含苝酰亚胺-芘单元水溶性荧光聚合物的合成与生物成像

摘要

近年来，荧光共轭聚合物因其独特的电子和光学性能，在荧光传感器、化学传感器、有机太阳能电池和非线性光学材料等多个领域发挥了重要作用，吸引了研究者的广泛关注。而水溶性荧光聚合物作为荧光聚合物的一个分支，已经在生命科学和医学等领域显示了巨大的应用潜力。本文旨在设计合成一种高效、灵敏、生物相容性好、光稳定性好、光穿透力强且对生物体伤害较小的荧光探针，使其在生物领域发挥作用。论文的主要研究内容和结果如下：
　　1、用反应条件温和的Suzuki偶联反应合成了含苝酰亚胺-芘单元的化合物(B5)，分子内关环反应后合成了含苝酰亚胺-芘单元的平面共轭分子(B6)，再将B6经多步化学修饰得到ATRP反应的引发剂(B9和B12)。然后分别以B9和B12为引发剂，2-(2',3',4',6'-四-O-乙酰基-α-D-吡喃甘露糖基氧基)甲基丙烯酸乙酯(M2)为单体，通过 ATRP反应制备油溶性聚合物 P1和 P3；脱除乙酰基保护后得到含苝酰亚胺-芘共轭单元水溶性荧光聚合物P2和P4。通过FTIR、NMR、MALDI-TOF-MS、GPC、UV-Vis和PL等对合成的各步化合物和聚合物进行了表征与测试。结果表明：P1和 P3的数均分子量分别为13000 g?mol-1和10200 g?mol-1，分子量多分散性指数(PDI)分别为1.10和1.27。P2和P4的峰位分子量分别为9000 g?mol-1和7700 g?mol-1。
　　2、P2的最大特征紫外吸收峰相对于P1和B6的发生了21 nm和25 nm的红移；P4的最大紫外吸收峰相对于P3和B6的发生了25 nm和31 nm的红移。对应荧光光谱发射峰也发生了红移，P2的最大荧光发射峰相对于P1和B6的发生了39 nm和42 nm的红移；P4的最大荧光发射峰相对于P3和B6的发生了39 nm和48 nm的红移。P2和P4在水中的最大荧光发射峰在682 nm和688 nm处，达到了近红外区(＞650 nm)。
　　3、由于P2和P4实现了水溶且相对数均分子量较大，所以其相对荧光量子产率不是很高，P2和P4在水中荧光量子产率分别为0.07和0.05。荧光衰减图的结果显示，聚合物P1和P2表现出双重荧光衰减指数，有两个荧光寿命；P1的荧光寿命为1.8213 ns(9.85％)和4.6522 ns(90.15%)，平方差为1.148；P2的荧光寿命为1.2776 ns(31.7%)和7.0472 ns(68.3%)，平方差为1.392。而小分子荧光化合物B6则表现出单重荧光衰减指数和一个荧光寿命，荧光寿命是4.4928 ns，平方差为1.100。P3表现出单重荧光衰减指数和一个荧光寿命，荧光寿命是4.7172 ns，平方差为1.326。P4表现出双重荧光衰减指数，有两个荧光寿命，分别是3.7828 ns(12.53%)和8.1291 ns(87.47%)，平方差为1.012。
　　4、通过635 nm激光器在相同条件，相同时间对Cy5、P2和P4的激光照射测试数据表明：在12 min时，Cy5的紫外吸光度和荧光强度均衰减了50%以上；而P2和P4的紫外基本无变化，荧光强度衰减均低于50%。表明P2和P4的光稳定性明显优于Cy5。
　　5、在0-600 s时间内，P2和P4分别与刀豆蛋白A(Con A)络合后，两者紫外吸光度变化趋势基本类似，而P2和P4分别与Con A络合后，P2的荧光强度增强，P4的荧光强度基本保持不变。
　　6、P2和P4的细胞毒性和光学细胞成像实验结果表明：P2浓度小于100μg?mL-1，与 HeLa细胞培养时间低于72 h，细胞存活率都达到了85%以上；P4浓度小于100μg?mL-1，与HepG2细胞培养时间低于72 h，细胞存活率都达到了80%以上。300μg?mL-1的P2和不同浓度的P4(1μg?mL-1-300μg?mL-1)能够进入HeLa细胞，且HeLa细胞的形态和数量没有发现明显变化，细胞内发射出较强的荧光。所以 P2和 P4不仅具有很好的细胞相容性，而且实现了细胞内的光学成像，为其作为荧光探针应用于生物领域提供了实验基础。
　　本文不仅成功地解决了苝酰亚胺类衍生物溶解性差和难以分离的难点，而且实现了苝酰亚胺类分子在近红外区的生物成像，对苝酰亚胺类分子多步修饰得到的水溶性荧光聚合物P2和P4在水中的荧光发射峰到达了近红外区。利用P2和P4荧光穿透力强，成像能量低，对细胞损伤较小且生物相容性好的优点，成功实现了其在近红外光区的光学细胞成像。因此，本文为苝酰亚胺-芘类分子近红外探针的发展提供了另一种可能。

目录

声明

第1章 绪 论

1.1 引言

1.2 荧光聚合物

1.3 苝酰亚胺类化合物研究进展

1.4 含芘单元化合物的研究进展

1.5 糖聚合物

1.6 ATRP发展的科学前沿

1.7 本文的基本设计思路

第2章 ATRP法制备含苝酰亚胺-芘单元水溶性荧光聚合物

2.1 引言

2.2 实验部分

2.3 结果与讨论

2.4 本章小结

3.1 引言

3.2 实验部分

3.3 结果与讨论

3.4 本章小结

第4章 含苝酰亚胺-芘单元水溶性荧光聚合物的生物应用

4.1 引言

4.2 实验部分

4.3 结果与讨论

4.4 本章小结

全文结论

参考文献

致谢

攻读学位期间取得的科研成果