基于吩噁嗪和三聚噻吩的新型荧光探针的设计、合成及性能研究

作     者：马文文 

作者单位：齐鲁工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：牛庆芬

授予年度：2022年

学科分类：081704[工学-应用化学] 07[理学] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 070302[理学-分析化学] 0703[理学-化学] 

主      题：荧光探针 吩噁嗪 三聚噻吩 荧光成像 化学与生物传感 

摘      要：随着社会的快速发展与经济水平的不断提高,大量有毒阴离子(如CN/Cl O等)和有毒小分子(如NH/Cys等)被肆意排放到环境中,对环境造成了严重污染如水资源污染、空气污染以及土壤污染等,影响了人们的生产和生活,对人类的生命健康造成了不可忽视的威胁。因此,开发高效可靠的分析检测技术对于环境监测、食品安全及疾病的预防具有极其重要意义。传统的检测这些有毒阴离子和有毒小分子的方法有很多如拉曼光谱法、离子电极法、原子发射光谱等,但其存在着成本高、耗时长、操作繁琐等缺点。而在诸多分析技术中,以荧光探针为代表的荧光光谱法具有操作方便、低碳环保、响应时间短、可进行现场和生命体内原位实时检测等优点,已被广泛应用于生物医药、农业、轻工业以及环境保护等领域。而目前已报道的大多数荧光探针或多或少的还存在着一些不足,如结构合成复杂且稳定性差、活性位点少及水溶性较差等缺点。因吩噁嗪和三聚噻吩荧光团具有良好的电荷传输性质、良好的结晶性质、较高的共平面性以及结构易于修饰等优点,因此在荧光探针领域呈现出较广阔的应用前景。本论文主要以吩噁嗪和三聚噻吩为荧光团,同时选用二氨基顺丁烯二腈、丙二酸环(亚)异丙酯、苯并噻唑碘盐为识别基团,设计合成了吩噁嗪和三聚噻吩基于的新型D-π-A型荧光探针,并通过核磁共振谱(NMR)、红外光谱(FTIR)、高分辨质谱(HRMS)等仪器手段对其结构进行了表征与确认。利用紫外吸收和荧光发射等光学仪器手段,系统的研究了探针的光谱识别性能(如选择性、灵敏度、时间响应性、p H敏感性、抗干扰性、检测限、浓度线性关系等)。通过DFT理论计算及原位实验,研究了探针对NH/CN/Cl O的传感响应机理。通过比色/荧光实验和光学显微镜实验,开展了探针在环境食品体系中对NH/CN/Cl O的定性定量研究及其在实际生物样品体系如活体细胞、植物组织、斑马鱼等中的荧光成像应用研究。详细工作如下:(1)设计合成了一种基于吩噁嗪-丙二酸环(亚)异丙酯的新型D-π-A型的荧光探针PM,在～100%水溶液中,探针PM对水合肼的检测呈现出了优异的光谱识别性能:高选择性、强抗干扰能力、高灵敏度、超低检测限(4.2 n M)、超快时间响应性(15 s)和宽p H工作范围(4.0-9.0)。利用DFT理论计算及实验手段如核磁滴定、荧光浓度滴定、Job’s plot曲线、红外光谱等,探讨并验证了探针PM对水合肼的传感响应机理。利用制备的探针PM比色条,成功的实现了对气态和液态NH的快速检测。更重要的是,探针PM不仅成功实现了在环境、食品及生物等样品中对NH的定量痕量检测,而且还成功实现了在植物组织和斑马鱼中对水合肼的高灵敏度荧光成像检测。(2)开发了一种基于吩噁嗪-苯并噻唑碘盐的新型D-π-A型的荧光探针PB,在DMSO/HO(1/3,v/v)溶液中,探针PB对Cl O的检测呈现出了优异的光谱识别性能:较低的检测限(0.11μM)、良好的浓度线性关系、强的抗干扰能力和宽的p H工作范围(4.0-10.0)。通过核磁滴定、红外光谱、高分辨质谱等原位实验,证实了探针PB对Cl O的传感响应机理。利用制备的探针PB比色条,成功用于对Cl O的快速高灵敏度比色检测。此外,探针PB还成功实现了在环境食品及人体尿液等样品中对Cl O的定量痕量检测。(3)设计合成了一种基于三聚噻吩-丙二酸环(亚)异丙酯的新型双功能荧光探针3TM,分别在DMSO/HO(1/8,v/v)的溶液和在～100%的水溶液中,探针3TM对Cl O/CN的检测呈现出了优异的光谱识别性能:高选择性、强抗干扰能力、超快时间响应性、高灵敏度、超低检测限(Cl O:4.2 n M;CN:6.5 n M)和宽p H工作范围。通过原位实验(如核磁滴定、荧光浓度滴定、高分辨质谱、红外光谱)验证了探针3TM对Cl O/CN的传感响应机理。利用制备的探针3TM比色条,成功用于对Cl O/CN的快速高灵敏度比色检测。此外,该探针不仅成功实现了在环境水样中对Cl O和CN的高灵敏度定量痕量检测,而且还成功实现了在活体细胞和斑马鱼中对Cl O/CN的高灵敏度荧光成像检测。(4)设计合成了一种基于三聚噻吩-二氨基顺丁烯二腈的新型D-π-A型的荧光探针3TC,在DMSO/HO(1/3,v/v)溶液中,探针3TC对Cl O的检测呈现出了优异的光谱识别性能:高选择性、强抗干扰性、超快时间响应性(40 s)、高灵敏性、低检测限(9.8 n M)和宽p H工作范围(4.0-9.0)。利用探针3TC负载的硅胶粉成功实现了对Cl O快速高效比色检测,验证了探针3TC的实际应用潜能。