半花青染料修饰稀土纳米晶上转换SO2探针开题报告
2020-06-07 21:29:10
1. 研究目的与意义（文献综述包含参考文献）
文 献 综 述
1 引言
荧光光谱测量法是基于荧光技术的检测方法，分子荧光法是其理论基础。荧光技术检测二氧化硫的原理很简单，二氧化硫在激发光源的激发下就会产生荧光，利用浓度与探针产生的荧光强度之间的线性关系进行定量的分析，运用荧光光谱的形状和荧光峰值对应的波长进行定性的分析。本实验在通过介绍荧光产生的微观原理与过程的基础上，分析了荧光法测量浓度的可行性，并在之前研究的基础之上，重点分析了上转换荧光强度与浓度之间的关系。
花青染料是一类特殊的荧光分子，可以用作激光材料，制作光盘，用于太阳能铺货，做物。[1-2]利抗癌药用特定的二氧化硫加成半花青染料反应，开发出一个兼具水溶性和细胞渗透性的荧光淬灭型探针。并通过1H-NMR、MS等分析方法对其结构进行表征，为合成二氧化硫上转换纳米做前期准备。当和二氧化硫作用时，结构由红色荧光且共轭结构转化为无荧光的非共轭结构，因此检测体系发生光转换。并对细胞和模式动物以及成年时体内的二氧化硫的聚集行为进行可视化成像，为哺乳动物器官水平上了解二氧化硫的生物杀菌功能和毒害作用机制提供直观依据。
2 SO2的危害及其检测方法
二氧化硫（SO2）是一种主要的大气污染物，是由矿物燃料的燃烧和含硫矿物的冶炼产生的[3]。空气中的其他气体分子和粒子产生的硫酸盐气溶胶，可以被人们吸入，从而导致呼吸道疾病增加（如慢性支气管炎，哮喘，肺气肿等）并且加重现有的心脏病[4]。二氧化硫易溶于水形成酸，然后亚硫酸盐。这些物种可以被进一步氧化成硫酸，酸雨的主要成分，对农大 严重的环境问题，特别是湖泊，溪流和森林。此外，SO2的毒性主要是受到其衍生物亚硫酸盐（HSO3#8722;）和硫酸盐（SO32-）（3:1 m/m，中性液）的影响，并且其衍生物通常用来作为日常生活中的食品添加剂。因此，二氧化硫及其衍生物的分析方法的发展对环境安全和人类安全很重要。然而，作为无色和强烈的刺鼻气味气体，其快速，灵敏，选择性的测定仍然是一个挑战。到目前为止，只有几件作品已报道的基于气体SO2检测法。这些传感器大多表现出低的敏感性比色法，限制了其实际应用。荧光探针为痕量分析物提供了一种具有时间那个和空间的高灵敏度优点的实用检测方法。[5-7] 已经开发了几种基于光学传感器各种染料和二氧化硫衍生物之间的化学反应，因为其水化衍生物通常认定为SO2的浓度指数。这些方法大多是基于对醛或乙酰丙酸[8-9]的选择性以及具有高灵敏度和快反应等优点的不饱和键[10] 加成反应。
3 稀土纳米晶上转换荧光探针
近年来，将近红外(NIR)辐射转换为可见光的稀土元素掺杂的上转换纳米颗粒（UCNPs）由于其几个突出的特点，在感测和生物成像中受到了很大的关注。UCNP具有高的光稳定性和热稳定性。 此外，近红外光源通常为（980nm）不仅提供显着更高的组织穿透深度（高达10mm），并且比紫外（UV）光源对生物样品造成的损伤更小，而且还来自于具有背景荧光的生物分子在生物系统内的最小干扰，导致信噪比有显著的改善。因此稀土上转换纳米晶成为SO2探针的优异选择[11-12]。
4 探针与SO2衍生物SO32-/HSO3-诱导荧光信号
基于独特的亲核加成反应，例如：新型水溶性广谱发射（500-700 nm）荧光探针1[13]，用于在水性介质中快速检测SO 2衍生物。探针1中的带正电荷的苯并吡喃环部分提供了优异的水溶性，使得该探针可应用于100％水性环境中，并且具有作为香豆素部分的荧光猝灭剂的能力。探针1对于亚硫酸的衍生物具有8.3nm的检测极限，并产生瞬时的强烈荧光信号。所得的探针1-亚硫酸盐加合物在具有大的斯托克斯位移（139nm）的绿色/红色光谱区（λmax = 585nm）中发射。该探针对SO2衍生物表现出相对于其它潜在干扰剂（包括含活性硫的物质）的优异选择性[13]。
5 各类检测SO2衍生物亚硫酸根的荧光探针
杨课题组[14]报道了一种用于在水-乙醇介质中选择性检测亚硫酸氢根的荧光探针。该探针与亚硫酸氢根反应后，导致罗丹明衍生物的螺内酰胺开环，从而发出荧光。该探针对亚硫酸氢根的选择性好，其它阴离子未对检测造成干扰。
郭课题组[15]设计合成了 4 种以香豆素为荧光团的亚硫酸氢根荧光探针(Guo et al.)。该类探针可在水溶液中选择性地与亚硫酸氢根反应，在其他阴离子的存在下也对亚硫酸氢根表现出较高的选择性。探针可应用于测定砂糖中的亚硫酸盐。氢键可以抑制CN异构化郭利用此方法设计合成了基于 CN异构化的荧光探针，在pH值为5时，该加成反应可以在5分钟之内完成HSO3-检出限为0.1 μM。探针可用于砂糖中亚硫酸氢根的检测。
李和余等人[16]报道了一种基于 ICT 机理的比色和比率香豆素类荧光探针( Li and Yu et al.) 用于选择性检测亚硫酸根，在其他阴离子和活性硫物种存在下，探针对亚硫酸根的选择性较高。
常等人[17]报道了一种基于试卤灵荧光团选择性检测亚硫酸根的荧光分子探针( Chang et al.)。在水溶液中，该探针与亚硫酸根离子反应后，乙酰丙基选择性脱保护并开启了荧光开关。该探针对亚硫酸根的检测限为4.9#215;10－5M。
磷光是受激分子由激发三线态跃迁到基态而产生的光辐射现象，磷光分析法是测定
痕量有机化合物和生化物质的高灵敏度和高选择性的一种新的测试手段。李等人[18]报道
了通过偶氮基团连接非发射的单核和双核铱( Ⅲ) 配合物来检测亚硫酸根和亚硫酸氢根的磷光探针，SP-1 和 SP-2。相比较于 SP-1，SP-2 对亚硫酸根和亚硫酸氢根的选择性和灵敏度较高。探针对亚硫酸根和亚硫酸氢根的检出限分别为0.24 μM和0.14 μM。另外，此探针不仅可以检测外源添加的亚硫酸根和亚硫酸氢根，也可以量化在HepG2 细胞内由酶生成的亚硫酸根和亚硫酸氢根。
6 活细胞中荧光探针SO2衍生物检测
由于内源性细胞中H2S或含硫氨基酸的氧化过程可产生SO2，因此在活细胞中区分SO 2及其衍生物与其它活性硫物质（RSS，例如H2S，半胱氨酸，谷胱甘肽）的荧光探针是至关重要的。到目前为止，已经报道了用于SO2检测的许多荧光探针。 反应机理可以分为两类，一种是对醛/酮的亲核加成，但具有局限性，因为它可能收到生物硫醇的干扰，另一种是亲核加成到双键，特别是不饱和化合物加成反应，可以避免生物硫醇干扰[19-20]。许多报道的探针实现了低检测限和短响应时间.据我们所知，用于SO2检测的荧光探针可以针对于某种类型的细胞器或细胞。线粒体是产生主要能量的细胞器，是细胞内活性氧/硫物质（ROS / RSS）[21]的主要来源.据报道，内源性SO2可以由线粒体中的天冬氨酸氨基转移酶[22] 产生.所以成像SO2衍生物在线粒体中是特别有意义和有价值的。例如提出咔唑和吲哚的偶联物作为新的线粒体靶向比例荧光探针，用于活细胞中SO2衍生物的成像生物素和香豆素衍生物bcs-1作为第一个肿瘤特异性和靶向线粒体比率型荧光探针对SO2衍生物传感.可以实现泽比率和比色的SO2在实时检测，具有检测限低（72 nm）和近红外荧光特性。
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文 献 综 述 1 引言 荧光光谱测量法是基于荧光技术的检测方法，分子荧光法是其理论基础。荧光技术检测二氧化硫的原理很简单，二氧化硫在激发光源的激发下就会产生荧光，利用浓度与探针产生的荧光强度之间的线性关系进行定量的分析，运用荧光光谱的形状和荧光峰值对应的波长进行定性的分析。本实验在通过介绍荧光产生的微观原理与过程的基础上，分析了荧光法测量浓度的可行性，并在之前研究的基础之上，重点分析了上转换荧光强度与浓度之间的关系。 花青染料是一类特殊的荧光分子，可以用作激光材料，制作光盘，用于太阳能铺货，做物。[1-2]利抗癌药用特定的二氧化硫加成半花青染料反应，开发出一个兼具水溶性和细胞渗透性的荧光淬灭型探针。并通过1H-NMR、MS等分析方法对其结构进行表征，为合成二氧化硫上转换纳米做前期准备。当和二氧化硫作用时，结构由红色荧光且共轭结构转化为无荧光的非共轭结构，因此检测体系发生光转换。并对细胞和模式动物以及成年时体内的二氧化硫的聚集行为进行可视化成像，为哺乳动物器官水平上了解二氧化硫的生物杀菌功能和毒害作用机制提供直观依据。 2 SO2的危害及其检测方法 二氧化硫（SO2）是一种主要的大气污染物，是由矿物燃料的燃烧和含硫矿物的冶炼产生的[3]。空气中的其他气体分子和粒子产生的硫酸盐气溶胶，可以被人们吸入，从而导致呼吸道疾病增加（如慢性支气管炎，哮喘，肺气肿等）并且加重现有的心脏病[4]。二氧化硫易溶于水形成酸，然后亚硫酸盐。这些物种可以被进一步氧化成硫酸，酸雨的主要成分，对农大 严重的环境问题，特别是湖泊，溪流和森林。此外，SO2的毒性主要是受到其衍生物亚硫酸盐（HSO3#8722;）和硫酸盐（SO32-）（3:1 m/m，中性液）的影响，并且其衍生物通常用来作为日常生活中的食品添加剂。因此，二氧化硫及其衍生物的分析方法的发展对环境安全和人类安全很重要。然而，作为无色和强烈的刺鼻气味气体，其快速，灵敏，选择性的测定仍然是一个挑战。到目前为止，只有几件作品已报道的基于气体SO2检测法。这些传感器大多表现出低的敏感性比色法，限制了其实际应用。荧光探针为痕量分析物提供了一种具有时间那个和空间的高灵敏度优点的实用检测方法。[5-7] 已经开发了几种基于光学传感器各种染料和二氧化硫衍生物之间的化学反应，因为其水化衍生物通常认定为SO2的浓度指数。这些方法大多是基于对醛或乙酰丙酸[8-9]的选择性以及具有高灵敏度和快反应等优点的不饱和键[10] 加成反应。 3 稀土纳米晶上转换荧光探针 近年来，将近红外(NIR)辐射转换为可见光的稀土元素掺杂的上转换纳米颗粒（UCNPs）由于其几个突出的特点，在感测和生物成像中受到了很大的关注。UCNP具有高的光稳定性和热稳定性。 此外，近红外光源通常为（980nm）不仅提供显着更高的组织穿透深度（高达10mm），并且比紫外（UV）光源对生物样品造成的损伤更小，而且还来自于具有背景荧光的生物分子在生物系统内的最小干扰，导致信噪比有显著的改善。因此稀土上转换纳米晶成为SO2探针的优异选择[11-12]。 4 探针与SO2衍生物SO32-/HSO3-诱导荧光信号
基于独特的亲核加成反应，例如：新型水溶性广谱发射（500-700 nm）荧光探针1[13]，用于在水性介质中快速检测SO 2衍生物。探针1中的带正电荷的苯并吡喃环部分提供了优异的水溶性，使得该探针可应用于100％水性环境中，并且具有作为香豆素部分的荧光猝灭剂的能力。探针1对于亚硫酸的衍生物具有8.3nm的检测极限，并产生瞬时的强烈荧光信号。所得的探针1-亚硫酸盐加合物在具有大的斯托克斯位移（139nm）的绿色/红色光谱区（λmax = 585nm）中发射。该探针对SO2衍生物表现出相对于其它潜在干扰剂（包括含活性硫的物质）的优异选择性[13]。 5 各类检测SO2衍生物亚硫酸根的荧光探针 杨课题组[14]报道了一种用于在水-乙醇介质中选择性检测亚硫酸氢根的荧光探针。该探针与亚硫酸氢根反应后，导致罗丹明衍生物的螺内酰胺开环，从而发出荧光。该探针对亚硫酸氢根的选择性好，其它阴离子未对检测造成干扰。 郭课题组[15]设计合成了 4 种以香豆素为荧光团的亚硫酸氢根荧光探针(Guo et al.)。该类探针可在水溶液中选择性地与亚硫酸氢根反应，在其他阴离子的存在下也对亚硫酸氢根表现出较高的选择性。探针可应用于测定砂糖中的亚硫酸盐。氢键可以抑制CN异构化郭利用此方法设计合成了基于 CN异构化的荧光探针，在pH值为5时，该加成反应可以在5分钟之内完成HSO3-检出限为0.1 μM。探针可用于砂糖中亚硫酸氢根的检测。 李和余等人[16]报道了一种基于 ICT 机理的比色和比率香豆素类荧光探针( Li and Yu et al.) 用于选择性检测亚硫酸根，在其他阴离子和活性硫物种存在下，探针对亚硫酸根的选择性较高。 常等人[17]报道了一种基于试卤灵荧光团选择性检测亚硫酸根的荧光分子探针( Chang et al.)。在水溶液中，该探针与亚硫酸根离子反应后，乙酰丙基选择性脱保护并开启了荧光开关。该探针对亚硫酸根的检测限为4.9#215;10－5M。 磷光是受激分子由激发三线态跃迁到基态而产生的光辐射现象，磷光分析法是测定 痕量有机化合物和生化物质的高灵敏度和高选择性的一种新的测试手段。李等人[18]报道 了通过偶氮基团连接非发射的单核和双核铱( Ⅲ) 配合物来检测亚硫酸根和亚硫酸氢根的磷光探针，SP-1 和 SP-2。相比较于 SP-1，SP-2 对亚硫酸根和亚硫酸氢根的选择性和灵敏度较高。探针对亚硫酸根和亚硫酸氢根的检出限分别为0.24 μM和0.14 μM。另外，此探针不仅可以检测外源添加的亚硫酸根和亚硫酸氢根，也可以量化在HepG2 细胞内由酶生成的亚硫酸根和亚硫酸氢根。 6 活细胞中荧光探针SO2衍生物检测 由于内源性细胞中H2S或含硫氨基酸的氧化过程可产生SO2，因此在活细胞中区分SO 2及其衍生物与其它活性硫物质（RSS，例如H2S，半胱氨酸，谷胱甘肽）的荧光探针是至关重要的。到目前为止，已经报道了用于SO2检测的许多荧光探针。 反应机理可以分为两类，一种是对醛/酮的亲核加成，但具有局限性，因为它可能收到生物硫醇的干扰，另一种是亲核加成到双键，特别是不饱和化合物加成反应，可以避免生物硫醇干扰[19-20]。许多报道的探针实现了低检测限和短响应时间.据我们所知，用于SO2检测的荧光探针可以针对于某种类型的细胞器或细胞。线粒体是产生主要能量的细胞器，是细胞内活性氧/硫物质（ROS / RSS）[21]的主要来源.据报道，内源性SO2可以由线粒体中的天冬氨酸氨基转移酶[22] 产生.所以成像SO2衍生物在线粒体中是特别有意义和有价值的。例如提出咔唑和吲哚的偶联物作为新的线粒体靶向比例荧光探针，用于活细胞中SO2衍生物的成像生物素和香豆素衍生物bcs-1作为第一个肿瘤特异性和靶向线粒体比率型荧光探针对SO2衍生物传感.可以实现泽比率和比色的SO2在实时检测，具有检测限低（72 nm）和近红外荧光特性。
7 结论 SO2及其衍生物在不同的环境下的检测，通过荧光光谱测量法，借助荧光探针排除外部因素的干扰达到精确，易操作，优良的荧光反应，高选择性的优点。希望通过课题达到对于样品中其他元素提供新的途径。
参考文献 [1] Bivert,；Boggionia,；Seccof,；Turrianie,；Venturinim,；armoluks，；Influenceof-cyaninedyestruc-tureonself-aggregationandinteractionwithnucleicacids:akineticapproachtoTOandBObinding[J].ArchBiochemBiophys,2007,465(1):90 -100. [2] Mishraa,；Beherark,；Beherapk,；Mishrabk,；Beheragb， ；Cyaninesduring the 1990s:areview[ J] .ChemRev, 2000,100(6):1973 -2012. [3] Iwasawa,S.;Kikuchi,Y.;Nishiwaki,Y.;Nakano,M.; Michikawa,T.; Tsuboi,T.;Tanaka,S.; Uemura,T.; Ishigami,A.;Nakashima, H.J.Occup.Health,2009,51, 38#8722;47. [4] Shi,X.J. Inorg. Biochem.1994, 56, 155#8722;165. [5] Wang,S.H.;Han, M. Y.; Huang, D. J. J. Am. Chem. Soc. 2009, 131, 11692#8722;11694. [6] Sun,M.T.; Yu H.;Zhu H J.; Ma, F.;Zhang,S.;Huang,D.J.;Wang, S. H. Anal. Chem. 2014, 86, 671#8722;677. [7] Yan,Y.;Krishnakumar, S. ;Yu , H.; Ramishetti,S.;Deng,L.W.;Wang S.;Huang,L.; Huang, D.J. J. Am. Chem. Soc. 2013, 135, 5312#8722; 5315. [8] Chen,K.;Guo,Y.;Lu,Z;Yang,B.;Shi,Z.Chin.J.Chem.2010,28,55#8722;60. [9] Gu, X.; Liu, C.; Zhu, Y.; Zhu, Y. J. Agric. Food Chem. 2011, 59, 11935#8722;11939. [10] Sun,Y.Q.;Liu,J.;Zhang,J.;Yang,T.;Guo,W.Chem.Commun.2013,49,2637#8722;2639. [11] Wang, F.; Liu, X. G. Recent Advances in The Chemistry of Lanthanide-Doped Upconversion Nanocrystals. Chem. Soc. Rev. 2009, 38, 976#8722;989. [12] Fischer,L.H.;Harms ,G. S. ; Wolfbeis, O. S. Upconverting Nanoparticles-for Nanoscale Thermometry. Angew.Chem., Int. Ed. 2011, 50, 4546#8722;4551. [13] Wenqiang Chen, Qian Fang;Dalei Yang; Hongyan Zhang;Xiangzhi Song;and James Foley..Selective, Highly Sensitive Fluorescent Probe for the Detection of Sulfur Dioxide Derivatives in Aqueous and Biological Environments .|Anal. Chem.2015, 87, 609#8722;616. [14] Yang X F, Zhao M L, Wang G.Sensors and Actuators [B]:Chemical，2011.152: 8. [15] Chen K Y，Guo Y，Lu Z H，Yang B Q，Shi Z.Chin [J] 2010,28:55. [16] Wu M Y，He T，Li K，Wu M B，Huang Z，Yu X Q.Analyst,2013,138:3018． [17] Choi M G，Hwang J，Eor S，Chang S K,Org．Lett,2010,12:5624． [18] Li G Y，Chen YWang J Q，Lin Q,Zhao J，Ji L N，Chao H．Chem.Sci,2013,4: 4426． [19] Wu, M. Y.; Li,K.;Li,C.Y.;Hou, J. T.; Yu, X. Q. A water-soluble near-infrared probe for colorimetric and ratiometric sensing of SO2 derivatives in living cells. Chem. Commun. 2014, 50, 183#8722;185. [20] Sun,Y.Q.;Liu,J.;Zhang,J.Y.;Yang,T.;Guo,W.Fluorescent probe for biological gas SO2 derivatives bisulfite and sulfite Chem.Commun. 2013, 49, 2637#8722;2639. [21] Dickinson, B.C.;Srikun, D.; Chang, C. J. Mitochondrial-targeted fluorescent probes for reactive oxygen species. Curr. Opin. Chem. Biol. 2010, 14, 50#8722;56.
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2. 研究的基本内容、问题解决措施及方案
在生物监测技术手段中，荧光探针法具有选择性好、灵敏度高、对生物样品损伤小以及可实现实时原位检测等独特的优势，故用到荧光探针法检测细胞内so2是近年来研究热点之一。一般的小分子荧光探针的激发波长通常在紫外区，难以穿透细胞组织，因此需要使用波长长的近红外光源去激发，而上转换纳米粒子由于其具有高光敏物质负载率和小尺寸性可以很好的适用与体内目标成像。我们通过cooh基团将有机荧光探针自组装到上转换纳米粒子的表面，基于fret机理，设计合成了该荧光探针。这个有机-纳米粒子体系可以很好的实现体内so2示踪效应。
合成路线图如下：
