刺激響應(yīng)性聚合物囊泡滲透性調(diào)控及新型熒光探針的設(shè)計應(yīng)用.pdf

1、刺激響應(yīng)聚合物有效融合了傳統(tǒng)高分子具有的可設(shè)計性、易于功能化及拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)多樣性等優(yōu)勢及響應(yīng)基元所具備的對外界刺激的特性感應(yīng)能力，使其在基礎(chǔ)理論研究、智能材料及生命科學(xué)等領(lǐng)域快速發(fā)展并發(fā)揮著日益突出的重要作用。其中在聚合物的超分子自組裝領(lǐng)域，尤其是利用兩親性嵌段共聚物，已經(jīng)人工構(gòu)筑出了多種多樣的納米結(jié)構(gòu)組裝體，如球形膠束、棒狀膠束、納米囊泡、大復(fù)合囊泡以及反向膠束等。其中，由于兩親性嵌段聚合物的囊泡結(jié)構(gòu)是與構(gòu)成細(xì)胞框架細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)形態(tài)最為相仿

2、而被研究的最多。目前，聚合物囊泡由于其特殊的仿生結(jié)構(gòu)已被廣泛應(yīng)用于智能仿生材料、藥物傳輸載體、微反應(yīng)器甚至人工細(xì)胞（器）構(gòu)筑等各個領(lǐng)域。另一方面，熒光化學(xué)傳感器在檢測靈敏性、選擇性、快速響應(yīng)和高的時空分辨率等方面具有獨特的優(yōu)點，近年來多種熒光探針手段也被開發(fā)并利用來高效檢測各種物理信號、化學(xué)分析物、生物活性分子以及細(xì)胞代謝過程等。本論文集前半部分主要研究了刺激響應(yīng)性聚合物囊泡的組裝及組裝體微結(jié)構(gòu)與性能的響應(yīng)性調(diào)控。后半部分探討了利用聚集

3、誘導(dǎo)發(fā)光這一新興的熒光響應(yīng)機制在設(shè)計新型熒光探針方面的應(yīng)用。第一章簡要介紹了刺激響應(yīng)聚合物在自組裝領(lǐng)域的近期發(fā)展與挑戰(zhàn)，以及熒光探針在生物傳感檢測領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀與應(yīng)用前景。第二章設(shè)計了一種光響應(yīng)的兩親性嵌段共聚物，研究了其自組裝形成的納米囊泡結(jié)構(gòu)在光照刺激作用下的囊泡雙層膜滲透性變化。第三章設(shè)計了一種光致變色的響應(yīng)性聚合物及對應(yīng)的聚合物囊泡，研究了波長選擇性的光照刺激下囊泡滲透性的可逆調(diào)節(jié)過程。第四章一種利用鉀離子與冠醚分子之間超分子識

4、別誘導(dǎo)的聚集發(fā)光而構(gòu)筑的鉀離子熒光探針。第五章設(shè)計了一種酶促偶聯(lián)反應(yīng)誘導(dǎo)的聚集發(fā)光體系，并探索了其在過氧化氫、葡萄糖以及抗體抗原等多底物分析領(lǐng)域的應(yīng)用。具體來說，本論文的工作包括以下四個方面:
　　1.構(gòu)筑同時具有共價交聯(lián)和可滲透性膜的囊泡依然面臨著巨大的挑戰(zhàn)。猜想設(shè)計這樣的理想囊泡材料應(yīng)該需要一種獨特的化學(xué)交聯(lián)方式和交聯(lián)過程中發(fā)生大量的官能團的轉(zhuǎn)變。這里我們提出了一種通過光調(diào)節(jié)的“無痕”交聯(lián)的新方式來解決這一難題。簡單來說就是我

5、們設(shè)計了一種疏水嵌段帶有光不穩(wěn)定的氨基甲酸酯鍵包埋的伯氨基團的兩親性嵌段共聚物。這種刺激響應(yīng)性的兩親性嵌段共聚物在水中自組裝成囊泡后，外界UV光照觸發(fā)側(cè)基斷鍵分解釋放伯氨，隨后發(fā)生囊泡微環(huán)境增強的酰胺化反應(yīng)使囊泡交聯(lián)而不是像最初設(shè)想的那樣由囊泡分散成單鏈。最重要的是發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)的同時疏水雙層膜發(fā)生了由疏水到親水的轉(zhuǎn)變。我們進一步展示了光調(diào)控包埋在囊泡內(nèi)親水小分子和疏水小分子的同步釋放和光調(diào)控包酶的囊泡微反應(yīng)器的生物催化活性。
　　

6、2.設(shè)計合成了一種新型的PEO-b-PSPA的兩親性嵌段聚合物，其中SPA是含有氨基甲酸酯的螺吡喃光致變色單體，研究發(fā)現(xiàn)該聚合物在水中可以自組裝成具有光致變色性質(zhì)的納米囊泡，并且可以可逆調(diào)控囊泡的滲透性。其中螺吡喃基元位于囊泡的雙層膜上，不同波長的光照刺激可以實現(xiàn)其在疏水的螺吡喃（SP,λ2＞450 nm光照）和兩性離子的部花箐(MC，λ1＜420 nm)的兩種狀態(tài)下的可逆互變。光致變色的兩種狀態(tài)下的囊泡（螺吡喃囊泡及部花箐囊泡）是通過

7、疏水相互作用、氫鍵相互作用以及π-π相互作用和緊密離子對相互作用的多重非共價相互作用協(xié)同得以穩(wěn)定的，后兩種相互作用對于部花箐囊泡是獨有的。此外，作為對照試驗，含有碳酸酯的螺吡喃單體(SPO)以及傳統(tǒng)的只含有一個酯基的甲基丙烯酸酯的螺吡喃單體(SPMA)及其相對應(yīng)的兩親性嵌段聚合物也被設(shè)計合成了。研究結(jié)果表明，含有氨基甲酸酯鍵側(cè)基的PEO-b-PSPA的兩嵌段的聚合物囊泡體系中氫鍵相互作用對于穩(wěn)定兩性離子的部花箐囊泡的起到關(guān)鍵的作用。而且

8、光觸發(fā)的SP到MC囊泡的可逆轉(zhuǎn)變使得原來不具有滲透性的囊泡到對特定分子量以下的不帶電，帶正電荷以及兩性離子的小分子具有很好的選擇透過性（例如抗癌藥物2'-脫氧-5-氟尿嘧啶，氨基酸等）。更有趣的是，UV觸發(fā)的MC囊泡可提供兩種釋放模式，1）短時間光照后能夠持續(xù)釋放，主要是因為在這樣的囊泡體系中，MC-SP的轉(zhuǎn)換是一個非常慢的過程(在黑暗條件下t1/2＞20 h);2）在可見光/紫外光的交替光照下能夠?qū)崿F(xiàn)程序化的按需的可控釋放。也研究了在

9、HeLa細(xì)胞中光觸發(fā)時空可控的釋放帶正電荷的細(xì)胞核染料4'，6-二脒基-2-苯基吲哚。光觸發(fā)的SP-MC的可逆轉(zhuǎn)變也可輕松實現(xiàn)對于半胱氨酸功能化的Au納米顆粒在SP/MC囊泡邊緣的聚集與釋放。為了進一步驗證光可逆調(diào)節(jié)的膜的滲透性得普適性，可控的輸送膜外的氨基酸和質(zhì)子到包覆有熒光物質(zhì)的PEO-b-PSPA的微米反應(yīng)器，進而發(fā)生反應(yīng)誘導(dǎo)的熒光增強的實驗也成功實現(xiàn)。
　　3.在本工作中，我們有效融合了聚集誘導(dǎo)發(fā)射(AIE)和鉀離子(K+

10、)與冠醚的之間特有的超分子識別作用，發(fā)展了一種新穎的更為有效的熒光增強型K+探針。我們設(shè)計合成了四個巰基官能化的TPE-(SH)4分子與馬來酰亞胺官能化的苯并-15-冠-5(B15C5)，并通過這兩種前提分子間的高效硫醇-烯烴加成反應(yīng)(Micheal addition)，合成了一種新型的冠醚功能化的四苯乙烯TPE-(B15C5)4分子。該分子的特征為TPE內(nèi)核具有AIE活性，外部的四個B15C5基團具有超分子識別K+的功能團。所以，當(dāng)T

11、PE-(B15C5)4單分子溶解在溶劑（四氫呋喃THF）時整個分子幾乎無熒光發(fā)射。當(dāng)加入K+時，由于K+與B15C5基元之間固有的超分子識別特性而迅速形成K+/B15C5(1/2摩爾比)夾心形式的分子識別復(fù)合物，從而誘導(dǎo)TPE-(B15C5)4發(fā)生分子間聚集。該過程正好滿足了AIE特性并伴有強的熒光發(fā)射，而熒光發(fā)射的強弱是與所存在的K+濃度正相關(guān)的。因此，所設(shè)計合成的TPE-(B15C5)4分子可以作為一種新穎的高靈敏性和選擇性熒光增強

12、型K+探針。
　　4.在本工作中我們提出一種新的設(shè)計方法，將底物選擇性的生物活性酶的催化反應(yīng)與聚集誘導(dǎo)熒光（AIE）有效的結(jié)合起來。為此，我們設(shè)計合成了結(jié)構(gòu)明確的四個酪氨酸分子功能化的四苯基乙烯分子(TPE-Tyr)，其特點在于分子內(nèi)核是具有顯著AIE活性的潛在熒光基團(TPE)，而分子外圍共價鍵合的四個酪氨酸基元（Tyr）本身是很好的辣根過氧化物酶（HRP）的還原底物。這種新型的傳感探針分子TPE-Tyr在水溶液中可以自由溶解，

13、整個體系幾乎沒有熒光發(fā)射;但向體系中加入HRP酶和氧化底物（過氧化氫）后，由于TPE-Tyr分子中酪氨酸部分迅速的發(fā)生了酶催化偶聯(lián)反應(yīng)而導(dǎo)致分子間交聯(lián)快速產(chǎn)生。而這一酶催化交聯(lián)過程直接激活了探針的AIE活性，使得體系的熒光快速增強，且體系熒光增強的幅度所存在過氧化氫量呈正相關(guān)，從而提供了一種新穎的高靈敏度和高選擇性的快速檢測策略。為了驗證這種酶催化檢測體系的優(yōu)越性，我們進一步將其成功應(yīng)用于葡萄糖的高效檢測中。更有意義的是，這一檢測平臺還