新型反应型荧光分子探针设计思路的开发及其在构建高灵敏、多通道比例型探针的相关应用研究

Development of fluorescent molecular probes is an important discipline of organic chemistry and other relevant fields. Design principles are the corner stones of the field and has been a hot fundamental research topic within the field. Traditional method of tethering a dye and a receptor via a covalent linker remains a most accessed approach, while probes involving chemical modification of the fluorophore backbone are gaining popularity. They are typically designed via one of the following three approaches: 1) modification of the push/pull moieties; 2) breakage/restoration of the conjugation between the push and pull moieties; 3) breaking/restoration of the regidifying bridge. Recently, we devised a novel design principle for such reactive probes, which is called "fluorophore assembly" approach. In an assembly-type probe, a fluorophore is broken into two fragments. These two fragments may be assembled together to afford the fluorophore via substrate triggered cascade reaction. Such probes can give either a turn-on signal from dark background or a red-shifted dual-channel ratiometric signal. We plan to further our study on this novel principle and hopefull will be able to popularize the design principle.

基于荧光染料架构分子探针是有机化学的一个热门研究方向。设计思路对探针的开发有广泛的指导意义，又是分子探针领域的重要的基础研究内容。"染料-连接臂-受体"是最经典的设计思路。近年来，通过直接修饰染料母核得到的反应型探针因为选择性高而备受关注。到目前，其设计方法主要有如下三种：1）修饰推/拉电子基团；2）破坏/恢复推拉电子体系的共轭；3）破坏/恢复刚性化连接臂。近期，我们提出一条新的设计思路－"染料组装法"（Fluorophore Assembly）。这类探针的设计核心思想是把荧光染料打断为两个片段，这两个片段又可以通过底物诱发的一个级联反应重新组装在一起，给出信号。组装类探针的优点是它可以给出一个"从无到有"的高灵敏荧光信号，或者是一个 波长"从短到长"的双通道比例型信号。我们在前期工作中取得较好的基础，拟进一步深入开发，使"染料组装"思路能够得到同行的认可和积极应用。

分子探针在机制研究、诊断治疗、环境监测等领域有广泛的应用价值。探针的设计思路是本领域的基础研究。我们基于在染料化学领域的研究积累，提出一种新的探针设计思路，并将其命名为“共价组装”。该思路的核心是染料的推拉电子共轭链是由待测底物引发的级联反应在检测体系原位生成。因此，探针本身不对检测产生任何背景干扰，检测的灵敏度极高。基于该思路，我们设计了系列分子探针，可用于活性氧、重金属、神经毒剂等的检测。这部分研究结果分别发表在本领域高影响期刊，包括J. Am. Chem. Soc.、Anal. Chem.等等。工作发表后，也受到领域的较多关注、证明评论及引用，在本领域产生了一定的影响。有部分国内外课题组对我们的工作进行了跟踪研究。.除却既定研究内容外，本课题组还在于本项目相关的染料化学领域开展如下两个方向的预研。.第一、光控、光激活的一氧化氮释放及生物响应。生物活性分子的控制释放在化学生物学机制研究以及转化医学疾病诊疗等领域有重要应用。现有一氧化氮供体的释放机制较单一，无法实现一氧化氮释放的可视化。我们首先发现N-亚硝化的推拉电子共轭体系在光照情况下会发生均裂释放一氧化氮，同时释放出一个推拉电子类荧光染料。基于该思路，我们设计合成一系列光控光激活供体，并在抗真菌、血小板凝结抑制、间充质干细胞迁移等实验中获得应用。相关工作发表在Anal. Chem.、Chem. Comm.、 Org. Lett.、 Bioconjugate Chem.等。.第二、新染料的设计合成应用。新染料的开发是染料化学领域的核心研究内容，而红外荧光染料的开发又是本领域的研究难点。本人经过长时间的努力，近期取得突破。开发最大吸收波长大于800nm的系列红外荧光染料。工作发表在Angew. Chem. Int. Ed，并获得科学子刊《科学转化医学》的专题评述。这些红外染料的应用正在稳步推进。我们还开发其它多个系列的新染料，工作发表在J. Org. Chem.、Chem. Comm.等。.综上所述，本人在项目执行期间既很好的完成了既定研究，又开展了相关的预研，很好的完成了项目计划书中所定的各项成果考核指标。