基于钌多吡啶类配合物的DNA分子光开关及生物传感研究
多吡啶钌配合物与DNA相互作用的光电化学性能及电化学组装的开题报告
多吡啶钌配合物与DNA相互作用的光电化学性能及
电化学组装的开题报告
研究背景:
DNA和金属配合物的相互作用一直是研究热点之一。
多种金属配合物均已被证明可以与DNA发生相互作用，并且这种相互作用可以导致DNA的结构变化和光学性质的改变。
特别是，钌配合物因其特殊的物理化学性质已经成为DNA相互作用研究的热点之一。
研究内容:
本研究将使用脱氧核糖核酸（DNA）作为底物，并采用电化学组装方法制备了多种多吡啶钌配合物/DNA复合体。
通过XPS，FTIR，CV等表征手段，表征了多吡啶钌配合物和DNA的化学性质和电化学性能。
光电化学性能方面，采用紫外-可见吸收光谱、荧光谱和光电化学技术研究了多吡啶钌配合物和DNA之间的相互作用。
通过光电流和电位分布分析，探讨多吡啶钌配合物/DNA复合物的光电化学性能。
同时，使用荧光共振能量转移（FRET）技术研究了多吡啶钌配合物和DNA复合物中的能量传输机制。
电化学组装方面，采用原子力显微镜和电化学阻抗谱等表征方法，研究多吡啶钌配合物/DNA复合物在电极表面的组装行为。
并通过实验和模拟研究其电导特性和传输行为。
创新意义:
本研究利用多吡啶钌配合物和DNA复合体用于光电化学检测，探索了DNA与金属配合物之间的相互作用。
可以为探索DNA和其他金属配合物之间的相互作用提供参考。
此外，研究结果还可以为光电化学材料的设计和制备提供参考，为制备高效的传感器、光电器件等开发具有现实意义的技术提供了基础数据。
基于钌配合物的光电功能材料与应用研究
基于钌配合物的光电功能材料与应用研究下载提示：该文档是本店铺精心编制而成的，希望大家下载后，能够帮助大家解决实际问题。
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钌(Ⅱ)多吡啶配合物与DNA相互作用研究
第 １ ９卷 第 １ ２期 ２０ ０ ７年 １ ２月
化 学 进
展
Ｖｏ ． ９ Ｎｏ．２ １ １ １ Ｄｅ ，２ ０ ｅ． ０ ７
ＰＲＯＧＲＥＳ Ｎ Ｓ Ｉ ＣＨＥＭＩ Ｔ ｓ ＲＹ
钌 （ 多吡啶配合物 与 Ｄ Ａ相互作用研究 ＊ Ⅱ） Ｎ
广 泛关注 ， 成为 生物 无机化 学的重 要研 究内容之 一。本 文 简要 评述 了钌 （ 多吡啶 配合 物在 Ｄ Ａ识别 、 Ⅱ） Ｎ 断 裂 及拓扑 异构 酶抑制 方面 的研 究情 况。
关键 词 钌（ 多吡 啶配合 物 Ⅱ） Ｄ Ａ识别 Ｎ Ｄ Ａ断裂 拓 扑异构 酶抑制 Ｎ
中图分类号 ： ６４ ８ Ｑ ２ 文 献标识码 ： ０ １ ．； ５３ Ａ 文章编号 ：１０ —８ｘ（ｏ ７ １ —８４０ ０ ５２ １ ２ ｏ ）２ １４ —８
ｂ ｔ ｅ ｔｌｃ ｍｐ ｅ ｅ ｎ ｅｗｅ ｎ ｍｅａ ｏ ｌｘ ｓ ａ ｄ ＤＮＡ ａ ｅ ｅｖ ｄ ｉ ｔｎ ｅ ｉ ｔｒｓ ｎ ｅ ｏ ｎ ｉ ｏ ａ ｔｒｓ ａｃ ｅｄ ｏ ｉｉｏ ｇ ｎｅ ｈ ｓ ｒｃ ｉｅ ｎ ｅ ｓ ｎｅ ｅ ｔａ ｄ ｂ ｃ ｍｅ ａ ｍｐ ｒ ｎ ｅ ｅ ｒ ｈ ｆ ｌ ｆｂ ｏｎ ｒａ ｉ ｔ ｉ ｃ ｅ ｓｒ ．Ｔ ｉ ｒｖｅ ｈｇ ｌ ｈｓｓ ｍｅ ｒｃ ｎ ｒｇ ｅｓ ｓ ｉ ｈ ｔ ｄｅ ｆＤＮＡ ｅ ｏ ｎｔ ｎ， ｃｅ ｖ ｇ ｎ ｏ ｏｓ ｍｅａｅ ｈ ｍｉｔ ｙ ｈ ｓ ｅ ｉｗ ｉｈ ｉ ｔ ｏ ｅ ｅ ｔｐ ｏ ｒｓｅ ｎ ｔ ｅ ｓｕ ｉｓｏ ｇ ｒｃ ｇ ｉｏ ｉ ｌａ ａ ｅ ａ ｄ ｔｐ ｉｏ ｒ ｓ
代谢 有着 十分重 要 的 意义 ； 外致 癌 等 生命 的异 常 此 情 况也 与 Ｄ Ａ代 谢活 动密切相 关 。研究 核 酸 ， 其 Ｎ 尤
新型DNA分子光开关钌Ⅱ配合物的研究
Vol .27高等学校化学学报No .72006年7月 CHE M I CAL JOURNAL OF CH I N ESE UN I V ERSI TI ES 1217～1219[研究简报]新型D NA 分子光开关钌(Ⅱ)配合物的研究郝 强,段智明,韩美娇,郑帅至,吕媛媛,王科志(北京师范大学化学院,北京100875)关键词 钌(Ⅱ)配合物;插入键合;光开关中图分类号 O614;O641.82+1 文献标识码 A 文章编号 025120790(2006)0721217203收稿日期:2005212212.基金项目:国家自然科学基金(批准号:20371008,90401007)资助.联系人简介:王科志(1962年出生),男,博士,教授,博士生导师,主要从事功能配合物研究.E 2mail:kz wang@bnu .edu .cn DNA 分子光开关是指在水溶液中不发光或微弱发光,加入DNA 后光致发光强度大幅度增强的金属配合物.此类配合物在DNA 结构探针、DNA 错配的检测、DNA 定量分析、分子逻辑门、DNA 2蛋白质的键合标记及新型光电器件等方面具有非常重要的应用前景[1～4].自从Bart on 报道[5]首例DNA 分子光开关Ru (bpy )2(dppz )2+以来,对DNA 分子光开关的研究不断深入,主要围绕对主配体dppz 的修饰和中心离子的更换而扩展到多个体系[6～10],但对于新型的DNA 分子光开关Ru (Ⅱ)配合物的报道较少[11,12].我们已经报道[13,14]了一系列插入键合的Ru (Ⅱ)金属配合物及其酸碱性质.在此基础上本文研究了一个含22(苯并噁唑基)2二吡啶并[2,32f :2′,3′2h ]喹喔啉(bdpq )的新型DNA 插入键合Ru (Ⅱ)配合物(其合成路线见图1),与同类配合物相比,具有良好的DNA 分子光开关性质.F i g .1 The syn theti c route to [Ru(bpy)2bdpq](C l O 4)21 实验部分1.1 试剂与仪器 22(苯并噁唑基)2二吡啶并[2,32f :2′,3′2h ]喹喔啉(Bdpq,自制),RuCl 3・3H 2O (含35%～40%的钌,Acr os ),2,2′2联吡啶(A.R.级,北京石鹰化工厂),氯化锂(纯度99%,A lfa Ae 2sar ),三羟甲基氨基甲烷(Tris,A.R.级,北京康特理化高技术公司),小牛胸腺DNA [ct 2DNA,纯度≥8510%,中国医药(集团)上海化学试剂公司,浓度以ε260=6600L ・mol -1・c m -1确定],缓冲溶液为5mmol/L Tris 2HCl +50mmol/L NaCl (pH =7100),其它试剂均为国产分析纯试剂.B ruker DRX 2500核磁共振仪(以四甲基硅烷为内标),Ele mentar Vari o E L 元素分析仪,App lied 2B i o 2syste m 基质辅助激光解析电离飞行时间质谱仪,G BC Cintra 10e 型紫外2可见分光光度计,Shi m adzu RF 25301PC 荧光分光光度计,乌氏粘度计.1.2 配合物[Ru (bpy )2bdpq ](Cl O 4)2・2H 2O 的合成 将含有Bdpq (7612mg,01218mmol )和Ru (bpy )2Cl 2・2H 2O [15](11316mg,01218mmol )的乙醇2水(体积比4∶1)溶液在氮气保护下于90℃回流反应12h 后,冷却至室温.旋转蒸发除去大部分溶剂,加入6倍过量的高氯酸钠饱和溶液,有红色沉淀析出.抽滤出的粗产品经硅胶柱分离得到9218mg 红色固体,产率4310%.元素分析计算值(%):C 49136,H 31132,N 12163;实测值(%):C 49106,H 31435,N 12161.1H NMR (500MHz,DMS O 2d 6,298K ),δ(J /Hz ):10116(s,1H ),9166(d,1H,J =8),9161(d,1H,J =8105),8189(dd,4H,J 1=812,J 2=17),8133(m ,2H ),8125(t,2H,J =719),8115(m ,2H ),8106(m ,4H ),7185(d,2H,J =5145),7174(m ,2H ),7162(m ,4H ),7138(t,2H,J =616).MALD I 2T OF MS,m /z :77811(779)[M -2Cl O 4-H +H 2O ]+;76011(761)[M -2Cl O 4-H ]+(M =C 41H 27N 9O ,括号内为计算值).2 结果与讨论2.1 荧光光谱 在没有DNA 存在时,配合物发射极微弱的荧光.随着DNA 浓度增大,配合物在近630nm 处发射峰显著增强,表现DNA “分子光开光”效应(图2).当[DNA ]/[Ru ]=9时,荧光发射强度达恒定,此时荧光增强因子近180,大于一些具有DNA 分子光开关性质的化合物[6～9,11,12].产生这种效应是由于在配合物中含有与dppz 相同的吩嗪环,而dppz 配合物的基态和激发态电荷转移均是从中心金属指向dppz 吩嗪环,激发态最主要的非辐射跃迁衰减途径是通过dppz 吩嗪环上N 的质子化进行的.配合物插入到DNA 碱基对中后,吩嗪环上的N 受DNA 疏水区域的保护,减少了与溶剂分子的碰撞机会,使MLCT 非辐射衰减的几率减少,配合物的荧光强度增大.用McGhee 2Von H i ppel 方程[16]对荧光数据进行拟合,求得键合常数K b =(119±011)×106L /mol,键合位点大小n =4106±0104.F i g .2 The changes i n e m issi on spectra of [Ru(bpy)2・bdpq](C l O 4)2(5101μm ol/L )upon i n crea si n gthe concen tra ti on of the D NA F i g .3 The changes i n UV 2V is spectra of [Ru(bpy)2・bdpq](C l O 4)2(5101μm ol/L )upon i n crea si n g the concen tra ti on of the D NA2.2 紫外2可见吸收光谱 加入DNA 后,配合物的电子吸收光谱变化如图3所示.DNA 的加入引起的配合物284,361和447nm 处的吸收峰减色率分别为1918%,3416%和1817%,而且361nm 的配体基π2π3跃迁成的吸收峰红移了7n m.可能由于bdpq 插入到DNA 碱基对之间后,形成了有效的π2π堆积,从而造成明显的减色和红移.447nm 处的MLCT 带的减色也从一个侧面证明了MLCT 的三重激发态中含有Ru (dπ)→bdpq (π3)的成分.利用直线拟合法[17]求得配合物与DNA 分子的键合常数K b =(212±014)×106L /mol,与荧光光谱拟合求得的键合常数吻合较好. F i g .4 Effect of i n crea si n g am oun tsof [Ru(bpy)2bdpq](C l O 4)2(a )and EB (b )on the rel a ti ve v iscosity of ct 2D NA (461185μm ol/L )a t 50mm ol/L NaC l F i g .5 E m issi on quench i n g of [Ru (bpy)2bdpq]・(C l O 4)2(5101μm ol/L )w ith i n crea si n g theconcen tra ti on of K 4[Fe(CN)6]a .Ru;b .Ru +DNA.2.3 配合物对DNA 溶液粘度的影响 DNA 溶液粘度的变化能够敏感地反映出DNA 分子链长度的变8121高等学校化学学报 Vol .27 化,进而反映出加入试剂与DNA 分子的作用模式.当配合物中加入DNA 溶液中后,DNA 溶液的粘度明显增加(图4).这与经典的插入试剂EB 与DNA 作用的现象类似,表明配合物以插入方式与DNA 发生键合,与光谱滴定的结果一致.2.4 稳态荧光猝灭实验 以K 4[Fe (CN )6]为猝灭剂的荧光猝灭实验也是一种研究配合物与DNA 作用模式的有效手段,当配合物分子强有力地键合到DNA 分子上时,带负电荷的DNA 磷酸骨架能够阻止水合负离子猝灭剂对配合物荧光的猝灭,因而从DNA 加入前后猝灭曲线的变化就可以推断出配合物受DNA 保护程度的大小,间接地推测键合方式.图5给出了DNA 加入前后配合物溶液的荧光猝灭情况:在没有DNA 存在时,体系的荧光随猝灭剂的加入迅速降低,利用Vol m er 2Stern 方程[18]拟合得到猝灭常数K D =(1848±45)L /mol,而当DNA 存在时猝灭常数近似为零.说明配合物与DNA 有较好的结合能力,很可能是嵌入到DNA 碱基对之间,使得其荧光强度几乎不受猝灭剂影响.参 考 文 献[1] L ing L.S .,He Z .K .,Song G .W.et al ..Anal .Chi m .Acta[J ],2001,436:207—214[2] Erkkila K .E .,Odom D.T .,Bart on J.K ..Chem.Rev .[J ],1999,99:2777—2795[3] J iang Y .,Fang X .,Bai C ..Anal .Che m.[J ],2004,76:5230—5235[4] L ing L.S .,He Z .K .,Chen F .et al ..Talanta[J ],2003,59:269—277[5] Friedman A.E .,Cha mbr on J.C .,Sauvage J.P .et al ..J.Am.Che m.Soc .[J ],1990,112:4960—4962[6] Hartshor m R.M.,Bart on J.K ..J.Am.Che m.Soc .[J ],1992,114:5919—5929[7] Ruba E .,Hart J.R.,Bart on J.K ..I norg .Che m.[J ],2004,43:4570—4578[8] L iu J.G .,Ye B.H.,L i H.et al ..J.I norg .B i oche m.[J ],1999,73:117—122[9] Bolger J.,Gourdon A.,Ishow E .et al ..I norg .Che m.[J ],1996,35:2937—2944[10] Yao L.,Abdellatif C .,Natalya N.et al ..J.Am.Che m.Soc .[J ],2005,127:10796—10797[11] A r ounaguiri S .,Maiya B.G ..I norg .Che m.[J ],1999,38:842—843[12] O ′Donoghue K . 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钌配合物合成及其光敏切割DNA活性研究的开题报告
钌配合物合成及其光敏切割DNA活性研究的开题报告一、研究背景DNA分子是生命体系的重要组成部分，其结构、功能和稳定性对生命体系的正常发育和生长具有至关重要的作用。
同时，DNA分子又易受到外界的影响和干扰，如辐射、化学药品等，从而导致DNA分子的损伤和突变，从而影响到生命体系的正常功能。
因此，开发新型具有光敏切割DNA活性的钌配合物具有重要的理论意义和应用价值。
通过合成具有光敏切割DNA活性的钌配合物，可以为医学诊疗、生物学研究等领域提供新的工具和方法，为生命科学研究进一步发展做出贡献。
二、研究目的本研究的目的是合成具有光敏切割DNA活性的钌配合物，进一步研究其对DNA分子的切割作用和机理。
三、研究内容和方法研究内容：1. 合成并表征具有光敏切割DNA活性的钌配合物；2. 研究该钌配合物对DNA分子的切割作用和机理；3. 探索该钌配合物在医学诊疗、生物学研究等领域的应用价值。
研究方法：1. 合成并表征钌配合物：通过合成有机合成方法，合成具有光敏切割DNA活性的钌配合物，并通过化学手段对其进行表征；2. 研究DNA分子的切割作用和机理：通过体外实验，研究该钌配合物对DNA分子的切割作用和机理，并利用比色法等方法对实验结果进行定量分析；3. 探索应用价值：通过将该钌配合物应用于医学诊疗、生物学研究等领域，并对其应用效果进行评估，探索其应用价值和未来发展。
四、研究意义1. 增进对DNA分子的认识：通过研究该钌配合物的切割作用和机理，可以增进对DNA分子的认识，为研究DNA分子在生命体系中的作用和机理提供新的视角和方法。
2. 提供新型医学诊疗工具：将具有光敏切割DNA活性的钌配合物应用于医学诊疗领域，可以为医生提供新型诊疗工具，为患者提供更加精准、有效的诊疗方案。
3. 推动生命科学研究进一步发展：通过合成具有光敏切割DNA活性的钌配合物，可以为生命科学研究提供新的工具和方法，推动生命科学研究进一步发展。
五、预期成果1. 合成并表征具有光敏切割DNA活性的钌配合物；2. 研究该钌配合物对DNA分子的切割作用和机理；3. 发表相关研究论文，并将成果应用于医学诊疗、生物学研究等领域。
钌多吡啶配合物与DNA作用及抗肿瘤活性
２ ０ １ ３年 ３月
无
机
化
学
学
报
Ｖｏ １ ． ２ ９ Ｎｏ ． ３ ６ １ ３ ． － ６ ２ ０
ＣＨＩ ＮＥ Ｓ Ｅ Ｊ ＯＵＲＮ ＡＬ ＯＦ Ｉ ＮＯＲＧＡＮＩ Ｃ Ｃ ＨＥ ＭＩ Ｓ ＴＲ Ｙ
钌 多吡 啶配 合 物 与 ＤＮ Ａ 作 用及 抗 肿 瘤 活性
ｆ ９ ． 乙基 ． － ９ ／ ／ ． ． 咔唑． － ３ 一 基） 一 １ Ｈ ． 咪唑 并 【 ４ ， ５ － ２ ］ ［ １ ， １ Ｏ ］ 菲 哕 啉） 与Ｄ Ｎ Ａ相 互 作 用 。 结 果 表 明 配 合 物 与 Ｄ Ｎ Ａ键 合 计 量 比为 ２ ： １ ， 键 合 常 数
超过 １ ０ ｓ （ ） １ － １ ￣ Ｌ． 配合物以插入方式 与 Ｄ Ｎ Ａ结合。 运用琼脂糖凝胶电泳实验研 究配合物诱 导 ｐ Ｂ Ｒ ３ ２ ２ Ｄ Ｎ Ａ断裂有 效 抑制 肿瘤 细 胞 增 殖 ， 进 一 步研 究 表 明 配合 物 可 以将 细 胞 周 期 阻 滞 在 ｓ期 。
关键词 ： 钌配合物 ； 毒性 ； Ｄ Ｎ Ａ键 合 ；细胞 周 期 阻滞
中图分类号 ： ０ ６ １ ４ ． ８ ２ ＋ １
Ｓ ｕ ｎ Ｙ ａ ｔ － Ｓ ｅ ｎ Ｕ ｎ ／ ｖ ｅ ｒ ｓ ／ ｔ ｙ ，Ｇｕ ａ ｎ ￣ｈ ｏ ｕ ５ １ ０ ０ ０ ６ Ｃ ｎ
．
，
Ａ ｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ ：Ｔ ｈ ｅ ｉ ｎ ｔ ｅ ｒ ａ ｃ ｉ ｔ ｏ ｎ ｓ ｏ ｆ ｈｅ ｔ Ｒ ｕ （ Ⅱ ） ｃ ｏ ｍ ｐ ｌ ｅ ｘ ， ［ Ｒ ｕ （ ｐ ｈ ｅ ｎ ） ２ （ Ｈｅ ｃ ｉ ｐ ） ］ （ ｐ ｈ ｅ ｎ ＝ １ ， １ ０ － － ｌ ： ｈ ｅ ｎ ａ ｎ ｔ ｈ ｒ ｏ ｌ ｉ ｎ ｅ ，Ｈ ｅ ｃ ｉ ｐ ＝ Ｎ － ｅ ｔ ｈ ｙ ｌ 一 ４ 一 （ 【 ｌ ， １ ０ １ ． ｐ ｈ ｅ ｎ ａ ｎ ｔ ｈ ｒ ｏ ｌ ｉ ｎ ｅ【 ５ ， ６ ． ｑ ｉ ｍｉ ｄ ａ ｚ ｏ ｌ 一 ２ ． ｙ １ ） ｃ ａ ｒ ｂ ａ ｚ ｏ ｌ ｅ ） ， ｗ ｉ ｔ ｈ ｃ ａ ｌ ｆ ｔ ｈ ｙ ｍ ｕ ｓ Ｄ Ｎ Ａ （ Ｃ Ｔ Ｄ Ｎ Ａ ） ｗ ｅ ｒ ｅ ｓ ｔ ｕ ｄ ｉ ｅ ｄ ｂ ｙ
钌(II)多吡啶配合物论文：钌(II)多吡啶配合物DNARNA光谱性质
钌(II)多吡啶配合物论文：钌(II)多吡啶配合物 DNA RNA 光谱性质【中文摘要】核酸包括DNA和RNA,是生物体遗传信息的载体,它在生命活动过程中扮演重要角色,而且很多遗传疾病的产生都与它有关。
自从顺铂被确认具有抗癌活性以来,科学家试图在金属配合物范围内寻找到一种新的抗癌试剂。
钌(II)多吡啶配合物由于它们对人体器官的低毒性和对癌细胞强的抑制作用使其备受关注,而研究它们与核酸的相互作用是探究其抗癌机理的一个重要环节,因而具有重要意义。
钌(II)多吡啶配合物是一种具有手性、刚性、平面性较好的八面体结构金属配合物;虽然它们的化学性质稳定但是其光谱性质对外界环境依赖很大,表现出具有灵敏可调性。
另外钌(II)多吡啶配合物在可见区发生从中心原子钌到配体的荷迁移,产生典型的MLCT吸收峰;同时在可见光的照射下会从激发态MLCT跃迁至基态,并发生辐射跃迁失去光子,伴随着可能会在610 nm左右产生荧光。
正是由于它们具有这些特有性质,从而可以利用不同方法分别研究它们与核酸的相互作用。
本论文包括四章。
第一章简要介绍了本课题的理论基础和钌多吡啶配合物的应用领域。
第二章设计合成了配合物2+并进行了表征;利用电子吸收光谱、荧光光谱、CD光谱和黏度法等手段对比研究了它与tRNA分子和CT-DNA分子的相互作用;利用MTT法研究了2+的抗癌活性。
研究表明核酸的结构是影响钌(II)多吡啶配合物的核酸键合行为的一个重要因素;2+对实验中的四种癌细胞显示不同的抗癌性。
第三章合成了2+与2+并进行了表征。
利用光谱法和黏度测试分别研究了它们与CT-DNA相互作用的情况。
结果表明插入配体取代基的电子效应和位阻效应是影响钌(II)多吡啶配合物的DNA键合强度的重要因素。
第四章包含两部分内容,一部分是研究外界环境和试剂对2+的光谱性质的影响。
实验表明钌(II)多吡啶配合物的光谱性质容易受外界环境的影响; Fe3+、Cu2+和Zn2+对2+的荧光光谱几乎没有影响;然而Co2+却能淬灭它的部分荧光,之后加入EDTA,荧光几乎又被完全恢复。
带有位阻基团的钌多吡啶手性配合物与DNA键合及其光断裂DNA性质的研究
（ ｅ ａｏａｏ ｈ ｍｉ ｌ ｉｏｙａ ｄＭｏ ｃｌ ｎ ｅｄ ｇｏ ｄ ｃ ｉｎＭｉｉｒ，ｎｔｕ ２ ｙＬ ｂ ｒ ｒ ｏ Ｃ ｅ ｃ ｏ ｇ ｎ ｌ ｕａ Ｅ ￣ｎｅ ｎ Ｅ ｕ ａ ｏ ｎ ｔ Ｉｓｉ ｔ ｏ Ｋ ｔ ｙｆ ａＢ ｌ ｅ ｒ ｆ ｔ ｓｙ ｔｅｆ
唑并［， ｑ １ ０－ ４５ （， ） 一 １ 邻菲 咯啉一一 Ｎ二 甲基苯胺）Ａ ［ｕｂ ｙ２ Ｏ Ｉ）Ｃ０）与 Ａ—ｕｂ ｙ （Ｏ Ｉ）Ｃ０）△ ２与 以一， Ｏ Ｉ＝ 一 一 ２Ⅳ， ， 一 （ｐ）Ｂ ＰＰ］ １４ Ｒ （ （ ２ Ｒ （ｐ ）Ｂ ＰＰ１ １ ４（一 ２ （ ２ ２ Ｂ ＰＰ ２（ ４
中 图分 类 号 ： ６ ４８ Ｏ １． ｌ ２
文献标识码 ： Ａ
文 章 编 号 ：１０ ．８ １ ０ ００ ．５ ７０ ０ １ ６ （ １）９１６ ．６ ４ ２
ＤＮ Ｂ ｎ ｉ ｇａ ｄ Ｐ ｏｏ ｌａ ａ ｅｏ ｏｙ ｙ ｉｙ ｈ ｒ ｌ ｔ ｅ ｉｍ（） Ａ－ ｉｄｎ ｎ ｈ ｔｃｅ ｖ ｇ ｆ ｌｐ ｒｄ ｌ ｉａ ｈ ｎｕ Ｈ Ｐ Ｃ Ｒｕ
丁 氧基 基 苯 基． 唑 并 『，．ｆ，ｏ． 菲 咯 啉）用 元 素 分 析 、 磁 共 振 及 旋 光 仪 对 手 性 配 合 物 结 构 进 行 了 表 征 ， 过 电 子 吸 收 光 ） 咪 ４５ｆ １ ） １ ｉ 邻 ， 核 通 谱 、 光 光 谱 、 度 实 验 对 手 性 配 合 物 与 Ｃ ．Ｎ 相 互 作 用 的性 质 进 行 了研 究 结 果 表 明 ： 对 △ 型异 构 体 均 与 Ｃ — Ｎ 以插 荧 粘 ＴＤ Ａ 两 一 ＴＤ Ａ 入模 式 作 用 。 紫 外 光 照 下 ， 对 对 映异 构体 均能 使 质 粒 ｐ Ｒ ２ Ｄ Ａ 断 裂 ， Ａ １型 异 构 体 比 △一 在 两 Ｂ ３２ Ｎ 但 一 ｌ型异 构 体 断 裂 Ｄ Ａ效 率 更 Ｎ 高 ， 明存 在立 体选 择 性 ． △ ２与 以． 说 而 ． ２对 Ｄ Ａ 断 裂 无 明 显 区 别 Ｎ 关 键 词 ：钌多 吡 啶手 性 配 合 物 Ｃ —Ｎ ＴＤ Ａ； 入 作 用 ； 断 裂 ；立体 选 择 性 插 光
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第 44 卷
第4期
图1
基于钌配合物的分子光开关配合物的结构 461
石硕等: 基于钌多吡啶类配合物的 DNA 分子光开关及生物传感研究
图2
DNA 的部分二级结构
2 DNA 分子光开关
2.1 分子光开关的机制
最经典的可以作为 DNA 分子光开关的钌配合物 是由 Barton 课题组报道的 [Ru(bpy) 2 (dppz)] 2 + 和 [Ru(phen)2(dppz)]2+ [7~9]. 自此以后, 研究者试图解开 分子光开关之谜 , 通过大量实验和理论的方法开展 了一系列的工作 , 不过迄今为止其详细机理尚无定 . 早期研究表明, 由于插入配体 dppz 上吩嗪 论 (phenazine, phz)部分有两个 N 原子, N 原子容易与水 分子发生质子转移反应, 从而导致 [Ru(bpห้องสมุดไป่ตู้)2(dppz)]2+ 和[Ru(phen)2(dppz)] 荧光猝灭 . 插入 DNA 分子后 , 配合物被充分保护, 隔绝了和水的接触, 从而引起荧 光的恢复, 如配合物在有机溶剂中产生很强的荧光一 样. 2012 年 Barton 和 Cardin 分别报道了-[Ru(bpy)2(dppz)]2+和 Λ-[Ru(phen)2(dppz)]2+与 DNA 结合的晶体 结构 , 也进一步证实了在结晶状态下配合物可以从 DNA 小沟方向插入 DNA 双螺旋链中[21, 22]. Turro 等 对双核配合物 [(bpy)2Ru(tpphz)Ru(bpy)2]4+的研究发 现, 配合物是否插入 DNA 链中, 并不是分子光开关 的关键所在, 与 DNA 沟面结合的配合物亦可引起光
关键词 钌多吡啶配合物 DNA 分子光开关 生物传感
1
引言
钌多吡啶类配合物具有良好的光化学、 光物理性
自从 Watson 等人提出 DNA 双螺旋结构(B-DNA) 以 来 , 非 经 典 DNA 结 构 如 雨 后 春 笋 般 出 现 , 如 , A-DNA, Z-DNA, DNA 发 卡 (hairpins), DNA 凸 起 (bulges), DNA 交叉结构 (junctions), 三螺旋 (triplex), G- 四链体 (G-quadruplex) 和 C- 四链体 (I-motif) 等 [10~12] (图 2). DNA 结构的多样性及不同的生物学意义, 激励 着科学家利用小分子化合物探究识别 DNA 的不同结 构, 这对分子识别、疾病诊断、药物设计、基因治疗 等具有重要的意义. 近 20 年来, 大量的钌多吡啶类配 合物被设计合成, 与 DNA 的结合亦进行了大量而详 尽的研究[1~6]. 配合物的结构设计、DNA 键合机制、 DNA 介导的电子转移、配合物的抗癌活性、细胞及体 内成像等均有精彩的综述报道 [1~6,
中国科学: 化学 SCIENTIA SINICA Chimica 评 述
2014 年
第 44 卷
第 4 期: 460 ~ 470
《中国科学》杂志社
SCIENCE CHINA PRESS
庆祝计亮年院士 80 华诞专刊
基于钌多吡啶类配合物的 DNA 分子光开关及 生物传感研究
石硕 *, 姚天明 *, 计亮年
① ① ①②
① 同济大学化学系, 上海 200092 ② 生物无机与合成化学教育部重点实验室; 中山大学化学与化学工程学院, 广州 510275 * 通讯作者, E-mail: shishuo@, tmyao@ 收稿日期: 2013-10-24; 接受日期: 2013-11-17; 网络版发表日期: 2014-02-19 doi: 10.1360/032013-324
2+ 2+
(bpy 为 2,2′-联吡啶(2,2′-bipyri-
dine), phen 为 1,10-邻菲罗啉(1,10-phenanthroline), dppz 为 双 吡 啶 并 吩 嗪 (dipyrido-[3,2-a:2′,3′-c]phenazine)) (图 1)在水溶液中几乎没有荧光 , 而当溶液中加入经 典双链 DNA 后, 其荧光可以增加 104 倍, 因此把它 们称为 DNA 的分子“光开关”, 自此激发了人们乐此 不疲的探索与研究新的 DNA 分子光开关的兴趣, 也 拉开了设计、 开发及应用 DNA 分子光开关的大幕
13~17]
能和丰富的谱学性质 , 以及独特的 DNA 键合能力 , 在 DNA 分子光开关、DNA 结构探针、DNA 介导的 电荷转移、DNA 足迹试剂、DNA 断裂试剂及抗癌药 物等方面有着广泛的应用, 在生物无机化学、材料化 学、 分析化学, 及理论化学等领域中引起了极大关注, 成为十分活跃的前沿与交叉研究领域 [1~6]. 1990 年 Barton 研究小组首次发现配合物 [Ru(bpy)2(dppz)] 和[Ru(phen)2(dppz)]
[7~9]
. 放射性标记
核酸探针已广泛用于分子生物学和临床诊断, 但由于 放射性同位素本身的一些缺陷(如污染、运输、半衰期 短等)促使人们去探索新型非放射性核酸探针. 本文结 合我们课题组的工作, 重点介绍了钌多吡啶类配合物 在 DNA 分子光开关和生物传感两个方面开展的工作.
.
中国科学: 化学
2014 年
摘要
DNA 结构具有多态性, 利用小分子化合物对不同结构的 DNA 分子进行识别及调
控具有重要的生物学意义. 本文主要针对近年来钌多吡啶配合物作为 DNA 分子光开关的 研究进行综述, 内容包括 DNA 分子光开关的机制, 不同结构 DNA 的分子光开关, DNA 分 子光开关的开关循环控制策略和钌多吡啶类配合物及与纳米材料相结合作为生物传感器 的研究.
2.2 钌多吡啶类配合物作为不同结构 DNA 的分子 光开关
Barton 小 组 [7~9, 24~26] 详 细 研 究 了 经 典 配 合 物 [Ru(bpy)2(dppz)]2+ 和 [Ru(phen)2(dppz)]2+ 与 不 同 序 列 双链 DNA 的作用, 包括完全互补序列, 单碱基或多 碱基错配序列, 以及缺陷序列等, 发现配合物的光开 关效果受 DNA 序列的影响. McGarvey 等[27]还研究了 这对明星分子对单链 DNA 的光开关效果, 他们发现 DNA 的链的长短明显影响配合物的荧光强度 , 至少 6 个碱基的 DNA 序列方可产生明显的光开关效应 . 他们认为单链 DNA 包围在配合物的周围 , 形成一 个空穴结构, 避免了配合物与水的接触, 产生了类似 双链 DNA 的保护作用. Norden 等[28]研究了[Ru(bpy)2(dppz)]2+和[Ru(phen)2(dppz)]2+ 等配合物与三链 DNA poly(dT*dA-dT) 的 作 用 , 发 现 该 配 合 物 亦 能 插 入 DNA 链中 , 第三条链虽然占据 DNA 大沟区间 , 由 于配合物是从 DNA 小沟插入, 故对 DNA 的插入作用 影响不大. 我 们 课 题 组 系 统 研 究 了 经 典 配 合 物 [Ru(bpy)2(dppz)]2+ 和 [Ru(phen)2(dppz)]2+ 与 G-quadruplex 和 I-motif DNA 的键和作用[29, 30]. G-quadruplex 是由富 含鸟嘌呤(G)的 DNA 序列通过 Hoogsteen 氢键形成的 G-四联体堆积而成. 相对应的富含胞嘧啶(C)的 DNA 序列在酸性条件下 , 两个胞嘧啶通过结合一个质子 形成三个氢键作为一层 , 从而交叉堆叠成相互交叉 的半质子化的 I-motif 结构. 我们首次发现[Ru(phen)2(dppz)]2+ 对 G-四链体和 I-motif DNA 都有明显的光 开关效果 , 而 [Ru(bpy)2(dppz)]2+ 仅对 G- 四链体表现 光开关现象. 造成该差异的原因可能在于[Ru(phen)2(dppz)]2+ 的辅助配体 phen 中含有比配体 bpy 更大的 平面芳香环, 更易于和 G-四链体和 I-motif DNA 结合. 同时通过紫外、荧光、CD 光谱(圆二色谱)、热变性 等实验发现, [Ru(bpy)2(dppz)]2+ 和[Ru(phen)2(dppz)]2+ 与 G-四链体的作用明显强于 I-motif, 产生的差异在 于配合物与 G- 四链体的结合模式为末端 - 堆积作
462
2+ [18~20]
开关效果[23]. 目前认可度较高的观点认为, 此类钌配 合物的光开关效应得益于其自身存在的两个不同的 电荷迁移跃迁 (MLCT)能态 (图 3). 在非质子溶剂中 , 最低能态是 “明态 ”(bright state, BS), 主要和配体的 bpy 部分有关(包括 dppz 中的双吡啶部分), 此时在激 发光存在的条件下通常能够观察到荧光或磷光 , 因 为激发态电子从 BS 迁回基态时以光辐射的形式放出 能量. 在质子溶剂中, 配体吩嗪(phenazine, phz)部分 的 N 原子与溶剂发生氢键作用使得 “暗态” (dark state, DS)的能量下降至低于 BS 的能量, 此时配合物将不 再发光 , 激发态电子将以振动弛豫的形式返回基态 .
用, 而与 I-motif 的作用仅靠静电和疏水作用形成的 非特异性结合模式. 我们课题组最近又通过修饰 dppz 配体, 在 dppz 上引入咪唑酮后 , 合成了钌多吡啶配合物 [Ru(bpy)2(dppz-idzo)]2+和[Ru(phen)2(dppz-idzo)]2+. 荧光滴定的 结果显示, 上述配合物对 G-四链体 DNA 都表现出了 非常好的分子光开关效应, 与经典的配合物 [Ru(bpy)2(dppz)]2+和 [Ru(phen)2(dppz)]2+相比 , 其荧光 增强幅度更大[31, 32]. 当它们与 G-四链体在钾离子缓 冲液中作用达到饱和时, 荧光增长因子分别为 300 和 120 左右(对应的荧光量子产率分别为 0.067 和 0.100). 此外 , 它们还对混合型 G-四链体表现出较好良的选 择性 , 而这种分子光开关效应和选择性甚至可以通 过在紫外灯照射下进行裸眼区分 . 为了深入了解分 子光开关的详细作用机理 , 我们在 B3LYP/6-31G*/ LANL2DZ 层 级 上 对 这 两 个 配 合 物 进 行 了 基 于 DFT/TDDFT/PCM 方法的计算. 计算结果表明, 在水 溶液中 , 暗态(DSs)主导整个分子能量最低的 MLCT 激发能态 ; 而在不考虑溶剂时 , 明态 (BSs) 在 MLCT 能态中占主导地位 . 这也就解释了为什么我们的配 合物单独在水溶液中不显荧光, 而与 DNA 结合被疏 水空腔保护之后表现出很强的荧光信号. 2012 年 , 巢晖等 [33]合成了一种非对称单核钌配 合物[Ru(bpy)2(bqdppz)]2+(图 1), 也可以用作 G-四链 体的裸眼检测 . 他们首先用荧光法观察了配合物与 各种 DNA 的光开关效应, 包括平行、反平行和混合 型 G-四链体 , I-motif 以及一些单链和双链 DNA. 他 们发现 , 该配合物对 G-四链体的选择性普遍高于其 他结构 , 尤其是对混合型 G-四链体的选择性要高出 普通双链 DNA 约 45 倍. 在紫外灯照射下, 人们能够 清楚地观察到此配合物在不同的 DNA 条件下的颜色 差异. Thomas 等发现 , 双核配合物 [(phen)2Ru(tpphz)Ru(phen)2]4+ 可以作为 G-四链体的分子光开关, 亦可 用于细胞成像[34, 35]. 2010 年, 周翔等[36]报道了一种新 型双核钌配合物[Ru2X]4+(图 1)分子光开关, 它能够很 好地区分四链体和双链 DNA. 他们在接近生理条件 的高离子强度溶液中观察了该配合物与各种不同的 DNA 结构(包括由端粒, bcl2, Pu18, c-kit 和 vegf 等形 成的不同结构的 G- 四 链体 , 以及一些单链和双链 DNA) 作用时的荧光光谱 . 结果显示 , 当加入单链和 双链 DNA 时, 配合物的荧光几乎没有变化, 而当加