（有机化学专业论文）基于hgⅡ识别的荧光化学传感与荧光成像的研究.pdf

内蒙古人学硕l 学位论文 基于h g ( i i ) 识b u 的荧光化学传感与荧光成像的研究 摘要 荧光化学传感器是以荧光信号为输出信息，针对特异性识别目标分子的探 测器，在现代生物医学领域受到广泛关注。本论文主要围绕荧光化学传感器开 展研究，希望开发具有h 9 2 + 识别功能的新型磷光荧光化学传感器：第一部分将 含硫的分子引入铱( i i i ) 配合物，利用h 9 2 + 和硫间的强配位作用，构建了h 9 2 + 的 重金属磷光化学传感器：第二部分以罗丹明分子为母体，构建了h 9 2 + 的荧光化 学传感器，并探讨其在细胞荧光成像中的应用。另外，我们在最后一部分简要 介绍了油溶性、水溶性y 2 0 3 纳米材料的制备及表征。具体研究内容如下： i h 9 2 + 荧( 磷) 光化学传感与细胞成像的研究 ( 1 ) 铱( i i i ) 配合物用于h 9 2 + 识别和细胞成像 根据h 9 2 + 与硫原子间具有很强的相互作用，我们将2 一( 2 一吡啶基) 苯并噻唑 以及2 ( 2 苯基) 苯并噻唑分子引入铱( i i i ) 配合物，合成四种具有h 9 2 + 识别功能的 重金属磷光化学传感器。其中，我们重点对化合物1 的紫外可见吸收光谱、稳 态光谱进行了研究，并运用共焦激光扫描显微成像( l s f m ) 技术考察其作为荧 光探针用于细胞荧光染色的能力。生物成像实验证明，化合物1 可以穿透细胞 膜，对h e l a 细胞胞浆着色。 ( 2 ) 基于罗丹明的h 9 2 + 荧光传感器及其细胞成像研究 罗丹明具有摩尔吸光系数大、可见波长激发和量子产率高的特点，是一类 性能优良的荧光化学传感器。我们对以双罗丹明为母体具有多结合位点的h 9 2 + 荧光化学传感器f d l 0 进行了研究。在h 9 2 + 存在下，溶液在5 8 5 n m 处的荧光增 强，伴随的是溶液颜色由无色转变为粉红色，说明h 9 2 + 的存在可以导致罗丹明 开环。共焦激光扫描显微成像( l s f m ) 实验表明，f d l 0 可以穿透细胞膜，检测 细胞内的h 9 2 + 。 2 利用热解法和多元醇法制备y 2 0 3 纳米材料 三氧化二钇具有宽的禁带、高的折射因子、大的导热系数和较低的光子能 等特点，因此，三氧化二钇非常适合作为稀土荧光离子的基质应用于光学领域。 我们应用热解法和多元醇法两种方法，分别获得了具有油溶性、水溶性的三氧 化二钇。x 射线粉末衍射( x r d ) 以及高分辨透射电镜( t e m ) 实验表明，利用 这两种途径获得的三氧化二钇晶化程度较差，且粒径较大。 关键词荧光化学传感器，荧光成像，y 2 0 3 纳米材料 内蒙古人学顾士学位论文 f l u o r e s c e n tc h e m o s e n s o r sf o rm e r c u r i c l o na n dt h e i ra p p l i c a t l o ni nb i o i m a g i n g a b s t r a c t f l u o r e s c e n tc h e m o s e n s o r sh a v et h ea b i l i t yt o s e l e c t i v e l yr e c o g n i z eo b j e c t i v e m o l e c u l e s ，a n dt h e ym a k eo p t i c a li n f o r m a t i o na st h e i ro u t p u ts i g n a l i nt h i st h e s i s ，w e d e v e l o pn e wf l u o r e s c e n ta n dp h o s p h o r e s c e n tc h e m o s e n s o r st or e c o g n i z eh 9 2 + ， i n c l u d i n g ：( 1 ) s o m ei r i d i u m ( i i i ) c o m p l e x e sc o n t a i n i n gs u l f u re l e m e n tw e r ed e s i g n e d a n ds y n t h e s i z e da s p h o s p h o r e s c e n t c h e m o s e n s o r sf o rh 9 2 + ( 2 ) ar h o d a m i n e d e r i v a t i v ef d10w a sd e s i g n e da sf l u o r e s c e n tc h e m o s e n s o rt or e c o g n i z eh 9 2 + ，a n dt o f u r t h e rm o n i t o ri n t r a c e l l u l a rh 9 2 + i na d d i t i o n a l ，w ea l s os y n t h e s i z e do i l s o l u b l ea n d w a t e r - s o l u b l ey 2 0 3n a n o c r y s t a l 1 f l u o r e s c e n t ( p h o s p h o r e s c e n t ) c h e m o s e n s o r sf o rh 9 2 + a n dt h ea p p l i c a t i o ni n b i o i m a g i n g ( 1 ) i r i d i u m ( 1 1 1 ) c o m p l e x e sa sh 9 2 + - s e l e c t i v ec h e m o s e n s o r sa n dt h ea p p l i c a t i o ni n b i o i m a g i n g o nb a s i so ft h e s t r o n g i n t e r a c t i o nb e t w e e n h 9 2 + a n d s u l f u r , 2 - ( p y r i d i n 一2 一y 1 ) b e n z o d t h i a z 0 1 e a n d 2 - p h e n y l b e n z o d t h i a z o l ec o n t a i n g s u l f u r e l e m e n tw e r ei n t r o d u c e da st h e l i g a n d sa n df o u ri r i d i u m ( i i i ) c o m p l e x e sw e r e 内蒙古人学硕l j 学位论文 s y n t h e s i z e da sp h o s p h o r e s c e n tc h e m o s e n s o r sf o rh 9 2 + i np a r t i c u l a r , i r i d i u m ( i i i ) c o m p l e x1w a si n v e s t i g a t e db yu v - v i sa b s o r p t i o na n df l u o r e s c e n c ee m i s s i o ns p e c t r a f u r t h e r m o r e ，c o n f o c a ll a s e rs c a n n i n gm i c r o s c o p ye x p e r i m e n t ss h o w e dt h a tt h e c o m p o u n d1c o u l ds t a i nc y t o p l a s mo fl i v i n gc e l l s ( 2 ) f l u o r e s c e n c et u r n o nc h e m o s e n s o rf o rh 9 2 + b a s e do nar h o d a m i n ed e r i v a t i v e a n dt h ea p p l i c a t i o ni nb i o i m a g i n g b e c a u s eo fl a r g em o l a re x t i n c t i o nc o e f f i c i e n t ，v i s i b l ew a v e l e n g t he x c i t a t i o na n d h i g hf l u o r e s c e n c eq u a n t u my i e l d ，r h o d a m i n eb - b a s e dd y e sa r ee x c e l l e n tc a n d i d a t e s f o rt h ef l u o r e s c e n tp r o b e h e r e i n ，ar h o d a m i n ed e r i v a t i v eo ff d10w a ss y n t h e s i z e dt o r e c o g n i z eh 9 2 + w h e nh 9 2 + e x i s t e di nt h es y s t e m , t h ef l u o r e s c e n c eo ft h es o l u t i o n i n c r e a s e da tt h eb a n do f58 5 n m ，a n dt h ec o l o r l e s ss o l u t i o nt u r n e dt ol i g h tr e d b y m e a r l so fc o n f o c a ll a s e rs c a n n i n gm i c r o s c o p ye x p e r i m e n t s ，f d10c o u l dp e n e t r a t et h e m e m b r a n eo fh e l ac e l l sa n dm o n i t o rm e r c u r i ci o n si nl i v i n gc e l l s 2 s y n t h e s i so fy 2 0 3n a n o p a r t i c a l su s i n gt h e r m o l y s i sa n dp o l y o lm e t h o d y t t r i u mo x i d e ( y 2 0 3 ) h a sab r o a dt r a n s p a r e n c yr a n g e ，ah i g hr e f r a c t i v ei n d e x ， b e t t e rt h e r m a lc o n d u c t i v i t y ，a n dl o wp h o t o ne n e r g y t h e r e f o r e ，i ti sa na t t r a c t i v e c h o i c ea st h eh o s tm a t e r i a l a p p l i e d t of l u o r e s c e n tr e s e a r c h i nt h i s p a r t ，w e s y n t h e s i z e dt h eo i l s o l u b l ea n dw a t e r - s o l u b l ey 2 0 3 b yt h e r m o l y s i sm e t h o da n dp o l y o l m e t h o d ，r e s p e c t i v e l y p o w d e rx r a yd if f r a c t i o n ( x r d ) p a t t e r n sa n dt r a n s m i s s i o n e l e c t r o nm i c r o s c o p y ( t e m ) a n a l y s i si n d i c a t e dt h a tt h e s e s a m p l e s h a dw e a k c r y s t a l l i n i t ya n dl a r g ed i a m e t e r k e y w o r d sf l u o r e s c e n tc h e m o s e n s o r s ，b i o i m a g i n g ，y t t r i u mo x i d en a n o p a r t i c a l s i v 原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是本人在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 除本文已经注明引用的内容外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得豳蓥直太堂及其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对 本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 蔓i 盎 指导教师签名： 日 期：垄竺2 ：堕：2 f e t 期： 在学期间研究成果使用承诺书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：内蒙古大学有权将 学位论文的全部内容或部分保留并向国家有关机构、部门送交学位论文的复印件和磁盘，允 许编入有关数据库进行检索，也可以采用影印、缩印或其他复制手段保存、汇编学位论文。 为保护学院和导师的知识产权，作者在学期间取得的研究成果属于内蒙古大学。作者今后使 用涉及在学期间主要研究内容或研究成果，须征得内蒙古大学就读期间导师的同意：若用于 发表论文，版权单位必须署名为内蒙古大学方可投稿或公开发表。 学位论文作者签名：童l 纛指导教师签名： 日 期：丑窆幺：呈f 日期： 内蒙古人学顾f ：学位论文 第一章h 9 2 + 荧光化学传感与荧光成像的研究进展 ( 一) h 9 2 + 荧光化学传感器概述 1 荧光的基本概述【l 】 一定条件下，电子可以吸收能量( 光能、热能、电能、机械能等) 由基态跃迁到较高能 级，成为激发电子。当激发状态的电子回迁到基态时，便释放出多余的能量。跃迁可分为辐 射跃迁和非辐射跃迁。当电子以非辐射方式跃迁时，能量转化为热，而以辐射方式跃迁时， 则能量转化为对应一定波长的光，这种能量释放过程叫做发射。 跃迁到激发态的电子，大多处于单重激发态。如果电子从单重激发态以辐射方式回迁到 基态，这种发射称之为荧光。由于单重激发态很不稳定，半衰期很短，所以荧光发射持续的 时间很短。 2 荧光化学传感器的一般设计原理 光化学传感器是以光学信号为输出信息，针对特异性识别目标分子的探测器。光化学传 感器可分为以紫外吸收为输出信号的比色化学传感器和以荧光为输出信号的荧光化学传感 器。比色化学传感器可以在不借助于任何仪器的情况下，直接通过颜色的变化达到检测的目 的，可实现裸眼检测；而荧光化学传感器则具有方便快捷、较高的灵敏度，以及可以利用光 纤技术实现远距离实时检测的优点，因此荧光化学传感器引起研究人员的关注。通常荧光化 学传感器由以下三个部分组成：( 1 ) 外来物种的接受器，它负责识别和结合客体分子；( 2 ) 发 色团，即信号基团，它负责产生光信号；( 3 ) 连接体，它负责连接发色团和接受体，此外它 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( 如图l 1 ) 。 鼋凋蠢堇二芊 图卜1 荧光化学传感器示意图 f i g u r e1 - 1t h es k e t c hm a po f f l u o r e s c e n c ec h e m o s e n s o r s 荧光化学传感器的设计主要基于以下原理：键合一信号输出法、置换法和化学计量计法。 2 1 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荧光化学传感器非常普遍( 如图1 2 所示) 。键 合基团与底物之问键合后，导致受体分子的光物理性质发生变化，具体表现为信号单元发生 内蒙古火学硕i ：学位论义 荧光淬灭或增强。 图1 2 键合一信号输出法 f i g u r e1 - 2t h eo u t p u tm e t h o do fb i n d i n g s i g n a l 2 2置换法 基于置换法的荧光化学传感器也由键合基团和信号基团组成，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的变化，可被仪器识别( 如图 1 3 所示) 。对于这类化学传感器，只有键合基团与信号基团之间的络合常数低于键合基团与 底物之间的络合常数，置换过程才可能发生。 羹台拍示剂的量体 o 一+ 嵌 图1 3 置换法 f i g u r e1 - 3t h er e p l a c e m e n tr e a c t i o n 2 3 化学剂量计过程 化学剂量计过程是底物存在下发生的一类特殊的化学反应( 一般是不可逆的) ，该过程能 引起反应体系的荧光发射产生差异。图1 - 4 给出两类化学剂量计：一类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；另一类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，最终的产物在化学性质上和原始的化学剂量计 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，通常具有较好的选择性。 困+ o m 圈+ o l 口l _ + o 图1 4 化学剂量计过程 f i g u r e1 - 4t h ep r o c e s so fc h e m i c a ld o s i m e t e r 2 璺茎至查兰垦兰兰些堡三 3 h 矿荧光化学探针的研究进展 在众多过渡金属离子中，汞单质( i g ) 以及汞离子( h g 是一类对生物体非常有害的物 质。h g 及h 矿捧入环境后，可以被水生微生物转化为甲基汞。甲基汞通过食物链进入人体， 累积到一定程度后，使人产生严重的恶心、呕吐、腹痛以及肾功能损伤等症状危害性极大。 因此，h 矿的检测在环保方面有着极其重要的意义f ”。近年来开发高灵敏度、高选择性的h 9 2 + 识别化学传感器已经取得了很大进展，其中包括有机荧光分子、共轭高聚物、核酸、d n a 酶、 蛋白质和纳米颗粒等p 】。化学传尊器按检测信号可分为光化学传感嚣、电化学传感器和温度 敏感化学传感器。作为光化学传感器的一类，荧光化学传礴器因其灵敏度高、易于传递和控 制，可通过光纤实现远距离探测的特点而各受关注。 2 0 0 6 年h o n 9 2 ：h 朋g w a 1 4 1 合成了罗丹明b 硫代酰肼，并对该化物与h 9 2 + 的响应机理进行 了深入地研究。实验表明，罗丹明b 硫代酰肼可以灵敏地识别h 9 2 + ，且以2 ：1 的化学计量数与 h 矿络合( 如图t - 5 所示) 。 弋i ”掣等 魂一 囤i 一5 罗丹明b 硫代酰肼对h 矿的响应 f i g u r e l - 5 8 唧恤辩0 f i h c 曲城”b 也i 幽岫枷e 斯啪呷u 咖o f h 矿 2 0 0 7 年，t i a uh 课题组【5 帐道了具有识别h 矿+ 和c a ”双重功能的化合物d c c p 。有趣 的是，该化合物的四个氮原子与h 矿以四面体形式配位与c u ”则以平面正方形的形式配位。 另外，e d t a 的加入又可使d c t p 发生回复( 如图1 - 6 所示) ，即该化合物具是一种可回复的 h 9 2 + 识别传感器。 器移- 氐 图l 弗i ) c p p 对h f + c a 2 + 的识别 f i g u r e1 - 6 p r o p o s e ds e 咕i n g p r o c e 女o f d c p p b y c o o r d m a t i o n w i t h c u ”a n d h g ” 2 0 0 8 年，l iy u l i a n g 等：k 合成了用于检测h 矿+ 的可见近红外化学传感器m c y - l 。紫外 内蒙自大学颤士学位论z 可见吸收实验表明，随着体系中h 9 2 + 的量不断增加，溶液的吸收发生红移，当h 9 2 + 达到t 2 当 量时红移长达1 2 2 1 l m ( 如图1 7 所示) 。 图1 7 m c y - l i , = , * a h 9 2 + 紫外吸收光谱可发生i i 茹1 2 2 岫的红移 f i g a r ei - 7 a l a r g er c d l - s h i f e ( 1 2 2 r i m ) o f t h e a b s o r p d m a r a m m o f m c y - 1w a s o b s e r v e d , w h e n t h ec o m p o u n d “m m w i t h h ，+ ( 二) h 9 2 + 磷光化学传感器概述 1磷光的产生原理 我们通常观测到的三线态磷光产生于第一激发三重态( t - ) 向基态( s 毋跃迁的过程其 中第一激麓三重态( t i ) 通常不容易从基态( s 0 ) 直接吸收光子形成，而是主要从单线态( s 1 ) 经系问窜越形成。不论是s l + t i 的系问窜越，或是t i _ + s o 的辐射跃迁都是自旋禁阻的。因此 太多数有机分子的三线态激子的激发效率非常低，但一些重金属配合物却可产生较强的三线 态发射( 量子效率可超过o5 y 1 。这是由于金属和配体之间存在强烈的相互作用，使过渡金属 配合物存在具有三线态特征的金属配件电荷转移( m l c m 激发态，即金属配合物中的重金 属原子的自旋偶合，使单线态和三线态混杂，三线态澈子的对称性被破坏，衰减变快，从而 发出效率较高的电磷光。单线态也带有某些三线态的性质，使衰减时间变长，同时提高了从 单线态到三线态系问窜跃( i s c ) 的效率，从而发出高效磷光。 2盒- 配体电荷转移o 激发奄的菲理 金属配体电荷转移( m l c t ) 表示电子从金属离子向配体转移所伴随的跃迁，该过程一 般发生在有低能量空轨道配体( 特别是芳香配体) 存在的重金属配合物中( 如以铱、铼、钉、 铂等原子为配位中心的重金属配合物) 。目前，基于金属配体电荷转移( m l c t ) 的发射已经 成为金属配合物发光的重要类型。通常，基于m l c t 发光的金属配台物发射的是磷光，但它 比普通的磷光寿命要短得多，一般在4 0 0n s 左右，有时也可以到达几个微秒量级。这种现象 是由于重金属原于的强自旋- 轨道耦合作用大大增强了原本禁阻的磷光跃迁过程。 3 铱( m ) l e 台物发光材料的研究进展 在磷光化学传感器中，作为报告器在信息输出上采用的发光形式可包括磷光强度的增强 或减弱蚍及磷光峰值波长的位移。相对于纯有机染料，磷光重金属配合物具有较大的s t o k e s 位移和较长的发光寿命，长的发射寿命有利于使用时间分辨技术有效地区分磷光信号与背景 ，芦喀 譬 敏 承蛩田。时 3 2 中性、离子型铱( i i i ) 配合物的合成 3 2 1 中性铱( i i i ) 配合物 i r ( c n ) 3 配合物的合成主要有以下三种方法： 法一： 法二： 法三： i r ( a c a c ) 3 +3 c n h g l y c e r o l h e a t i n g 。n 2 i r ( c n ) 3 + 3 a c a c h g l y c e r o l ( c n ) 2 1 r ( c p o ) + h c n 呻i r ( c n ) 3 + o o h h e a t i n g ，n 2 i r c l 3 n h 2 0 + c a n ( c n ) 2 1 r ( p c 0 2 1 r ( c n ) 2 + 2 h c n ( c n ) 2 1 r ( p - c i ) 2 1 r ( c n ) 2 g l y c e r o l ，k 2 c 0 3 一 h e a t i n g ，n 2 i r ( c n ) 3 + 2 k c i + h 2 0 + c 0 2 与法一相比，法二、法三更具有优势。首先，法一中的起始原料i r ( a e a c ) 3 价格较高，而 后两种合成方法的原料( c n ) 2 i r ( o o ) 以及二氯桥( c n ) 2 i r ( p c 1 ) 2 m c n ) 2 容易由价格低廉 内蒙古人学顾l 学位论文 的i r c l 3 - n i l 2 0 与相应的配体反应得到；另外，法二和法三的反应产率高于法一。但是，反应 过程中法二、法三需要的金属化配体( c n 配体) 量较大。 ( c n ) 2 i r ( l x ) 结构的铱( 1 i d 配合物常以i r c l 3 - n h 2 0 为起始原料，分两步进行。首先，通 过i r c l 3 - 棚2 0 和相应的c n 配体配位得到中间体铱二氯桥化合物。然后，在n a 2 c 0 3 的作用 下，铱二氯桥化合物与辅助配体配位，获得目标产物。反应过程中，2 乙氧基乙醇作为反应 溶剂。( c a n ) 2 i r ( l x ) 合成路线如下： i r c l 3 n h 2 0+c n _ ( c n ) 2 i r ( c 1 ) 2 i r c n ) 2 j ( c n h l r ( l x ) 目前，研究较多的是辅助配体l x ( 多为p 二酮类化合物) 8 - 1 1j ，多数此类化合物在溶液中 具有较高的量子产率和较长的荧光寿命。通过修饰c a n 的结构，可使( c n ) 2 i r ( l x ) 在可见 光范围内实现光谱的调节【1 m 1 2 】。 3 2 2 离子型铱( 1 1 1 ) 配合物 若铱( i i i ) i 配合物中有一个配体是中性分子( 常为n n 配体) ，则配合物本身会带电荷，我 们称这类化合物为阳离子型铱( i i d 配合物。此类化合物以铱二氯桥为中间体，与相应的辅助 配体( n n 配体) 在c h 2 c 1 2 和c h 3 0 h 的混合体系中反应制得。反应结束后，产物冷却至室 温，加入过量的六氟磷酸钾，室温搅拌，得到阴离子为六氟磷酸根的铱( i i i ) 配合物。反应路 线如下： 吲3 n h 2 0 + c n 卜( c 制啦c i ) 2 i r ( c n 当堕i 【( c n ) 2 1 r ( n p f 6 ) 与中性铱( i i i ) 配合物的合成比较，该类反应条件较为温和，更加容易提纯。n a n 配体的 引入，使铱( i i i ) 配合物的发射可能同时具有m l c t 态和l c 态的性质。人们将含混合配体的 重金属配合物体系归结为m l c t 和l c 激发态的混合态【1 3 1 4 1 ，这类化合物也是铱( i i i ) i 配合物 的研究重点。 3 3 铱( i i i ) m 己合物的构效关系对其发光的影响 铱( i i i ) 配合物发射波长与配体结构有着密切关系。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。比较图1 - 9 中配合物( b o ) 2 1 r ( a c a c ) 、( b t ) 2 i r ( a c a c ) 和( b o n ) 2 i r ( a c a c ) 的发射波长可以发现，硫取代氧后，由于硫的可极化性大于氧，导致荧光光谱红移3 0a m ； 用萘基取代苯基，由于分子的共轭程度增加，相应的配合物光谱红移6 0n n l ；如果氧原子被 硫原子取代，同时苯基被萘基取代，配合物( a b s n ) 2 i r ( a c a c ) 发射波长会产生8 0n l i l 的红移【1 5 】。 c o p p o 等【1 6 】通过改变苯环上的取代基，得到了发射波长在近蓝光区域内可调的配合物。本质 上，这些取代基的影响都是对金属中心铱( i i i ) 上电子云密度的影响，即对配合物h o m o 轨道 6 内蒙古人学硕l j 学位论文 的影响，使金属配体电荷转移( m l c t ) 能级发生改变，从而改变配合物的发射波长。l a s k a r 等1 1 7 1 合成了一系列配体为2 ( 2 苯基) 苯并噻唑的配合物，通过对配合物结构及其光物理性质 关系的研究，进一步阐明了配体上的取代基对配合物发射波长的影响。多数( c n ) 2 i r ( l x ) 结 构的配合物的h o m o 轨道主要是金属中心的贡献，而l 切o 轨道主要是环金属化配体上与 铱配位的n 杂坏的贡献。通常，辅助配体不直接参与最低能量激发态。通过改变辅助配体的 结构促使金属中心的电子云密度发生改变，所以，改变辅助配体结构也可以改变激发态能量。 对于具有拉电子取代基的辅助配体，由于吸电子效应会使金属中心的电子云密度降低，稳定 金属轨道，从而降低h o m o 能级。但是位于n 杂环上的u 肌o 轨道在能量上没有受很大影 响，因此，对强的具有吸电子性的辅助配体，h o m o 一心o 能级差增加，会导致配合物的吸 收和发射光谱蓝移【1 8 】。 ( 2 i 乏 2 ( 1 0 0 ) 2 i r o x ) ( b t h l r ( l x ) 晒dbm 图1 - 9 ( c n ) 2 i r ( l x ) 的配位几何构型 f i g u r e1 - 9t h eg e o m e t r i c a ls t r u c t u r e so f ( c n ) 2 i r ( l x ) i r 2 4 h 9 2 + 磷光化学传感器的研究进展 由于重金属磷光配合物具有发射波长随配合物所处环境的变化而变化、较大的s t o k e s 位 移和较长的发光寿命等特点，因此，此类传感器成为化学传感领域的研究重点。到目前为止， 已有数十篇研究论文讨论了基于金属配体电荷转移( m l c t ) 原理的磷光化学传感器。其中 大部分是以冠醚为接收器对碱金属离子和碱土金属离子进行识别( 如图1 - 1 ( ) 所示) 。 7 辩一 一 匮。 哥一 茹| | 萎嘲 o o 瓜y ，h 一 暨乏 萏睁 内蒙古人学硕i ：学位论文 图1 1 0 基于m l c t 发光的金属配合物类的光化学传感器的分子结构 1 9 - 2 z 】 f i g u r ei - 1 0s 细c m r e so f p h o t o c h e m i c a ls e n s o r so f m e t a lc o m p l e x e sb a s e do l lm l c tm e c h a n i s m t l 9 - 2 2 1 最近，关于h 9 2 + 识别功能的磷光化学传感器的研究也有少量报道。 2 0 0 7 年，y a mv w w 等1 2 3 】发现，r u 配合物( 如图l 一1 1 所示) 能有效地识别h g + ，表 现为荧光增强。 8 姻g 。l 、l 卢。l l v ji 乙p 船良蝴 图1 1 1 具有识别h 9 2 + 功能的r u 0 i ) f i g u r e1 - 11s c t i l r e so f r u t h e n i u mc o m p l e x e sw h i c h 2 0 0 7 年，复旦大学李富友教授课题组【2 4 1 报道了可以识 1 1 2 所示) ，其光谱在响应h 矿+ 后发生明显的蓝移。 鑫 限唧，竹m l 】尹 l - l l - l 22 l - l 3l l - 1 44 l t - l - u 配合物 c a nr e c o g n i z eh 9 2 + 别n g + 的铱( i i i ) 配合物( 如图 i t ( b t p ) 2 ( a c a c ) 唧 b t 图1 1 2 具有识别h 9 2 + 功能的铱( i i i ) 配合物 f i g u r e1 1 2t h es t r u c t u r eo f i r i d i u mc o m p l e x ew h i c hc a nr e c o g n i z eh 9 2 + 2 0 0 8 年，李富友教授课题组2 5 】又报道了另种铱( i i i ) 配合物i r ( t h q ) 2 ( a c a c ) ，等量的h 9 2 + 与该配合物络合会引起体系磷光淬灭。因此，该化合物可以作为具有裸眼识别功能的h 9 2 + 磷 光化学传感器( 如图1 1 3 所示) 。 。 d 飞 aboo。，。和。b， g 内蒙古丈学硬学位论! 隆 h l 哪“* 耐 图1 - 1 3f 喇的化学结构式 f i g u m l - 1 3 t h ec h e m i c a l 咖c t t o f l 玎t h q ) g a c a c ) ( 三) h 矿荧光成像研究撅述 l 荧光成像氍述 细胞是有机体结构的基本单元也是生命活动的基本单元从分子层次上研究活细胞内 的动态过程是生命科学研究的重要内容。由于生命现象的复杂性，所以直观、形象的检测技 术对研究生命科学起着非常重要的作用。研究表明，荧光成像技术具有非离子低能量辐射、 高敏感性、可连续实时监测等特点。该技术是一种能在亚细胞层次实现观测的可视化方法。 特别是激光扫描共焦荧光显微术( l s f m ，如图l 1 4 所示) 的问世，使得人们可以对话细胞进 行分层光学切片，重建细胞三维影像，使细胞内微细结构以及离子动态变化的定性、定量、 定时和定位分析得以实现，成为生物医学领域研究的重要手段。 一 1 1 4 激光扫描共焦荧光里微钝 f i g u r e i - 1 4 t h e l a s e rs c a n n i n g f l u o r e s c e n c e m i c r o s c o p ) ( l s f m ) 2 h 矿+ 荧光成像的研究进展 金属离子在生物、环境领域扮演着重要的角色，所以设计合成具有识别重金属离子功能 的化学传感器具有重要意义。在众多过渡金属离子中，h 9 2 + 是一种危害人体健康的重金属离 子。研究表明，汞离子对硫原子显现出很强的亲和力能导致蛋白质、酶和膜的巯基被破坏 1 2 6 1 0 它可以通过皮肤吸收，引起口腔炎、齿龈炎和神经紊乱等疾病。涉八人体的h 9 2 + 会沉积 在脑、肝和其他器官中，产生慢性中毒，损害肾、脑、胃和肠道，严重时可能导致死亡。因 自女自掌学位论文 此，对生物体内h 矿的研究就变得非常有意义。 迄今，人们已开展出多种方法用于h 9 2 + 的检测，如原子吸收光谱，原子发射光谱。但这 些检测方法存在样品需要处理、检测不够快速、检测价格昂贵等缺点。因此，开发具有快速、 准确、低成本、选择性识别重金属性质的离子探针成为人们急需解决的问题。研究表明化 学传感器能较好地满足以上要求。 近几年，有关h 9 2 + 的化学传感器的研究已有部分报道，如声色化学传感器、荧光化学传 感器和电化学传感器旧。荧光传感器因具有方便快捷、较高的灵敏度、可以利用光纤技术实 现远距离实时检测等优点，而受到研究人员的密切关注，但大多数研究仅局限于体外检测 h 矿。只有少数作为荧光探针能有效地检测生物体内的h g 斗。到目前为止，仅有两倒以硫代 杂环荧光分子体系作为荧光化学传感器i 巩圳以及三例基于罗丹明体系的化学传感器口咖】 用于活细胞内h 矿的检测。 2i 基于硫代杂环一黄光分子体系的莞光成像 2 0 0 5 年和2 0 0 7 年c b r i s t o p b 甜j c h a n g 课慝组口捌分别合成了硫代杂环连接荧光素分子 的荧光化学传感器m f i 和m g i ，将它们分别用于检测鱼组织和活细胞内的h 矿( 如图1 - 1 5 所示) 。实验证明，两种硫代杂环荧光素分子对h 矿+ 具有很好的抗干扰能力和很高的离子选择 性，与h 矿结合荧光增强。 圈 圈1 - 1 5 用于检测生物体内h ，+ 的两种硫代杂环荧光素 f i g u r e l 15 h e t e r o c y c l i c t h i o f l u o r e s c e i md e t e c t i n g h 9 2 十i nv i v o 2 2 基于罗丹明体系的生物荧光成像 众所周知，罗丹明染料具有能溶于水、量子产率较高的特点。近年来，各国科学人员就 罗丹为母体的荧光染料的研究给予了高度重视。 2 0 0 6 年，t a ej 课题组【湖以罗丹明衍生物为检测器，实现了细胞和活体( 斑马鱼) 中的 h 9 2 + 成像。通过组织切片研究组织内的h 9 2 + 分布( 如图l 一1 6 所示) 。 内蓑古 学颈学位论文 耐卜 。：囝象跫 b r n l g b r 圈1 _ 1 6 罗丹明钎生轴在细胞和活律中曲h 矿荧光成悼 f i g m e l 一1 6 i n “v o m o n t o r 堍o f h f l + u s i n ga r h o d , m d a e - m o l e c u l a r p r o m 2 0 0 7 年，复旦大学李富友教授课题组口。搬遒了基于罗丹明和二茂铁件系的荧光化学传感 器，实现了对活细胞内 i 矿的识别( 如图1 - 1 7 所示) 。 田1 - 1 7 基于罗丹研b 和二茂截棒摹的h 矿识别化擘传寿嚣 f i g u r e i - 1 7 t h e e 岫r m c o g l i z i n g t ，h a s 酣o l l m o d 蛐i n f ms y s t l m l 2 0 0 8 年，q ；龃xh 谭题组阱l 将荧光共振能量转移( f r e t ) 技术应用于罗丹明衍生物 获得了可用于体内检测 l 矿豹荧光探针( 如图1 - 1 8 所示) 麓b 鞯 图1 1 8f r e t 技术在罗丹明衍生物分干中的工作杠理厦谊化合物在m c f - 7 细胞中的h 9 2 - 荧光成像( a ) 化 旮轴1 在m c f 一7 中的成像( 4 8 8 r a n 激发，收集5 1 4 1 m 1 的荧光) ：经化夸勃i 奉，h 9 2 + 先后孵育的细胞燕光 成像，以4 8 9 n m 作为激发光，分别牧桌5 1 4 n m ( h ) 和5 8 9 n m ( c ) 的荧光 f i g u r e i - 1 8 t h e m e c h a n i s mo f r h o d “n cd e r i v a t i v e b a s e d o nf r e ta n d i m a g i n g o f e o m p l e x e * d e t e c t i n z h 矿i n m c f - 7 ( 劬t h e i m a g i n go f t h ec o m p l e x l i n m c f 一7 ( 矿4 8 8 n m ，c o l l e c t i o n5 1 4 m ) t h e i r a a g i n o f m c f 7 w h i c hw a si n c u b a t e dw i t ht h 亡c o m p l e x1a n dt h e ns u p p l e m e n t e dw i t hh 一+ “= 4 8 8 n m ，c o l l e c t i o n5 1 4 m r a n d5 8 9 a a mf c 、 艇 移窜参卷 内蒙古大学硕l ：学位论文 ( 四) 本课题的设计及研究意义 细胞是有机体结构的基本单元，也是生命活动的基本单元，从分子层次上研究活细胞内 的动态过程是生命科学研究的重要内容。h 9 2 + 是一种危害人体健康的重金属离子，所以对生 物体内h 9 2 + 的研究就变得非常有意义。考虑到目前大多数研究仅局限于体外检测h 9 2 + ，只有 少数文献报道了运用荧光成像技术对生物体内的n g + 进行示踪。本论文着眼于对具有n g + 离子识别功能的磷光化学传感器、荧光化学传感器的光物理性质进行研究，通过激光扫描荧 光显微镜( l s f m ) 实验评估它们应用于生物成像的潜力。 本章参考文献 1 黄晓峰，张元强，张英起荧觉捺劈友术人民军医出版社，2 0 0 4 年，第一版 2 ( a ) b o e n i n gd w e c o l o g i c a le f f e c t s ，t r a n s p o r t ，a n d f a t eo fm e r c u r y ：ag e n e r a lr e v i e w c h e m o s p h e r e 2 0 0 0 ，4 0 ：13 3 5 13 51 ( b ) h a r r i sh h ，p i c k e r i n gi j ，g e o r g egn t h e c h e m i c a lf o r mo f m e r c u r yi nf i s h s c i e n c e 2 0 0 3 ，3 0 l ( 5 6 3 7 ) ：1 2 0 3 (