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摘 要

一氧化碳(CO)是近几十年来经研究证实具有重要的生物信号传递分子之一，是一种在生理和病理条件下参与多种防御机制的治疗性分子，发展高灵敏、快速而又有高选择性的检测技术和方法具有重要的生物学意义。由于菁染料具有高荧光量子产率，在显微镜下荧光不容易淬灭，用花菁染料修饰的上转换纳米粒子，不仅上转换效率高，还有良好的生物相容性。本文合成了一种半花菁修饰的上转换纳米探针（UCNPs），可以特异性地高选择性在溶液和生理环境下检测一氧化碳分子。

关键词：一氧化碳;半花菁染料;上转换材料;纳米探针

Hemicyanine-Modified Upconversion Nanophosphors for CO Detection

Abstract

Carbon monoxide (CO) is one of the most important bio-signaling molecules confirmed by research in recent decades. It is a therapeutic molecule that participates in various defense mechanisms under physiological and pathological conditions. It is of great scientific interest to develop high selective and sensitive methods. Since the cyanine dye has a high fluorescence quantum yield, the fluorescence is not easily quenched under the microscope. Not only upconversion nanoparticles modified-cyanine dye have high upconversion efficiency,but also have excellent biocompatibility. In this paper, a hemicyanine-modified upconversion nanoprobe has been synthesized, which can specifically detect CO with high selectivity in aqueous solution and physiological environment.

Keywords: Carbon monoxide; Hemicyanine dyes; Upconversion materials; Nanoprobes

目录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 花菁染料探针 2

1.2.1产生荧光的基本机理 2

1.2.2荧光染料探针介绍 2

1.2.3菁染料荧光探针的结构和特点 3

1.3上转换纳米材料 3

1.3.1上转换发光原理 3

1.3.2上转换荧光纳米颗粒介绍 4

1.3.3稀土上转换纳米材料特点 5

1.3.4稀土上转换荧光纳米探针的制备方法 5

1.3.5上转换纳米粒子的表面修饰 8

1.4本课题研究内容 11

1.4.1课题内容 11

第二章 实验部分 13

2.1 实验仪器 13

2.2 实验试剂 13

图2-2 药品 14

2.3半花菁平台的合成 14

2.3.1制备方案图 14

2.3.2化合物1的合成 14

2.3.3化合物2的合成 15

2.3.4化合物ST1的合成 15

2.4 OA-UCNPs的合成 15

第三章 结果与讨论 16

3.1中间产物的结构分析 16

3.1.1化合物1的¹H NMR谱图 16

3.1.2化合物2的¹H NMR谱图 17

3.1.3化合物2的¹³C NMR谱图 18

3.2 合成物的分析 19

3.2.1 ST的¹H NMR谱图 19

3.2.2 ST的¹³C NMR谱图 19

3.3探针检测的荧光图 21

第四章 结论与展望 22

4.1实验结论 22

4.2展望 22

参考文献 24

致谢 30

第一章 绪论

1.1 引言

一氧化碳（CO）是一种致死性气体，由于它特别难以感觉到，常常是一种沉默和无形的威胁，可能导致吸入后的致命后果^[1]。虽然CO具有致命的威胁，但最近的研究显示，一氧化碳可以在人体和其他生物系统中的血红素分解代谢过程中产生^[2]。更重要的是，它与多种生理学作用和相应的应用有关，具有显着的治疗潜力，甚至是癌症疾病^[3~4]。另外，CO还被认为是一种在生理和病理条件下参与多种防御机制的治疗性分子^[5]。由于这些良性作用，一氧化碳在过去几年中引起了相当的关注，开发便利有效的方法来实时跟踪生物体系中的这种气体分子，并且对进一步理解其在生物系统中的功能有强烈的需求^[6~7]。然而，缺乏有效的方法来选择性监测生命系统中的这种瞬态气体分子已成为该研究领域的一个主要障碍^[8]。因此，很有必要研究高效快速的探测方法，近年来，活细胞中一氧化碳（CO）的荧光检测受到了高度重视。

最近，小分子探针的荧光检测已成为检测生物学重要分子的有力技术^[9~10]。尽管已经开发了用于CO感测的几种传统方法，如气相色谱法^[11]，电化学分析法^[12]和比色检测法^[13]，但这些方法难以以无创方式实时追踪活体系统中的CO。相反，利用荧光探针的便利性，高灵敏度和实时和无损检测的优势而进行的荧光检测更具吸引力^[14~15]。但是，由于缺乏有效的方法，迄今为止有关细胞内一氧化碳成像的研究还很不足。事实上，最近已经研究出了一些可以检测到活细胞中一氧化碳的荧光探针。尽管这对 CO的荧光探针的发展有很大贡献，但这些报道的探针主要使用基因编码蛋白^[16]和有机钯复合物^[17~18]其需要大量复杂处理或难以合成。另外，它们一般有三十到六十分钟的响应时间，这是相当长的，所以检测这些物质的的探针需要改进。为此，迫切需要开发构建容易获得的，而且具有优异感测性质的CO荧光探针的新方法。

1.2 花菁染料探针

1.2.1产生荧光的基本机理

当荧光物质被激发时，电子可以吸收一定频率的光，然后从基态跳转到不同的激发态。经过辐射跃迁或非辐射跃迁两种途径，位在激发态的不稳定分子会跃迁至基态。这些过程需要遵照的规则有: (a)当电子处于同一激发态时，首先经过松弛振动过程返回至该激发态的单线态; (b)当处于不同的激发态时，前一级的激发态仅可经过内转化过程而跃迁到下一激发态，不能跨级跃迁。(c)只有处于第一电子激发态的单重态时，电子能以辐射跃迁过程返至基态，并且这个跃迁过程会出现光子的发射。其中，松弛振动、内转化和系间窜越是非辐射跃的主要途径。第三种发射光子的方式跃迁被称作荧光现象。

1.2.2荧光染料探针介绍

通过物理或化学手段，使具有荧光性质的物质和待测组分相作用，两者能够结合并且构成复合物，然后得出一系列被测组分之间的定性或者定量关系，这是荧光检测技术，对于重要的生物学分子具有灵敏度和时空分辨率都很高的特点。它是一种非放射性和非侵入性检测的标记技术，自使用以来发展的很快，是有用和便利的分子工具^[19]，被给予了高度重视。荧光标记术不仅可用来检测很多种物质，还能用于测定细胞内外的物质和诊断某些早期疾病等，可以用来监测和检测各种生物学中重要分子，具有很重要的生物学意义^[20]。

1.2.3菁染料荧光探针的结构和特点

花菁染料的历史可以追溯到一个半世纪以前，1856年威廉姆斯首次报道了一种蓝色固体的合成^[21]。经过多个学科的研究人员不懈努力，各种各样的花青染料及其染料的衍生品已被合成。因为花菁平台表现出优异的光物理性能，并且在生命系统中的毒性很低，因而变成在生物和化学中检测物质的理想候选者。箐染料分子的结构:中心是一个较长的共轭甲川链，通过长链连接着两端的氮原子中心。其中，链的碳原子数目是奇数，两端的氮原子有一个电性为正。共轭链是箐染料发光的结构基础。菁染料有很多种类，因为它们在变换构型之后，可以具备不同的生物相容性。

这类染料的光学性能较好，大部分菁染料和它的衍生物具有比较长的吸收和发射波长，并且在显微镜下荧光一般不会迅速淬灭。所以基于花菁平台的染料吸引了人们的极大兴趣，被制成不同种类和性能的荧光探针。例如，林旭聪等人报道了一种新型探针——水溶性花菁双嵌荧光染料，实验过程是先控制 pH在一定的范围中，然后加入不同浓度的花菁染料，研究它们受牛血清蛋白和人血清蛋白影响后荧光强度的变化^[22]。此外，优异的生物相容性和对生物样品的低毒性进一步使花青素平台成为药物和生物应用中作为探针而使用的有力选择，所以花菁染料在用作荧光探针时更具优越性^[23]。

1.3上转换纳米材料

1.3.1上转换发光原理

上转换（ UC）过程，其特征在于通过中间长寿命能态连续吸收两个或更多个泵浦光子，然后以比泵浦波长更短的波长发射输出辐射^[24]。从那以后，红外辐射转换为可见光已经引起了对UC研究的大量兴趣，逐渐产生并纳入了新的调查领域。上转换荧光是当用近红外（NIR）光激发时，从上转换荧光体（UCP）中发射的一种反斯托克斯（stokes）发光。上转换发光材料可以在低能量光的激下发射出能量较高的光，这种发光材料的特点是在近红外光激发下可以发射出可见光或紫外光^[25~26]。

1.3.2上转换荧光纳米颗粒介绍

上转换纳米颗粒（UCNPs）在过去几年中被广泛用于构建纳米探针，这是因为它们具有近红外（NIR）激发性质，其使背景荧光和散射光的影响最小化。已知双光子吸收过程需要更高的发射能量，脉冲激光的有机染料和量子点又很昂贵，与此相比UCNPs使用廉价的 CW NIR（980 nm）二极管激光器作为激发源，还显示出相对更高的UCL效率，通常比多光子吸收诱导的荧光高几个数量级。这种独特的发光机制使得UCNPs显示出一些有吸引力的光学特征，例如尖锐的发射线（半峰全宽，FWHM±12 nm）；寿命长（ Bms）；优良的光稳定性；不闪烁；生物样品无自体荧光；并且成像期间既有较小的组织损伤，又有较深的穿透度^[27]。在光谱的近红外区域（750-1000nm），很少有分子表现出固有荧光，近红外背景下的背景干扰将会远低于可见区域。所以，基于近红外荧光的技术相对于可见荧光方法具有较低的检测限，具有减少分析所需试剂量的附加优点。

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