（分析化学专业论文）氧杂蒽螺酰胺类光学探针的合成及应用研究.pdf

摘要 光学探针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。光学探针在生化检测、环境监控、疾病诊断和药物筛选等领域发挥着重要 的作用，目前已成为分析化学领域的研究热点之一。罗丹明b 是常见的氧杂蒽类染料， 其具有摩尔吸光系数较大、激发波长较长和荧光量子产率高等优点。本文以罗丹明b 为 母体成功地合成了对c u 2 + 、h 9 2 + 、h s 0 3 。、半胱氨酸、三聚氰胺和c 1 0 。有专响应的罗 丹明b 螺酰胺类光学探针。论文包括以下内容： 绪论部分主要介绍了氧杂葸螺酰胺类光学传感器的研究进展，并提出本论文的研究 设想。 首先，以罗丹明b 为母体设计合成了一种可用于检钡, u c u 2 + 的光学传感器1 。化合物1 本身为无色无荧光物质，在3 0 的乙腈水溶液中加入c u 2 + 后，其与c u 2 + 形成1 ：l 的配合物， 导致化合物1 中的螺酰胺环打开，从而使反应体系的荧光强度和吸光度均显著增强。基 于上述原理，建立了测定水 c u 2 + 的荧光光度法和紫外可见光度法，该法灵敏度高，选 择性好。利用化合物1 中的硫原子能够与h 9 2 + 发生反应，生成相应的1 ，3 ，4 一噫二唑类 强荧光物质( 2 ) ，导致反应体系的荧光信号显著升高。基于上述原理，建立了测定水中 h 9 2 + 的荧光分析法。 其次，利用罗丹明b 螺酰肼与乙二醛反应生成荧光探针3 ，其能够选择性识别水中的 h s 0 3 。基于h s 0 3 - 能够诱导螺酰胺环开环，导致体系的荧光增强和颜色变化，建立了测 定h s 0 3 - 的新方法。实验结果表明，该荧光探针对h s 0 3 - 具有很好的选择性。利用以醛基 作为识别单元的探针3 ，其与半胱氨酸反应形成相应的五元噻唑环，导致罗丹明螺酰胺 环开环，使体系的荧光强度显著升高。据此，建立了一种测定半胱氨酸的荧光分析法。 该法选择性好，能够专一检测半胱氨酸而高半胱氨酸无干扰。利用含醛基的荧光探针3 能够与三聚氰胺中的氨基发生反应，导致体系的荧光强度增强。根据这一原理，建立了 测定三聚氰胺的荧光分析法，该法操作简单，分析速度快。 最后，设计了一种测定c 1 0 的罗丹明b 硫内酯6 。化合物6 本身是一种无色无荧光的 物质，其与c 1 0 反应，生成相应的强荧光物质，从而导致反应体系的吸光度及荧光信号 均显著增强，且荧光信号的增量( f ) 与c 1 0 的浓度在0 5 1 0 0g m o ll 0 1 内呈线性关系。 基于以上原理，建立了一种测定c 1 0 的新型荧光分析法。实验结果表明，化合物6 仅对 c i o 有灵敏响应，而其它生物活性氧不干扰测定。因此，该探针选择性好，灵敏度高， i 可望应用于生物体系中c i o 。的原位分析。 关键词罗丹明b 螺酰胺化合物，光学探针，荧光分析法 a b s t r a c t o p t i c a lp r o b e s p l a y t h e i m p o r t a n t r o l e i n a n a l y t i c a lb i o c h e m i s t r y , e n v i r o n m e n t m o n i t o r i n g ，d i s e a s ed i a g n o s i s ，m e d i c i n es c r e e n i n g ，a n ds oo n r h o d a m i n eb ，t h ec o m m o n x a n t h e n ed y e ，h a st h el 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 ，l o n ge x c i t a t i o nw a v e l e n g t ha n d h i g h e rf 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 es p i r o l a c t a m so p t i c a lp r o b e sw e r ed e v e l o p e dt o d e t e c tc u 2 + ，n g + ，h s 0 3 ，c y s t e i n e ，m e l a m i n ea n dc 1 0 。i nt h i sd i s s e r t a t i o n t h i sd i s s e r t a t i o n s u n l m a r i z e da sf o l l o w s ： ag e n e r a li n t r o d u c t i o nt ot h er e s e a r c hp r o g r e s so nx a n t h e n es p i r o l a c t a m so p t i c a lw a s p r e s e n t e d b a s e do nr e f e r r i n gt ot h er e l a t i v el i t e r a t u r e s ，t h eo b j e c t i v eo ft h i sd i s s e r t a t i o nw a s p r o p o s e d f i r s t l y , ar h o d a m i n e - b a s e dc h e m o s e n s o rf o rc o p p e ri o n1 - ( r h o d a m i n eb 、l a c t a m t h i o s e m i c a r b a z i d e ( 1 ) ，w a sd e s i g n e da n ds y n t h e s i z e d c o m p o u n d1 i sac o l o r l e s s ， n o n f l u o r e s c e n tc o m p o u n da n dw a ss y n t h e s i z e dv i at h eo n e - s t e pr e a c t i o no fr h o d a m i n eb h y d r a z i d ew i t hk s c ni na c i d i cm e d i u m u p o nm i x i n gc u ：+ i na c e t o n i t r i l e w a t e r ( 3 0 ：7 0 ，v v ) s o l u t i o n ，t h es p i r o l a c t a mr i n go f1w a so p e n e d ，w h i c hr e s u l t e di nt h ed r a m a t i ci n c r e a s e si n b o t hf l u o r e s c e n c ea n da b s o r b a n c eo ft h em i x i n gs o l u t i o n b a s e d0 1 1t h i sm e c h a n i s m ，a c h r o m o a n df l u o r o g e n i cc h e m o s e n s o rf o rc u 2 + w a sd e v e l o p e d c o m p o u n d1 d i s p l a y s e x c e l l e n ts e l e c t i v ea n ds e n s i t i v er e s p o n s et o w a r dn g ：+ o v e ro t h e rt r a n s i t i o nm e t a li o n si n n e u t r a la q u e o u ss o l u t i o n 1i t s e l fi sac o l o r l e s s ，n o n f u o r e s c e n tc o m p o u n d u p o na d d i t i o no f h 9 2 + t ot h es o l u t i o no f1 ，t h et h i o s e m i c a r b a z i d em o i e t yo f1w o u l du n d e r g oa ni r r e v e r s i b l e d e s u l f u r i z a t i o nr e a c t i o nt of o r mi t sc o r r e s p o n d i n g1 , 3 ，4 一o x a d i a z o l e ( 2 ) ，ac o l o r f u la n d f l u o r e s c e n tp r o d u c t ，c a u s i n gi n s t a n t a n e o u sd e v e l o p m e n to fv i s i b l ec o l o ra n ds t r o n g f l u o r e s c e n c ee m i s s i o n b a s e do i lt h i sm e c h a n i s m ，af l u o r o g e n i cp r o b ef o rh 9 2 + w a s d e v e l o p e d s e c o n d l y , ar h o d a m i n e b a s e df l u o r e s c e n tp r o b ew i t haa l d e h y d ef u n c t i o n a l i t y a sa r e c o g n i t i o nu n i th a sb e e nd e v e l o p e df o rt h es e l e c t i v ed e t e c t i o no fb i s u l f i t ei na q u e o u sm e d i a t h en e wf l u o r e s c e n tp r o b es h o w sa ne x c e l l e n ts e l e c t i v i t yf o rb i s u l f i t ea n i o no v e ro t h e ra n i o n s t h eb i s u l f i t e i n d u c e dr i n go p e n i n go fs p i r o l a c t a mo ft h er h o d a m i n em o i e t yr e s u l t e di nt h e d u a lc h r o m o a n df l u o r o g e n i co b s e r v a t i o n an e wr h o d a m i n ed e r i v a t i v e ( 3 ) c o n t a i n ga l u a l d e h y d em o i e t ya st h es i g n a l l i n gu n i th a sb e e nd e v e l o p e df o rt h es e l e c t i v ed e t e c t i o no f c y s t e i n ei na q u e o u sm e d i a t h ei n t e r a c t i o no fc y sw i mp r o b e3i n d u c e sr i n go p e n i n go f s p i r o l a c t a mo ft h er h o d a m i n em o i e t ya n dr e s u l t si nt h e d u a lc h r o m o a n df l u o r o g e n i c o b s e r v a t i o n t h en e wf l u o r e s c e n tp r o b ed i s p l a y sa ne x c e l l e n ts e l e c t i v i t yf o rc y s t e i n eo v e r o t h e ra m i n oa c i d si n c l u d i n gh o m o c y s t e i n e an e wr h o d a m i n ed e r i v a t i v e ( 3 ) c o n t a i n ga a l d e h y d em o i e t ya st h er e c o g n i t i o nu n i th a sb e e nd e v e l o p e df o rt h es e l e c t i v ed e t e c t i o no f m e l a m i n ei na c i dm e d i a t h ei n t e r a c t i o no fa m i n og r o u pi nm e l a m i n ew i t ha l d e h y d ei np r o b e 3r e s u l t si nt h ef l u o r e s c e n c ee n h a n c e m e n to ft h er e a c t i o nm i x t u r e t h ep r o p o s e dm e t h o di s p r o v e dt ob es i m p l e ，s e l e c t i v ea n ds e n s i t i v e f i n a l l y , an e wr h o d a m i n e - b a s e df l u o r e s c e n tp r o b e ( 6 ) f o rh y p o c h l o r i t ei o nw a sd e s i g n e d a n ds y n t h e s i z e d c o m p o u n d6w a sac o l o r l e s s ，n o n f l u o r e s c e n tc o m p o u n d u p o na d d i t i o no f c i o t ot h es o l u t i o no f6 ，t h er e a c t i o nb e t w e e n6a n dh y p o c h l o r i t ei o ng i v e si t sc o r r e s p o n d i n g p r o d u c t7 ，ac o l o r f u la n df l u o r e s c e n tp r o d u c t ，c a u s i n gi n s t a n t a n e o u sd e v e l o p m e n to fv i s i b l e c o l o ra n ds t r o n gf l u o r e s c e n c ee m i s s i o n t h ef l u o r e s c e n c ei n c r e a s ei sl i n e a rw i t hh y p o c h l o r i t e i o nc o n c e n t r a t i o ni nt h er a n g e0 5 10 0g m o ll - 1 b a s e do nt h ea b o v em e c h a n i s m ，a f l u o r o g e n i cm e t h o df o rt h ed e t e r m i n a t i o no fh y p o c h l o r i t ei o nw a sd e v e l o p e d t h i sp r o b ei s h i 曲l ys e l e c t i v ef o rh y p o c h l o r i t ei o no v e ro t h e rr e a c t i v eo x y g e ns p e c i e s ( r o s ) k e y w o r d s r h o d a m i n eb s p i r o l a c t a m s ，o p t i c a lp r o b e ，f l u o r i m e t r y 西北大学学位论文知识产权声明书 本人完全了解西北大学关于收集、保存、使用学位论文的规定。学校 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版。本人允许 论文被查阅和借阅。本人授权西北大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存 和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所等机构将本学位论 文收录到中国学位论文全文数据库或其它相关数据库。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名：_ 垒竭壹指导教师签名：垄丕趟! 峰 川年6 月2 日砂7 年6 月毋日 西北大学学位论文独创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，本 论文不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西北大 学或其它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：越呻国 川年6 月8 日 西北大学硕士学位论文 1 1 研究背景 第一章绪论 光学探针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。光学探针一般具有两个特性：一为化学活性；二是光学活性。化学活性是 指探针含有易与待分析物发生反应( 包括配位、包合和基团反应等) 的活性基团；光学活 性则指探针与待分析物作用后其光学响应( 包括波长、强度等) 产生变化。与一般测定 方法相比，光学探针技术具有专一性好、灵敏度高和快速准确等特点。性能优良的光学 探针，应同时考虑其灵敏度、选择性和实用性。光学探针的灵敏度取决于待分析物与光 学分子作用后对光学响应的改变程度。理想的光学探针是其本身无光学响应，与待测分 子作用后则产生强的光学信号。 光学探针作为分析化学、有机化学、光物理化学和超分子化学等多学科交叉的重要 研究领域，在生化检测、环境监控、疾病诊断和药物筛选等领域发挥着重要的作用。随 着2 1 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、核酸和多肽等生物大分子分析，生物药物分析，超痕量和超微量生物活性物质分 析等。 由于大多数生物分子本身无荧光或荧光较弱，为使其高灵敏地检出，常利用光学探 针与待测物进行反应，生成具有高荧光强度的物质来进行检测，从而达到对生物活性氧 和某些具有重要功能的生物分子的原位、适时和动态的表征。近年来，人们在光学探针 的研究方面取得了长足的进展，开发并商品化了一系列的光学探针。尽管目前已经有一 部分商品化的探针试剂，但其远未能满足医学和生命科学研究的需要。因此，继续开发 选择性好、灵敏度高且适合更多目标物的探针分子，进一步研究探针的响应机理和简化 探针的合成技术仍然是这一领域的研究热点。 1 2 研究进展 氧杂葸类荧光染料具有激发波长较长，荧光量子产率高等优点，因此以其为母体构 建光学探针一直是一个研究的热点【1 。7 1 。近年来，一些专一性好和灵敏度高的氧杂蒽类 分子探针被开发出来，其中以表征一氧化氮8 1 和单线态氧【9 1 的氧杂蒽类分子探针最为突 第一章绪论 出。 荧光素及罗丹明b 是常见的氧杂葸类荧光染料，与其它常见的荧光染料相比，罗丹 明类荧光染料具有光稳定性好、对p h 不敏感和较高的荧光量子产率等优点。这类分子 中苯甲酸部分与氧杂葸环所处的平面几乎垂直，当该类染料2 位的羧基酰胺化后，分子 内可形成一个稳定的螺环，其结构如图1 1 所示。由于消除了氧杂葸环部分的大共轭7 1 ； 键结构，该分子变为一个无色、无荧光的化合物，并且其在可见光谱部分无吸收。研究 表明，这类物质本身结构稳定，其水溶液在室温放置数天后光学性质无明显改变。当这 类氧杂葸螺酰胺类化合物的氨基发生反应时( 如配位、水解和基团反应等) ，往往导致 螺环的开环反应，从而导致反应体系的光学性质发生显著改变( 荧光及吸光度信号均显 著升高) ，同时伴随着肉眼可观察到的颜色改变，据此可设计光学探针。 r 图1 - 1 氧杂葸螺酰胺类光学探针的结构 早至1 j 1 9 9 7 年，c z a m i k 等首次合成了罗丹明b 螺酰肼荧光探针1 【10 1 ，利用c u 2 + 加速0 【一 氨基酸酯水解反应成功进行了c u 2 + 的测定( s c h e m e1 1 ) ，生成强荧光的罗丹明b 分子， 其它金属离子无此现象，该法的检出限可低至1 0n m o ll 0 1 。 近几年，基于氧杂蒽螺酰胺开环反应的原理，已成功设计出测定p b 2 + 【1 1 1 、h 9 2 + 【1 2 。0 】、 c u 2 + 【3 1 4 0 1 、f e 3 + 【4 1 。4 6 1 、c r 3 + 【4 7 4 9 1 和自由基阻5 6 1 等的光学传感器。氧杂蒽螺酰胺类探针分子 本身无色无荧光，因此以其为母体的光学探针表征待测分子时具有背景信号低、灵敏度 高等优点。目前基于氧杂葸螺酰胺丌环反应原理开发光学探针仅有零星的报道，且大多 集中在金属离子的表征，而对这类反应的机理描述及规律总结尚未见报道。如何充分利 用该开环反应，设计长波长光学探针，开发出可表达生物活性氧及其它生物分子的光学 探针，是目前分析工作者所感兴趣的课题之一。 关于罗丹明螺酰胺类光学传感器的应用于生物样品和各种金属离子的检测已有文 献报道，具体情况如下： 2 西北大学硕士学位论文 s c h e m e1 - 1c u 2 + - a s s i s t e dh y d r o l y s i so fc z a r n i k sr h o d a m i n e - bh y d r a z i d e ( 1 ) 1 2 1汞离子光学传感器的研究进展 汞离子光学传感器的作用原理主要利用螺酰胺的络合开环原理和化学反应两种类 型。该类传感器分子本身为无荧光或弱荧光，与h 9 2 + 作用，导致其荧光及吸收信号均显 著增强，这类传感器的选择性一般较好。 t a e 等人合成罗丹明6 g 类衍生物2 作为测定h 矛+ 的化学剂量计【1 2 】。此反应是不可逆反 应，主要利用h 孑+ 与化合物2 中s 作用，脱去h g s ，生成相应的l ，3 ，4 一噫二唑环，导致 体系吸光度和荧光强度均升高。结果表明，化合物2 与h 9 2 + 按照1 ：1 的化学计量比进行反 应，该法选择性好、灵敏度高，测定h 孑+ 的检出限低于2p p b 。s h i n 等人将上述反应体系 应用于监测活体细胞中h f + 的浓度( ”】。 + h 孑+ - h g s h 2 z h e n g 等人合成测定h 孑+ 的化合物3 【16 1 。化合物3 在p h3 4 的水溶液中能够与h 矿+ 发生 可逆反应，由于h 孑+ 与化合物3 中的n 、s 原子配位形成1 ：2 的配合物，导致螺酰胺环的断 3 第一章绪论 裂，伴随着颜色变化和荧光强度的增强，该方法具有好的选择性和高的灵敏度。 3 飚m 等人报道了测定h 孑+ 的罗丹明b 的衍生物4 和6 【1 7 】。在化合物4 或6 的乙腈溶液中 加入h 孑+ 后，体系的颜色从无色变为紫红色，同时荧光强度增强。为了进一步探讨化合 物4 和6 中的对甲苯磺酰基的作用，在分子5 和7 中加入h 孑+ 后无明显的吸收峰或荧光光谱 变化，实验结果表明对甲苯磺酰基在作为测定h 9 2 + 的分子4 和6 中起了重要的作用。另外， 4 - h 9 2 + 配合物的荧光强度增量是6 h 孑+ 配合物荧光强度增量的6 倍。与分子6 相比，在分 子4 中对甲苯磺酰三乙烯四胺可能键合h f + 离子，导致4 中的螺酰胺环更有效地打开。 4 堇心 5 67 y o o n 等人报道了以脲作为识别基团的化合物8 和9 【18 1 。其中二聚体9 在乙腈溶液中加 n h 9 2 + 后，导致9 中的螺酰胺环打开，形成9 一h 孑+ 配合物，体系伴随着颜色变化和荧光增 强，该方法具有较好的选择性，分子9 与h 9 2 + 的结合常数为3 2 1 0 5l m o l 。 4 西北大学硕士学位论文 8 n 9 d u a n 等人报道了一个简单、易于制备的测定h 孑+ 的探针l o 【1 9 】，分子1 0 中含有碳酰腙 作为识别单元，用x 单晶衍射法来验证其与h 9 2 + 结合生成1 0 h 孑+ 配合物，导致螺酰胺环 开环。探针1 0 在d m f 溶液中检钡, l j h 9 2 + ，体系的荧光增强，该法具有好的选择性，检出限 低至2p p b 。最近，m a 2 1 1 ，x u 等人分别报道了测定h 孑+ 的化合物l l ，用x 单晶衍射法 来验证其与h 9 2 + 配位形成2 ：1 的配合物，实验结果表明仅h 9 2 + 可使化合物1 1 的荧光信号显 著增强。进一步的研究表明，该反应是可逆反应，该方法具有较好的选择性和高的灵敏 度。 l ul l h 啪g 等人报道了一个检测h 孑+ 的化学传感器1 2 ，在分子1 2 中含有二茂铁和8 一羟基 喹啉部分作为识别基副2 0 1 。在乙醇的h e p e s 缓冲溶液中，传感器1 2 对h 孑+ 有很好的选择 性，体系的荧光增强，伴随着颜色的变化，体系的氧化峰电位发生明显的变化，电势从 o 4 伏变到o 1 5 伏发生负移。化学传感器1 2 具有光学及电化学响应的特点。激光共聚焦荧 光显微实验表明，1 2 能作为荧光探针来监测活体细胞中的h f + 。 5 第一章绪论 l z w a n g 等人合成了化合物1 3 ，其对h 矿+ 的识别是通过h g 对s 有强的亲和作用2 3 1 。该反 应机理是由- 于- h 9 2 + 诱导脱硫反应，导致化合物1 3 中的螺酰胺环打开，生成噻唑啉的衍生 物1 4 。实验结果表明，化合物1 3 5 夺j h 9 2 + 有好的选择性和高的灵敏度，其可作为荧光探针 用于监测活体细胞中的h 孑+ 。 、 h 9 2 + + 2 h g s 一 1 31 4 q i a n 等人设计合成了测定h 孑+ 的化学传感器1 5 【2 4 1 。实验结果表明分子1 5 与h 孑+ 能 以1 ：1 方式键合成配合物，该方法具有较好的选择性和高的灵敏度。s h i r a i s h i 等人设计合 成了测定h 孑+ 的荧光传感器1 6 【2 9 】。化合物1 6 能够与h 孑+ 发生配位反应，形成1 ：2 的配合物 1 6 n d + ，导致螺酰胺环打开，该法选择性好，灵敏度高，但该识别反应口台i ，曼r - 在有机溶剂 中进行，从而限制了该方法应用于实际样品分析。 厂_ 1 5 6 1 6 西北大学硕士学位论文 1 2 2 铜离子光学传感器的研究进展 t o n g 等人报道了化合物1 7 ，1 8 ，1 9 ，2 0 用来测定铜离子 3 1 - 3 4 1 。化合物1 7 川是一个 测定c u 2 + 的比率型荧光探针，当在化合物1 7 的溶液中加入c u 2 + 后，可以发现荧光发射 峰明显红移( 从5 1 5n m 到5 8 5n m ) ，而其它金属离子无荧光响应，因此该方法具有较 好的选择性。该反应是基于c u 2 + 诱导氧化成环机理。化合物1 8 【3 2 】作为测定c u 2 + 的化学 传感器是基于化合物1 8 与c u 2 + 络合导致化合物1 8 中的螺酰胺环打开，从而使得反应体 系的颜色发生变化和荧光强度显著增强，该方法具有很好的选择性。化合物1 9 【3 3 】，2 0 【3 4 】 都是测定c u 2 + 的化学传感器，作用机理与化合物1 8 相似。 、n 1 7 夕 1 8 c h 3 c n 1 9 7 f c 第一章绪论 z s h i r a i s h i 等人报道了化合物2 1 3 5 1 ，在化合物2 1 的乙腈溶液中加入c u 2 + 能发出强的 绿色荧光，而加入其它金属离子显示弱的橙色荧光。 最近，m a 等人报道了化合物2 2 e 3 6 1 ，研究表明，仅有c u 2 + 能催化其水解，生成罗丹 明b 。该法的选择性好，其作用机理与c z a m i k 等合成的罗丹明b 螺酰肼荧光探针1 测定 c u 2 + 相似。 2 12 2 1 2 3 铁离子和铬离子光学传感器的研究进展 t o n g 等人设计合成了化合物2 3 ，此探针2 3 可应用于水中( p h7 1 5 ，t r i s - h c l 缓冲 液) 和乙醇中对f e 3 + 进行检测，化合物2 3 只对f e 3 + 有响应，该方法的选择性较好【4 。 2 3 t a e 等人合成了化合物2 4 ，其以甲氧基作为识别基团来测定f e 3 + 【4 2 】，基于f e 3 + 能与 化合物2 4 发生络合反应，导致2 4 中的螺酰胺环打开，体系的颜色从无色变为紫红色， 同时荧光增强，该法的选择性好。 8 两北大学硕士学位论文 基于螺酰胺环开环的原理，h u a n g 等人设计合成了化学传感器2 5 ，与其它金属离子 相比中，化合物2 5 对f e 3 + 有很好的选择性。进一步证明，化学传感器2 5 可用于活体细 胞中f e 3 + 的监测4 3 1 。 2 4z 5 s h i r a i s h i 等人通过罗丹明b 与2 氨基吡啶一步反应合成了化合物2 6 作为检测金属 离子的化学传感器【删。化合物2 6 本身为无色无荧光的物质，当向其溶液中加入f e 3 + 、 h 9 2 + 、p b 2 + 和f e 2 + 后，导致体系的颜色从无色变为粉红色，同时发出橙色荧光。用等摩 尔连续变化法测定2 6 与金属离子的配位比为2 ：1 ( s c h e m e1 2 ) 。最近，s h i r a i s h i 等人合 成了化合物2 7 ，能够同时对f e 3 + 和h 9 2 + 分辨传感【4 5 】。 s c h e m e1 - 2p r o p o s e db i n d i n gm o d eo f 2 6w i t hm e t a li o n s “等人报道t n 定c r 3 + 的化合物2 8 【4 7 1 。实验结果表明，仅c r 3 + 使2 8 的荧光信号增 强，体系的氧化峰电位发生明显的变化，该法选择性好。激光共聚焦荧光显微实验结果 表明，2 8 可作为荧光探针用于监测活体细胞中的c r 3 + 。 9 第一章绪论 2 7 z 甚 t o n g 等人报道了测定c ，的荧光探针【4 8 1 。基于重铬酸钾在酸性条件下氧化无荧光 的罗丹明b 螺酰肼l ，从而产生具有强荧光的罗丹明b ，导致体系的荧光增强。该法可 应用于水中c ，的检测。 l i u 等人设计合成了光学传感器2 9 ，3 0 4 9 1 。在水溶液中，化合物2 9 对f e 3 + 选择性 好，化合物3 0 对c r 3 + 选择性好。 h hh 2 9 h n 入n h 2 h 1 2 4 铅离子光学传感器的研究进展 y o o n 等人报道了作为测定p b 2 + 的化合物3 l 【10 1 。在化合物3 l 的乙腈溶液中，加入各 种金属离子，仅p b 2 + 的荧光信号显著增强，结果表明化合物3 1 对p b 2 + 有很好的选择性。 y o o n 等人通过e s i 质谱，瓜和1 3 c n m r 三种方法证明化合物3 1 与p b 2 + 络合反应机理。 1 0 两北大学硕士学位论文 3 1 1 2 5 自由基类光学探针的研究进展 c z a m i k 等人合成的罗丹明b 螺酰肼1 被进一步地研究和应用。s a s a m o t o 等报道了 用罗丹明b 螺酰肼来测定n o 或亚硝酸盐f 5 2 1 。y a n g 等人利用罗丹明b 螺酰肼来测定过 氧亚硝酸根离子的荧光探针【5 1 】。最近，c h e n 报道了用罗丹明b 螺酰肼作为荧光探针来 检测h 2 0 2 和葡萄糖的浓度5 2 1 。该方法利用h 2 0 2 能氧化罗丹明b 螺酰肼产生类似罗丹 明b 的强荧光物质，f e t s p c 能催化该反应。 最近，z h e n g 等人报道了测定n o 的新型荧光探针3 2 【5 3 1 。该反应是基于n o 诱导分 子3 2 中的螺酰胺环打开，导致体系的荧光强度和吸光度均显著增强。此探针合成简单， 易于制备，该法选择性好。 n h 2 入 3 z n a g a n o 等人报道了测定次氯酸的荧光探针3 3 【5 4 】。实验结果表明，分子3 3 只对h o c l 的荧光信号显著增强，该法的选择性好，可应用于噬菌体中h o c l 的实时检测。m a 等 人设计合成了测定c 1 0 。的化学剂量计3 4 5 5 1 。在p h1 2 的3 0m m o ll 。1 的n a 2 8 4 0 7 n a o h 的缓冲溶液中，与各种阳离子和阴离子的比较中，只有c 1 0 一能够氧化分子3 4 中的联亚 氨基，形成类似的联苯甲酰二酰亚胺结构，然后水解释放出罗丹明b ，导致体系的荧光 强度增强。该法选择性好，灵敏度高。 第一章绪论 3 3 n | h o c l 一一 h 。c - o 入 3 4 最近，t a e 等人报道了快速测定h o c l 的荧光探针3 5 t 5 6 1 。该法利用h o c l 氧化分子 3 5 发生不可逆反应，导致体系的荧光强度增强。该法的选择性好，灵敏度高，利用激光 共聚焦荧光成像技术可检测活体细胞中h o c l 的浓度。 3 5 1 2 6 其它类光学传感器的研究进展 k i m 等人报道了基于阴离子诱导螺酰胺环开关的化学传感器3 6 t 5 7 1 。分子3 6 可识别a c o 。，f 和h 2 p 0 4 ，可以用光度法和荧光法来测定。在化合物3 6 的乙腈中加入 a c o 。，体系的颜色从无色变为紫红色，由于分子3 6 中的硫脲和a c o 。作用形成氢键，导 致荧光素螺酰胺环打开，伴随着颜色变化和荧光强度的变化。该法只能应用于非水溶剂 中检测阴离子。a h n 等人设计合成了测定a 矿和a g 纳米的荧光探针3 7 【5 引。基于分子3 7 中的i 与a g 配位，脱去a g i ，导致分子3 7 中的螺酰胺环打开，伴随着颜色的变化，生 成强荧光的物质。该法具有好的选择性，检出限达到1 4p p b ，应用于定量测定消费品中 的银含量。 1 2 西北大学硕士学位论文 3 7 a 矿 ( - a g i ) t a n g 等人报道了检测p h 的荧光探针3 8 1 5 9 1 。反应机理是基于分子3 8 本身的结构变 化，由螺酰胺环关闭( 无荧光) 到螺环打开。探针3 8 具有选择性高，光稳定性好，显 著的细胞膜穿透性和强的p h 依赖性。该方法可应用于活体细胞内h + 的监测。 3 8 基于f r e t 导致螺酰胺环开环的原理，文献报道了测定h 9 2 + 【2 6 ，30 1 、c u 2 h 3 9 1 和 c r 3 + 【6 0 1 的光学传感器。 1 3 论文设想 罗丹明螺酰胺类化合物由于消除了氧杂葸环部分的大共轭7 c 键结构，该类化合物 为一个无色、无荧光的化合物，并且其在可见光谱部分无吸收。当这类氧杂葸螺酰胺类 化合物的n 原子上所连接的r 基团与测定分子发生反应时( 如配位、水解和基团反应等) ， 内酰胺氮原子的质子化将导致氮原子电荷密度的减少，从而引发螺环中一t , c - n 键的开裂 ( 螺环的开环反应) ，导致反应体系的光学性质发生显著改变( 荧光及吸光度信号均显 1 3 第一章绪论 著升高) ，同时伴随着肉眼可观察到的颜色的改变，据此可设计光学探针。 通过以上文献综述可知，近几年，基于罗丹明螺酰胺类化合物检测金属离子的荧光 探针已有大量报道，但基于该传感机理检测阴离子及有机分子的荧光探针几乎未见报 道。基于此，本研究拟以罗丹明螺酰胺类化合物为基本分子框架，设计合成对不同目标 分子具有选择性响应的荧光探针分子。 本论文拟开展以下研究： ( 1 ) 设计合成对金属离子有响应的荧光探针及其性质研究 ( 2 ) 设计合成对阴离子有响应的荧光探针及其性质研究 ( 3 ) 设计合成对氨基酸、有机分子和生物活性物质具有灵敏响应的荧光探针 1 4 西北大学硕士学位论文 参考文献 2 】 【3 】 4 5 6 7 【8 】 9 】 【1 0 】 1 2 1 3 】 e l i z a b e t hm ，l i p p a r ds a “t u r n - o n f l u o r e s c e n ts e n s o rf o rt h es e l e c t i v ed e t e c t i o no f m e r c u r i ci o ni na q u e o u sm e d i a j j a m c h e m s o c ，2 0 0 3 ，1 2 5 ：1 4 2 7 0 1 4 2 7 1 c h a n gm c y ，p r a l l ea ，i s a c o f fe y ，e ta 1 as e l e c t i v ec e l l p e r m e a b l eo p t i c a lp r o b e f o rh y d r o g e np e r o x i d ei nl i v i n gc e l l s j j a m c h e m s o c ，2 0 0 4 ，1 2 6 ：1 5 3 9 2 1 5 3 9 3 m a e d ah ，y a m a m o t ok ，n o m u r ay ，e ta 1 ad e s i g no ff l u o r e s c e n tp r o b ef o r s u p e r o x i d eb a s e d o n an o n r e d o xm e c h a n i s m j j a m c h e m s o c ，2 0 0 5 ，12 7 ：6 8 6 9 m a e d ah ，f u k u y a s uy ，y o s h i d as ，e ta 1 f l u o r e s c e n tp r o b e sf o rh y d r o g e np e r o x i d e b a s e do n an o n - o x i d a t i v em e c h a n i s m j a n g e w c h e m i n t e d ，2 0 0 4 ，4 3 ( 18 ) ： 2 3 8 9 2 3 91 c h e nc - a ，y e hr h ，l a w r e n c ed s d e s i g na n ds y n t h e s i so faf l u o r e s c e n tr e p o r t e r o f p r o t e i nk i n a s ea c t i v i t y j j a m c h e m s o c ，2 0 0 2 ，12 4 ：3 8 4 0 3 8 4 1 s e t s u k i n a ik i ，u r a n oy ，k a k i n u m ak ，e ta 1 d e v e l o p m e n to fn o v e lf l u o r e s c e n t p r o b e st h a t c a nr e l i a b l yd e t e c tr e a c t i v eo x y g e ns p e c i e sa n dd i s t i n g u i s hs p e c i f i c s p e c i e s j j b i 0 1 c h e m ，2 0 0 3 ，2 7 8 ：317 0 - 3 17 5 c h a n d r a ns s ，d i c k s o nk a ，r a i n e sr t l a t e n tf l u o r o p h o r eb a s e do nt h et r i m e t h y l l o c k j j a m c h e m s o c ，2 0 0 5 ，1 2 7 ：1 6 5 2 1 6 5 3 k o j i m ah ，u r a n oy ，k i k u c h ik ，e ta 1 f l u o r e s c e n ti n d i c a t o r sf o ri m a g i n gn i t r i co x i d e p r o d u c t i o n j a n g e w c h e m i n t e d ，1 9 9 9 ，3 8 ：3 2 0 9 3 2 1 2 u