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游离铁库(Labile iron pool)是指处于铁代谢的中间状态且与细胞内的配体弱结合的游离铁,其主要以亚铁离子(Fe2+)的形式存在。铁稳态的破坏与多种疾病相关。准确、快速、可视化检测游离铁库中的亚铁离子有助于了解游离铁库的生理功能,而荧光探针在可视化检测游离铁库中的亚铁离子方面有很大的潜力。半胱氨酸(Cys)作为一种重要的氨基酸和生物硫醇,在蛋白质合成,细胞解毒,和新陈代谢方面起着不可或缺的作用。Cys缺乏会导致儿童发育迟缓、肝损伤、嗜睡以及水肿综合征等多种健康问题,而Cys过量又会引发神经毒性。因此,设计开发准确、高效的Cys荧光探针对于理解Cys的病理生理作用具有十分重要的意义。本论文主要开展了以下工作:1.设计并合成了两种新型的反应性的Fe2+双光子荧光探针。探针Coum-Nox和Acedan-Nox检测Fe2+是基于Fe2+触发的氮氧化物(N-oxide)的还原以及荧光团7-二甲氨基-4-甲基香豆素或6-二甲氨基-2-乙酰萘(Acedan)的恢复。在水相中,探针Coum-Nox和Acedan-Nox都有高的信倍比(约17倍),快速响应(约15分钟内响应完全),长斯托克位移,高灵敏度(检测限分别为0.06 μM,0.07 μM)。同时,探针Coum-Nox和Acedan-Nox具有高选择性,低毒性以及好的生物相容性,能够用于细胞内游离Fe2+的双光子成像。在进一步的研究中,通过双光子实时可视化监测细胞内游离亚铁库,探针Coum-Nox被用于调查转铁蛋白受体介导的肝癌细胞HepG2和正常肝细胞L02细胞的铁摄取过程。结果表明,当用铁离子(Fe3+)和载铁转铁蛋白(holoTf)处理HepG2和L02细胞时,探针Coum-Nox监测到荧光随着时间的增加而逐渐增强,但是HepG2细胞中荧光增强的速度比L02细胞快,而且这个过程能够被抗转铁蛋白受体抗体阻断,说明肝癌细胞表面转铁蛋白受体表达水平比正常肝细胞高。2.开发了一个结构简单、响应迅速的长波长荧光探针HCA-A来选择性检测半胱氨酸(Cys)。该探针以兼具ESIPT和AIE效应的4-二甲氨基-2’-羟基查尔酮(HCA)为荧光团,并用丙烯酰基作为响应基团来阻断ESIPT和AIE效应。Cys通过多米诺反应脱去探针的丙烯酰基而释放出荧光团HCA,从而恢复荧光团的分子内质子转移(ESIPT)和聚集诱导发光(AIE)效应。这一过程使得探针具有高信背比,能够选择性地检测Cys,不受高半胱氨酸和谷胱甘肽的影响。探针的检测限为0.04 μM。更重要的是,探针能够用于检测活细胞内内源性Cys。