基于含硫取代基的汞离子荧光探针设计、性能调控及生物应用研究

作     者：王颖达 

作者单位：北京化工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：冀辰东;杨晓印

授予年度：2024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 汞离子检测 可逆性 萘酰亚胺 半菁染料 生物成像 

摘      要：汞是一种天然存在的元素,其氧化形式汞离子(Hg2+)活性较高,可在生物体内与活性物种相互作用,并在进入机体后诱发严重的肾组织损伤和神经中毒。因此,发展灵敏度高、选择性好的分析方法实现生命体系中Hg2+的精准检测具有重要意义。传统Hg2+检测方法存在样品制备复杂,成本高,程序耗时等不足,而新兴的荧光分析技术灵敏度高、选择性好,使用到的荧光探针合成简单、操作简便,且可以对生物体内Hg2+实现非侵入原位检测。然而,在Hg2+荧光探针的设计策略中,兼顾高选择性、高灵敏的同时,如何保持荧光探针的可逆性至今仍然未得到有效解决;此外,近红外反应型探针仍然存在荧光猝灭、稳定性差、灵敏度不高等问题,难以实现生物体内Hg2+的实时监测。针对以上问题,本论文设计了两种含硫取代基的荧光探针:第一种为配位型Hg2+荧光探针,通过取代基的吸推电子调控及苯硫醚引入提升Hg2+响应灵敏性和特异性,同时保持可逆响应效果,实现生物体内Hg2+实时监测;第二种为反应型Hg2+荧光探针,通过开发稳定的半菁荧光核并引入硫代氯甲酸苯酯构建探针,提升其响应特异性及灵敏度,同时保持近红外荧光发射,实现Hg2+高对比度近红外生物成像。本论文具体包含以下两类荧光探针的研究: 1.设计并合成了一系列基于萘酰亚胺和不同苯硫醚取代基的配位型Hg2+荧光探针NI-PSO、NI-PS、NI-PSF。苯硫醚取代基赋予荧光探针聚集诱导发光（AIE）性能及对Hg2+的可逆响应性,通过引入吸推电子结构调控苯硫醚取代基的配位能力,从而实现荧光探针的Hg2+响应活性调控。其中,具有推电子结构的NI-PSO灵敏度最高,其Hg2+检测极限达到0.1822μM。苯硫醚取代基在保持荧光探针可逆响应性能的同时带来响应特异性提升,NI-PSO加入Hg2+后荧光增强160倍。核磁共振氢谱、动态光散射等实验验证荧光探针的响应机理,即在Hg2+存在下NI-PSO与Hg2+发生配位导致分子聚集,通过AIE效应实现荧光开启。通过在细胞及斑马鱼中的荧光成像实验,验证了NI-PSO在生物体中对Hg2+的可逆检测性能。基于此,实现了对细胞内Hg2+积累和清除过程的实时监测。 2.设计并合成了一种基于半菁和硫代氯甲酸苯酯的反应型近红外Hg2+荧光探针IR825-OSH。探针的稳定性良好并且由于共轭结构延长,在红光区有强烈吸收。探针响应Hg2+后,在730 nm处的近红外荧光开启。由于硫代氯甲酸苯酯的引入,探针的检测极限低至10.88 n M并且干扰离子无法影响其Hg2+检测效果,表明其具有高灵敏性和特异性。通过核磁共振氢谱、质谱等验证荧光探针的响应机理,即硫代氯甲酸苯酯基团离去使分子内电荷转移效应开启,导致探针吸收红移和荧光增强。进一步,在细胞层次验证了IR825-OSH可以实现细胞内的Hg2+检测和高对比度近红外生物成像。