基于化学发光的生物正交“点击-发光”反应

By fluorescence imaging techniques, biomolecular imaging with covalented fluorophores by bioorthogonal reaction allows real-time monitoring of cellular processes with high spatial and temporal resolution, which helps researchers to understand biological process. However, small fluorophore always brings high background and strong auto-fluorescence. To address these problems, we designed “click-on” type bioorthogonal reactions based on chemiluminescence due to its high sensitivity and the simplicity of the equipment required. In this project, the chemiluminscence emits while trigger the bioorthogonal reaction between the tipical functional groups like azide, tetrazine and terminal or cyclic alkene. These “click-on” type reactions would synchronize labeling and emission and provide a new method for bioorthogonal fluorescent imaging, which may have potential applications in visible drug delivery, visible supramolecular chemistry and so on.

利用生物正交反应，将小分子荧光染料共价连接到目标大分子上，借助荧光显微镜成像技术，监测生物细胞内部的目标分子，是研究人员了解生物内部许多生物过程的重要手段。但是，外源荧光染料会带来很强的背景干扰，而且在激发荧光分子时也会激发生物体内部发光物质产生干扰荧光。本项目设计了“点击-发光”体系，利用生物正交反应来诱导化学发光：在常用的生物正交反应官能团如叠氮，四嗪与端烯或环烯反应的同时，诱导二氧杂环丁烷开环并发出荧光。化学发光不用激发光激发；简化荧光监测过程；不用引入外源染料，因此可以提供最灵敏的荧光信号输出。这种“点击-发光”可以实现“定点标记-荧光信号”同步，提供一种新的利用生物正交反应监测的目标大分子的方法，在荧光监控药物释放，可视化的超分子领域等都有潜在应用。

本项目想要开发一种“点击化学-荧光点亮”反应。因其具有很高的信噪比，首先选取了化学发光作为研究对象。通过“四嗪-烯”和“叠氮-烯”两类点击反应来诱导化学发光。通过实验说明了反应速率，及单位时间产生光子数对于荧光检测的必要性，转而开发了光诱导分子内“四唑-烯”环加成反应作为荧光点亮反应，成功得到“光诱导-点击-发光”反应，该反应具有双重诱导发光的特点，具有很高的信噪比和时空可控性，借助位阻效应和氢键作用机理，对该反应进行了化学修饰，可以将发光强度进一步提升，可以有效提高其在水中的亮度，细胞成像只需要纳摩尔浓度。在合成的过程中，我们也受到启发，开发了基于硫-氧化四卤噻吩的D-A反应来构筑纳米级多环芳烃的方法合成了一系列主族元素掺杂的多环芳烃，并研究了其性质。