用于检测生物体系铝离子的近红外水溶性荧光探针的分子设计

Aluminium is the most abundant metallic element in the crust, and it is widely used in human life. But if Al3+ is too high in the soil, water or living organisms, it will do harmful effects on living organisms. As a result, it’s a very important topic to detect Al3+. Fluorescent probe analysis has attracted much attention due to its simple equipment, easy operation, high sensitivity, good selectivity and fast detection. However, to our knowledge, few researches are concentrated on water-soluble and near-IR fluorescent probes to detect Al3+ in biological systems. To solve this problem, we plan to investigate the selective recognization mechanisms of fluorescent probes on Al3+ by theoretical calculations. Another purpose of this project is to find a theoretical approach to predict water-solubility. Based on above, by means of modification on the experimental molecular structure to extend the emission in near-IR region, finally water-soluble and near-IR fluorescent probes for detecting Al3+ will be designed, which will extend its biological applications.

铝是地壳中含量最丰富的金属元素，广泛应用于生产生活的方方面面。但是如果土壤、水体、生物体内Al3+含量过高，将会对生物造成很多不良影响，因此对Al3+的检测是一个非常重要的课题。荧光探针分析法以其设备简单、操作简便、灵敏度高、选择性好和反应快速等特点，引起了人们的广泛关注。然而，据我们所知，可用于生物体系的具有水溶性且可在近红外区发光的Al3+荧光探针分子鲜有报道。针对这一问题，本项目拟采用理论计算的方法，系统研究Al3+荧光探针分子对Al3+的选择性识别的机理；寻找一套能理论预测探针分子在水中溶解性的方法；在此基础上，通过对探针分子结构的修饰，拓展其在近红外区的荧光发射，最终达到设计出具有水溶性且可在近红外区发射荧光的Al3+荧光探针分子的目的，以实现对生物体系中Al3+的高效探测。

铝在地壳中含量丰富，在人类生活、工农业生产中都扮演着重要的角色。然而浓度过高的铝不仅会抑制动植物的生长，也会危害人类健康，引发一些神经退行性疾病。本项目集中于近红外Al3+荧光探针的理论设计，以实验上已合成的可见光区的Al3+荧光探针分子为基础，结合近红外荧光团，设计出能在近红外区发光的Al3+荧光探针，并从量子化学角度计算探针分子的结构、电子光谱、静电势、与金属离子的相互作用、与Al3+生成配合物的结构和电子光谱等，理论预测探针的性能，初步判断探针分子能否用于检测Al3+。在开展项目期间，发表学术论文5篇，培养硕士研究生两名，均已顺利毕业，参加了3次国内国际学术会议。在该项目的支持下，已设计出两种基于水杨醛酰腙席夫碱衍生物的近红外Al3+荧光探针和一种基于光诱导电子转移机理的氮杂-BODIPY类荧光探针，研究发现前者有希望作为水溶性的比率型荧光探针，后者是淬灭型的荧光探针。另外，从理论上还预测出一种吡唑啉酮类化合物可用作Al3+荧光探针，并进行了实验合成和探针测试，结果表明实验与理论相符。因此，我们走出了一条理论指导实验的道路。在该探针基础上，设计出了新的增强型近红外Al3+荧光探针。这4种新的近红外Al3+荧光探针的预测为将来实验合成提供了理论依据。