近红外中位硫、氮取代七甲川菁类荧光染料的合成及光谱性能研究

论文摘要

七甲川菁染料作为近红外荧光染料,由于能有效避开生物样品的自吸收和自发荧光所造成的背景干扰,近来常被用作生物体内的荧光标记物或制成荧光探针,成为研究热点。旨在提高它的稳定性和光谱性能而进行的分子结构改造或改进的研究工作一直很受关注。 本论文总结前人工作,以一个兼顾光稳定性和水溶性的七甲川吲哚菁染料为母体,对其中位氯原子进行取代,合成出一系列新型近红外菁染料。其中一类新染料在斯托克斯位移这一关键的光谱性能上取得突破,斯托克斯位移超过140nm,远远大于普通多甲川菁染料的25nm。 设计的母体染料在两端吲哚母核的N原子上各引入一个空间位阻大的苄基以期提高光稳定性。同时合成了一个两端N原子上引入乙基的染料作为对照。光稳定性实验证实新合成的母体染料有更好的光稳定性,证明了在吲哚环的N原子上引入苄基确实有提高光稳定性的效果。同时发现染料在水溶液中的光氧化速度明显比其它溶剂快。母体染料的合成以甲苯替代苯作为溶剂,实现在水中二次重结晶提纯,为后续工作奠定了基础。 在母体染料的中位用含-SH基团试剂亲核取代,衍生合成了四个中位硫取代衍生染料。发现这类衍生染料存在分子内光诱导电子转移（PET）现象。并且染料的PET效应与中位硫取代基团的供电能力直接相关。其中,一个取代基供电能力最强的染料表现出最有效的分子内PET,荧光量子产率最小。当这个染料取代基上的氨基被乙酰化或与重金属离子、质子结合,染料的荧光都会增强。这个结果有效验证了分子内PET的存在,并为设计基于这类染料的近红外荧光PET探针奠定基础。 将母体染料的中位氯原子用氨基试剂亲核取代,衍生合成了五个中位仲胺七甲川菁染料。发现这类衍生染料具有大的斯托克斯位移。其中,中位烷基氨基取代的三个衍生染料在水溶液中的斯托克斯位移大于140nm,并且荧光强度比普通菁染料强两倍以上。说明这类染料分子在激发态可能存在分子内电荷转移（ICT）现象。利用荧光粘度实验和质子化荧光滴定实验跟踪伴随ICT激发态产生时发生的分子构像变化,验证了ICT激发态的存在。 此外,论文还合成了两个中位叔胺七甲川菁染料染料,它们也具有大的斯托克斯位移,排除了染料分子发生激发态分子间质子转移的可能,进一步证明了ICT激发态的存在。 对中位衍生的新染料的光稳定性进行了深入的研究。根据中位硫、氮衍生染料的光稳定性研究结果,发现取代基的供电性能对光稳定性和荧光量子产率产生直接影响。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 文献综述
• 1.1 引言
• 1.2 生物近红外荧光技术
• 1.2.1 电磁光谱的近红外区域
• 1.2.2 近红外区检测生物样品的优势
• 1.2.3 近红外荧光检测技术介绍
• 1.2.4 近红外荧光生物检测手段与仪器
• 1.2.4.1 激光诱导荧光检测
• 1.2.4.2 荧光影像技术
• 1.2.5 生物应用近红外荧光染料
• 1.3 菁染料的介绍
• 1.3.1 菁染料的结构特征
• 1.3.2 菁染料的合成方法
• 1.3.3 菁染料的自聚
• 1.3.4 菁染料的光稳定性
• 1.3.5 菁染料的水溶性
• 1.4 近红外菁染料的研究进展
• 1.4.1 分子结构改造与合成研究
• 1.4.2 近红外菁染料的生物应用进展
• 1.4.2.1 物理结合荧光标示应用
• 1.4.2.2 化学键合荧光标示应用
• 1.5 选题背景和依据
• 参考文献
• 第二章 中间体的合成及七甲川菁染料母体的研究
• 2.1 引言
• 2.2 实验部分
• 2.2.1 仪器与试剂
• 2.2.2 中间体和染料的合成
• 2.2.2.1 合成路线
• 2.2.2.2 2，3，3-三甲基-3H-吲哚啉-5-磺酸钾的合成
• 2.2.2.3 N-苄基-2，3，3-三甲基-3H-吲哚啉-5-磺酸的合成
• 2.2.2.4 N-乙基-2，3，3-三甲基-3H-吲哚啉-5-磺酸的合成
• 2.2.2.5 缩合剂2-氯1-甲酰基-3-羟甲基环己烯的合成
• 2.2.2.6 母体染料1a的合成
• 2.2.2.7 母体染料1b的合成
• 2.2.3 染料的吸收和荧光光谱测定
• 2.2.4 染料的光稳定性测试
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 染料的合成与纯化
• 2.3.1.1 中间体1-苄基-2，3，3-三甲基-3H-吲哚啉-5-磺酸的合成
• 2.3.1.2 母体染料的合成
• 2.3.1.3 母体染料的纯化
• 2.3.2 染料结构的确定
• 2.3.3 染料的吸收和荧光光谱
• 2.3.4 染料的光稳定性测试
• 2.3.4.1 染料1a与染料IR125光稳定性对比
• 2.3.4.2 染料1a与染料1b光稳定性对比
• 2.3.4.3 测试条件对光稳定性的影响
• 2.4 小结
• 参考文献
• 第三章 中位硫取代七甲川菁染料的研究
• 3.1 引言
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 仪器与试剂
• 3.2.2 染料的合成
• 3.2.3 染料的分离与结构表征
• 3.2.3.1 反相填料柱的使用方法
• 3.2.3.2 染料2a
• 3.2.3.3 染料2b
• 3.2.3.4 染料2c
• 3.2.3.5 染料2c的核磁谱图
• 3.2.3.6 染料2d
• 3.2.4 染料的吸收与荧光光谱测定
• 3.2.5 染料的光稳定性测试
• 3.2.6 染料的氧化还原电位测定
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 染料的合成与提纯
• 3.3.2 取代基对PET影响
• 3.3.3 研究近红外荧光PET探针的难点
• 3.3.4 染料的氧化还原电位与PET研究
• 3.3.5 外加阳离子对PET影响
• 3.3.5.1 外加质子对PET的影响
• 3.3.5.2 外加金属离子对PET的影响
• 3.3.5.3 近红外PET金属离子探针的设计探讨
• 3.3.6 染料PET规律总结与解释
• 3.3.7 染料的光稳定性与PET的关系
• 3.4 小结
• 参考文献
• 第四章 中位仲胺七甲川菁染料的研究
• 4.1 引言
• 4.2 实验部分
• 4.2.1 仪器与试剂
• 4.4.2 染料的合成
• 4.2.3 染料的结构表征
• 4.2.3.1 染料3a
• 4.2.3.2 染料3b
• 4.2.3.3 染料3c
• 4.2.3.4 染料3d
• 4.2.3.5 染料3e
• 4.2.4 染料的吸收与荧光光谱测定
• 4.2.5 染料的光稳定性测试
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 氮取代染料的文献探讨
• 4.3.2 染料3a的光谱性质
• 4.3.3 增大染料斯托克斯位移的意义
• 4.3.4 染料3b的光谱性质
• 4.3.5 染料3c-e的独特光谱性质
• 4.3.6 分子内电荷转移（ICT）激发态染料特征阐述
• 4.3.7 溶剂化效应验证染料存在ICT激发态
• 4.3.8 伴随ICT激发态形成过程的构像变化
• 4.3.9 光谱实验跟踪ICT态形成过程的构像变化
• 4.3.10 染料的光稳定性比较
• 4.4 小结
• 参考文献
• 第五章 中位叔胺七甲川菁染料的研究
• 5.1 引言
• 5.2 实验部分
• 5.2.1 仪器与试剂
• 5.2.2 4a的合成
• 5.2.3 4b的合成
• 5.2.4 染料的吸收与荧光光谱测定
• 5.3 结果与讨论
• 5.3.1 染料的合成与提纯
• 5.3.2 染料的吸收和荧光光谱
• 5.3.3 染料4a和4b的溶剂化效应
• 5.3.3.1 不同溶剂的光谱性质
• 5.3.3.2 溶剂化效应的机理解释
• 5.3.3.3 混合溶剂的光谱性质
• 5.4 小结
• 参考文献
• 结论
• 攻读博士学位期间发表学术论文情况
• 创新点摘要
• 致谢
• 大连理工大学学位论文版权使用授权书