焦磷酸根荧光探针材料分子的设计、筛选、合成和机理研究

Pyrophosphate (PPi), a kind of important biological functional anion, plays very crucial roles in life science, environmental science, medical science and material science. The design and preparation of highly efficient fluorescent PPi probes have attracted much attention in organic optical materials due to the simplicity and high sensitivity of fluorometric analysis. However, at present the design of fluorescent probes mainly depends on experimental experience with insufficient theoretical guidance, therefore there is a certain blindness. In this proposal, based on our previous work, we will design a series of fluorescent PPi probes with BODIPY as fluorophore, and N,N-bis(2-pyridylmethyl) ethylenediamine（BPEA）as chelator. The TDDFT method will be used to study the fluorescent sensing mechanism of the as-designed fluorescent PPi probes and then screen the target molecules. After that, those screened target molecules will be synthesized for experimental verification. The above study can provide a solid theoretical basis in the rational design of new-typed highly efficient fluorescent probes.

焦磷酸根（PPi）作为一种重要的生物功能阴离子在生命科学、环境科学、药物科学和材料科学等方面都起着非常重要的作用。鉴于荧光分析具有操作简便、灵敏度高等突出优点，设计合成高效的PPi荧光探针已成为近年来有机光功能材料领域研究的热点之一。但是，当前PPi荧光探针的分子设计主要是依据一些粗略的实验经验，缺乏有力的理论指导，导致探针分子的结构设计存在一定的盲目性。本项目拟在课题组以往工作的基础上，设计系列以二氟化硼-二吡咯甲烷（氟硼荧，BODIPY）为荧光团，N,N’-二（2-吡啶甲基）乙二胺（BPEA）为识别基团的PPi荧光探针分子。运用含时密度泛函理论（TDDFT）研究这些探针的荧光传感机理，筛选出目标分子，并进行实验验证。通过以上研究，探索量子化学计算在荧光探针分子设计中的应用规律，为发展高效的荧光探针材料提供坚实的理论基础。

随着生命科学地不断发展，荧光分子探针因其灵敏度高、选择性好、实时监测及操作简单等优点，已被广泛的应用于现代科学与医学等领域。因此，设计、合成新型荧光探针分子具有重要的意义。氟化硼络合二吡咯甲川（BODIPY）类荧光染料由于其优秀的物理化学性质被广泛地应用于荧光探针分子的设计与合成中。本项目采用新方法设计、合成了系列BODIPY类荧光探针。应用密度泛函理论（DFT）及含时密度泛函理论（TDDFT）从微观上探讨了探针的响应机理。该系列探针对焦磷酸根(PPi)和pH有高的敏感度，不受金属离子的干扰，对于生物体系PPi和pH的检测具有潜在的应用价值。新的方法反应条件温和，有利于不稳定的化合物参与反应。这种简单且十分有效的制备方法将为BODIPY类荧光探针的实用化和产业化提供新思路。