摘要
21世纪以来，荧光探针的蓬勃发展为分析检测、成像示踪、光敏治疗等领域提供了很多机遇。探针与目标物结合后，通过主-客体相互作用，改变探针的光学性质，进而提供目标物的位置、数量和浓度的动态信息，因此荧光探针在生命科学领域备受关注。此外，在环境检测方面，针对重金属离子的荧光探针也层出不穷，相比于ICP-MS等大型仪器，荧光探针具有操作简单、极低成本、高灵敏度、低检出限、目视比色等优点。关-开型（off-on/turn-on）荧光探针由于极大降低了背景荧光，其与客体相互作用后，开启光学信号，从而定性或定量分析目标物；与开-关型（on-off/turn-off）荧光探针相比，前者响应信号对比度更为清晰灵敏，且避免了某些特定环境下产生的荧光猝灭等假阳性结果。 本论文以铜离子（Cu2+）和谷胱甘肽（GSH）作为研究对象，设计合成了一系列关-开型荧光探针，评估了其响应性能，研究了其反应机理，探讨了其动力学及热力学特征。通过理论计算与实验相结合的方法，开发了具备快速响应性能的可逆型GSH荧光探针。该探针可用于检测Cu2+与GSH之间的反应历程，且可以实时监测活细胞内源性GSH水平的变化。 本论文主要研究内容分为六章： 第一章：详细介绍了荧光分子探针的结构组成和识别机理，系统介绍了关-开型荧光探针的两种类型，综述了铜离子荧光探针和GSH荧光探针的研究进展。并进一步阐述了Cu2+和GSH之间的联系。 第二章：以水溶性基团罗丹明B（RhB）作为荧光团，2,4-二硝基苯磺酰氯（DNBS）作为猝灭基团，设计合成了基于荧光强度响应的铜离子探针。该探针对Cu2+具有极低检出限、超高灵敏度、专一选择性和瞬时目视比色等优点。采用密度泛函理论和质谱等方法详细研究了探针对Cu2+响应的PET机制和内酰胺螺环开环机制。阐述了溶液反应动力学中存在的溶剂效应和动力学补偿效应。最后，将该探针应用于真实水样中Cu2+的加标检测。 第三章：改用可修饰位点较多的香豆素作为荧光团，替代RhB；改用具有可逆性质的迈克尔加成反应作为响应机理，替代不可逆的螺环开环机制，设计合成了基于比率型响应的GSH荧光探针。该探针实现了对GSH的可逆型检测，并通第四章：在上一章的基础上，保持荧光团和响应机理不改变，改变加成位点的修饰基团，设计合成了系列荧光探针。通过DFT计算和荧光光谱，预测了对GSH具有快速响应性能的探针RP-2，该探针与GSH反应的决速步骤具有最低的吉布斯自由能变。 第五章：研究了RP-2对GSH的响应性能。根据化学平衡和化学动力学原理，探针对GSH具有极快的正逆反应速率和极快的秒级时间分辨率。并以荧光信号作为量度，采用该探针检测了GSH与Cu2+反应的产物及化学计量比。为简化细胞成像处理步骤，开发了一组简单代码对细胞内的荧光强度进行直接量化。最后，该探针具备实时监测细胞内GSH水平变化的优异性能。 第六章：总结与展望。
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