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线粒体为细胞提供所需能量,并且其数量、结构和分布等性质变化会影响细胞的生命活动,同时与各种病症密切关系。线粒体为细胞提供所需能量,并且其数量、结构和分布等性质变化会影响细胞的生命活动,同时与各种病症密切关系。其中生物体内系统紊乱常常伴随着线粒体的活性物质变化。次氯酸(HOCl)作为活性氧化物的一种,在先天免疫系统中具有极其重要的作用,但是次氯酸产生过多可能导致氧化应激,会引起各种疾病。因此,生物体内线粒体自身及其内部各种活性物质变化进行可视化追踪对深入研究生物体生理病理规律有十分重要的生物学意义。虽然目前检测次氯酸的荧光探针多种多样,但是仍然存在着诸多弊端,包括水溶性差、灵敏度不佳、响应慢以及波长较短(600 nm以下)、缺乏线粒体定位或定位效果不好,所以设计具备在线粒体中实时检测次氯酸的性能优异的长波长荧光探针仍然很困难。基于BODIPY类荧光染料的诸多优点和本课题在BODIPY类荧光染料的前期工作经验,我们首先构建性能优异的BODIPY类线粒体定位荧光染料平台。通过文献调研,我们发现相比于三苯基膦正离子基团,吡啶季铵盐正离子基团细胞毒性低以及易于在BODIPY类荧光染料修饰和衍生。根据吡啶/吡啶季铵盐修饰BODIPY类荧光染料的研究进展,现阶段还存在着瓶颈问题:meso位吡啶季铵盐BODIPY染料通常是对称结构,导致染料结构修饰受限;非meso位吡啶基BODIPY染料的合成步骤复杂、条件苛刻,缺乏非meso位吡啶季铵盐BODIPY染料线粒体靶向能力的系统研究。因此,我们在第二章中开展了系列研究工作:分别在1-位,3-位,7-位引入吡啶基/吡啶季铵盐,并在3-位和5-位引入苯环甲氧基,构建一系列新型吡啶基/吡啶季铵盐取代BODIPY类荧光染料。我们优化吡咯的合成路线,加入强碱Na H使吡啶基氮杂环丙烯在位生成,之后通过一锅法成功合成出了8个吡啶基吡咯。然后我们进行吡啶基BODIPY染料的合成,发现只有吡啶基吡咯先甲酰化才能与另一分子吡咯进行缩合反应。我们推测吡啶基是吸电子基团,引入到吡咯上时会导致吡咯的α-位电子云密度降低,不易发生亲电取代反应。因此我们优化吡啶基BODIPY染料的合成路线,成功合成了10个吡啶基BODIPY类荧光染料。之后对部分吡啶基BODIPY类荧光染料进行吡啶季铵盐化,成功合成出9个吡啶季铵盐BODIPY类荧光染料。随后我们探究了10个吡啶基BODIPY类荧光染料和9个吡啶季铵盐BODIPY类荧光染料的光谱性能,并对其中3个吡啶季铵盐BODIPY类荧光染料进行线粒体定位实验。通过对其光物理性质的研究,我们发现由于吡啶基是吸电子基团,当在BODIPY上引入时会导致ICT效应的产生从而使最大吸收波长和最大发射波长红移。之后我们观察到引入的吡啶数量增多使染料的最大吸收和最大发射波长延长,这是因为吡啶基数量的增加,增强了BODIPY分子内的ICT效应,使其最大吸收波长和最大发射波长进一步发生红移。然后我们发现对BODIPY染料的3-位苯基进行并环结构固定,使染料形成刚性平面结构,增强BODIPY染料的共轭程度,能够使染料的最大吸收和最大发射波长延长,摩尔消光系数和半峰宽增大、斯托克斯位移减少。此外,我们对邻位吡啶基BODIPY染料A-1、间位吡啶基BODIPY染料A-2和对位吡啶基BODIPY染料A-3进行季铵盐化,发现相应季铵盐化后的染料的最大吸收和发射波长都会产生不同程度的红移,这是由于吡啶基是ICT效应中的吸电子取代基,当其季铵盐化会使染料波长红移。另外邻位吡啶季铵盐BODIPY染料JA-1、间位吡啶季铵盐BODIPY染料JA-2和对位吡啶季铵盐BODIPY染料JA-3的光学性质变化有些许差异,其中JA-2的最大吸收和发射波长红移最少,摩尔消光系数增大,而JA-1和JA-3的最大吸收和发射波长红移较大,摩尔消光系数降低。我们推测是因为吡啶基上氮原子位置的诱导效应以及甲基的引入产生的空间位阻不同所造成的。最后,我们进行线粒体共定位实验。发现吡啶基BODIPY染料季铵盐化后具备线粒体定位能力,JA-1和JA-2的线粒体定位能力更好并且共定位系数基本在0.75以上。针对吡啶/吡啶季铵盐BODIPY类荧光染料结构的系统调控以及相关研究,我们能够构建性能优异的线粒体定位荧光染料和荧光探针。在第三章中,我们选用红色波长的BODIPY染料,并在该染料meso位通过自消除链引入N,N-二甲基硫代氨基甲酸酯作为次氯酸识别基团,设计合成了检测次氯酸的探针DM-BDP-OCl。基于PET效应,探针DM-BDP-OCl几乎没有荧光,用于次氯酸检测时,探针的识别基团被氧化离去,酚盐进一步发生自消除反应生成具有强烈红色荧光的化合物DM-BDP,实现对次氯酸的识别。经对探针DM-BDP-OCl系统测试研究发现,与其他ROS/RNS相比,探针DM-BDP-OCl能够实现对次氯酸特异性和灵敏性地检测。当探针与次氯酸反应后荧光强度在1分钟内迅速增强了112倍,经过10分钟达到相对饱和(170倍),并且在次氯酸浓度范围为0–50μM中具有良好的线性关系,检测限为60 n M。这些特性使探针DM-BDP-OCl能够快速检测He La细胞和RAW 264.7细胞中外源性和内源性次氯酸的浓度波动。通过质谱和密度泛函理论(DFT)计算分别对探针的反应机制和PET效应进行了验证。本工作为探索次氯酸的生理病理功能提供了一种可靠、方便的影像学检测手段。同时为进一步将次氯酸识别基团应用到新型吡啶基BODIPY类染料开发出长波长的具有线粒体靶向功能的新型荧光探针提供了合理论据。