线粒体靶向近红外肼荧光探针的构建和应用研究

作     者：张秀文 

作者单位：中国科学院大学(中国科学院深圳先进技术研究院) 

学位级别：硕士

导师姓名：蔡林涛;赵华山

授予年度：2022年

学科分类：0710[理学-生物学] 071010[理学-生物化学与分子生物学] 07[理学] 070302[理学-分析化学] 0703[理学-化学] 

主      题：荧光探针 肼 线粒体靶向 近红外 细胞成像 

摘      要：作为重要工业原材料的肼(NH)被广泛应用于催化剂的合成、农用化学品和医药产品的制造。然而,肼具有剧毒性、致突变性、致癌性和致畸性,其应用范围之广不可避免地会对空气、水和土壤造成严重污染。另外,某些药物(如异烟肼)的新陈代谢过程会产生肼,导致服药者身体健康受到危害。已经有科学家证实,进入人体内的肼具有抑制分子代谢,损伤线粒体氧化和DNA等能力,严重危害人体健康。因此,研究并且开发出一种可准确检测存在于环境和生物体中的肼的有效方法具有重大意义。与传统检测方法相比较,有机小分子荧光探针具有操作方便、特异性和灵敏性高、反应速度快、实时监测等优点,作为一种检测肼的有效方法成为研究热点。探针的设计策略、传感机理以及性能研究是研究探针的重要环节。分子的结构决定其性能,了解传感机理则有助于进一步设计出满足需求的分子结构,而性能的研究有助于开拓探针的实际应用,进而使荧光探针检测技术得到进一步发展。因此,本文基于不同的设计策略合成了两种具有不同响应模式的新型有机小分子近红外荧光探针,并且对其检测性能、响应机理、实际应用性进行了详细的探究讨论,具体内容如下:(1)基于脱保护基团的机理,设计并合成出一种具有线粒体靶向功能的新型荧光探针Cy-NH。该探针以turn on响应模式检测识别NH。通过高分辨质谱、DFT理论计算等方法证实探针的传感机理为:肼攻击探针Cy-NH上的酯基碳氧键,使噻吩酰氯基脱去,导致探针Cy-NH分子内电子重排而恢复荧光(ICT)。紫外-吸收光谱和荧光光谱等方法表明探针Cy-NH具有优异的传感性能,包括良好的选择性、较低的检出限(14.0 n M)和较强的抗干扰能力等。探针Cy-NH在试纸条、硅胶板和智能手机等实际应用实验中也展示出很好的实用性。此外,探针Cy-NH被成功应用于He La细胞的线粒体荧光共定位(R=0.93)、药物代谢监测以及肼浓度梯度示踪成像研究。(2)在上一个工作的基础上进行改进,基于基团变换的机理,设计并合成出一种具有线粒体靶向功能的新型荧光探针Cy-FP,以荧光比率响应模式检测识别NH。探针的传感机理为:肼攻击探针Cy-FP上的醛基碳氧键使其断裂并失去1分子水后形成腙,进而破坏原分子稳定的共轭体系,使体系的荧光发射波长由807 nm移至560 nm。探针Cy-FP可实现裸眼和荧光双模式检测NH,同时弥补了探针Cy-NH仅有单信号峰带来的不足之处,有效降低了背景和自荧光的干扰,其检出限低至10.3 nM,具有良好的传感性能和实际应用性。此外,细胞荧光成像研究也表明探针具有良好的细胞膜通透性和应用于生物成像诊断的潜能。