基于杂原子螺环化合物的小分子荧光探针设计及其分子识别应用

分子识别与传感是分析化学的核心问题，设计、合成各种同时具有分子识别及信号表达功能的光学探针，以实现对生命和环境领域中具有重要意义的金属离子的检测，已经成为当今分析化学传感器领域发展的一个重要方向。本项目结合螺环化合物的结构和光化学特点，以及当前阳离子荧光探针的研究现状，设计合成一系列杂原子螺环化合物作为荧光探针，从而实现对金属阳离子的光化学传感检测。运用多种光谱学的方法系统评价具有不同结构特征的探针分子对目标分析物的识别与传感性能，以发展具有高灵敏度、高选择性、适用于水体系以及具有长波长激发和荧光发射的光化学传感器，实现对目标分子的高效识别和光学传感。通过结构关系的研究，进一步考察探针分子的识别性能与传感机制，从而探索分子水平上设计、合成阳离子荧光探针的指导思想，进一步拓展阳离子荧光探针的种类，发展新型的光学探针。

本项目利用有机杂环、螺环化合物以及新兴的纳米材料特殊的结构和光学特性，以其作为荧光探针实现了对环境和生命体中具有重要意义的金属阳离子Hg2+、焦磷酸根阴离子（Pyrophosphate, PPi）、结合珠蛋白质（Haptoglobin, Hp）及C3补体蛋白和凝血酶（Thrombin）的识别与检测：.1）设计、合成了一种新型的苯并吲哚啉螺吡喃化合物，基于金属协同配位作用，该化合物的Zn2+络合物能够与焦磷酸根离子（PPi）形成2:1的三元自组装络合物，荧光光谱发生明显变化，可利用荧光比法测定尿样中的PPi含量。该研究拓展了螺吡喃类物质在阴离子识别方面的应用；以及发展了一种具有高灵敏度、高选择性、适用于水体系以及具有长波长激发和荧光发射测定PPi的光化学传感探针。.2）基于β-内酰胺卡宾与吡啶异腈的一步反应合成了一系列具有不同取代基的咪唑并[1，2- a]吡啶衍生物，该类化合物具有极高的荧光量子产率，探究了该类物质作为荧光探针在金属离子识别方面的应用。发现在Na2HPO4-NaH2PO4中性缓冲水溶液中化合物对Hg2+相对于其它金属离子有很好的选择性荧光光谱响应，其作用机理为基于配体与金属原子间电荷转移而导致的荧光猝灭。该工作开拓了咪唑并[1，2-a]吡啶类化合物作为阳离子荧光探针的应用。.3）将羧基修饰的单壁碳纳米管掺杂到梯度聚丙烯酰胺凝胶电泳（PG-PAGE）中，由于碳纳米管与蛋白质间的静电及输水相互作用，改善了PG-PAGE对人血清蛋白的分离效果，相比于普通的PG-PAGE可以得到更多的蛋白质条带，用此方法对健康人和肝病患者的血清样品进行对照分离，发现肝病患者的血清中部分结合珠蛋白和C3补体蛋白缺失，该研究扩展碳纳米材料在分析化学分离方面的应用。.4）以Cd2+活化的CdTe量子点为荧光探针，通过Cd2+-CdTe与凝血酶对凝血酶适体的竞争结合，引起CdTe QDs荧光强度的变化，实现了aptamer非标记、非共价偶联对凝血酶的荧光传感检测，该体系对凝血酶响应的选择性很高，能够用于血清样品中凝血酶的直接检测。相比于通常将aptamer共价偶联上荧光团或修饰到特定基底表面，该方法简单、方便。