焦磷酸(PPi)和核苷三磷酸阴离子(NTP,其中N=A, C,G, U)在生命体的正常运转中发挥必不可少的作用,因此对它们的识别与检测具有非常重要的意义。目前文献报道的有效策略是利用金属配合物中金属离子和磷酸根的强配位作用实现焦磷酸和核苷三磷酸阴离子的识别与检测。但是很多作为荧光探针的金属配合物合成步骤繁琐,水溶性不好,且不能从众多的含磷酸根阴离子中特异性的识别某一种。因此,寻找合成方法简单、水溶性好、选择性好的荧光探针很有必要。本文试图通过简单的试剂制备一系列荧光探针,包括金属配合物、金属有机骨架和金属纳米簇,依次实现PPi和核苷三磷酸阴离子的高选择性识别与检测,具体的研究内容分为三部分。1.金属配合物识别与检测PPi这部分主要是利用金属离子和PPi的强配位作用,包括两个方面的内容：(1)利用竹红菌甲素(HA)的锌离子配合物实现了选择性识别PPi。锌离子与HA反应形成HA-Zn2+配合物,HA在604nm处的荧光发生猝灭,同时在629nm处产生一个新的荧光发射峰,但该荧光发射随着PPi的加入逐渐降低,而604nm处的荧光得以恢复,说明PPi和HA发生了配体的交换。其它的核苷酸阴离子如ATP, UTP, CTP, GTP, GDP和GMP等都不会引起HA-Zn2+产生类似的光谱变化,据此可以选择性识别PPi。布尔计算(Boolean calculations)显示,该体系可以成功用于设计分子逻辑门,且可以区分PPi和其它的核苷酸阴离子。该方法非常简单,不需要复杂的有机合成。(2)2,6-双-(2-苯咪唑)吡啶(bbimp)与铜离子形成的配合物可以用于选择性检测PPi。该配体分子bbimp只需一步合成,简单易得,它能和铜离子形成1：1的配合物,此时,bbimp的荧光发生猝灭。在PPi存在时,bbimp的荧光逐渐恢复,且恢复程度与PPi的浓度在一定范围内成线性关系,以此实现PPi的检测。选择性实验证明,bbimp-Cu2+配合物对PPi具有良好的选择性。相比之下,各核苷酸阴离子,如ATP, GTP, CTP, UTP, GDP等响应较小,其它的无机阴离子几乎无响应。2.金属有机骨架(MOFs)识别核苷三磷酸阴离子MOFs是一种新兴的基于有机配体和金属离子的配位作用形成的材料,在气体的储存和分离、药物的运载以及小分子的传感方面有了广泛的应用。本论文首次将MOFs用于核苷三磷酸阴离子的识别,解决了传统的金属配合物识别核苷三磷酸阴离子时选择性差的问题。(1)利用锌离子和对苯二甲酸构建的发光MOF—[Zn(BDC)(H2O)2]n实现了腺苷三磷酸阴离子(ATP)的选择性识别。该MOF的水分散体系在427.6nm处有明显的荧光发射。在ATP存在时,该发射峰发生红移,但GTP, CTP, UTP, PPi,磷酸根,醋酸根以及其它的无机阴离子等都不会引起[Zn(BDC)(H2O)2]n的荧光发射峰发生明显红移,说明该MOF对ATP的选择性很好。核磁共振和拉曼光谱证明,[Zn(BDC)(H2O)2]n与ATP之间既有π-π堆垛,又有配位作用,其中ATP中的腺嘌呤和磷酸根都参与了与锌离子的配位反应。相对于之前的金属配合物,引入了金属有机骨架,并以此建立了一种简单、选择性良好的识别ATP的方法。(2)基于铽离子的发光MOF用于高选择性传感胞苷三磷酸阴离子(CTP)。研究发现,2,3-吡嗪二羧酸和铽离子在水热条件下可以生成[Tb2(2,3-pzdc)2(ox)(H2O)2]n [2,3-pzdc2-=2,3-吡嗪二羧酸盐,ox2-=草酸根]。由于天线效应的存在,该MOF表现出强烈的Tb3+荧光发射。在CTP存在时,MOF的发射会逐渐被猝灭。GTP, UTP, ATP, PPi和其它无机阴离子,以及胞嘧啶、胞苷、CMP等对该MOF的荧光猝灭程度很小或者几乎没有猝灭,说明该发光MOF对CTP具有良好的选择性。机理研究表明,胞嘧啶和三磷酸基团是该选择性响应必不可少的两部分。实验进一步发现,与CTP反应后,该MOF的拉曼光谱和X-射线衍射(XRD)光谱都没有变化,说明,二者反应后没有明显的化学键生成,而且该MOF的结构也没有被破坏。氮气吸附实验证明该MOF的孔径很小,几乎无氮气吸附,通过计算得知,CTP的体积远大于氮气的体积,表明CTP不能进入该MOF的孔径,而是吸附在MOF的表面,通过阻止配体到Tb3+之间的天线效应引起了荧光的猝灭。3.发光金属纳米簇用于核苷三磷酸阴离子的识别有机配体和金属离子在一定条件下会发生配位反应,当条件改变时,二者也可能发生氧化还原反应。研究发现,室温下组氨酸和铜离子会发生配位反应,生成没有荧光的蓝色配合物。但该配合物在700C搅拌反应12小时后,溶液的颜色逐渐变成棕色,说明组氨酸和铜离子发生了氧化还原反应,铜离子被还原生成了铜纳米簇。用350nm的紫外光激发时,有较强的蓝绿色荧光发射；在GTP存在时,铜簇的荧光会发生一定程度的猝灭。与ATP, CTP和UTP相比,GTP对铜纳米簇的猝灭程度最大,其它的无机阴离子包括PPi、磷酸根、醋酸根等都不会猝灭铜簇的荧光,据此可实现GTP的选择性识别。该体系报道了一种一步法合成发光铜纳米簇的方法,不需要氮气保护,不需要模板分子：利用碱基还原性的差异,首次将发光铜簇用于核苷三磷酸阴离子的识别。总而言之,本论文建立了简单而高选择性的识别与检测PPi和核苷三磷酸阴离子的分析方法。除了金属配合物,还引入了两种新的荧光探针一一金属有机骨架和发光铜纳米簇,并成功用于含磷酸根阴离子的选择性识别中。本文解决了探针合成步骤繁琐以及选择性差的问题。实验证明,通过一步法合成的探针一样可以高选择性的识别含磷酸根阴离子；而且在选择性识别核苷三磷酸阴离子时,碱基的参与至关重要,这直接决定了体系的特异性。