基于“双功能”因子调控d-PET过程的近红外比率荧光探针的构建及重金属离子识别性能研究

Most attention has been paid to near-infrared(NIR) ratiometric fluorescent probes in the design of heavy metal ions fluorescent probes, causing the NIR ratiometric probes exhibits special advantages including minimal interfering absorption and fluorescence from biological samples, low scattering, and deep penetration into tissues, and eliminating disadvantage of the excitation backscattering, the probe concentration and environmental conditions effects, which have high sensitivity and is more suitable for cell imaging. In this program, the heptamethine cyanine was selected as a NIR fluorophore, and rhodamine derivatives was chosen as a dual-function modulator to construct a whole system connected by linker which have recognition character. We speculated that modifying an electron-donating rhodamine spirolactam group into a heptamethine dye platform that could be specially induced by metal ions to convert spriolactam form to an electron-drawing opening form will activate the d-PET process of cyanine to rhodamine and emit another fluorescence simultaneously, provide a shift switch for ratiometric detection of metal ions and apply to living cell imaging and analysis of water samples. This program can supply important data and theory acknowledge for exploring novel designing strategy of NIR ratiometric probes and synthesis of more preferable metal ions fluorescent sensors. In addition, this program can expand the rhodamine or cyanine application in designing fluorescent probes.

近红外比率荧光探针能有效降低生物样品自吸收和自发荧光、光散射、探针浓度及检测环境等因素的干扰，并能深入到组织内部，检测灵敏度高且更适合荧光成像，在重金属离子荧光探针设计中受到广泛关注。本项目拟选取七甲川花菁染料为近红外荧光团，罗丹明衍生物为“双功能”调控因子，用具有重金属离子识别性能的连接基把二者联接起来；通过重金属离子诱导下调控因子“闭-开”环结构转变后供吸电子能力的逆转，调节花菁染料激发态到调控因子的d-PET(donor-excited PET)过程，同时调控因子又作为新的荧光信号输出单元；从而构建大发射光谱位移的高分辨近红外比率荧光探针，并应用于重金属离子的荧光成像及环境水样分析。该项目的成功实施可为新颖近红外比率荧光探针设计策略的提出以及合成性能更加优异的重金属离子荧光探针提供重要理论依据和数据支持，同时也可使基于单一罗丹明或花菁染料的传统荧光探针设计焕发新的生机。

近红外比率荧光探针由于能够有效降低生物样品自吸收和自发荧光、光散射、探针浓度及检测环境等因素的干扰，同时并能深入到组织内部，检测灵敏度高且更适合于细胞及组织内活性分子的荧光成像，所以在小分子荧光探针设计中备受关注，但小分子近红外比率荧光探针的设计构建依然面临诸多挑战。. 项目制备了几种中位含刚性氯代环己烯环的近红外三碳菁染料，以及环己烯为苯环取代的近红外花菁染料和新型半花菁染料母体，然后以这些花菁染料为近红外荧光团，再选取具有“双功能”作用的罗丹明衍生物作为调控因子，用具有各种识别性能的连接基把花菁染料与罗丹明联接起来，基于d-PET机理成功构建了10余种具有大发射光谱位移的高分辨近红外比率荧光探针；通过小分子诱导调控因子“闭-开”环结构转变后供吸电子能力的逆转，调节花菁染料激发态到调控因子的d-PET(donor-excited PET)过程，同时调控因子又作为新的荧光信号输出单元，从而实现了项目的设计策略。. 项目研究了合成探针的光化学、光物理及活性小分子识别性能；探索出了一定的各种取代基、罗丹明衍生物、识别基团、连接基团、识别底物对探针稳定性、光谱性质的影响规律，从而指导近红外染料母体和罗丹明衍生物的进一步优化；探索了各种因素对探针识别性能的影响规律；并结合密度泛函理论，推测了探针的合理的识别机理；最后筛选灵敏度高、选择性强、毒性小的高性能近红外比率荧光探针，研究它们在细胞及组织内荧光成像及环境水样分析中的应用。. 项目成功提出了一种新颖近红外比率荧光探针设计策略，同时结合最新研究进展，对研究内容进行了合理拓展，利用罗丹明、花菁染料、近红外半花菁染料以及其他荧光团，设计合成了性能更加优异的小分子荧光探针。项目的研究成果为小分子荧光探针设计及性质研究提供重要理论依据和数据支持，并具有较高的潜在应用价值。