基于常压质谱的小分子荧光探针合成及识别检测研究

There are a wide variety of fluorescent probes, showing complicated recognition mechanisms with different synthesis conditions, solubilities, polarities or pH values, which make studies on synthesis, recognition and detection much stressful. For the examinations on fluorescent probes, the conventional optical methods can only provide indirect molecular information. Commercial mass spectrometry can give the direct information on molecular structures of fluorescent probes or other important molecules, but it is still hard to achieve real-time monitoring to find important intermediates or to characterize the recognition process with quite weak interactions, making mechanism studies on synthesis and recognition difficult. Here based on our previous works on ambient mass spectrometry and spectral detections, we prepare to fabricate ambient ion sources for examining the synthesis, recognition and detection of fluorescent probes, which can achieve the ambient, rapid, in-situ and real-time detections in synthesis conditions or biological environments. Therefore, the important information on molecular structures of reactants, intermediates, products and ect. can be obtained for the examination. Combining with multiple techniques including fluorescence spectrometry, ultraviolet spectroscopy, nuclear magnetic resonance, and ect., we intent to clear the synthesis mechanisms of fluorescent probes by reaction monitoring. Furthermore, the changes on molecular structures during detections should also be examined to reveal the recognition and detection mechanisms in the complicated biological systems. The present project will evoke a new powerful detection tool for the development and understanding of synthetic chemistry, biological detection, environmental protection and disease diagnosis.

荧光探针种类繁多、识别作用复杂且强弱各异，并且合成条件、水溶性、极性、酸碱性又大相径庭，给合成和识别检测研究带来了很大压力。常规光谱法只能提供间接分子信息，商用色谱-质谱联用技术尽管可以提供直接分子结构信息，却难以用于实时监测，不利于检测瞬时中间体，对探针识别的复杂弱相互作用更是难以准确表征，仍是机理研究的一个困扰。本项目拟以申请人前期在常压质谱及光谱检测方面的工作为基础，针对荧光探针的合成及生物检测体系，构建常压质谱离子源，建立具有较强检测性能的常压、快速、原位、实时质谱分析方法，获取反应物、中间体、产物等重要分子结构变化信息；结合荧光光谱、紫外光谱、核磁共振等多种表征技术，对荧光探针的合成过程进行监测及反应机理研究；研究其在识别检测时的结构变化，诠释在生物复杂环境下的识别检测机理。该项目的顺利开展将对合成化学、生化检测、环境保护、疾病诊断等领域的发展及生命过程的认识起到推动作用。

本项目拟以申请人前期在常压质谱及光谱方面的工作为基础，建立常压、快速、原位、实时质谱分析方法，对荧光探针的合成和生物识别进行监测及机理研究。在探针合成研究中，针对光催化荧光分子合成反应、超分子自组装荧光探针、查尔酮类荧光探针等合成体系，利用本课题组前期报道的多相层流萃取电喷雾在线质谱技术（MF-EESI），检测和监测反应物、中间体和产物，推测合成机理；在生物物质的检测机理研究中，设计了在线衍生装置对谷胱甘肽、半胱氨酸、同型半胱氨酸等进行同时检测，还设计了体内H2S检测的近红外荧光探针，通过质谱监测推测传感机理，并探索生物环境对传感的影响；针对荧光成像，合成了有机荧光探针并利用质谱对合成过程进行研究，进而对生物体内Hg2+及甲基汞进行灵敏定位，为代谢研究提供了重要数据。还探索了溶剂对探针荧光信号的影响，结合最小二乘法，实现了水凝胶内溶剂成分的原位评价；通过质谱解析研究光动力治疗，明确了脂质过氧化治疗路径，为绿色诊疗体系研究提供了有力工具；基于离子化的高反应活性，研究了加速反应，开发了电喷雾快速荧光纳米材料合成方法，并探索其在生物成像及绿色催化等领域的应用；最后，基于常压质谱研究的经验积累，结合最新前沿进展，对常压质谱反应监测研究进行了总结和综述。. 基于相关工作，授权国家发明专利6项；发表有本项目基金标注的论文48篇（第一标注的15篇），一区及Top文章23篇，影响因子大于4.0的有37篇。以通讯联系人身份发表36篇，包括Chem. Sci.、Mass Spec Rev., Small、Nanoscale、Anal. Chem.、Chem. Comm.等，被“分析人”、NanoLab奇物论、RSC荧光皇家化学会、Mat+等报道。. 项目执行中，培养博士生14名（毕业9名），硕士生7名（毕业2名），博后1名。获得博士生新生特等奖学金3人/次（8万元），国家奖学金2人/次，“北京师范大学优秀毕业生”2人/次、“北京市优秀毕业生”2人/次。. 因此，从研究内容和成果形式上，均超额完成了项目预期目标。