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研究生: 柯浩瑋
Ke, Hao-Wei
論文名稱: 含吡啶綠色螢光蛋白發光團衍生物的應用:作為質子螢光感測器及銅離子比色計
Applications of a GFP Chromophore with Pyridine Moiety: A Fluorescence-Quenching-Based Proton Sensor and a Colorimetric Copper(II) Sensor
指導教授: 宋光生
Sung, Kuang-Sen
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 理學院 - 化學系
Department of Chemistry
論文出版年: 2022
畢業學年度: 110
語文別: 中文
論文頁數: 134
中文關鍵詞: 綠色螢光蛋白發光團質子螢光感測器銅離子比色計
外文關鍵詞: copper(Ⅱ) sensor, o-DPABDI, proton sensor
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  • 在含有o-DPABDI的乙腈溶液中加入適量質子後會造成螢光淬滅的現象,為了解其機制,我們合成了o-DPABDI、m-DPABDI 以及o-BBDDI,並且比較它們的光物理和化學性質。我們利用吸收光譜及1H-NMR確認基態時質子化的位置,而激發態質子化的位置則由螢光光譜測定,最後結合理論計算解釋螢光淬滅的原因。
    從實驗數據可得知o-DPABDI在基態及激發態時,pyridine官能基的鹼性皆是最強的,所以它較傾向與質子結合,且不容易將質子傳遞給aniline及imidazolone官能基。另外,o-DPABDI的結構可以分為兩部分,分別是o-DMABDI及2-methyl pyridine,經由理論計算發現當2-methyl pyridine質子化後,其LUMO能量會低於o-DMABDI的LUMO能量,因此會有光致電子轉移的現象產生(PET),進而造成螢光淬滅。藉由o-DPABDI的結構和加入質子的螢光淬滅現象,其有機會作為質子的螢光感測器。
    o-DPABDI除了可以感測質子,也可以在水溶液中作為選擇性良好的銅離子偵測器,具有應用於環境及工業廢水銅離子檢測的潛力,增加了o-DPABDI的應用範疇。

    To realize a mechanism of fluorescence quenching of o-DPABDI after adding moderate protons into acetonitrile, we not only synthesized several compounds, including o-DPABDI, m-DPABDI, and o-BBDDI, but also compared their photophysical and chemical properties. We used absorption spectrum and 1H-NMR to determine the protonation site in the ground state, and the protonation site in the excited state was measured by fluorescence spectrum. Besides, the theoretical calculation was used to study the mechanism of fluorescence quenching.
    The experimental results showed that the most basic functional group in the o-DPABDI structure was pyridine moiety, so it is more likely to bind with a proton in the ground state. In addition, pyridine is still the most basic functional group in the excited state, so protons would not transfer to aniline or imidazolone moiety. Structure of o-DPABDI could be divided into two parts, the first part was o-MABDI, and the other was methyl pyridine. The computational study results showed the LUMO energy of methyl pyridine would become lower than that of o-DMABDI after protonation, therefore, the photoinduced electron transfer (PET) might occur and cause fluorescence quenching. To sum up, o-DPABDI is capable of controlling fluorescence intensity by adding moderate protons and it can be a proton sensor in acetonitrile.
    In addition to being a proton sensor, o-DPABDI can also be a highly selective copper(II) sensor, especially in water solution, so it is capable of detecting copper(II) in the environment or industrial wastewater.

    Key words: copper(II) sensor, o-DPABDI, proton sensor

    中文摘要ⅰ 英文摘要ⅱ 致謝 xii 目錄 xiii 表目錄 xviii 圖目錄 xix 第Ⅰ部分 序論 第Ⅰ-1章 綠色螢光蛋白相關文獻回顧:綠色螢光蛋白的「基礎研究」 Ⅰ-1-1 綠色螢光蛋白的發現及分離純化 1 Ⅰ-1-2 綠色螢光蛋白及其發光團之結構鑑定 2 Ⅰ-1-3 生物體內綠色螢光蛋白發光團合成機制 4 Ⅰ-1-4 維多利亞多管發光水母中的綠色螢光蛋白放光機制 5 Ⅰ-1-5 野生綠色螢光蛋白光譜性質 5 Ⅰ-1-6 綠色螢光蛋白於生物領域的應用範例 7 第Ⅰ-2章 綠色螢光蛋白相關文獻回顧:綠色螢光蛋白的「進階研究」 Ⅰ-2-1 綠色螢光蛋白發光團的化學合成機制 8 Ⅰ-2-2 綠色螢光蛋白發光團的光熱異構化反應 9 Ⅰ-2-3 含有鄰位胺基綠色螢光蛋白發光團合成及應用 13 第Ⅰ-3章 螢光感測器的原理 Ⅰ-3-1 螢光共振能量轉移(fluorescence resonance energy transfer) 15 Ⅰ-3-2 分子內電荷轉移(intramolecular charge transfer) 16 Ⅰ-3-3 光致電子轉移(photoinduced electron transfer) 17 Ⅰ-3-4 激發態分子內質子轉移(excited-state intramolecular proton transfer) 18 Ⅰ-3-5 聚集誘導發光(aggregation-induced emission) 19 第Ⅰ-4章 溶劑效應對螢光發光團光譜性質的影響 20 第Ⅰ-5章 利用Job plot了解配位基與金屬之結合比例 21 第Ⅰ-6章 結合常數的計算方式-Benesi–Hildebrand method 23 第Ⅰ-7章 研究動機 24 第Ⅱ部分 結果與討論 第Ⅱ-1章 綠色螢光蛋白衍生物o-DPABDI合成及基本物理性質探討 Ⅱ-1-1 o-DPABDI合成路徑 25 Ⅱ-1-2 o-DPABDI基本光物理性質探討 26 Ⅱ-1-3 o-DPABDI之溶劑效應探討 28 Ⅱ-1-4 o-DPABDI之光熱異構化反應 31 第Ⅱ-2章 綠色螢光蛋白類似物引起的ESIPT現象探討 Ⅱ-2-1 o-ABDI在乙腈中加入H+及pyridine後吸收、螢光、NMR圖譜變化 35 Ⅱ-2-2 o-DPABDI在乙腈中加入H+後吸收、螢光、NMR圖譜變化 39 Ⅱ-2-3 o-BBDDI在乙腈中加入H+及pyridine後吸收、螢光、NMR圖譜變化 42 Ⅱ-2-4 o-DPABDI加入H+後螢光淬滅的機制 47 Ⅱ-2-5 延伸實驗:o-NHABDI自體ESIPT現象探討 54 第Ⅱ-3章 o-DPABDI做為金屬離子感測器的潛力 Ⅱ-3-1 在乙腈中o-DPABDI滴定不同金屬離子後吸收、螢光圖譜變化及選擇性 58 Ⅱ-3-2 o-DPABDI做為金屬離子感測器可能的配位點探討 64 Ⅱ-3-3 在水溶液中o-DPABDI滴定不同金屬離子後吸收光圖譜變化及選擇性 68 Ⅱ-3-4 o-DPABDI在水溶液中與Cu2+的鍵結計量、結合常數計算 73 第Ⅱ-4章 總結 75 第Ⅲ部分 實驗儀器及實驗方法 第Ⅲ-1章 實驗儀器 Ⅲ-1-1 紫外-可見光光譜儀(PerkinElmer, UV/Vis Spectrometry, Lambda 35) 76 Ⅲ-1-2 螢光放射光譜(PerkinElmer, Fluorescence Spectrometer, LS 45) 76 Ⅲ-1-3 核磁共振光譜儀(Nuclear Magnetic Resonance Spectrometer) 76 Ⅲ-1-4 高解析質譜儀(High Resolution Mass Spectrometry, ESI-MS) 76 Ⅲ-1-5 單晶X-光繞射儀(Single-Crystal X-Ray Diffractometer) 76 第Ⅲ-2章 綠色螢光蛋白衍生物的合成及單晶培養 Ⅲ-2-1 o-ABDI合成步驟 77 Ⅲ-2-2 o-DPABDI合成步驟及單晶培養 79 Ⅲ-2-3 m-DPABDI合成步驟 80 Ⅲ-2-4 o-BBDDI合成步驟及單晶培養 81 Ⅲ-2-5 o-NHABDI合成步驟及單晶培養 81 Ⅲ-2-6 o-DPABDI與Zn2+錯合物(L1-Zn2+)單晶培養 82 第Ⅲ-3章 o-DPABDI基本物理性質測定 Ⅲ-3-1 吸收光譜測量及莫耳吸收係數計算 83 Ⅲ-3-2 螢光光譜測量 83 Ⅲ-3-3 螢光量子產率計算及標準液校正 83 Ⅲ-3-4 溶劑效應測定 84 Ⅲ-3-5 光熱異構化測定 84 第Ⅲ-4章 綠色螢光蛋白衍生物加入H+相關實驗 Ⅲ-4-1 理論計算之優化結構及分子軌域能量 84 Ⅲ-4-2 加入H+之吸收、螢光光譜測定 84 Ⅲ-4-3 加入pyridine競爭H+之吸收、螢光光譜測定 85 Ⅲ-4-4 加入H+ NMR圖譜測定 85 Ⅲ-4-5 o-NHABDI於CHCl3加入pyridine之吸收、螢光光譜測定 85 第Ⅲ-5章 o-DPABDI加入金屬離子相關實驗 Ⅲ-5-1 加入不同金屬離子之吸收、螢光光譜測定 85 Ⅲ-5-2 加入EDTA競爭金屬離子之吸收、螢光光譜測定 86 Ⅲ-5-3 加入Zn2+之NMR圖譜測定 86 Ⅲ-5-4 Cu2+之pH感測範圍測定 86 Ⅲ-5-5 鍵結劑量測定 87 Ⅲ-5-6 結合常數及偵測極限 87 第Ⅳ部分 參考文獻 88 第Ⅴ部分 附錄 第Ⅴ-1章 GFP衍生物NMR圖譜 Ⅴ-1-1 (Z)-2-methyl-4-(2-nitrobenzylidene)oxazol-5(4H)-one 1H NMR 90 Ⅴ-1-2 (Z)-2-acetamido-N-methyl-3-(2-nitrophenyl)acrylamide 1H NMR 90 Ⅴ-1-3 (Z)-2,3-dimethyl-5-(2-nitrobenzylidene)-3,5-dihydro-4H -imidaz ol-4-one 1H NMR 91 Ⅴ-1-4 o-ABDI 1H NMR 91 Ⅴ-1-5 o-DPABDI NMR 92 Ⅴ-1-6 m-DPABDI NMR 93 Ⅴ-1-7 o-BBDDI NMR 94 Ⅴ-1-8 o-NHABDI NMR 95 第Ⅴ-2章 GFP衍生物質譜 Ⅴ-2-1 o-DPABDI 96 Ⅴ-2-2 m-DPABDI 96 Ⅴ-2-3 o-BBDDI 97 Ⅴ-2-4 o-NHABDI 97 第Ⅴ-3章 GFP衍生物單晶數據 Ⅴ-3-1 o-DPABDI 98 Ⅴ-3-2 o-BBDDI 110 Ⅴ-3-3 o-NHABDI 116 Ⅴ-3-4 o-DPABDI-Zn2+錯合物(L1-Zn2+) 126

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    下載圖示 校內:2025-09-21公開
    校外:2025-09-21公開
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