硫化物非共价荧光传感平台的构建及其传感性能研究

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从传统意义上来看,S2-是一种具有强腐蚀性的污染物,一旦溶于水中,极易水解,生成毒性更强的HS-和H2S。低浓度的H2S对结膜、呼吸系统及中枢神经系统都有刺激作用。短时间内暴露于高浓度的H2S会引起头晕、心悸、抽搐并进入昏迷状态,严重时可致死。新近科学研究发现,H2S还是继CO和NO之后,被发现的第三种气体信使分子,在调节血压、刺激血管生成、保护心肌和抑制氧化应激等方面发挥着重要作用。内源性H2S水平的异常还与许多人类疾病相关,如唐氏综合征、阿尔茨海默病、糖尿病和肝硬化等。因此,实现在水溶液及生理条件下对硫化物的实时、快速、高灵敏检测对于公共安全、医疗健康和环境监测等具有重要意义。在众多已发展的水相检测硫化物的方法中,荧光光谱法以其灵敏度高、选择性好、操作简单、对生物样品损伤小等优点得到了广泛关注。目前硫化物荧光传感器主要分为置换型荧光传感器和反应型荧光传感器两大类。置换型硫化物荧光传感器由于要和金属离子作用形成金属络合物,易受其他金属离子干扰,选择性差,不能用于复杂样品的分析。与置换型荧光传感器相比,反应型硫化物荧光传感器具有以下优势:(一)反应型硫化物荧光探针无需与金属离子络合,就可达到传感目的,可有效避免荧光猝灭;(二)探针分子中存在与分析物作用的特异性反应位点,选择性高;(三)与分析物作用后,探针分子的化学结构发生改变,很可能伴随颜色变化。结合比例型荧光探针具有自校准功能及其有机合成依赖大的现状,本论文拟基于非共价相互作用,发展能够对水溶液以及实际样品中硫化物高灵敏高选择性检测的基于反应型的比例型硫化物荧光传感体系。第一部分工作是以香豆素衍生物HCCA和吡罗红衍生物PyP为双荧光报告基团和双识别位点,基于非共价键相互作用构建了一种可选择性识别水溶性硫离子的比例型荧光传感体系。其中,HCCA对硫离子呈荧光turn-on型响应,而PyP对硫离子水解产物硫化氢呈现反应型的turn-off型响应,二者的简单非共价混合,实现了在水溶液中对S2-的选择性比例型响应。研究发现,本工作所设计的二元传感平台在水溶液中对硫离子的检出限为37 nM,灵敏度较高,且可视化现象明显,其在紫外灯下的荧光颜色由橙色变成蓝色,在日光灯下由红色变为无色。另外,该二元传感平台可实现对10%尿液中硫离子的定量检测,而且选择性更高。本工作首次证实了 7-羟基香豆素对硫离子的传感能力,提供了一种可以简单、高效检测硫离子的新方法。第二部分工作是以芘、吡罗红为FRET过程的能量供-受体对,基于表面活性剂聚集体共组装策略构建了一种非共价FRET传感平台,实现了对H2S的比例型识别。首先,基于阴离子型表面活性剂SDS、阳离子型表面活性剂DTAB和中性表面活性剂TX-100聚集体对双芘衍生物Py-TOA-Py和吡罗红衍生物PyP的光谱调控行为,研究了这两种探针在不同表面活性剂聚集体中的FRET现象。在SDS胶束水溶液中,FRET效率最高,光谱变化和可视化现象最明显。结合FRET过程相关参数的定量计算、时间分辨发射光谱分析以及动态光散射分析,探索了表面活性剂与探针的静电作用,表面活性剂的聚集状态对FRET过程的影响。在此基础上,我们又研究SDS表面活性剂调控的FRET体系对H2S的传感行为。其灵敏度很低,且只有吡罗红荧光发射的变化。考虑到SDS聚集体表面的负电荷不利于H2S和吡罗红的结合,我们又引入了阳离子型表面活性剂CTAB,SDS/CTAB调控的FRET体系可以实现对H2S的比例型传感,可视化现象明显。下一步的工作计划是研究SDS/CTAB复配FRET体系对H2S的选择性识别能力、传感机理,以及在血清、尿液中的传感能力。
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