基于荧光响应的金属离子传感器的构建及应用研究

发布时间：2020-08-17 19:35

【摘要】：矿石的开采,冶炼及工业废水的大肆排放等人为活动导致了大量的重金属离子进入环境。重金属离子不同于其他污染物,其无法被微生物所降解,还会随着食物链不断的迁移和富集,最后被人体摄入从而引发健康问题。因此环境中重金属离子的有效监测是至关重要的,其也是环境治理的重要前提。荧光检测技术是一种具有选择性好,灵敏度高,检测成本低,响应快,信号肉眼可见等优点的有效检测技术,其已经被成功的用于环境检测及生物医学等各个领域。其中在重金属离子检测方面的应用尤为广泛。近年来,国内外报道的荧光探针对于特定目标金属离子的检测均能达到了较好的效果,但同时大多数探针存在的制备过程繁琐,检测灵敏度偏低,响应单一等缺陷在推广应用上也受到了很大的局限,这已然成了科学研究者亟待解决的问题。本论文构建了一系列制备简单、良好检测效果的单重可逆型荧光探针,接力识别型荧光探针,双重响应型荧光探针及多重响应型荧光探针,并实现了对环境及生物体内特定目标金属离子的选择性识别检测。通过对探针体系的光学性质进行一系列的表征,检测及机理实验,阐明了其物化性质,光学信号变化机制及对目标离子的选择性响应原理等。1、一种可逆型的Cu~(2+)荧光探针的构建及其应用研究基于简单的C=N双键增加肉桂醛体系共轭度的原理构建一种新型的ON-OFF荧光探针。该探针对Cu~(2+)具有独特的荧光响应选择性。在紫外灯的照射下向探针溶液体系中加入Cu~(2+)离子,体系绿色荧光发生淬灭,荧光信号肉眼可见。通过光学谱图等对探针的光学性质及识别性能进行了一系列的讨论分析。发现该探针对Cu~(2+)离子表现出较低的检出限(2.65×10~(-9) M),强的抗干扰性及可逆性等优点。同时,基于密度泛函理论分别对探针和[探针-Cu~(2+)]复合物的几何构型和能级分布进行了计算分析来进一步辅助理解响应机制。最后还将具有低的毒理性和良好细胞穿透性的探针用于活体细胞中目标Cu~(2+)的成像分析,展示了该探针在活体细胞中的实际应用价值。2、一种Fe~(3+)和磷酸根离子的接力识别型荧光探针的构建及应用研究以刚性平面结构的氰基联苯为荧光信号基团,并引入含强亲合性氮原子的苯基噻唑提高其选择性识别,设计制备了一种新型的Fe~(3+)和PO_4~(3-)离子的接力识别型荧光探针。该探针先对Fe~(3+)表现出极好的选择性荧光猝灭响应,形成的[探针-Fe~(3+)]复合物体系又可以作为一个新的原位检测体系用于接力识别PO_4~(3-)并释放出自由探针使体系恢复红色荧光。基于大量的光学实验分析得知该探针及[探针-Fe~(3+)]复合体分别对Fe~(3+)和PO_4~(3-)表现出了高的选择性,灵敏性及抗干扰性等检测优点。还通过质谱和紫外可见吸收光谱对[探针-Fe~(3+)]复合体的形成进行了验证。并基于实验工作曲线和理论计算相结合的方式探讨了探针与Fe~(3+)的结合计量比及结合方式。同样成功地将探针用于实际水样中对Fe~(3+)离子的加标检测及活体细胞中Fe~(3+)离子的成像。该探针为开发设计新型的荧光探针用于金属阳离子和阴离子的接力检测提供了平台。3、一种对Zn~(2+)和Hg~(2+)具有双识别性能的荧光探针的构建及其应用研究首先设计合成了具有对称结构的2,6-二甲酰基-4-甲基苯酚,并基于向两个甲酰基上引入目标离子响应位点而构建了一种具有双识别性能的新型荧光探针。该探针对纯水环境中的Zn~(2+)和Hg~(2+)离子分别表现出了绿色和红色的荧光响应信号及高的选择性和灵敏性。基于系列的光谱实验分析可知该探针对Zn~(2+)和Hg~(2+)离子的检测限可达纳摩尔级,而且结合常数较高且抗干扰能力强。同时基于密度泛函理论对探针、[探针-Zn~(2+)]离子以及[探针-Hg~(2+)]复合体的几何构型,前沿分子轨道能级分布及NBO等进行了计算分析,合理阐述了探针对Zn~(2+)和Hg~(2+)离子的荧光响应机理。同时还将探针用于真实环境水样中Zn~(2+)和Hg~(2+)的加标检测及活体细胞中目标离子的成像分析。此工作提出了一种探针识别双金属离子的荧光检测方法,提高了环境、生物体中金属离子检测效率、降低了人力及检测成本,为多重响应型荧光检测技术的开发提供了新思路。4、一种新型的多重响应型金属离子荧光探针的构建及应用研究基于金属离子控制罗丹明染料螺环开环及对氰基联苯酚异构化来实现荧光可控的原理构建了一种对Zn~(2+)、Al~(3+)、Fe~(3+)和Cr~(3+)具有多重识别性能的新型荧光探针。该探针自身无荧光发射,当探针的溶液体系加入目标金属离子后,金属离子诱导探针结构发生不同的变化而分别呈现出不同的荧光信号。通过系列的光学实验讨论了探针对Zn~(2+)、Al~(3+)、Fe~(3+)和Cr~(3+)四种目标离子的选择性及高灵敏性。此外还讨论了常见金属离子及阴离子共存时对目标离子检测的影响。采用密度泛函理论对探针与探针-金属复合体几何构型进行了优化,并对热力学参数及前沿分子轨道能级分布进行了分析,并结合~1H NMR光谱分析对探针体系呈现出的不同荧光响应及其机制进行了解释说明。最后探针被成功的用于实际水样中目标离子的加标检测,同时还将探针制备成了便捷式检测条,可用于目标离子的快速定性分析。本研究为成功将荧光检测技术应用实际样品中多种金属离子的简单、快速检测奠定基础。5、一种双识别位点的pH荧光响应型及Cu~(2+)比色响应型探针的构建及其应用研究基于酸控制罗丹明染料螺环开环和碱控制3-甲酰基-4-羟基-4-氰基联苯的烯醇式异构化为酮式结构构建了一种双位点的新型荧光探针。该探针不仅可以对体系pH进行荧光检测,同时在中性条件下还可以对Cu~(2+)离子进行比色识别。探针在酸性pH条件下,体系呈现出明显的红色荧光;碱性pH条件下,体系呈现出黄绿色荧光;中性条件下无色无荧光,铜离子的加入会导致探针体系的颜色发生由无色到粉红色的变化。通过光学实验讨论了探针在不同pH条件下的光谱变化,验证了探针的荧光性质能会随所处环境的pH变化而变化,而且具有可逆性。此外探针对Cu~(2+)的比色识别也表现出了选择性,高灵敏性及抗干扰等优点。除了Cu~(2+)离子外常见阴阳离子对pH的检测并无影响。最后还通过细胞成像实验讨论了探针对生物细胞内pH的响应效果。
【学位授予单位】：江苏大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：X832
【图文】：

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图 1.4 探针对铜离子的荧光响应示意图hematic diagram of fluorescence respond mechanism of pro等人[40]合成了一种新型罗丹明 6G 衍生物荧光增对铜离子表现出高灵敏的荧光响应，当加入 10了约 80 倍。铜离子的检测限可低达 3.0×10-7M应的，而且是可逆的。更重要的是铜离子加入引会因其他重金属或过渡金属离子的共存而受到干检测应用对探针的要求。该探针还成功的被用于对活体细胞中铜离子的荧光成像分析，这也表明际应用价值。

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f fluorescence respond mechanism of probe to Cu2+.Yan Zhao 等人[40]合成了一种新型罗丹明 6G 衍生物荧光增强型探针。如图1.5 所示，该探针对铜离子表现出高灵敏的荧光响应，当加入 10 当量的 Cu2+时，体系的荧光增强了约 80 倍。铜离子的检测限可低达 3.0×10-7M。该探针对 Cu2+的传感是瞬间响应的，而且是可逆的。更重要的是铜离子加入引起的溶液颜色和荧光的变化并不会因其他重金属或过渡金属离子的共存而受到干扰，这一性质也恰好满足了实际检测应用对探针的要求。该探针还成功的被用于真实水样中目标离子的检测以及对活体细胞中铜离子的荧光成像分析，这也表明了探针在环境和生物细胞中的实际应用价值。图 1.5 探针对 Cu2+的荧光响应示意图及细胞成像Fig. 1.5 Schematic diagram of fluorescence respond mechanism of probe to Cu2+and the cellimaging.

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基于荧光响应的金属离子传感器的构建及其应用研究Sivaiah Areti 等人[41]报道了一种基于香豆素的 Cu2+荧光传感探针，其是以荧光团香豆素与水溶性的葡萄糖通过 C=N 双键结合制备而成，该探针化合物由于葡萄糖的引入大大增强了体系的水溶性，减少了有机溶剂的引入。探针自身在490 nm 处有一个强的发射峰，当与铜离子结合后体系的荧光发生了很大程度的猝灭，猝灭程度高达 95%以上，而其他常见金属离子的加入并没有引起体系荧光的变化，这表明该探针对 Cu2+具有特异性识别性能。为了讨论铜离子与探针的结合方式，研究人员还采用了密度泛函理论计算（DFT）对金属与探针复合物的两种异构形式的构型进行了优化分析。此外还将探针附于硅胶板上制备了便携式的 Cu2+检测固体板，而且探针对血清及活体细胞中的 Cu2+也表现出很好的荧光响应。

【参考文献】