构建基于聚乙烯亚胺的光学传感器及其性能与相关应用的研究

摘要

聚乙烯亚胺（polyethyleneimine,PEI）是一种商品化的水溶性阳离子高聚物，且在高分子染料、基因转染、催化等领域有广泛应用。PEI的分子量分布很广。按照其分子结构分类，PEI可以分为枝化PEI（branched PEI,bPEI）和线性PEI（linear PEI,lPEI）两种。PEI的正电荷密度很高，且具有“质子海绵”效应，因此到目前为止PEI仍然是研究很广泛的聚阳离子非病毒基因载体。线性 PEI包含的全是仲胺，而枝状PEI中含有大量的伯胺、仲胺和叔胺基团，能够与许多物质发生反应。因为胺基中的N原子含有孤对电子，并且N原子能够形成氢键等原因，所以PEI还具有很强的吸附性。由于与线性PEI相比，枝状PEI具有三维网状结构，反应活性更强等一些原因，本论文选择枝状PEI做进一步的研究和应用。由于PEI具有上述的反应活性强,正电荷密度大和吸附性强等诸多特性，因此可以利用这些特性，结合分子荧光、共振瑞利散射和紫外-可见吸收等光谱技术，构建光学传感器，研究这些传感器的性质，并应用于检测环境污染物和生物分子。
　　1.以聚乙烯亚胺为模板的铜纳米簇的荧光增强现象和溶剂效应
　　我们讨论了以PEI为模板的铜纳米簇的溶剂效应。PEI包裹的铜纳米簇分别溶解在水和12种极性有机溶剂中。在水和醇类溶剂中，铜纳米簇显示出相似的性质，并且在黑暗环境中可以稳定存在。而在四氢呋喃（THF），1,4-二氧六环溶剂中，铜纳米簇的荧光发射光谱会发生蓝移，且吸收光谱变化很大。另外，在THF溶剂中，铜纳米簇的荧光强度会随着时间延长而大大增强。此外，在乙腈、二甲基亚砜和乙二醇甲醚溶剂中，铜纳米簇的吸收光谱变化很大，荧光发射光谱却没有明显的移动。把铜纳米簇分散在乙腈、THF和1,4-二氧六环溶剂中，在可见光下溶液呈现出乳状混浊，在紫外灯下发出更强的蓝色荧光。本文还讨论了在水-THF混合溶剂中不同的溶剂比例对铜纳米簇荧光光谱和吸收光谱的影响。值得注意的是，本文探讨的PEI包裹的铜纳米簇的溶剂效应与之前报道的PEI包裹的银纳米簇的溶剂化荧光特性有所不同，本文也探讨了引起铜纳米簇的溶剂效应的可能机理。增大折射率会导致斯托克斯位移减小，而增大介电常数会使斯托克斯位移增大。不过介电常数和折射率的影响只能部分解释溶剂效应，并不能解释其它因素的影响，如氢键作用和分子内电荷转移。与水相比，THF形成氢键的能力更强，PEI-Cu纳米簇的基态在THF和1,4-二氧六环溶剂中能够形成氢键，从而引起荧光发射峰蓝移。而且，PEI在THF中的构象变化引起聚集诱导荧光增强效应，直接导致铜纳米簇荧光强度增大。
　　2.基于聚乙烯亚胺为模板的铜纳米簇构建识别苏丹染料的荧光传感器研究
　　以PEI为模板的铜纳米簇发出蓝色的荧光，其荧光强度在加入食品染料苏丹I-IV之后降低。基于此现象构建了在水溶液和乙醇溶液中的免标记荧光法来检测苏丹染料。PEI修饰的铜纳米簇的平均粒径为1.8 nm，激发波长为355 nm时，铜纳米簇的荧光发射波长位于480 nm，与苏丹染料的吸收峰有重叠。而体系受温度影响很小，铜纳米簇的荧光寿命在加入苏丹I前后变化很小，以及加入足量的苏丹染料后，铜纳米簇的荧光发射光谱的形状会发生改变，这些实验结果进一步证明，荧光强度的下降是基于荧光内滤效应。铜纳米簇在水溶液中至少能稳定存在1个月。在优化过的条件下，检测苏丹I，II，III和IV的线性范围分别为0.1?30,0.1?30,0.1?25和0.1?25?M，检出限（3σ/s）分别为65，70，45和50 nM。苏丹染料猝灭铜纳米簇荧光的能力与功能基团的数目直接相关，因此，苏丹III和IV猝灭能力更强，检出限更低。与其他可能存在的干扰物相比，本方法检测苏丹染料的选择性很好。本方法成功应用于辣椒粉中苏丹染料的测定。
　　3.以聚乙烯亚胺为模板的铜纳米簇为荧光探针检测过氧化氢和葡萄糖
　　我们构建了一种简单、免标记的用于检测水溶液中过氧化氢和葡萄糖的方法,该方法基于PEI修饰的铜纳米簇作为荧光探针。我们合成的以PEI为模板的铜纳米簇平均粒径为1.8 nm，发射波长位于480 nm,发蓝色荧光。加入过氧化氢之后，铜纳米簇的荧光猝灭。葡萄糖氧化酶能够催化氧化葡萄糖，生成葡萄糖酸和过氧化氢，因此也可以利用此探针检测葡萄糖。由于葡萄糖氧化酶的特异性，本方法具有很好的选择性。在优化后的实验条件下，检测过氧化氢和葡萄糖的线性范围分别为0.5-10?M和10-100?M，检出限分别为0.4和8?M。接着，我们探讨了荧光猝灭机理，可能是由于过氧化氢和铜纳米簇之间发生了反应，生成氧化性很强的超氧阴离子自由基和羟基自由基，进而将铜纳米簇氧化，使其荧光猝灭。本传感体系已经被成功应用于人血清样品中葡萄糖的测定。
　　4.荧光桃红B/聚乙烯亚胺复合物用于肝素检测及构建可逆分子逻辑门
　　实验中设计了一种能够结合共振瑞利散射方法、荧光法和比色法三者优点的多通道光学传感平台来检测肝素。荧光桃红B，作为荧光素的衍生物，在长波范围内有一个特殊的共振瑞利散射峰。因此，选择荧光桃红B构建了易于制备的信号增强型的高灵敏度传感器。在长波范围，共振瑞利散射的噪声信号更低，重现性更好，因此，利用此范围的峰来检测肝素有利于提高灵敏度和选择性。荧光桃红B和聚乙烯亚胺（PEI）可以通过静电相互作用形成复合物，造成荧光桃红B在554 nm处的共振瑞利散射强度很低，其荧光猝灭，且吸光度很小。当向荧光桃红B/PEI复合体系中加入肝素，肝素与PEI的结合力更强，使得荧光桃红B从复合物中被释放出来，其共振瑞利散射强度、荧光强度和吸光度均得到显著恢复。此外，对于肝素类似物，例如透明质酸和硫酸软骨素，它们不能有效地将荧光桃红B脱附下来，因此本传感器具有较好的选择性。另外，本方法检测限为5.0?10?4 U mL?1，应用于肝素钠注射液样品和50％人血清样品均可得到满意结果。最后，本系在构建可逆开关分子逻辑门方面有应用价值。
　　5.聚乙烯亚胺和醛类生成的多种聚合物纳米颗粒和凝胶及其分析应用研究
　　通过PEI和醛类反应可以制备不同颜色的聚合物纳米颗粒，而固定PEI浓度并降低醛类的浓度，则可以生成凝胶。此现象可用于可视化检测醛类。此外，使用不同种类的醛类会得到不同颜色的聚合物纳米颗粒和凝胶，这个现象可以用来可视化区分几种醛类。为了便于讨论，我们主要考察了PEI与甲醛的相互作用。由两者反应得到的聚合物纳米颗粒，其尺寸大约为42 nm，发出明亮的蓝绿色荧光，量子产率高，水溶性好，且光稳定性好。由于具备以上优点，此纳米颗粒可以用于活的SK-N-SH细胞成像。另外，本文还对合成的聚合物纳米颗粒的一些基本性质，如浓度依赖的荧光特性，pH依赖的荧光特性和溶剂效应，做了有价值的探讨。

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第一章 绪论

1.1 聚乙烯亚胺及其性质

1.2 金属纳米簇概述

1.3 铜纳米簇的合成

1.4 铜纳米簇荧光传感器的应用

1.5 聚合物纳米颗粒概述

1.6 聚合物纳米颗粒的合成

1.7 聚合物纳米颗粒的性质和应用

1.8 聚乙烯亚胺和染料的相互作用在分析领域的应用

1.9 本文的主要研究内容和意义

第二章 以聚乙烯亚胺为模板的铜纳米簇的荧光增强现象和溶剂效应

2.1 引言

2.2 实验部分

2.3 结果与讨论

2.4 结论

第三章 基于聚乙烯亚胺为模板的铜纳米簇构建识别苏丹染料的荧光传感器研究

3.1 引言

3.2 实验部分

3.3 结果与讨论

3.4 结论

第四章 以聚乙烯亚胺为模板的铜纳米簇为荧光探针检测过氧化氢和葡萄糖

4.1 引言

4.2 实验部分

4.3 结果与讨论

4.4 结论

第五章 荧光桃红B/聚乙烯亚胺复合物用于肝素检测及可逆分子逻辑门构建

5.1 引言

5.2 实验部分

5.3 结果与讨论

5.4 结论

第六章 聚乙烯亚胺和醛类生成的多种聚合物纳米颗粒和凝胶及其分析应用研究

6.1 引言

6.2 实验部分

6.3 结果与讨论

6.4 结论

全文总结

参考文献

致谢

攻读博士学位期间的研究成果