光化學傳感器是以光學信號為輸出信息且針對特異性識別目標分子的探測器,在現代生物醫學檢測中扮演著重要的角色。光化學傳感器可分為以紫外可見吸收為輸出信號的比色化學傳感器和以熒光為輸出信號的熒光化學傳感器。

　　本論文圍繞光化學傳感器的設計合成,開展了三部分工作:第一部分以二噻吩乙烯單元為母體,構建了比色化學傳感器用于選擇性識別F~-或Hg~(2+);第二部分以強熒光二苯乙烯單元為母體,構建了可同時識別氟離子和堿土金屬離子的雙功能熒光化學傳感器和識別Zn~(2+)的比度熒光化學傳感器;第三部分以羅丹明單元為母體,構建了Cr~(3+)和Hg~(2+)的熒光化學傳感器,并探討其在細胞熒光成像中的應用。具體研究內容如下:

 　　1、基于二噻吩乙烯單元的比色化學傳感器的構建 二噻吩乙烯由于具有熱力學穩定的可逆光致變色行為、優良的耐疲勞性能、高的量子產率和快的響應等優點,因此在分子開關、信息存貯、分子導線、光驅動分子馬達等方面得到了廣泛的應用。我們將米基硼單元共價鍵合到二噻吩乙烯母體上,合成了兩個具有光致變色性能的米基硼-二噻吩乙烯衍生物BTE-1B和BTE-2B,并利用氟離子與硼原子之間的酸堿相互作用或汞離子與噻吩硫原子之間的親和作用,實現了利用化學物質調控光致變色。BTE-1B和BTE-2B處于開環態時,在氟離子的作用下,表現為340nm處的吸收峰的消失;而當BTE-1B和BTE-2B處于光穩定態時,最大吸收峰前者從560nm藍移到490nm,而后者從655nm藍移到490nm;在汞離子存在的條件下,對開環態的BTE-1B和BTE-2B的影響均很小,但是當BTE-1B和BTE-2B處于光穩定態時,最大吸收峰前者從560nm藍移到490nm,而后者從655nm藍移到490nm。因此,BTE-1B和BTE-2B是具有化學物質和光同時調控性質的分子開關體系。 目前,光致變色材料用于非破壞性讀出還沒有完全解決,主要問題是讀出光與寫入光以及擦除光之間的光譜重疊。上轉換稀土納米晶(UCNP)在980nm激光泵浦下可以轉化為可見區的發射,其發射分別與BTE-1B和BTE-2B的吸收重疊,可望實現從UCNP到BTE-1B和BTE-2B的能量轉移。為此,我們將稀土納米晶(LaF_3:Yb,Ho:NaYF_4:Yb,Er)摻雜到具有光致變色性能的米基硼-二噻吩乙烯(BTE-1B和BTE-2B)聚合物薄膜中,利用分子之間的能量轉移實現了非破壞性上轉換熒光開關。

 　　2、基于二苯乙烯單元的熒光化學傳感器的構建 二苯乙烯型化合物由于具有較高的量子產率,在光電子學領域引起了人們的廣泛關注。我們將能響應氟離子的米基硼單元和能識別堿土金屬離子的氮雜冠醚單元同時引入到二苯乙烯共軛體系中合成了化合物DBTS。乙腈溶液中,在堿土金屬離子(Mg~(2+),Ca~(2+),Ba~(2+))的作用下,DBTS在410nm的吸收和580nm的熒光均發生猝滅;而四氫呋喃溶液中,在氟離子的作用下,DBTS的最大吸收波長從410nm藍移到330nm,而540nm的熒光發生明顯的猝滅,因此,DBTS是一個對氟離子和堿土金屬離子均有響應的雙功能熒光化學傳感器。此外,我們將具有強配位能力的三聯吡啶單元引入到二苯乙烯體系合成了化合物Car-tpy,實現了Zn~(2+)的比度熒光化學傳感。THF溶液中,在Zn~(2+)的存在條件下,Car-tpy的熒光發射峰從490nm紅移到600nm。

　　3、基于羅丹明單元的熒光化學傳感器的合成及其在細胞熒光成像中的應用 羅丹明具有長波長激發、熒光量子產率高、摩爾吸光系數大、光穩定好等優點,是一類性能優良的熒光化學傳感器。我們以羅丹明單元為母體,引入不同的結合位點,利用金屬離子誘導其從無熒光的螺環態向強熒光的開環態轉變,實現了Hg~(2+)和Cr~(3+)的熒光化學傳感,并進一步將其應用于細胞熒光成像中。 通過引入多結合位點的鍵合單元,合成了含有雙羅丹明的衍生物Fc-RB。在Hg~(2+)的存在條件下,溶液從無色變成淡紅色,并伴隨585nm熒光的增強,表明Hg~(2+)的存在能誘導Fc-RB中的羅丹明單元開環。共聚焦熒光成像實驗表明,Fc-RB具有良好的膜穿透能力,Hg~(2+)主要分布在HeLa細胞的胞漿區域。 由于萘酐和丹磺酰胺的熒光發射光譜和開環態羅丹明的吸收光譜具有很好的光譜重疊,滿足分子內共振能量轉移(FRET)的基本條件,因此我們將作為能量給體的萘酐和丹磺酰胺基團分別鍵接到羅丹明母體上合成了羅丹明的衍生物NA-RB和DANS-RB。在Cr~(3+)的存在條件下,NA-RB和DANS-RB被誘導開環,溶液的顏色由黃色變成淡紅色,熒光發射峰由540nm紅移到590nm,熒光顏色則由黃色變成紅色,從而實現了Cr~(3+)的的比度熒光化學傳感。更為重要的是,這兩個熒光化學傳感器NA-RB和DANS-RB可用于活細胞內Cr~(3+)的單光子比度熒光成像(NA-RB)和雙光子比度熒光成像(DANS-RB),為研究Cr~(3+)的生理功能提供了一種新的研究方法。 此外,我們還合成了二吡咯氟硼-羅丹明的衍生物BODIPY-RB,Cr~(3+)能夠選擇性誘導羅丹明開環,溶液從無色變成淡紅色,由于二吡咯氟硼的熒光發射和開環態的羅丹明不存在明顯的光譜重疊,FRET過程并不明顯,只能得到584nm的熒光增強的Cr~(3+)熒光化學傳感,并進一步通過共聚焦熒光成像實驗研究了Cr~(3+)在細胞中的分布。