基于香豆素的新型近红外染料的设计合成及在生物领域的应用

Near infrared (NIR) fluorescent dyes are advantageous for in vivo bioimaging because of deep tissue penetration and negligible interference from the background autofluorescence of biomolecules in the organism. However, traditional NIR dyes suffer from limited fluorescence quantum yields in aqueous solution, poor photostability, small Stokes shift, and difficult synthesis. This project designed a series of novel fluorescent dyes by hybridizing coumarin and rhodamine moieties. The coumarin- and rhodamine-fused conjugated system demonstrated the following expected advantages: (i) the as-synthesized dyes retained the advantages conferred by the rigid structure of the coumarin and rhodamine derivatives, such as high fluorescence quantum yields, large Stokes shift, high photostability, and good water soluble. (ii) the emission wavelength was extended to the NIR region (>650 nm) when the fused-ring conjugate structure was extended during its facile synthesis. Therefore, these NIR fluorescent dyes are excellent candidates for biological applications, such as biosensor, bioimaging, biomarker, and clinical diagnosis.

近红外荧光染料由于其独特的优点，如对生物组织有更深的透光能力、有很强的抗生物组织自发光的干扰、可用于活体成像等，在生物学、临床医学上有十分重要的实际意义。然而目前真正实用化的近红外荧光染料极其有限，且存在着荧光效率低下、光稳定性差、Stokes位移小、合成路线复杂等问题，从而阻碍了近红外荧光染料的广泛应用。本项目拟利用原料易得的香豆素类衍生物，将香豆素与罗丹明两类发色团有机结合，设计出一类新型的近红外荧光染料。该类染料一方面能保留香豆素和罗丹明染料各自的优点，如Stokes位移大，光稳定性高、水溶性好等；另一方面香豆素基团的引入使得分子共轭体系大为增加，结构更加刚性，从而使得发射波长大大红移（达到650nm以上），同时具有较高的发光量子效率。期望该类新型荧光染料能在生物传感、体内外成像、生物标记等领域得到应用，并有望筛选出具有良好商业化应用前景的新型近红外传感分子与标记试剂。

设计合成光稳定性好、荧光效率高的近红外荧光染料不仅具有挑战性，同时也具有十分重要的应用价值。本项目基于原料易得的香豆素类衍生物，将其与其他传统荧光染料有机结合，取长补短，设计了一类新型的近红外荧光染料，并详细研究了其在生物检测及细胞成像中的应用。首先，将香豆素与派洛宁、N,O-双齿二氟化硼配合物、荧光素、苯并吡喃稠合，设计合成了一系列新型近红外荧光染料，该类染料不仅具有各自的优点，同时还具有发射波长长或者聚集诱导发光等新的特性，结合X单晶衍射和理论计算详细研究了不同取代基对其光物理性质的影响。其次，在香豆素与派洛宁杂合染料基础上进行取代修饰，设计合成了几类新型月牙型的氧杂蒽染料以及特异性荧光探针，不仅提高了其在极性溶剂中荧光量子产率，并引入氨基、羧基等活性基团通过进一步修饰制备了特异性荧光探针。最后，对新型荧光染料及其衍生物荧光探针进行了细胞及活体实验研究，详细考察了细胞毒性、成像效等，并研究了特异性核仁RNA探针、pH探针、溶酶体探针、线粒体探针在细胞分裂、凋亡中的应用。此外，本项目也将杂合的设计思想应用到荧光探针的设计上，将两个活性基团同时引入到香豆素母体上，制备出了能够区分识别三种小分子生物巯基的荧光探针。通过本项目研究，成功制备了一系列的新型荧光染料和荧光探针，为设计近红外荧光染料提供了很好思路。依托本项目已发表SCI论文12篇，待发表论文3篇；申请专利1项，获得授权专利2项；培养博士研究生2名，硕士研究生2名。