基于硅杂蒽类染料的荧光探针及其应用

近年来,荧光成像技术为人们研究活体细胞及组织内的化学生物学过程提供了有效的研究工具,可以无损、实时、原位地以高时空分辨率实现对目标物进行生物荧光成像与分析。荧光成像技术在生物学、环境监测、临床诊断和药物发现等诸多研究领域发挥着越来越重要的作用。生物荧光成像技术的最新进展对发展新型小分子荧光染料及探针提出了更高的要求。激发和发射波长位于近红外光区（600~900 nm）的荧光染料及探针由于具有光毒性低、生物分子自发荧光干扰小、光散射低、组织穿透能力强等优点,非常适合用于生物荧光成像领域。通过将罗丹明分子中O桥原子用Si代替,得到了一类新型的探针分子--硅杂蒽类荧光探针。这类染料分子在保留了氧杂蒽荧光染料优越的光学性质的同时,光谱发生明显红移,满足了近红外荧光检测的要求,具有良好的生物相容性。本文综述了近年来基于硅杂蒽及其衍生物荧光探针的合成及在金属离子、pH值、小分子、生物酶等检测方面的研究进展,并且简要阐述了基于硅杂蒽类探针分子的识别检测机理以及其在生物成像等方面的应用。     

检测一氧化碳分子荧光探针的研究进展

一氧化碳(CO)是一种重要的内源性气体递质分子,参与调节生命体的多种生理和病理过程.因此,选择性识别和高灵敏检测生物体内源CO具有十分重要的生物学和医学意义.荧光探针法具有选择性好、灵敏度高、适于高通量筛选,尤其是对生物样品无侵入性损伤,以及可实现实时原位检测等优势,因此,利用荧光探针技术检测细胞、组织和活体内CO浓度的变化是近年来研究热点之一.综述了近十年来CO荧光探针的研究进展,概述了相关荧光探针的设计理念、检测机理及生物应用,探讨了探针的结构和性能之间的关系,展望了CO荧光探针的发展趋势和应用前景.     

双光子荧光探针

荧光探针作为研究生物系统必不可少的工具,借助双光子显微成像可以直观便捷地对生物活性化合物或生物功能客体成分进行实时动态三维观测与监控。近十年来发展的双光子激发荧光探针,较单光子荧光探针具有显著的优点,如高分辨率、高清晰度、高灵敏度、无光漂白、无光致毒、定靶激发、高横向与纵向分辨率、低的生物组织吸光系数及低的组织自发荧光干扰等。本文综述了近七年来的双光子阳离子探针、双光子阴离子探针、双光子SO_2探针、双光子pH探针、双光子核酸探针、双光子半胱氨酸探针、双光子活性氧探针、双光子磷酸探针、双光子CO探针、双光子Alph-细胞探针、双光子CYP1A酶探针、双光子极性、黏度与温度探针的结构特性及其在生物成像方面的应用。双光子荧光探针已被广泛应用于临床诊断、疾病监测和药物筛选上,这推动了生物化学、医学和生命研究的发展。     

荧光碳点探针的合成、性质及其在生物成像中的应用

荧光碳点探针是近几年来发展起来的一种新型荧光探针，具有传统有机染料、荧光染色蛋白及一般荧光纳米材料无法比拟的独特优势，如具有良好的水溶性、化学惰性、低毒性、易于功能化、抗光漂白性、可调谐和生物相容性等优异性能，因而引起研究者的广泛关注。目前已发展水热法等近十种较为经济便捷的方法，可进行大规模的荧光碳点制备，在细胞功能研究及细胞表面和内部功能分子的探测、组织的成像、病菌的定位等方面得到了较为广泛的应用。笔者对近年来荧光碳点的合成方法、依赖于碳点尺寸和波长等性质的发光性能，以及荧光碳点在生物成像等方面的应用作一简要综述，并对其在药用植物病理方面的应用提出展望，期望为丰富荧光碳点在生物成像领域的应用提供一定的借鉴和参考。     

荧光探针在氰化物分析中的研究进展

氰化物极易与细胞色素氧化酶键合,抑制电子转移、导致组织缺氧,从而显示较强的毒性。荧光化学传感器作为简易、灵敏且可视化的方法广泛应用于氰化物的检测。本文对荧光探针在氰化物检测中的应用进行综述,概述了氰化物的毒性机制和荧光探针对氰化物的响应机理。同时,本文总结了荧光探针在水体、食品和生物组织中对氰化物的检测及生物成像中的应用,并对荧光探针在结构设计中如何提高生物兼容性和靶向性等进行了展望,以期为光化学探针分子的设计及应用提供理论与研究依据。     

基于功能核酸的细胞荧光成像

细胞是生物体基本的结构和功能单元,对活细胞中特定生物组分进行动态分析,将为相关生命活动过程的研究提供重要信息。荧光成像为细胞分析提供了一种操作简单、灵敏度高、可实时监测细胞微观动态分子过程的光学生物成像技术。发展高性能的荧光探针用于活细胞成像已成为研究热点。功能核酸是一类具有特殊化学和生物学功能的寡核苷酸分子,除了天然存在的核酶(Ribozyme)和核糖开关(Riboswitch)之外,还包括通过指数富集的配体系统进化技术(SELEX)筛选获得的核酸适体和脱氧核酶(DNAzyme)。功能核酸由于具有合成简单、免疫原性低、相对分子质量小、化学稳定性高、易于修饰等优点,在生物成像领域受到广泛关注。本文主要综述了基于功能核酸的荧光探针在细胞成像领域中的应用研究,总结了该领域面临的挑战,并对其未来发展方向进行了展望。     

醌氧化还原酶响应型光声探针的合成及其对乳腺癌的成像

醌氧化还原酶(NQO1)是生物体内的一种双电子还原反应的专性催化还原酶.在一些疾病如乳腺癌中NQO1过度表达,因此NQO1可作为生物标志物以观察乳腺癌肿瘤的产生和发展.目前已有一些文献报导用于NQO1检测和荧光成像的荧光探针,但大部分这些探针具有吸收波长较短、背景干扰较强、组织穿透深度较低等不足.为克服荧光探针成像的上...     

核酸功能化稀土基纳米材料在生物检测中的应用

体内一些生物分子和离子的水平通常与细胞、组织、器官等结构和功能的变化相关,从而直接影响到疾病的预防、诊断和治疗,因此对体内这些物质的生物检测在医疗和健康领域具有重要的意义.基于稀土基纳米材料构建的纳米荧光探针具有灵敏度高、简单高效、抗干扰能力强等优点,在生物检测方面具有巨大的潜力.对稀土基纳米材料的核酸功能化能够进一步为纳米荧光探针提供更好的特异性识别能力和生物相容性,从而增强其在复杂样品中的生物检测能力.本综述总结了核酸功能化的稀土基纳米材料作为纳米荧光探针在生物检测领域的研究进展,简要介绍了其主要种类和性能、检测机理及检测物质,最后对该领域面临的挑战及未来的发展方向进行了展望.     

主族元素取代的罗丹明近红外荧光染料探针

近红外荧光染料探针因其信噪比高、组织穿透力强、对生物样品光损伤小等优势,在生物荧光成像领域备受瞩目.主族元素取代的罗丹明染料探针,不仅具有生物样品适用的近红外光谱性质,同时还保留了传统罗丹明的诸多优点,其中以硅原子取代的罗丹明分子中的氧原子而形成的硅基罗丹明染料探针最为突出.基于其优越的近红外光化学性质,硅基罗丹明染料探针已经广泛应用于生物样品的荧光识别成像.主族元素取代的罗丹明近红外荧光染料探针的发展,丰富了荧光染料探针的种类和数量,拓展了荧光染料探针的应用.本文综述了近年来主族元素取代的罗丹明染料的发展,主要探讨了探针的设计思路、荧光信号调控机制及其近红外成像应用.     

一种基于查尔酮衍生物的荧光探针对巯基氨基酸的检测及细胞成像

生物硫醇(如半胱氨酸(Cys)、同型半胱氨酸(Hcy)及谷胱甘肽(GSH))与生物体和细胞中的许多生理和病理过程密切相关。荧光探针是对生物硫醇灵敏检测与成像的有力工具。本文合成了一种可检测生物硫醇的基于2′-羟基查尔酮荧光团开启型荧光探针1。探针中的2,4-二硝基苯磺酸酯基团既作为反应识别基团,又作为荧光猝灭基团。在DMSO/Tris(体积比8/2,pH=8.4)中,探针1与生物硫醇反应后释放出前体化合物3,3具有激发态分子内质子转移(ESIPT)和聚集诱导发光(AIE)特性,从而导致长波长荧光发射及较大的斯托克斯位移。探针1具有合成简单、灵敏度高、选择性高、细胞毒性低等优点,可以方便地检测溶液和活细胞中的生物硫醇。     

A pinacol boronate caged NIAD-4 derivative as a near-infrared fluorescent probe for fast and selective detection of hypochlorous acid

A pinacol boronate caged NIAD-4 derivative was demonstrated to be a near-infrared fluorescent probe for fast and selective detection of hypochlorite over other ROS species.     

Organelle targetable fluorescent probes for hydrogen peroxide

The review summarized organelle target strategies, structures, fluorescence behavior and biological applications of H₂O₂ fluorescent probes with mitochondria, nuclei and lysosomes-targetable ability.     

Synthesis of Highly Sensitive Fluorescent Probe Based on Tetrasubstituted Imidazole and Its Application for Selective Detection of Ag+ Ion in Aqueous Media

A small molecule fluorescent probe, 4-[2-(4-chlorophenyl)-4,5-diphenyl-1H-imidazol-1-yl]aniline(L) for detecting Ag⁺ ion was gently synthesized via one-pot multi-component reaction catalyzed by H₃[PW₁₂O₄₀] under solvent-free microwave irradiation. When the concentration of Ag⁺ ion changed from 0 to 8.0×10⁻⁶ mol/L in the solution of H₂O/CH₃OH(19:1, volume ratio), the fluorescence emission spectrum was blue-shifted and accompanied by a gradual increase in fluorescence intensity with a low detection limit of 3.0×10⁻¹¹ mol/L. Moreover, UV-Vis absorption titration experiment demonstrated a 1:1 stoichiometric ratio and an association constant of (9.95±0.44)×10⁵ L/mol between probe L and Ag⁺ ion, and thus their complexation mechanism was also proposed and verified. More importantly, this fluorescent probe was remarkably specific for Ag⁺ ion under the interference of other metal ions and exhibited a wide pH application range of 4.0-8.0. Additionally, preliminary application of this probe was also carried out and satisfactory results were shown.     

A near-infrared fluorescent probe for monitoring fluvastatin-stimulated endogenous H2S production

Most reported fluorescent probes have limitations in practical applications in living systems due to the strong autofluorescence background,construction of probes with near-infrared(NIR) fluorescence emission is an accessible approach for addressing this challenge.We here designed a NIR fluorescent probe for monitoring the endogenous production of H_2S in living cells.The designed probe showed significant NIR fluorescence turn-on response to H_2S with high selectivity,enabling the sensitive detection H_2S.Importantly,the probe could be applied in monitoring the endogenous production of H_2S in raw 264.7 macrophages.This study showed that fluvastatin can promote the activity of cystathionineγ-lyase(CSE) for generation H_2S.     

气体分子在二维石墨烯纳米孔中的选择性渗透特性

二维石墨烯纳米孔中气体分子的选择性渗透对多孔石墨烯分离膜非常重要。本文采用分子动力学方法研究了气体分子在氮氢修饰石墨烯纳米孔中的渗透特性,从分子的大小和结构、纳米孔的构型以及分子与石墨烯之间的作用强度等角度阐明了分子出现选择性渗透的原因。结果表明,不同分子的渗透率不同,即H₂O＞H₂S＞CO₂＞N₂＞CH₄。渗透率跟分子的质量和直径以及分子在石墨烯表面上的吸附密度有关;根据气体分子动理学理论,渗透率跟分子质量成反比关系;而分子在石墨烯表面上的高吸附密度对渗透起促进作用。对于H₂O和CH₄分子,分子直径起主导作用;H₂O分子直径最小,其渗透率最大;同理,CH₄分子的渗透率最小。对于H₂S和CO₂分子,H₂S分子的直径较大,但其与石墨烯之间的作用强度较大(吸附密度较高),导致渗透率较高;对于CO₂和N₂分子,CO₂分子的直径较小,并且与石墨烯之间的作用强度较大,渗透率较高。同时发现,分子在纳米孔中的渗透使得其在石墨烯表面的密度分布极不均匀。纳米孔左右两侧的功能化氮原子使CH₄分子容易从孔两侧区域穿过,而其它分子由于直径较小在纳米孔中心区域穿过的概率最大。分子与石墨烯之间的作用越强,导致分子在石墨烯表面区域内停留的时间越长,最终使其在渗透纳米孔的过程中所经历的时间越长。本文所采用的氮氢修饰石墨烯纳米孔中,分子渗透速率达到~10^-3 mol·s^-1·m^-2·Pa^-1,并且其它分子相对于CH₄分子的选择性也很高,说明基于该类型纳米孔的多孔石墨烯分离膜在天然气处理等工业气体分离领域具有很好的应用前景。     

基于香豆素343的荧光探针快速检测亚硫酸根

以香豆素343和2-苯并噻唑乙腈为原料,合成了香豆素343-亚硫酸根离子探针(Coumarin 343-SO₂),并用¹H NMR、¹³C NMR、MS和HRMS等技术手段对合成的化合物进行了表征。 该探针与亚硫酸根离子(SO₃^2-)发生亲核加成反应后,阻断了苯并噻唑与香豆素的共轭结构,从而引起荧光强度的变化,达到检测亚硫酸根离子的目的。 此探针对SO₃^2-具有响应快、高灵敏度、高选择性及检测限低至0.08 μmol/L的特点,其它常见的阴离子及还原性物质对SO₃^2-的检测均无干扰。 此外,该探针具有良好的细胞膜通透性,可用于活细胞中对SO₃^2-进行荧光成像。     

Design of a novel mitochondria targetable turn-on fluorescence probe for hydrogen peroxide and its two-photon bioimaging applications

Considering that hydrogen peroxide (H₂O₂) plays significant roles in oxidative stress, the cellular signal transduction and essential biological process regulation, the detection and imaging of H₂O₂ in living systems undertakes critical responsibility. Herein, we have developed a novel two-photon fluorescence turn on probe, named as Pyp-B for mitochondria H₂O₂ detection in living systems. Selectivity studies show that probe Pyp-B exhibit highly sensitive response toward H₂O₂ than other reactive oxygen species (ROS) and reactive nitrogen species (RNS) as well as biologically relevant species. The fluorescence colocalization studies demonstrate that the probe can localize in the mitochondria solely. Furthermore, as a bio-compatibility molecule, the highly selective and sensitive of fluorescence probe Pyp-B have been confirmed by its cell imaging application of H₂O₂ in living A549 cells and zebrafishes under the physiological conditions.     

Rational Design of Ratiometric Fe3+ Fluorescent Probes Based on FRET Mechanism

As the most abundant transition metal element in mammals, iron(Fe) plays a vital role in life activities. It is of great significance to study the variation of Fe³⁺ level in living organisms. In virtue of the advantages of high sensitivity, good selectivity and low damage to living systems, the fluorescence detection of Fe³⁺ has attracted much attention. Compared with the intensity-based fluorescent probe, the ratiometric fluorescent probe has less interference of environmental and can realize quantitative detection. In this study, four ratiometric Fe³⁺ fluorescent probes, R1, R2, R3 and R4_, were designed and synthesized using fluorescence resonance energy transfer(FRET) mechanism to achieve quantitative detection of Fe³⁺. In the FRET systems, 1,8-naphthalimide fluorophore derivatives were adopted as donors while rhodamine B derivatives were selected as receptors. The connection sites of the donor and acceptor in R3 and R4 are different from those in R1 and R2. All the four probes showed good response and selectivity to Fe³⁺. The energy transfer efficiencies of R3 and R4 were obviously higher than those of R1 and R2. This work provided a promising strategy for the development of fluorescent ratiometic Fe³⁺sensors.     

一种具有荧光性质的阳离子Ga⁃MOF用于Fe3+和硝基化合物识别

通过溶剂热法合成了一种新型阳离子镓金属-有机框架Ga-MOF, 其化学式为[Ga₃O(H₂O)₃(TCA)₂]·NO₃·6DMF·2H₂O(JOU-27, H₃TCA=4,4′,4″-三苯胺三羧酸). 结构分析表明, JOU-27是基于氧心三核镓簇的三维微孔结构. 由于荧光配体H₃TCA的引入, JOU-27具有强的荧光发射强度, 因此可用于检测Fe³⁺离子和硝基芳香族化合物. 结果表明, 其对Fe³⁺的检出限低至2.22×10^-6 mol/L(Stern-Volmer常数K_SV=52823 L/mol); 当硝基苯(NB)浓度仅为3.27×10^-3 mol/L时, 荧光猝灭效率可达91%. 进一步的研究表明, JOU-27的猝灭性能可能与荧光共振能量转移(FRET)效应、 激发光吸收竞争以及骨架激发态与硝基芳烃化合物之间的电子转移有关.     

Design,Synthesis, and Evaluation of Near-Infrared Fluorescent Molecules Based on 4H-1-Benzopyran Core

A series of novel fluorescent 4H-1-benzopyrans was designed and developed as near-infrared fluorescent molecules with a compact donor–acceptor-donor architecture. Spectral intensity of the fluorescent molecules M-1, M-2, M-3 varied significantly with the increasing polarities of solvents, where M-3 showed high viscosity sensitivity in glycerol-ethanol system with a 3-fold increase in emission intensity. Increasing concentrations of compound M-3 to 5% BSA in PBS elicited a 4-fold increase in fluorescence intensity, exhibiting a superior environmental sensitivity. Furthermore, the in vitro cellular uptake behavior and CLSM assay of cancer cell lines demonstrated that M-3 could easily enter the cell nucleus and bind to proteins with low toxicity. Therefore, the synthesized near-infrared fluorescent molecules could provide a new direction for the development of optical imaging probes and potential further drugs.