稳定性和较低的毒副作用等特 点，设计合成了水溶性的磁光双功能的i r - g d 异核金属配合物分子探针，探索其在 活细胞和活体中的荧光成像和磁共振成像的应用。本论文的研究工作包括以下两个 部分： 1 阴离子型铱磷光配合物的合成及其用于汞离子检测和细胞标记 合成了一种含异硫氰酸酯的阴离子型铱配合物t b a i r ( d f p p y ) 2 ( n c s ) 2 】，加入 h 9 2 + 前后，配合物溶液的紫外可见吸收光谱和磷光发射光谱都有显著变化，其对 h 9 2 + 的识别具有高度选择性和优良的抗干扰性；我们进一步推测了配合物识别h 矿+ 的可能机理，认为配合物的乙腈溶液中加入h ，+ 后，乙腈分子取代异硫氰酸上的氮 原子与铱配位，而异硫氰酸根与h 9 2 + 形成了异硫氰酸汞盐，从而导致配合物的荧光 猝灭，实现h 孑+ 的有效检测。实验结果表明该配合物可作为h 矿+ 的“t u r n o f f 型磷 光计量计。此外，细胞磷光成像表明该配合物可以对细胞浆染色，从而可以用于细 胞标记。 2 i r - g d 异核金属配合物的合成及其在生物成像中的应用 设计合成了一类含有铱磷光配合物和稀大环多胺多酸稀土配合物双功能单元 的异核金属配合物( i r - g d ) ，细胞荧光共聚焦成像实验表明该配合物可以穿过细胞 膜进入细胞，专一性地染色细胞的细胞浆区域，且水溶性好，细胞毒性较低；体外 磁共振成像数据表明l r - g d 配合物有较高的纵向弛豫率( r l = 7 0 4m m - l s - 1 ) ，可以作 为活体磁共振成像造影剂，为活体病理研究和临床诊断提供了新的手段。 关键词：磷光，铱配合物，生物标记，磁共振成像。 ab s t r a c t p h o s p h o r e s c e n ti r i d i u mc o m p l e x e s h a v er e c e i v e dc o n s i d e r a b l ea t t e n t i o nd u et ot h e i r h i g he m i s s i o ne f f i c i e n c i e sa n de a s yt u n i n go fe m i s s i o nc o l o r sb yc h a n g i n g c h e m i c a l t r u c t u r e so fl i g a n d s i nt h i st h e s i s ，a na n i o n i ci r i d i u mc o m p l e x ew a ss y n t h e s i z e dw h i c h c o u i du s ef o rm e r c u r yi o nd e t e c t i o na n dt h ec e l lm a r k e r c o n d i d e r i n gt h eh i g hr e l a x a t i o n r a t e e x c e l l e n tt h e r m a ls t a b i l i t ya n dl o wt o x i co fg d ( 山) c o m p l e x e sw i t h ，w ed e s i g n e d a n ds y n t h e s i z e daw a t e r - s o l u b l em a g n e t i c o p t i c a ld u a l m o d a l i t ym o l e c u l a rp r o b e so fl r i g d h e t e r o n u c l e a rm e t a lc o m p l e x ea n de x p l o r ei t sa p p l i c a t i o nt of l u o r e s c e n c ei m a g i n ga n d m a g n e t i cr e s o n a n c ei m a g i n gi nv i v o t h i st h e s i sc a n b ed i v i d e di n t ot w op a r t s ： 1 p h o s p h o r e s c e n c ea n i o n i ci r i d i u mc o m p l e x e sa n di t sa p p l i c a t i o nt om e r c u r yi o n d e t e c t i o na n dc e l lm a r k e r ab i s f u n c t i o n a la n i o n i cp h o s p h o r e s c e n ti r i d i u mc o m p l e xt b a 1 r ( d f p p y ) 2 ( n c s ) 2 】 w a ss y n t h e s i z e d i nt h ep r e s e n c eo fh 9 2 + ，t h eo b v i o u sd e c r e a s eo f l u m i n e s c e n c ei n t e n s i t y w a si n v e s t i g a t e di nd e t a i l s ，w h i c hc o u l db eo b s e r v e db yt h en a k e de y e d u et oi t ss t r o n g t h i o p h i l i ca f f i n i t y , t h es p e c i a lc h e m i c a lr e a c t i o n i n d u c e db yu g + i sr e s p o n s i b l ef o rt h e s i g n i f i c a n tc h a n g eo fa b s o r p t i o n a n dl u m i n e s c e n c es p e c t r a , w h i c hi sc o n f i r m e db y e s i m s f u r t h e r m o r e ，t b a i r ( d f p p y ) 2 ( n c s ) 2 】c a nb eap h o s p h o r e s c e n tb i o m a r k e ro f t h ec e lim e m b r a n e 2 i r - g dh e t e r o n u c l e a rm e t a lc o m p l e x e ss y n t h e s i sa n di t sa p p l i c a t i o nt ob i o l o g i c a l i m a g i n g w eh a v ed e s i g n e da n ds y n t h e s i z e dah e t e r o n u c l e a rm e t a lc o m p l e x e ( i r - g d ) w i t h i r i d i u mp h o s p h o r e s c e n tc o m p l e xa n dr a r em a c r o c y c l i cp o l y a m i n e p o l y a c i dl a n t h a n i d e c o m p l e x e ，c e l lf l u o r e s c e n c ec o n f o c a li m a g i n ge x p e r i m e n t ss h o wt h a tt h ec o m p l e xc a n p e n e t r a t ec e l lm e m b r a n ea n ds t a i n e dc e l lc y t o p l a s mr e g i o n t h e l r g dc o m p l e x eh a sg o o d w a t e rs o l u b i l i t y , l o w e rc e l lt o x i c i t y , m a g n e t i cr e s o n a n c ei m a g i n g d a t ai nv i t r os h o wt h a ti t h a sah i g h e rl o n g i t u d i n a lr e l a x a t i o nr a t e ，w ea l s of o u n dt h a tt h ec o m p l e x c a na l s ob eu s e d f o rm a g n e t i cr e s o n a n c ei m a g i n gc o n t r a s ta g e n t si nv i v o t h e r e f o r e ，t h ec o m p l e x c a l lb e u s e df o rm a g n e t - o p t i c a ld u a i m o d a l i t ym o l e c u l a rp r o b e si nv i v o k e y w o r d ：p h o s p h o r e s c e n t ，i r i d i u mc o m p l e x e s ，b i o m a r k e r ，m a g n e t i cr e s o n a n c ei m a g i n g 独创性声明 本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。论文中除 了特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或机构已经发表或撰写过的研究 成果。其他同志对本研究的启发和所做的贡献均已在论文中做了明确的声明并表 示了谢意。 论文使用授权声明 2 一i o r 钿 本人完全了解上海师范大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其它手段保存论文。保密的论文在解密后遵守此 规定。 作者签名： 和 签名： 期：勿民心一 黟 日 教、之 多 作 对 肜a 7 上海师范人学硕l ：学位论文第+ 章综述 第一章综述 磷光与荧光均属于光致发光，都是辐射跃迁过程。当处于基态的分子吸收 紫外一可见光后，即分子获得了能量，其价电子就会发生能级跃迁，从基态跃 迁到激发单重态的各个不同振动能级，并很快以振动驰豫的方式放出小部分能 量达到同一电予激发态的最低振动能级，然后以辐射形式发射光子跃迁到基态 的任一振动能级上，这时发射的光予称为荧光。如果受激发分子的电子在激发 态发生自旋反转，当它所处单重态的较低振动能级与激发三重态的较高能级重 叠时，就会发生系间窜跃，到达激发三重态，经过振动驰豫达到最低振动能级， 然后以辐射形式发射光子跃迁到基态的任一振动能级上，这时发射的光子称为 磷光。 磷光材料中存在着磷光辐射跃迁与热活性的非辐射跃迁的竞争，因此，要得到 有效的室温磷光，必须要求三重态的寿命较短，混合了激发单重态和三重态的自旋 轨道耦合可以解决这个问趔2 1 。在o s ，r u ，p d ，p t 和i r 这些第v i i i 族重金属配合物 中，重金属原子本身的原予跃迁并不发光，但它们与有机配体形成配合物后，旋轨 耦合可以得到显著提高。其中能量最低的激发能级通常是三重态的金属到配体的能 量转移( 3 m l c t ) ，使得磷光寿命大大缩短( 9 9 ) ，使激发单重态和三重态混合在一起，单重态激子带有三 重态的性质，衰减时间变长，三重态激子的对称性被破坏，衰减变快，使得这类配 合物的单重态和三重态激子都可以导致磷光发射，从而获得很高的磷光效纠3 4 】。 在常见的几种重金属配合物中，铱配合物具有磷光寿命相对较短，发光量了效 率高，发射波长受配体结构影响，改变配体结构可以使配合物的发光颜色在整个可 见区域实现可调等特点，正日益成为磷光材料领域研究的热点。 1 1 铱磷光配合物的常见类型和应用 铱磷光配合物手要有小分子铱配合物和高分予铱配合物，其中小分子铱配合物 分为中性配合物，阳离予型配合物和阴离子型配合物，结构式见图示1 1 。中性铱配 第章综述上海师范人学硕j ：学位论文 合物中又可以按照第三配体结构的不同分为两类：l r ( c a n ) 3 和( c a n ) 2 l r ( l x ) ( c a n 表示单阴离予配体，l x 表示辅助配体) 。耳前对离予型铱磷光配合物的研究多集中 于阳离子型配合物，对阴离i 了型铱配合物的报道并不多见。 乏f - - p n 乏f - - p n p p o 图1 1 中性和离子型铱配合物的结构 通过共聚可以将铱配合物修饰到高分子的链上从而可以得到一种含铱磷光配合 物的聚合物，这类聚合物由于含有铱金属配合物重复单元，所i 以具备丰富的光电性 质，日益引起科学家的广泛关注【5 j 。在这类聚合物中，客体磷光配合物以分子状态 均匀分布在主体聚合物中，这样不但可以提高客体分子的分散性，而且有利于能量 在分子内的传递，即提供了一个除分子间能量传递外的提高磷光聚合物量子效率和 迁移率的新途径，进而可以提高主客体之间的能量传递效率。树枝状化合物因其特 殊的结构易实现多功能化以及因此而具有的潜在应用前景而受到了众多科研工作者 的关注，是一个非常热门的研究领域，将这种特殊结构引入铱配合物体系，可以提 高能量传递效率并改善配合物的溶解性1 6 , 7 。 美国普林斯顿大学的f o r r e s t 教授和南加州大学的t h o m p s o n 教授两个研究 小组合作，成功地利用铂卟啉配合物 8 , 9 1 ，环金属化的铱苯基吡啶配合物1 0 1 作为磷 光染料与电荷传输主体材料通过共蒸镀的方法制作有机电致发光器件中的发光层， 器件的外量子效率分别达到4 和8 ，相对于电致荧光器件得到了极大的提高； 从而开辟了电致发光的新领域。近十年，铱配合物电致磷光材料和器件的研究已成 为有机电致发光领域研究的热点之一。最近，u l r i c hs s c h u b e r t 在( ( a d v a n c e m a t e r i a l 上专门撰文综述了铱磷光配合物的研究进展，并着重介绍了其在o l e d 2 上海师范人学硕ij 学位论文 第帝综述 领域的应用】。 1 2 铱磷光配合物应用于磷光传感器和细胞标记的研究进展 1 2 1 磷光传感器 磷光传感器是一种以磷光作为输入( 出) 信号的化学传感器，参照传统荧光传 感器的概念，磷光传感器也可以分为如下的三个部分：( 1 ) 外来分子的接受体部分， 它负责识别和结合客体分子；( 2 ) 敏感器，在接受外来物种后将信息传输外出的报 告器，它负责信号的产生；( 3 ) 连接体部分也称隔离基团，它负责连接报告器和接 受体，实际上它还起到当外来物种进入接受体时引起发色体的发光特征发生变化的 枢纽作用。化学传感器的设计通常基于以下原理：键合一信号输出法、置换法和化 学计量计法等【1 2 】。 键合一信号输出法：目前，基于键合一信号输出法原理设计的化学传感器非常 普遍，如图1 2 所示。键合基团和底物之间键合后，导致受体分子光物理性质的变 化，具体表现为信号单元发生荧光淬灭或增强( 光化学传感器) ，或者颜色产生变 化( 比色化学传感器) 。 信号单元键合部位 信号：荧 信号单元 键合部位 图1 2 键合一信号输出法构建磷光化学传感器示意图 置换法：基于置换法的化学传感器也包括键合基团和信号基团，所不同的是两 者之间不是通过共价键结合，而是形成一种配合物。当底物被加入到含有这种受体 的溶液中时，底物与键合基团络合而将信号基团置换到溶液中，如果受体分子( 键合 基团一信号基团) 的光谱性质和单独的信号基团的光谱性质不同，键合过程就可以产 生荧光或者颜色的变化，可为仪器或者裸眼识别( 见图1 3 ) 。由此可以推论，对于这 类化学传感器，只有键合基团和信号基团之间的络合常数低于键合基团和底物之间 3 第章综述上海师范人学硕+ i ：学位论文 的络合常数，置换过程才可能发生。因此，在设计传感器时，可以通过选择一种信 号基团，其和键合基团的络合常数小于键合基团和目标底物之间的络合常数，而大 于键合基团和干扰离子的络合常数，以增大受体对目标底物的选择。 + o 一+ 移 化学计量计过程：化学计量计过程是在底物的存在下发生的一类特殊的化学反 应( 一般是不可逆的) ，从而引起颜色或荧光发射的差异。严格来说，因为这种化学 反应不可逆，就不能用化学传感器这一术语称谓受体，通常改称其为化学计量计。 图1 4 给出了涉及化学计量计过程的两个例子，一个是底物和化学剂量计发生反应 后，底物和化学剂量计通过共价键连接为产物；另一个是底物作为催化剂使化学剂 量计发生不可逆的化学反应生成新的化合物。在两个例子中，最终的产物在化学性 质上和原始的化学计量计完全不同，相应的光谱学性质也发生变化，从而能够实现 对目标底物的检测。这种不可逆体系可以利用选择反应的优势识别特定的底物分子， 因此通常具有较好的选择性。 圈+ o 州) i w l + 0 一 口旬 一+ 0 图1 - 4 化学计量法构建磷光化学传感器示意图 1 2 2 基于铱配合物的磷光传感器研究进展 铱配合物由于较强的自旋一轨道耦合作用，磷光的寿命明显缩短，原有的三重态 增加了某些单重态的特性，调高了系间窜跃( i s c ) 的能力，导致禁阻的三重态向 4 上海师范火学硕1 ：学位论文 第一市综述 基态跃迁变为局部允许，配合物存在具有三线态特征的金属一配体电荷转移( m l c t ) 激发态，使磷光得以顺利发射。铱配合物的配体可以通过化学修饰，作为与外来分 子特异性结合的接受体，此外，这类配合物的磷光具有优良的光稳定性，较大的 s t o k e s 位移和较长的发射寿命特征，可以作为一种优良的传感器输入( 出) 信号。 因此，将铱配合物应用于磷光传感器正成为一个新兴的研究领域。 l a nm a n n e r s 和m i t c h e l la w i n n i k 等将b u 4 n 1 r ( p p y ) 2 ( c n ) 2 】和i r ( p p y ) 3 掺杂 在聚合物膜中，发现氧可以使配合物磷光发射猝灭，并降低其磷光寿命，可以作为 氧磷光传感器【1 3 】；m a r ke t h o m p s o n 等发现铱配合物b s n g 和b t p y ( 图1 5 ) 的量子产率和三重态寿命均随氧浓度升高而降低可以应用于单线态氧传感器【1 4 1 。 【i r ( p p y ) 2 ( c n ) 2 f a c - l r ( p p y ) 3 b s n - gb t - p y 图1 5 氧传感器结构式 y u nc h i 和p i t a ic h o u 等设计合成了一例配体含氮杂冠醚的铱配合物15 1 ，以 冠醚为金属离了接收器，加入碱土金属离子( m 9 2 + ，c a 2 + 和b a 2 + ) 后配合物磷光强 度明显增强且发生蓝移( 图1 。6 ) ，并均具有较高的结合常数，将铱配合物涂在硅 胶板上制成固体薄膜与钙离子作用后，磷光由橙黄色变为绿色，说明该配合物可以 用于碱土金属离子的识别。 第母综述 上# t 卅l 范 学碰| 1 竹论支 4 5 0 s g o 5 5 06 6 5 07 0 0 瑚 w a v 目e n g m ( m q 罔i 6 铽氯杂冠瞪配台物结掏式j f i ：c a ”滴定光 囝 f u y o ul i 教授课题组开创性地将铱磷光配合物用于牛殚毒性物种的榆测， f u y o ul i 和q i a n g z h a o 等报道了两例求离了传甚器( 图卜7 ) 其中i r ( b t p ) ，( a c a c ) 可以通过紫外u r 见光谱，磷光光谱和电化学方法来实现对h 9 2 + 的多情号检测。足 种光电多信号输出的化学传感器，这也是第一次将铱磷光d 眙物应用于检测过 渡金属离子年重金属离了：枉i 呻岣) 2 ( a c a c ) 中加入h 9 2 + 后磷光猝灭溶液颜色 i 蝈显改变，并可以通过肉跟 别，是类o n - o f f 型磷光传感器m l 。 酗罡誓 图l - 7i 吣h a c a c ) 结构式和枷h f 后溶液颜色和礴兜的变化 f u y o ul i 和h u i l ic h e n 等开发了一例用于高选择性检测高半胱氪酸的铱配合 物传感器i ，铱配合物c n 毗体i ：的醛堆与高半胱氟酸上的巯摹可以发生成王1 ：反应 并伴箍着配合物韵磷光由无到有的过程( 圈l 一8 ) ，可以实现在缓冲溶液中特异性 的榆测高半胱氯酸，且不受同样含有蒴旗的半胱氨酸的干扰。 言o；一；=!e e 海师范人学颁l ：学f t 论史第巾综述 p 世 k ，c o o h 1 - h c y 图l 商半肮氟酸传巷嚣结构式以艟佧用前后 f 液颜色和碡兜变化 利用有机硼化合物与氟离予特异性作用的原理，f u y o ul i 和q i a n gz h a o 等设 计合成了一例阳离了型铱配台物m 】，发现加入氟离了后能导致配合物溶液颜色由橘 红乜变为黄也，磷光发射完伞粹灭( 罔i 一9 ) ，瞰台物与氟离于的结台能力较强并 具有很高的选择性。 p f 6广一 i 图1 - 9 打l i l 周饿配台物结构式驶弓氟离子作朋后的 f f 液颜色和磷光变化 y o u n g m i ny o u 和s o oy o u n gp a r k 等合成一种含米基硼眦体的铱毗台物( 图 i - 1 0 ) ，该配台物在室温下有双色碡光 r 为，可以同时实现对氟离了的比度和比色 检测，通过时间门技术可以有效提高信噪比。将肥台物掺杂到p m m a ( 浆甲摹丙烯 酸甲酯) 中，构筑成实用性磷光传缚器件，可以实现水溶液中的氟离了检测瑚i 。 俄昭。 第卓综述上海师范人学坝i 学竹论文 帮圈 图1 - 1 0 铱 c 合物结构式及与氟离子作川后的济液颜乜和磷光变化 jag a r e t hw i l l i a m s 等合成了一例二联吡啶衍牛物铱配合物【2 i i ，氯离子可以 通过取代配体中的n 甲基吡啶，猝灭配合物的磷光发射，实现氯离了的痕量检测。 z u - q i a n gb i a n 等报道了钻配合物 ( p p y ) 2 l r ( d m p p ) p f s 用作氰根离了磷光计量计的 工作【 】，由于配体中的乙烯基可以与氰根反应，加入智【根后，配台物溶液颜色由粉 色变为无也，并在5 2 0n m 处出现绿色磷光发射，同时电化学中产年新的氧化还原峰， 是一类多信号输出的氰根离了训量计( 图l 一1 1 ) 。 、n ， 2 2 + 0 ” 图i i 】 ( p p y ) 2 i r ( d m p p ) p f 6 识别氰根的机理i 意图 1 2 3 铱配合物用于细胞磷光标记的研究进展 作为一类性质优异的磷光重金属配合物，铱配合物具有较长的吸收波长，可以 实现可见光激发从而减少对牛物体的伤害：并且可以通过改变王f = 金属配体的结构 口髫跨口黟黎 v 肉耳卢 上海师范大学硕l ：学位论文 第章综述 实现发射波长从蓝光到红光的调节：同时具有很高的发光量予效牢和较长的发射寿 命2 3 驯。因此利用时间分辨技术i ”i ，铱配合物可以在生物成像中避免细胞自发荧 光的千扰，有望成为一类新型的牛物光学探针。目前，用铱配合物进行活细胞染色 标记的研究刚月愧步。 f u y o ul i 课题组报道了一系列阳离子型铱配合物应用于活细胞磷光标记的工 作瞄】，这类铱配合物在缓冲溶液中发光效率较高，光稳定性相较于有机染料有所提 高，细胞毒性较低，可以专一性的染也细胞浆区域，是一类性能优良的小分干磷光 探针( 图i 1 2 ) 。 豳_ 量。 圈_ 一一 围绕着重金属磷光配合物应用于活细胞标记这一课题，k e n n e t hk a m - w i n gl o 课题组开展了大量的研究工作，他们首先开发出一类偶联有牛物素和雌二醇等生物 活性分予的铼、钉配合物，用于细胞磷光标记闻；最近，他们叉报道了一例含吡啶 吲哚类配体的铱配合物口q ，发现这类磷光材料可以通过细胞内吞作用进入细胞核周 围，表现出一定的亚细胞分布( 图l - 1 3 ) 。 第章综述 上海师范人学颂l ：学位论文 蕊鬻瀚 圈i - 】3 铱配台物用丁h e l a 纠胞标记 1 3 磁一光双模式分子影像的研究进展 分子影像学( m o l e c u l a ri m a g i n g ) 楚运用影像学下段显求组织水平、细胞和 亚细胞水平的特定分子，反映活体状态下分予水平变化，对其生物学行为在影像 方面进行定性和定量研究的科学，是将分了牛物学技术羊u 现代医学影像学相结合 而产牛的一门新兴的边缘学科口”。分了医学影像技术是显示肉眼或其他技术无法 或难以认识的人体生命信息的医学影像方法，它包括在细胞和分予层次非侵入性 研究体内生物过程这就要求设计合成化学成像试剂，使得体内的分了活动过程可 视化和计量化，影像学家正积极丰动地将研究的问题向分了水平深入。 目前常见的分予影像技术有x 射线断层扫描成像( c t ) 、超声成像( u s ) 、 光学成像( o i ) 磁共振成像( m r i ) 、正电了发射断层成像( p e t ) 和单光予发射 型计算机断层成像( s p e c t ) 等，怛i 是现在己发展的单模式分了影像技术部不是 完美的，都有其缺陷无 杰给临床诊断提供足够的信息如光学成像穿透性较差， 只能深入到组织内的几毫米的氛围内，且难以量化分析；磁共振成像的灵敏性较低， 正电子发射断层扫插虽有很高的灵敏度，但分辨率太低。因此把几种模式的影像技 术结台在一起，发挥苴各自优势，开发适用于化学检测和医学诊断的多模式分子影 像吸引了广大科研工作者的关注。多模式分了影像技术在医学临床上有巨大的优势 和应用前景，如在外科于术巾，可以通过光学成像定位病灶，然后利用磁共振成像 上海师范人学硕： ：学位论文第市综述 技术判断病部位的处理状况，用p e t 或s p e c t 成像来识别和跟踪肿瘤细胞和其生 理活动【3 0 】。 磁共振光学双模式成像由于兼具了磁共振成像分辨率高和光学成像灵敏度高 的优点，目前在发达国家已经应用于牛物医学研究和临床实践中。这类成像探针一 般由顺磁物质或超顺磁性纳米粒予作为磁共振成像单元，和小分子荧光分予，量子 点和近红外染料等通过化学或非化学的方法组装而成。现阶段对于磁光双模式探针 的研究( 构筑类型) 主要集中在钆螫合物有机荧光分子，钆螯合物荧光纳米粒子， 钆螯合物树枝状高分子，钆螫合物量予点和氧化铁纳米粒子有机荧光分子等类型。 1 3 1 磁共振成像 磁共振成像( m a g n e t i cr e s o n a n c ei m a g e i n g ，m r i ) 是19 7 3 年由l a u t e r b u r 发明 的，目前已成为医学临床诊断上的有力工具，由于照射能量低，对人体扫描无任何 副作用，而且在影像的采集过程中可以自由选择，具有提供空间三维分辨影像的优 势。它对于人体的任何部位几乎都可以扫描，甚至可以做到只针对某组织区域显像， 这个优势对于癌细胞的早期发现和诊疗是有益的【3 n 。目前，磁共振成像正逐渐取代 电脑断层扫描在临床诊断上的地位。 氢核的自旋是磁共振成像的基础。磁共振成像的基本原理是先利用外加磁场使 原子磁矩具有相同的极化方向，接着引入磁场脉冲观察磁矩对外加磁场的反应。人 体内含有大量的蛋白质、脂肪和水等，因此体内的氢原予数目是巨大的，而每个氢 原予都只有一个质子，质予带有电荷且不停的旋转，这样就产牛了感应电流，所以 氢原子拥有了一个磁动量，图1 1 4 为氢原予核的自旋示意图。在无外加磁场的状 况下，氢核本身会有一个磁偶极矩或是磁动量，会与中心轴线偏离一个角度。当有 外加磁场时，氢核会吸收能量而磁矩的方向会开始变成与磁场方向相同；当撤去磁 场后氢核释放能量，磁矩又会慢慢恢复至原来位置，这个变化的过程可以透过信号 收集器并转换成影像呈现，这就是磁共振成像的基本原理。由于氢原子对于核磁共 振现象具有高度的灵敏性，因此水分子的信号就是磁共振成像所丰要考察的对象。 第竹综述上街师范人学颤i 学忙沧盘 旋转方向 碰鹳撒砸 u 旋转粒f 的磁动盈 h o 外加融场 图l - 1 4 氧雁子核的自旋示意图 磁共振成像吲为信号不同而有强塥之分，其中与弛豫速率的关系最为密切。在 热平衡的状况下，氢原予核服从波兹曼分布，其净磁矩的方向与外加磁场相同，经 过另一外磁场的干扰，磁矩的方向会偏离一定角度，再将干扰磁场撤去后净磁矩 会慢慢释放多余的能量，井恢复至热平衡状态，这个过程就称为“弛豫”。弛豫过 程分为自旋晶格弛豫( s p i n l a t t i c er e l a x a t i o n t i ) 和自旋- 自旋弛豫( s p i n s p i n r e l a x a t i o n ，t 2 ) ，前者是受到馓发的原了核将多余的能量放出，将其转成晶格的动 娩并恢复到原状态：后者是受激发的原了棱与其他原予核之间的能量发生相互传递， 使得能量在短时i e l i 内分敞而恢复到热平衡状态。t l ，t 2 ( 弛豫时间) 的倒数称为弛豫 述率，以r l ，r 2 表不考虑到浓度对弛豫时间的影响，将弛豫速牢的单位定为s “m 一。 由于t l ，t 2 均属于时间参数，在意义只是一个时蝴数字，用其来辨别信号差异较为 不便，因此将t l ，t 2 转换为影像参数，这就是t l 和t 2 加权成像呈现的结果是颜 也深浅不同、对比明显的影像。 为了提高组织分辨翠增强不同组织问的对比度，以进一步区分肿瘤组织和正 常组织和显示较小的局部病变，使得部分疑难病得以确诊，现在临床上一般采用加 入造影剂( c o n t r a s ta g e n t ) 束选到效果。造影剂中通过所含的来成对电予与质予形 成质子偶极予，电子偶板子之问的偶极一偶板相互作用，可以引起质予弛豫大大增强， 其结果使邻近承质了的的t i t 2 缩短间接影响组织的信号强度，从而提高组织的 对比度和分辨率起到诊断作用。磁共振造影荆按照对比效果可以分为阳性和f | i j 性 上海师范人学硕。i j 学位论文 第。章综述 两类，目前研究较多的造影剂丰要集中在顺磁性金属配合物( 如g d 3 + ，m n 2 + 和f e 3 + ) 和超顺磁性纳米粒了( 如氧化铁，铁酸盐和铁系合金等) ，其中多胺多酸类钆配合 物已应用于临床诊断( 见图1 1 5 ) 。 h o h 2 c 厂n 、c h 2 c o o h nnn h o o c h z c 7 6 h 2 c o o h 、h 2 c 0 0 h亡h 2 o n 2 。w n d p i a h o o c h 2 c 、n c h 2 c o o h h 似比h ：e 0 己c h ：c 。h h o o c h 2 c 厂厂c h 2 c o o h nnn c ih 2 c o o hc h 2 c o n h c h 3 o n 2 0 u n h o n d p r a b m a h o o c h 2 c 厂c h 2 c o o h n u n c h 脚h h o o c h 2 c 、厂弋c h 2 c o o h 0 0 己州删剁 图1 1 5 几种常见钆配合物造影剂所用的多胺多酸类配体 1 3 2 光学分子成像 光学分子成像( o p t i c a li m a g i n g ) 是在基因组学、蛋白质组学和现代光学成像 的基础上发展起来的新兴研究领域。其突出特点是非侵入性地对活体内参与生理和 病理过程的分子事件进行可视化观察，是目前国际上公认的开展活体内分子事件研 究的主流手段之一，在生命科学研究领域具有重大应用前景。早期传统的光学成像 主要依托于可见光成像，如内镜成像技术。新型的光学成像技术则依托于非可见光 成像，通过向体内引入荧光物质和摹团可以检测到组织表面下一定范围内的区域， 使得显像深度更进一步 2 9 , 3 2 。 光在哺乳动物组织内传播时会被散射和吸收，光子遇到细胞膜和细胞质时会发 生折射现象，而且不同类型的细胞和组织吸收光予的行为并不一样。在偏红光区域， 大量的光可以穿过组织和皮肤而被检测到。光学分子成像就是基于对穿过生物组织 的光子学信息( 强度、光谱、寿命和偏振等) 探测的基础上，通过合适的荧光探针， 用特定波长的光源激发荧光染料，使其发出荧光，或通过引入某些报告基团，其表 达可以自发产生荧光，而出射光中携带着与吸收和散射相关的组织生化信息，通过 光学成像设备可以检测发出的荧光，并可充分挖掘和利用这些光学信息，定性和定 第竹综述i 海n l l 范人学娥i 学似沧文 盈的研究荧光分r 的分标。从m “接i d 录和娃小分1 市件及h 动力学过程达就是 光学分了成像的基奉原理。 目前活体光学成像 3 3 1 卡耍采用牛物发光fb i o l u m i n e s c e n c e ) 与荧光 fg l u o r c s c e f l c z ) 两种技术。q ：物发光般是指用装光索酶雎闻标i a 细胞或d n a ：h 前应用较多的是萤火虫凝光索酶萆团( f i r e f l yl u c i f e r a s e ) ；荧光技术则指用荧光报 告摹团( 如g f p 、d y e s 、c y t 等) 来进行标记。由十普通荧光的穿透力较弱且光 波在生物组织内的传输过程同时受到吸收和散射的影响i m 产牛衰减i 目此扦发近红 外区域的荧光标记材料正受到广泛关注。 1 3 3 磁一光双模式分子髟像探针的研究进展 目前使用较多的磁菸振造影剂是动力学和热力学稳定的小分f 钆配台物，多胺 多酸配体将钆离7 整合可以降低其毒性，使其能安令地运用到休内i “】。通过在大 环上进行化学修饰可以键联上光学活性基团，而不影响大环配体与钆离f 的整台能 力，可以构筑成一类双模式探针。 r u s s e l lej a c o b s 和t h o m a sjm e a d e 等首先报道了一例磁一光双模式探针 r l t c d 0 1 - g d 其体外成像效果良好，但是由于其疏水性使之易被脂肪吸收，从 哳与之交换水质予数日减少使褂所获的磁批振信号不强，不能有效用于活体成像： 此外，他们还将d 0 1 - a - g d 连接到右旋糖酐和多聚赖氨酸等聚物上，可以明显i 强探针的组织穿透性m i 。n i k o sk l o g o t h e l i s 等将异硫氰酸酯荧光素( f i t c ) 通i = j ： 氨鼙连接到d 0 3 a 上得到了一种磁光般功能探针圳，井将其j j 于细胞成像( 陶 l 1 6 ) 。 “几厂_ f “g u 移 图i 1 6g d d 0 3 a f i t c 结构式艟j c 磁光成傲效粜 上海师范人学顾l 。学位论文 第市综述 a n g e l i q u eyl o u i e 等合成了种含嚼嗪螺吡喃的钆大环整合物m r i o i 双模 式造影剂，发现烟酰胺腺嘌岭二核苷酸( n a d h ) 可以将光致变色基尉喙嗪螺吡喃 由开环状态还原成闭环状态，并伴有荧光和弛豫率的显著变化，从而起到检测 n a d h 的作用。此外，作者还初步研究了该造影剂在细胞环境下的行为，结果表明 其具有较低的毒性和很好的牛物相容性，可以用于活细胞内的n a d h 的有效检测 1 3 7 3 1 1 有别十利用常见的有机小分子染料作为光学探针构筑单元，s t e p h e nf a u l k n e r 等将重金属磷光配台物( f a c - r “c o ) 3 ( b p y ) c i 】) 键联到d 0 3 a 上，得到的异核金属配 合物发光寿命长，量子产率年弛豫率高，是类新型的磁光取功能探针( 图1 1 7 ) ， 为磷光配合物应用于多模式分予成像领域提供了新的思路。 哦8 暧” g 岁。砖o h 吼 。c 厂、厂- 。 。酴 n * 迄，“ 和 图l 1 7 唔嗪蛾毗啪钆整台物的毹化还啄过程( 左) 和g d - d 0 3 a r t x c o ) 3 ( b p y ) 结构式( 右) 纳米粒予由于其夫的比表面积和易于化学修饰等优点，逐渐应用于构建多模式 分干探针1 4 0 l 。f a n q i n gf r a n kc h e n 通过s i 0 2 包覆连接有d o t a g d 的最了点，得到 一类具有优良的牛物相容性t f 【水溶性且弛豫率高的造影荆i 。w e n b i nl i n 等开发了 一种以【r u ( b p y ) 3 c 1 2 为荧光核，颐磁性化合物g d - s i d t p a 和g d s i d t t a 为外层 的核壳型纳米结构m l 。在此基础上，他 j 又发展了一种层层自组装的方法，以 【r u ( b p y ) 3 c 1 2 为荧光核，带负电荷的连有硅烷偶联剂的d t p a g d 为第一外层，通过 静电作用，分布组装上带正电荷的g d d o t a 和带负电荷的p s s ，可以得到一类含 有多层顺磁物质的复合结构”，有利于获得高的弛豫率( 图i 18 ) 。 第种综述 上海蚵l 范人学蟛! i 学付论文 纂当。昌零 穗0 蓼攀 宓h 8 ：癣淞， 圈i - l8 【r “b p y ) 3 c 1 2 4 3 d d t t a 的合成示意圈和细胞荧光国片驶磁共振加权成像 同时含有钆螯合物和荧光物质的磷脂体被用于跟踪体内肿瘤组织的病变过程 m 蚓。以聚酰胺胺型聚合物( p a m a m ) 为代表的树枝状太分子化合物具有高度支 化、高表面官能团密度和生物相容性好等优点，可以利用其内部空腔来螫台钆离子， 端基基团来偶联荧光摹团1 4 删i ，是一类优良的磁光双功能搛针构筑平台( 图1 - 1 9 ) 。 i i ( 图1 1 9p a m a m g 6 - c y 55 - g d ，玎于活体近红外成像( a ，b ) 和磁共振成像( c ) 图片p 8 】 除钆配合物用于磁共振探针外，甘前已开展研究的探针还有超顺磁性纳米粒予 【辩岗1 和顺磁性纳米粒了_ 1 5 7 - 5 9 1 ，利用它们与光学分予探针单元构筑双模式探针的工作 也有报道。 骠 舾 州岍 m h _口卜o 上海师范火学硕：l ：学位论文 第一。章综述 1 4 本论文工作的研究思路 综上所述，铱磷光配合物应用于化学传感器、活细胞染色标记和磁光双功能探 针正成为一个新兴的研究领域。本论文工作旨在拓展铱配合物在上述领域的应用。 首先合成一例阴离子型铱配合物，将其用于汞离予磷光计量计和活细胞标记；其次 设计合成一种含有铱磷光配合物和稀土大环多胺多酸配合物两个功能单元的异核 ( 1 r - g d ) 金属配合物，初步探索其在磁光双模式成像方面的应用。 参考文献 1 黄春辉，李富友，黄维有机电致发光材料与器件导论【m 】上海：复旦大学出 版社，2 0 0 5 2 甄宏宇，杨伟，朱卫国，曹镛利用三线态激子提高有机高分了发光器件的量 子效率【j 】化学进展，2 0 0 4 ，1 6 例：9 9 - 1 0 4 3 3 m a b a l d o ，m e t h o m p s o na n ds r f o r r e s t p h o s p h o r e s c e n tm a t e r i a l sf o r a p p l i c a t i o n t o o r g a n i cl i g h te m i t t i n gd e v i c e s 【j 】p u r ea p p l c h e m 1 9 9 9 ，7 1 ， 2 0 9 5 2 10 6 4 t h o m p s o n ，m e ，b u r r o w s ，p e ，f o r r e s t ，s r e l e c t r o p h o s p h o r e s c e n c ei no r g a n i c l i g h te m i t t i n gd i o d e s 【j 】c u r o p i n i o ns o l i ds t a t em a t e r s c i 1 9 9 9 ，4 ，3 6 9 3 7 2 5 x i w e nc h e n ，l i a oj i n l o n g ，y o n g m i nl i a n g ，a h m e dm o ，t s e n gh a o e n c h e ns h o w a n h i g h - e f f i c i e n c yr e d l i g h te m i s s i o nf r o mp o l y f l u o r e n e sg r a f t e d w i t hc