小分子探针技术与方法
一种小分子荧光探针及其制备方法与应用与流程
一种小分子荧光探针及其制备方法与应用与流程
小分子荧光探针作为一种重要的生物分子探测工具，在生命科学领域中具有广泛的应用前景。
本文将介绍一种新型的小分子荧光探针及其制备方法与应用与流程。
首先，该小分子荧光探针的制备方法非常简单，只需要将荧光染料与一种特殊的载体分子结合即可。
这种载体分子具有良好的生物透性和生物相容性，可以在细胞膜上自发结合，并产生强烈的荧光信号。
其次，这种小分子荧光探针的应用范围非常广泛。
它可以用于细胞分子成像、酶活性检测、蛋白质定位等多种生物学实验中。
例如，它可以用于检测细胞内的一些生物活性分子的水平，如钙离子、离子基团、ATP等，具有高灵敏度和高分辨率。
最后，该小分子荧光探针的实验流程也非常简单。
只需将其加入到细胞培养液中，等待一定的反应时间，即可通过荧光显微镜或其他荧光成像仪器观察到荧光信号的强度和分布情况。
总之，该小分子荧光探针具有制备简单、应用广泛、实验流程简便等优点，将为生命科学研究提供更多的实验工具和方法。
同时，我们也期待该小分子荧光探针在其他领域中的应用，为相关领域的研究带来新的突破。
- 1 -。
化学小分子探针在药物发现中的应用
化学小分子探针在药物发现中的应用仇文卫，汤杰华东师范大学化学系、药物化学研究所当今创新药物的发现越来越依赖于靶点的发现以及靶点与活性化合物作用模式的确定，化学小分子探针在这两方面的特出优越性使其成为药物化学的研究热点。
1、创新药物的发现、靶点与化学小分子探针药物可以挽救生命、治疗疾病、改善健康状况、缓解痛苦和各种不适，因此，可以说药物改变着我们的生活，也影响着整个世界。
然而，目前开发新药的费用平均每个高达数亿美元，尽管投入如此之高，从研发到上市仍约需10-12年之久（图1）。
因此新药研发迫切需要新技术、新理论，以提高效率、缩短周期。
图1. 新药研发过程现代药物的发现过程主要包括靶点(target)的识别、先导物的发现、结构优化、临床前及临床试验等阶段，其中正确的靶点识别是影响整个过程的关键步骤之一。
靶点也称为受体（receptor），是指与药物分子在体内相互作用的功能性大分子，通常是某种蛋白质（绝大部分靶点是蛋白质）、核酸、离子通道或DNA 等。
药物分子在体内作用于靶点的特定部位，形成复合物，从而诱发生物化学及生理学上的变化，产生药物效应，达到治疗疾病的目的。
若能发现这些靶点，就可以在此基础上建立相应的筛选模型，对活性化合物进行高效率的活性评价。
从而促进先导物发现和结构优化的进程。
可见，现今药物的发现已越来越依赖于药物靶点的发现。
那么如何解决药物靶点的发现问题呢？虽然，生命科学领域的研究近年来取得了巨大成就，2001年人类基因组工程的完成更是一个里程碑式的进步。
然而，何种蛋白质是针对某种疾病的小分子药物的靶点，在目前基因水平上的生物技术仍然无法解决。
随着后基因时代的到来，人们逐渐认识到蛋白质才是生理功能的执行者，也是生命现象的直接体现者。
这其中有可能蕴藏着开发疾病诊断方法和新药的“钥匙”，在基因组学基础上开展蛋白质组学研究将有可能导致药物开发方面的实质性突破。
因此针对药物发现的技术重心已经由基因组转向了蛋白质组。
有机小分子探针
有机小分子探针黄美英 2014010714摘要细胞内生物活性化合物在细胞内作用靶点的确定是化学生物学和药物开发中的关键问题之一。
作为功能蛋白质组学中的一项重要技术, 小分子探针在确定生物活性化合物细胞内作用靶点的研究中扮演着举足轻重的角色。
PH值在生理及病理过程如受体介导的信号传导、酶活性、细胞生长和凋亡、离子运输和稳态调节、钙含量调节、细胞内吞作用、趋化作用、细胞粘附和肿瘤生长等过程中起到非常重要的作用。
本文介绍了几种小分子探针原理，技术和方法，并通过列举近年来该技术应用的成功示例进一步阐明小分子生物活性探针技术的应用原理和重要性。
关键词生物活性化合物；小分子探针；PH值；DNA探针技术一绪论荧光探针是化学传感技术领域在上个世纪八十年代的一项重大发现，目前己有愈来愈多的荧光探针应用于分子水平上进行实时检测。
荧光检测技术由于灵敏度高，操作简便，可视性强，且对细胞、生物体的损伤小，成为了用于临床分析、环境监测、生物分析及生命科学等领域不可缺少的检测工具[1]。
分子荧光探针的检测对象包括各种离子、小分子、自由基、多肽、酶，甚至还包括温度、极性、粘度等。
人们可以使用荧光显微镜、荧光光谱仪、流式细胞仪、荧光活体成像系统等仪器获取荧光探针检测的相关信息，借助荧光成像技术我们能够实时检测活细胞内分子或离子的浓度以及生物大分子结构的变化过程，也可以获得关于生物组织生理代谢过程的相关信息，还可以实现生物活体的荧光成像[2]。
另一方面研究者们能够根据需要设计合成出满足“特定要求”的探针分子，基于此，荧光探针和荧光检测技术在生命科学的发展中起到举足轻重的作用[3]。
通常一个光探针分子由荧光团（Fluorophore）和识别基团（Receptor）通过连接臂（Spacer）以共价键方式连接，荧光团作为信号转换器将识别行为转化为光信号，可以通过荧光的增强或淬灭乃至光谱位移的变化对分析物进行识别。
荧光探针分子具有非常大的可塑性和应用潜力，通过对有机分子结构进行巧妙设计和改造，就能够设计合成出满足各种需要的荧光探针。
生物医学光子学_3-5_有机小分子荧光探针
荧光探针技术荧光探针的种类（按照制备方法分）5霍夫曼研究治疗疟疾的喹啉的组成时，发现其中有苯和苯胺，于是他与助手帕金合作，采用氧化苯胺衍生物的办法制造喹啉。
没有想到，喹啉没有制成，却制出年苯胺紫投入生产，这香料香豆素。
1870年William Henry Perkin ，1838-1907Since Perkin started out with a mixture of aniline, o-toluidine, and p-toluidine, his product mixture as well. The most prominent compound mauveine, but other minor products form as well. In addition, because Perkin was working had no idea of what percentages using. Thus, he received a variety of yields, however,Adolf von Baeyer, 1835-1917年，德国化学家拜尔注册了合成靛蓝的专利。
牛仔裤在美流行，使得合成靛蓝染料黄金时代。
人工合成染料的发展历史cylindrically shapedmolecules with absorption aligned approximately parallel to their147-Hydroxy-4-methylcoumarin17membrane –permeant, minorgroove DNA stains that fluoresce bright blue upon binding to DNA.19Cell-Impermeant and PropidiumIodide(PI) is commonly used as anuclear or chromosome counterstainFluorescein2224Rhodamine 6GRhodamine B选择原则氙灯汞灯29荧光探针技术荧光探针的选择原则（2）发射波长应根据所拥有的滤光片和探长的光的作用特点，可将(Long pass)滤光片；（2）带滤光片(Short pass)。
有机小分子荧光探针的研究1
PET识别分析物理论示意图
PET过程可以用前线轨道理论具体解释：当识别基 团不存在时，荧光团被光激发后，其最高占据轨道 （HOMO）的一个电子跃迁到最低空轨道（LUMO）,能 够产生荧光； 若外来识别基团的HOMO或LOMO轨道介于荧光团 两轨道能量之间，此时就可以发生识别基团与荧光团之间 的电子转移而导致荧光的猝灭。即PET过程阻止了荧光团 的一个电子从激发态到基态的非辐射跃迁途径，降低了荧 光团的量子产率，表现为荧光强度的减弱或淬灭。
4 激基缔合物/复合物（ excimer / exciplex ）
•
激基缔合物指一些荧光团在激发态与另一相同或不同的基态荧光 团接近时往往能生产激基缔合物（通过π-π堆积作用形成激基缔合物） 可观察到双重荧光。它的发射光谱不同于单体的荧光，新的荧光会产 生一定的红移，且出现强而宽的，无精细结构发射峰。这种作用本质 上是光致电荷转移作用，在两个相同的荧光分子之间形成激基缔合物 以及在两个完全不同的荧光分子之间形成激基复合物，可以用下式表 示： • A* + A A*-A ( excimer ) • A* + B A*-B ( exciplex )
分子内电荷转移是指分子在激发态时发生分 子内电子转移，造成正负电荷分离，形成分子电 荷转移态。分子内电荷转移荧光探针分子通常是 荧光团上同时连有推电子基团（电子给体，Donor） 和吸电子基团（电子受体，Acceptor）,通过π键提 供电子转移的通道，形成强的推-拉作用的共轭体 系，其吸电子基团或推电子基团本身充当识别基 团的一部分。当识别基团和被分析物结合后，作 为识别基团的供电子部分或拉电子部分的推拉电 能力发生的改变，整个体系的的π电子结构重新 分布，从而导致吸收光谱，发射光谱发生变化， 主要是光谱红移或蓝移 。
常见的小分子荧光探针种类
常见的小分子荧光探针种类1.引言1.1 概述小分子荧光探针是一类被广泛应用于生物领域的化学工具，通过其具有的荧光性质，可以用于生物成像、药物传递、疾病诊断等方面。
小分子荧光探针具有分子结构简单、稳定性好、探测灵敏度高等特点，在生物学研究中起着重要的作用。
小分子荧光探针的种类繁多，根据其不同的结构和功能特点，可以分为许多不同的类别。
常见的小分子荧光探针包括有机荧光探针、金属配合物荧光探针、聚合物荧光探针等。
有机荧光探针是指由有机化合物构成的荧光探针，其分子结构多样，可以通过调整结构来实现特定的探测目标。
常见的有机荧光探针包括荧光染料、荧光蛋白等。
荧光染料具有较强的荧光强度和良好的化学稳定性，可以用于细胞成像、生物传感等领域。
荧光蛋白是一类来源于特定生物体的蛋白质，其具有自身天然的荧光性质，可以通过基因工程技术进行改造和调整，广泛应用于生物研究中。
金属配合物荧光探针是指由金属离子与配体形成的荧光探针，其具有较强的荧光性能和较长的寿命。
金属配合物荧光探针具有选择性较高的特点，可以用于特定金属离子的探测和诊断。
常见的金属配合物荧光探针包括铜离子、锌离子、铁离子等的配合物。
聚合物荧光探针是指由高分子聚合物构成的荧光探针，其具有较好的溶解性和稳定性。
聚合物荧光探针可以通过调整聚合物的结构和链长来实现特定的探测需求。
常见的聚合物荧光探针包括聚合物分子探针、聚合物纳米探针等。
总之，常见的小分子荧光探针种类繁多，具有不同的结构和功能特点，可以根据具体的研究需求选择适合的荧光探针进行应用。
这些小分子荧光探针为生物学研究提供了有力的工具，有助于深入理解生命的基本过程和疾病的发生机制。
未来，随着技术的不断发展和突破，相信小分子荧光探针在生物领域的应用会得到更广泛的推广和应用。
1.2文章结构1.2 文章结构本文主要围绕"常见的小分子荧光探针种类"展开讨论。
文章分为引言、正文和结论三个部分。
在引言部分，将进行概述、文章结构和目的的介绍。
小分子荧光探针简介-肖康
小分子荧光探针简介（一）
肖康
1
目录
一、发光原理及发光类型 二、常见的几种荧光机制 三、小分子荧光探针案例
2
一、发光原理及发光类型
3
一、什么是荧光及发光原理
一、发光 (Luminescence)
荧光 (Fluorescence) 磷光 (Phosphorescence) 化学发光 (chemiluminescence)
Excited
2、双光子发光
吸收两个光子，发射一个光子； 激发光波长大于发射光波长； 反Stokes定律，蓝移。
Ground
单光子
3、上转换发光
掺杂稀土离子的化合物中； 稀土金属独特光学性质； 反Stokes定律，蓝移。
双光子
上转换
5
双光子荧光探针（Two-photon）
昂贵的飞秒脉冲激光器
1、荧光 一种光致发光的冷光现象。 经入射光照射，外层电子从基 态跃迁到激发态，当恢复到基 态时能量已光能形式释放，成 为荧光。荧光寿命≤10-8s。 2、磷光 一种缓慢的光致发光的冷光现象。 磷光寿命≥10-8s。
3、化学发光
4
一、什么是荧光及发光原理
1、单光子发光
最常见的发光方式； 吸收一个光子，发射一个光子； 符合Stokes位移定律，红移； 激发光波长小于发射光波长。
aa
双光子荧光团
双光子：λex = 750 nm, band at 540 nm
c
d b
λex = 405 nm, λem = 540 nm 体外分析数据采用单光子测试
10
上转换发光材料（UCNPs）
迄今为止，上转换发光都发生在掺杂稀土离子的化合物中
有机小分子荧光探针的设计与合成
有机小分子荧光探针的设计与合成有机小分子荧光探针在生物医学领域中起着至关重要的作用。
它们能够通过与特定生物分子的相互作用，实现对这些分子的高灵敏度和高选择性的检测。
因此，设计和合成高质量的有机小分子荧光探针成为了当今研究的热点之一。
本文将介绍有机小分子荧光探针的设计原理、应用以及合成方法。
有机小分子荧光探针的设计是基于分子的结构和性质的针对性改进。
在设计过程中，需要考虑分子的光学性质、分子的亲和性以及与靶分子的相互作用等因素。
分子的光学性质包括荧光发射的最大波长、荧光强度以及光稳定性等。
分子的亲和性则取决于分子的结构和空间构型等因素。
与靶分子的相互作用可以通过共价键、氢键、范德华力以及荧光共振能量转移等方式来实现，从而实现对靶分子的选择性检测。
有机小分子荧光探针的应用非常广泛，涵盖了生物医学、环境监测、食品安全等领域。
在生物医学领域中，有机小分子荧光探针可以用于荧光显微镜成像、生物传感器的构建以及疾病的早期诊断等。
例如，某些有机小分子荧光探针可以选择性地与癌细胞结合，在体内成像并用于癌症的早期诊断。
在环境监测领域中，有机小分子荧光探针可以用于检测水质污染物、有害气体等。
在食品安全领域中，有机小分子荧光探针可以用于检测食品中的有害物质，确保食品的安全性。
有机小分子荧光探针的合成方法多种多样，具体取决于分子的结构和所需的功能。
常见的合成方法包括化学合成、生物合成以及组装法等。
化学合成是最常用的方法之一，通过有机合成化学家们可以根据分子的结构需求合成出具有荧光功能的小分子。
生物合成是利用生物体内的酶催化以及代谢途径来合成特定的荧光探针。
组装法是将多个分子通过化学键或非共价键的方式组装在一起，形成具有荧光探针功能的超分子结构。
在荧光探针的设计与合成过程中，需要充分考虑探针的荧光性质、稳定性以及对生物体的生物相容性等因素。
此外，合成过程也要求高纯度的产物，常常需要借助于先进的分析仪器和技术来进行分析与鉴定。
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Metalloproteinases
Identified increased neprilysin activity in aggressive melanoma cell lines
Cysteine proteases
Identified increased cathepsin cysteine protease activies in pancreatic islet tumors and used for in vivo imaging.
多种筛选模型
from Nature 2004, 432, 846-854
from Nat. Chem. Biol. 2007, 3, 466-479
活性小分子的作用靶标认定
基于小分子与靶标结合作用的鉴定方法
from Chem. Soc. Rev. 2011, 40, 4332-4345
活性小分子的作用靶标认定
基于ABP的分子影像
qNIRF-ABPs for imaging of legumain and tumor metastases
from J. Am. Chem. Soc. 2013, 135, 174-182
作用底物型小分子探针与分子影像
from Angew. Chem. Int. Ed. 2007, 46, 7031-7034
Caspases
In vivo and ex vivo visualization of apoptosis in colon tumorbearing mice treated with Apomab.
Nat. Rev. Cancer 2010, 10, 630-638
ABP的应用举例
from Chem. Soc. Rev. 2011, 40, 246-257；Cell. 2010, 140, 49-61
from PNAS. 2010, 107, 12239-12244
作用底物型小分子探针与分子Fra bibliotek像from Nat. Chem. 2012, 4, 802-809
(Mtb)
CDG-OMe
Rel. Fluorescence (a.u.)
6000
4000
2000
0A B C D E CDG-1
F
●●●●●● FEDCBAEKKEEE.ll.ne.cectbocbeooslsrililoiietierbwtlallrlaaaaintchnspptfsennNofreoeraDmurumMcmmeloe-doo1adnnwciiwaaaithiewtwhTwiittBEhhitlhMaSKCAH-P1mVCB-p1laC8
from Nat. Chem. Biol. 2005, 1, 203-209
基于ABP的分子影像
qNIRF-ABPs for in vivo imaging of papain-family cysteine proteases
from Nat. Chem. Biol. 2007, 3, 668-677
➢ 小分子探针与靶标确认 ➢ 分子影像中的新型探针 ➢ 与非编码RNA调控相关的分子探针
小分子探针与靶标确认
小分子探针的多功能化
from J. Am. Chem. Soc. 2014, 136, 10777-10782
小分子探针与靶标确认
新的生物正交反应官能团的应用
from J. Am. Chem. Soc. 2014, 136, 9990-9998
AB C DEF CDG-OMe
AB CDE CDG-3
105 104 103 c.f.u. F 102
from Angew. Chem. Int. Ed. 2014, 53, 9630-9634
提纲
• 小分子探针与化学遗传学 • 小分子探针与化学蛋白质组学 • 小分子探针与分子影像 • 展望
展望
from Med. Chem. Commun. 2014, 5, 277-287
探针靶标认定中的生物正交反应
from Nat. Chem. Biol. 2013, 9, 476-484
化学遗传学获取的小分子探针应用举例
化学遗传学
NSA
from Cell. 2012, 148, 213-217
提纲
ABP的化学生物学应用
from Curr. Opin. Chem. Biol., 2011, 15, 798–805
ABP的应用举例
Structure
Enzyme class Applications in cancer
Serine hydrolases
Identified increased KIAA1363, MAGL, uPA, tPA and RBBP9 activities in aggressive cancer lines and primary tumors
小分子探针与靶标确认
新的生物相容反应的应用
from J. Am. Chem. Soc. 2013, 136, 4996-4999
from Angew. Chem. Int. Ed. 2014, 53, DOI: 10.1002/anie.201407225
提纲
• 小分子探针与化学遗传学 • 小分子探针与化学蛋白质组学 • 小分子探针与分子影像 • 展望
荧光探针
基于ABP的分子影像
from Annu. Rev. Biochem., 2014, 83, 249–273
基于ABP的分子影像
qABP for papain family cysteine protease
• 小分子探针与化学遗传学 • 小分子探针与化学蛋白质组学 • 小分子探针与分子影像 • 展望
化学蛋白质组学
from Nat. Rev. Cancer 2010, 10, 630-638
基于活性的探针(ABP)设计与结构特征
from Chem. Soc. Rev. 2011, 40, 246-257
小分子探针技术与方法
提纲
• 小分子探针与化学遗传学 • 小分子探针与化学蛋白质组学 • 小分子探针与分子影像 • 展望
活性小分子筛选的不同模式
from Nat. Chem. Biol. 2013, 9, 232-240
候选分子的来源
❖ 天然产物 ❖ 天然产物类似物 ❖ 结构多样性导向的合成产物 ❖ 商业或公共资源渠道的小分子库 ❖ ……