聚芴类共轭聚合物荧光传感器的合成、设计及应用研究

摘要

水溶性共轭聚合物作为一类新型荧光传感材料具有强的光捕获能力、分子导线效应、检测灵敏度高、方便快捷和可用于生物相容体系中的传感检测等诸多优点。近几年基于水溶性共轭聚合物的化学生物荧光传感器研究取得了巨大发腱,它们已在环境监测、生物医学研究等领域显示出强大的应用潜力。但是目前水溶性共轭聚合物的合成和应用研究尚处在初步阶段,仍有很多关键性问题有待解决。本论文旨在通过合理的结构设计,调控水溶性共轭聚合物在水溶液中的聚集,为进一步提高共轭聚合物在水环境中的荧光量子效率和溶解性等实用性指标提供新的思路和理论依据。同时我们还构建了多个基于水溶性共轭聚合物的传感体系用于目标分子的检测,主要研究工作包括以下几个方面:
　　1.采用简单的“A2+B2+C3”一步法将超支化结构引入荧光共轭聚芴主链中,得到了线性聚合物LPF以及超支化聚合物HPF2,HPF5。同时通过聚合后碱水解的方法得到了在水溶液中具有高荧光量子效率和水溶性的兆轭聚电解质LPFA,HPFA2,HPFA5。通过紫外吸收和荧光光谱等方法研究了不同支化度水溶性聚电解质LPFA,HPFA2,HPFA5和对应中性聚合物前体的光物理性质。并且探讨了溶液pH对HPFA2聚集状态、光物理性质和荧光传感灵敏度的影响。同时我们进一步将水溶性聚电解质HPFA2做为荧光探针实现了水溶液中Hg2+和Cu2+的高灵敏度和选择性检测。其中,Hg2+和Cu2+对HPFA2的荧光猝灭常数(Ksv),分别达到0.80×106M-1和3.11×106M-1,而其他金属离子则对HPFA2的荧光光谱几乎没有影响,说明HPFA2可以作为一类较有前景的荧光传感材料用于水溶液中金属离子的高灵敏度检测。
　　2.设计合成了共轭主链含5％苯并噻二唑能量受体单元的聚芴衍生物PFE-BT5,通过聚合后水解得到侧链为羧酸盐的聚合物PFCOONa-BT5和酸化后产物PFCOOH-BT5。采用UV-PL和瞬态荧光光谱研究了这一系列聚芴衍生物在不同极性溶剂中的荧光寿命和荧光量子效率等光物理性质。同时我们设计发展了一种基于PFCOOH-BT5的新型多胺检测方法。加入多胺分子可以使PFCOOH-BT5发生聚集,同时导致聚合物荧光颜色从蓝色转变为橘红色,从而实现了对多胺分子的高灵敏度可视化检测。这种基于荧光共轭聚合物的多胺检测方法结合了共轭聚合物的荧光信号放大功能,其检测灵敏度可以达到微摩尔级别,远高于其他文献报道的很多基于小分子的多胺检测方法,有望用于临床组织体液中的痕量多胺检测。
　　3.设计合成了一系列结构相似的共轭主链含5％苯并噻二唑结构单元及侧链或主链带氨基及吡啶类衍生物配体基团的聚芴衍生物P1,P2,P3,P4和P5,通过水解得剑侧链为羧酸盐的聚合物PA1,PA2,PA3,PA4利PA5。利用分子主链含适量苯并噻二唑共聚单元的共轭聚合物随聚集态不同荧光光谱及荧光颜色发生显著变化这一特性,采用紫外吸收和荧光光谱研究了这一系列水溶性聚芴衍生物在水/甲醇(9/1)溶液中对金属离子的荧光传感响应。结果表明,金属离子不仅能通过能量及电荷转移猝灭聚合物荧光,它们还可以通过静电相互作用力使聚合物聚集态发生改变,进而影响聚合物的荧光传感过程。同时聚合物分子链上的金属识别基团也是影响聚合物金属离子传感器的关键因素之一。
　　4.采用1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳二亚胺盐酸盐(EDC·HCl)与N-羟基琥珀酰酸亚胺磺酸钠盐(sulfo-NHS)活性酯相结合的偶联方法,通过对实验条件进行优化后,合成了一种新型水溶性聚芴-DNA(PF-ssDNA)复合荧光探讨。提出了一种基于这种聚芴-DNA复合探针与荧光素标记的ssDNA之间的荧光共振能量转移的DNA传感体系,通过对体系FRET能量转移效率的优化选择后,实现了对荧光素标记的目标ssDNA分子的检测。在此基础上,我们进一步发展该体系,通过采用一种新型DNA插入型荧光染料SYBR Green I实现了ssDNA的无标记检测。