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1、天 津 师 范 大 学本科毕业论文（设计）题目: 对羟苯乙酮罗丹明 6G 荧光探针的合成与性能研究学 院：化学学院学生姓名：XXX学 号：09507151专 业：化学生物学年 级：2009 级完成日期：2012 年 4 月 25 日指导教师：XXXI对羟苯乙酮罗丹明 6G 荧光探针的合成与性能研究摘要: 本文我们合成了一个新型罗丹明 6G 酰肼希夫碱化合物 N-4-羟基苯乙酰基-N-3,6-二甲基-2,7-二乙氨基-氧杂蒽-9-(2-苯甲酰)基肼 I，以1H NMR、13C NMR、质谱、红外、紫外光谱、荧光光谱对其进行了结构表征及性能研究。对探针分子 I 进行了不同浓度的氢离子识别性能研究，
2、当体系的 pH在 1.112.9 范围内，当 pH = 1.14.0 时，探针分子对 H+ 有显著响应，紫外吸收光谱、荧光发射光谱发生变化，同时，肉眼可观察 到体系由无色到粉色的颜色变化。并且，该探针分子在四氢呋喃/Tris-HCl 4:6 缓冲溶液（pH = 7.5）中进行干扰实验表明，I 和 14 种常见金属离子（Mg2+、Mn2+、Fe3+、Ca2+、Zn2+、Co2+、Pb2+、Cd2+、Cu2+、Ni2+、Ba2+、Sb3+、Cr3+、Hg2+、和 Ag+）的相互作用几乎无紫外光谱及荧光光谱响应、或者响应很小。因此 I 可作为一种灵敏度高、选择性好、并且不受金属离子干扰的 pH 荧光
3、探针。关键词：罗丹明衍生物；荧光探针；pH 检测. IISynthesis and Properties of The Fluorescent Probe from Rhodamine 6G and P-Hydroxyacetophenone Abstract: Herein, we have synthesized and characterized a new rhodamine 6G Schiff base I, which is named N-4-hydroxy benzeneacetyl-N-3,6-dimethyl-2,7 -diethylin-xanthenes-9-(2-be
4、nzoyl) hydrazine. The addition of H+ (pH 4.0) to I in a THF/Tris-HCl (pH 7.5) buffer solution can bring obvious UV-Vis absorption and fluorescence emission as well as a color change from colorless to pink, whats more, the addition of 14 kinds of metal ions including Hg2+、Fe3+、Cu2+、Mg2+、Ca2+、Mn2+、Co2
5、+、Ni2+、Zn2+、Sr2+、Cd2+、Ba2+、Pb2+ and Bi3+ caused almost no fluorescence and color changes. Thus, I was able to serve as a “naked-eye” probe for pH. Key words: Rhodamine-based derivative; Fluorescent probe; pH-detection.III目录1 前言11.1 罗丹明化合物的修饰11.1.1 氧杂蒽环上的修饰11.1.2 底环的修饰.21.1.3 底环羧基的内酰胺化修饰.21.2 罗丹明螺内酰胺
6、衍生物在检测金属离子方面的应用31.2.1 检测 Cu2+31.2.2 检测 Hg2+.41.2.3 检测 Fe3+51.3 选题依据52 化合物的合成及表征62.1 实验部分62.1.1 主要仪器与试剂62.1.2 化合物的合成72.2 表征与分析82.2.1 核磁分析82.2.2 红外谱图分析103 荧光探针对 H+ 的检测 103.1 荧光与紫外光谱103.3 金属离子干扰谱图124 研究结论13参考文献:.14附图1711 前言1.1 罗丹明化合物的修饰1.1.1 氧杂蒽环上的修饰罗丹明类化合物是一种以氧杂蒽环为母体的功能荧光分子，罗丹明的基本骨架主要由带有3,6位氨基取代的氧杂蒽母体
7、(简称顶环)和9位碳原子所连接的苯环(简称底环)两个片段组成1。罗丹明类化合物的分子结构中的蒽环含共轭 键和烷胺基助色基团，通过引入不同的官能团对罗丹明的结构进行修饰，可以设计合成出很多罗丹明类衍生物2-5。按取代基的位置通常可分为对顶环氨基的修饰和对顶环骨架的修饰。母环上引入不同的取代基，如芳基、卤素、磺酸基等反应性基团，不仅可以影响此类化合物的最大吸收、发射波长，也直接影响它们的应用性能。Dimitri6用芘丁基磺酸盐合成了N上取代的4-(1-芘基)-丁基罗丹明（图1），并研究了芘与罗丹明之间的能量传递过程，此化合物可用于各种细胞器官氧气浓度的测定。HNOCOOHHNX图1 罗丹明顶环上氨
8、基的修饰Haugland7通过扩展 共轭体系以增加刚性，设计并合成出新型的强荧光罗丹明染料。这一系列染料在58163lnm处有较强吸收，量子产率在0.640.89之间，可以广泛用于生物分析领域。它以4-溴-3-硝基茴香醚及五种不同的芳香硼酸为原料合成，Ar部分可以是苯环、萘、噻吩、苯并噻吩，其合成路线如下所示：图2 罗丹明顶环上骨架的修饰OMeArNOHArNcondensationR3R2R1R5R4ONArNArX21.1.2 底环的修饰罗丹明底环的修饰主要改变罗丹明的荧光发射光谱位置、光谱对环境的敏感性及罗丹明的亲水性。用卤素取代底部苯环骨架后，罗丹明的荧光发射光谱半峰宽减小，颜色加深，
9、而将羧基酯化后，罗丹明的亲酯性得到提高。当罗丹明衍生物具有较大的憎水基团时，其物理性质将发生较大改变，一些含长链烷基的罗丹明表现出两亲性，能够溶解于众多极性与非极性溶剂。在水溶液中，由于含有长链憎水基团，极易聚合形成二聚体，而在有机溶剂中则多以单分子形式存在，这些变化使罗丹明衍生物能够更准确地反映溶液环境的变化8。与氧杂蒽母环互相垂直的底环可通过活性基与蛋白质、核酸等生物大分子及组成单体分子中的-NH2, -OH, -SH等形成共价键，使其荧光性质发生改变，得到的标记物具有选择性好和灵敏度高等优点，从而可反映有关大分子结构和功能的信息，为荧光分析奠定了基础9。在底环上引入卤素可使颜色加深，卤素
10、被某些硫醇取代后可以很容易地引入其它活性基团10。1.1.3 底环羧基的内酰胺化修饰罗丹明内酰胺螺环结构具以下特点：(1)罗丹明的内酰胺螺环是非共轭结构的，因此在长波处无吸收，无颜色，无荧光；(2)罗丹明内酰胺螺环结构在酸性条件或与被分析物结合后能够诱导内酰胺结构开环，氧杂蒽结构电子重新排布，共轭结构恢复，因此在长波处有吸收，有颜色，强荧光。基于此结构的优势，罗丹明内酰胺类衍生物作为一类很好的 OFF-ON 型荧光传感器而引起了广泛的关注10-14。本实验以罗丹明 6G 作为母体来进行设计，首先使它形成具有酰胺螺环结构的化合物 I，当它与被分析物（氢离子）作用时，内酰胺螺环结构被打开，产生共轭
11、结构，信号从无到有，达到对 pH 的检测，并且不受其他阳离子的干扰15-16。1.2 罗丹明螺内酰胺衍生物在检测金属离子方面的应用 近年来,对重金属离子有较高选择性和敏感性的化学传感器17-20的设计与合成已引起大家的强烈关注，因为这些金属离子能够对人体健康产生威胁，并且也会破坏环境。基于罗丹明环内酰胺的化学感测器以其优良的光谱性质，即较大的高的量子发射产率、拉长到可见光区的吸收和发射波长而备受关注。这3些感测器都是非荧光和无色的，但是金属离子可以诱导环内酰胺结构开环，进而产生强的荧光发射并且变色。受这种机制的启发，一些以罗丹明衍生物作为荧光探针来检测金属离子的优秀检测体系已经建立起来21。1
12、.2.1 检测 Cu2+铜是人体必不可少的元素，摄入过量却又可能造成中毒，主要是因为铜离子可以使蛋白质变性。当水中铜含量大于 0.01mg/L 时，对水体自净有明显的抑制作用。铜对水生生物毒性很大，一般认为水体含铜大于 0.01mg/L 对鱼类是不安全的。为及时、准确地监测水的质量，确保人们安全饮水，铜离子的检测一直备受关注。2012年,Tang22等以罗丹明B和8-羟基喹啉为原料合成希夫碱化合物1，该化合物是一种良好的Cu2+荧光分子探针，具有选择性好、灵敏度高、水溶性好等优点，有广阔的应用前景(图3)。图3 探针1对铜离子的检测2013 年，Yang23等人利用金属离子诱导罗丹明衍生物开环
13、合成如下探针(图 4)，铜离子的加入会产生显著的颜色与光谱变化，此探针化合物还用于活细胞内的细胞染色。图4 铜离子探针的结构41.2.2 检测 Hg2+在诸多重金属离子中，汞离子被认为是危害最大的金属离子之一。汞离子及其衍生物的剧烈毒性源于它们对蛋白质和酶中巯基的高亲核性，一旦它与巯基结合，将会导致细胞功能损坏，进而产生一系列健康问题。汞离子所带来的健康问题已经促使科学家探索更有效的方法来检测生物体内和环境样品中的汞离子。2006年，Wu 24等人在罗丹明6G酰肼上连上吡啶醛形成金属离子探针，实现了对Hg2+的选择性检测。吡啶和腙上的氮，内酰胺上的氧，能与Hg2+配位从而提供一个合适的空腔捕获
14、Hg2+，进而诱导罗丹明内酰胺结构开环(图5)。ONHNHN NON Hg2+ONHNHN NO OOFFON图5 探针对汞离子的检测2010年，Yun Zhao25等合成了一种带有8-羟基喹啉基团的罗丹明B衍生物1，1能在较宽的pH范围内可逆地与Hg2+结合，并且选择性高、荧光和颜色反应灵敏（图6） 。这种“打开-关闭”型的荧光感测器还可用于活细胞内Hg2+的检测。图6 探针1对汞离子的检测1.2.3 检测 Fe3+铁离子在细胞新陈代谢和酶催化方面扮演着重要的角色，人体内铁含量过低会造成缺铁性贫血，糖尿病和心脏疾病，并且会对肝脏和肾脏造成损伤。因此，灵敏地检测铁离子并且不受其他金属离子干扰的
15、荧光感测器一直是科研人员的焦点。2010 年，Tang26等人合成如下化合物 1（图 7），它能够选择性地监测水5溶液中的 Fe3+，具有灵敏度高、选择性好并且不受其他金属离子干扰的特点。NONNH2ONCO NCSNONHNONNHSO31图 7 探针 1 的合成2012 年，Koorathota Suman27等人合成荧光探针 5，当向 5 的 pH=7.4 的溶液中加入 Fe3+时，会产生明显的颜色变化（由无色到粉色）并且伴有很强的荧光发射，还不受其他金属离子如 Mn2+、Hg2+等离子的干扰，更重要的是与Fe3+的配位是可逆的。1.3 选题依据荧光分子探针28-29是一种以光谱化学和光
16、学波导与测量技术为基础、能选择性地将分析对象的化学信息转变为分析仪器易测量的荧光信号类探针。随着现代分析检测技术的发展，荧光分子探针在分子细胞生物学、微生物学、生物化学、分析化学、化工和医药化学等领域都有了更为广泛的应用，从而极大地促进了荧光探针的发展，并且已经使它的合成与应用研究发展成为生命科学和化学两大学科的交叉性前沿研究领域。理想的荧光探针应具备如下几个特点：(1)选择性好，即探针对某一种离子有选择性响应；(2)检测限低，灵敏度高，这样才有更大的实际应用意义；(3)水溶性好，实际应用中，尤其在生物样品中，水溶液都是优先考虑的作用介质，因此，探针分子必须具有一定的水溶性。罗丹明类化合物是一种以氧杂蒽环为母体的小分子荧光染料。罗丹明衍生物的荧光发射波长一般较长，这使其荧光成像图能避免生物体自身具有的短波长荧光的干扰，从而提高探针的灵敏度和分析的准确性，在生物医药领域被广泛用作荧光示踪剂和荧光传感器30-32。 罗丹明
