荧光成像技术具有高的灵敏度、简便的操作方法和容易观测等优势,在生物实验中广泛应用。虽然小分子的荧光染料已经得到了广泛应用,但从最基础的结构组成来看,这些荧光染料中靶向基团的选择仍具有局限性。因此开发新的细胞器靶向基团,将拓宽荧光染料的发展思路。含氮杂环大量存在于药物和天然产物中,具有良好的生物活性。而且含氮杂环砌块廉价易得,若将含氮杂环引入到小分子荧光染料的构建,则有利于染料分子结构拓展及染料库的构建。线粒体是呼吸作用的主要场所,通过三羧酸循环产生三磷酸腺苷,为细胞提供各项生理活动所需的能量。纵观已经被报道的线粒体靶向荧光染料,它们中的绝大部分都包含亲脂性阳离子,属于阳离子染料。遗憾的是,这些阳离子染料进入线粒体后,会逐渐改变线粒体膜电位,引起细胞凋亡。因此中性结构的荧光标记物将会是线粒体靶向染料未来的发展趋势。本文以四种含氮杂环为靶向单元,以三种经典的中性荧光团为发光单元,利用Suzuki偶联反应合成了四类荧光染料。对其光学性能和细胞应用进行了详细研究,具体如下:1、鉴于喹喔啉良好的生物活性,利用喹喔啉和硼酯取代的香豆素和尼罗红通过Suzuki反应设计合成了染料1a和1b。在光学性能的测试中,1a具有较大的斯托克斯位移(116-151 nm),发射峰介于388-395 nm,处于绿色光区。1b具有较高的荧光量子产率(0.56-0.89 nm),发射峰613-639 nm,处于红色光区。它们都具有较好的光稳定性和细胞毒性。在细胞实验中,染料1a和1b在L929细胞和HeLa细胞中进行了细胞成像实验。结果表明它们都具有线粒体和脂滴双靶向功能,验证了含氮杂环可以作为靶向基团调控荧光团的靶向能力。2、在本章中对喹喔啉的杂环结构进行调整,尝试增加N-H结构单元来增加杂环的亲水性,间接降低杂环的亲脂性。期望消除杂环的脂滴靶向能力,保留线粒体靶向能力。于是在本章中选择了结构较为相近且含有N-H结构的1H-吡唑并[3,4-b]吡啶为靶向基团,通过Suzuki偶联反应连接到三种经典中性荧光团(香豆素、萘二酰亚胺和尼罗红)合成了染料2a,2b和2c。光学性能的测试表明,原荧光团的各项光学性能在新染料中得以保留。2a和2b的荧光处于蓝色光区;2c的荧光处于红色光区。而在细胞实验中,染料2a,2b和2c全部具有单一的线粒体靶向能力,可以作为中性结构的线粒体靶向荧光标记物用于细胞成像。3、在上一章的基础上,对杂环结构继续进行调整,探索具有线粒体靶向功能的含氮杂环的结构特点。通过对溴代含氮杂环砌块的筛选,选择1H-吲唑为本章中的靶向基团。利用1H-吲唑分别与香豆素、萘二酰亚胺和尼罗红结合,设计合成染料3a,3b和3c。在光学测试中,3a和3b的最大发射波长处于蓝色光区(448-504 nm);3c的发射波长处于红色光区(574-642 nm)。他们都具有很好的光稳定性。在细胞实验中,将3a,3b和3c分别用于L929细胞和HeLa细胞进行细胞成像实验,结果表明染料3a,3b和3c在HeLa细胞和L929细胞中标记了线粒体。4、在前几章基础上,逐步确定了含有N-H结构的杂环,可能具有调控荧光团靶向线粒体的能力。为了进一步验证,本章继续对溴代含氮杂环砌块进行筛选,选择了同样具有N-H结构的1H-吡咯并[2,3-b]吡啶分别与香豆素、萘二酰亚胺和尼罗红通过σ键连接合成染料4a,4b和4c。在光学测试中,香豆素、萘二酰亚胺和尼罗红的各项光学性能在新染料中的得以保留。细胞实验表明,染料4a,4b和4c在HeLa细胞和L929细胞中全部能够靶向线粒体。这也验证了 N-H结构是具有线粒体靶向能力的含氮杂环的重要结构单元。