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自由基，尤其是活性氧(ROS)自由基，在生物体系中具有不容忽视的生理学和病理学作用。它们在体内多承担或参与机体免疫防御，细胞凋亡与信号转导等多种生物学过程，因而借助对自由基的分析可以详尽的了解ROS在生理条件下对细胞正常生理功能的调控作用以及引发诸多疾病过程，如癌症、糖尿病、高血压等的分子机制。目前，检测自由基最直接有效的方法当属自由基捕获技术结合电子自旋共振(Spin Trapping-ESR)方法。然而，自由基捕获探针在细胞活体中的应用一直困扰于如下两个因素：1)自由基捕获探针与生物体系内自由基的捕获反应速率过慢；2)在自由基发生区域内自由基捕获探针的有效浓度较低。因此，设计与合成针对自由基具有更高捕获效能同时又能够在自由基产生区域充分富集的自由基探针具有重要的研究价值。
鉴于此，本文中作者设计并合成了三种新型的高效自由基捕获探针，并对它们的自由基捕获与探测能力进行了较为系统的检验。研究获得的主要成果如下：
1.为解决硝酮类探针捕获自由基的动力学速度低这一制约spin trapping-ESR技术生物学应用的最关键问题，首先设计并合成出一系列将环状硝酮类自由基捕获探针(EMPO)用直链烷基链接到金纳米颗粒表面的功能化金纳米自由基探针。不出所料，通过竞争反应实验所测得的金纳米自由基探针Au@EMPO捕获羟基自由基的速率常数高达1.36x1012 M-1·S-1；约为小分子的环状硝酮自由基探针EMPO的312倍。此外，Au@EMPO捕获各种自由基实验所需的自由基探针的浓度仅为27uM；相比之下，现有文献报道中几乎所有硝酮自由基探针的实验浓度均在10mM以上。显然，纳米自由基探针大大改善了现有自由基的捕获效率，将灵敏度提高近3个数量级。总而言之，自由基捕获探针的纳米表面自组装链接技术为设计具有更高效率的自由基探针提供了一种全新的分子设计思路。
2.依据上述纳米探针可提高自由基捕获效率的原理，进一步为实现完整细胞或生物活体条件下自由基的探测分析，作者又重新设计并合成出另一系列高生物相容性的硝酮类纳米自由基探针。新探针将EMPO自组装到聚乙二醇衍生物配基保护的金纳米颗粒表面。实验结果显示：PEG保护型金纳米自由基探针Au@PEG3EMPO对羟基自由基的捕获速率依然较高，可达8.15x1011M-1·S-1。并且在30μM使用浓度条件下捕获自由基后所得的ESR谱图更易于进行解析与识别。更为可贵的是，金纳米探针Au@PEG3EMPO不仅具备良好的水溶性、而且也易溶于与大多脂溶性有机溶剂，充分具备潜在的生物学应用价值。
3.作者所在实验室曾提出借用一种硝酮类探针与含巯基多肽(或蛋白质)的共价链接方法以实现探针分子在生物体内自由基产生局域的靶向富集与原位自由基捕获(Chem Commun，.2005，4943-4945)。然而，为使这一靶向自由基捕获的技术更具普遍性(某些多肽不含巯基)，在此进一步尝试性设计了一种EMPO与氨基酸N端的共价链接方法。合成实验以L-酪氨酸为模型氨基酸，自由基捕获ESR实验证实共价链接的L-Try-EMPO可应用于几乎所有生物体系常见的活性氧自由基检测，并且捕获自由基后所得加合物的ESR谱图也十分易于解析。针对最常用的超氧阴离子自由基而言，其超氧阴离子加合物的半衰期达6.5min。与已发表文章中实验结果相比，该探针的特色主要体现在两方面：(1)对氨基酸N端的链接方法可适用于绝大多数多肽(或蛋白质)体系；(2)环状硝酮捕获自由基的效率更高。