萘酰亞胺類染料熒光構(gòu)效關(guān)系研究及生物應(yīng)用.pdf

1、1，8-萘酰亞胺類染料作為傳統(tǒng)的環(huán)境敏感型染料之一，以其化學(xué)易修飾、熒光易調(diào)控等優(yōu)勢(shì)被廣泛應(yīng)用于熒光識(shí)別與熒光成像領(lǐng)域。面對(duì)迅速發(fā)展的單分子和超分辨熒光成像技術(shù)的需求，萘酰亞胺類染料的熒光強(qiáng)度和熒光穩(wěn)定性需要大幅度提高，這就需要克服水溶液中存在的扭轉(zhuǎn)的分子內(nèi)電荷轉(zhuǎn)移(TICT)和氫鍵等作用對(duì)熒光的影響。借助蛋白標(biāo)簽或非天然氨基酸等新興生物分子標(biāo)記技術(shù)與生物正交反應(yīng)，有機(jī)小分子熒光探針能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)目標(biāo)蛋白的精準(zhǔn)定位和識(shí)別。目前，萘酰亞胺類染

2、料在蛋白標(biāo)記和蛋白識(shí)別等領(lǐng)域還缺乏相應(yīng)研究，特別是亟待發(fā)現(xiàn)新的識(shí)別目標(biāo)蛋白的熒光信號(hào)響應(yīng)機(jī)制，以提高標(biāo)記蛋白或識(shí)別蛋白的靈敏度，實(shí)現(xiàn)構(gòu)建蛋白熒光探針?lè)椒ㄉ系钠者m性。本文以萘酰亞胺類染料的熒光構(gòu)效關(guān)系為研究基礎(chǔ)，理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合為研究方法，開(kāi)展了提高萘酰亞胺類染料熒光強(qiáng)度和光穩(wěn)定性、構(gòu)建蛋白質(zhì)標(biāo)記和識(shí)別熒光探針等方面的研究。
　　(1)通過(guò)氮丙啶取代基對(duì)扭轉(zhuǎn)的分子內(nèi)電荷轉(zhuǎn)移(TICT)的強(qiáng)烈抑制，實(shí)現(xiàn)了1，8-萘酰亞胺熒光強(qiáng)度和

3、光穩(wěn)定性的顯著提高。氮丙啶取代的萘酰亞胺衍生物AN1實(shí)現(xiàn)了熒光量子效率的提高（水中Φ=0.43）、光穩(wěn)定性的提高和斯托克斯位移的增大(△λ=151nm)。TD-DFT理論計(jì)算表明氮丙啶對(duì)TICT的抑制機(jī)理主要是氮丙啶強(qiáng)的環(huán)張力(up-up構(gòu)型)導(dǎo)致了AN1的TICT態(tài)能級(jí)高于LE態(tài)能級(jí)，從而難以在激發(fā)態(tài)發(fā)生構(gòu)型的扭轉(zhuǎn)。氮丙啶抑制TICT的機(jī)制同樣適應(yīng)于其他熒光團(tuán)。將氮丙啶引入到多個(gè)不同的熒光團(tuán)（如NBD類、鄰苯二甲酰亞胺類、香豆素類），

4、同樣實(shí)現(xiàn)了這些熒光團(tuán)在水中熒光量子效率的提高。
　　(2)設(shè)計(jì)合成了一系列1，8-萘酰亞胺類熒光增強(qiáng)型SNAP-tag熒光探針(BGAN-Aze，BGAN-Amino等)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)細(xì)胞核與線粒體內(nèi)靶蛋白的免洗熒光成像，避免了多次洗滌對(duì)細(xì)胞帶來(lái)的損傷。BGAN-Aze基于聚集誘導(dǎo)熒光淬滅機(jī)理實(shí)現(xiàn)了識(shí)別SNAP-tag后熒光顯著增強(qiáng)的信號(hào)響應(yīng)(～39倍)，活細(xì)胞內(nèi)實(shí)現(xiàn)了高的信噪比。同時(shí)，氮雜環(huán)丁烷取代基類似氮丙啶能有效抑制TICT，使

5、得BGAN-Aze結(jié)合SNAP-tag后獲得高的熒光強(qiáng)度和光穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)了對(duì)目標(biāo)蛋白的超分辨(SIM/STED)免洗熒光成像。此外，BGAN-Amino能夠快速對(duì)SNAP-tag進(jìn)行標(biāo)記，達(dá)到了熒光增強(qiáng)型SNAP-tag探針目前最快的標(biāo)記速度（t1/2=11s，k=14436±1189M-1s-1）。
　　(3)在4-酰胺基-1，8-萘酰亞胺體系中，發(fā)現(xiàn)了一種新型激發(fā)態(tài)質(zhì)子轉(zhuǎn)移(ESPT)機(jī)理的熒光響應(yīng)機(jī)制，并以此設(shè)計(jì)合成了一系列

6、比率型熒光探針(BuAN-AceN，SML-AceN)，實(shí)現(xiàn)了基于微環(huán)境變化的蛋白比率熒光檢測(cè)。以BuAN-AceN為模型分子，發(fā)現(xiàn)其在水環(huán)境中為短波長(zhǎng)熒光發(fā)射(～470nm)，在非水環(huán)境中為長(zhǎng)波長(zhǎng)熒光發(fā)射(～550nm)。通過(guò)核磁、吸收光譜、熒光光譜、瞬態(tài)光譜及模型化合物對(duì)比等實(shí)驗(yàn)手段，提出并驗(yàn)證了這種環(huán)境變化引起的比率熒光響應(yīng)是由一種新型的ESPT機(jī)理導(dǎo)致的?；邗０放c脂肪胺間質(zhì)子轉(zhuǎn)移機(jī)制，以苯磺胺為碳酸酐酶(hCA)識(shí)別基團(tuán)，設(shè)計(jì)