刺激响应性聚合物囊泡渗透性调控及新型荧光探针的设计应用

摘要

刺激响应聚合物有效融合了传统高分子具有的可设计性、易于功能化及拓扑结构多样性等优势及响应基元所具备的对外界刺激的特性感应能力，使其在基础理论研究、智能材料及生命科学等领域快速发展并发挥着日益突出的重要作用。其中在聚合物的超分子自组装领域，尤其是利用两亲性嵌段共聚物，已经人工构筑出了多种多样的纳米结构组装体，如球形胶束、棒状胶束、纳米囊泡、大复合囊泡以及反向胶束等。其中，由于两亲性嵌段聚合物的囊泡结构是与构成细胞框架细胞膜结构形态最为相仿而被研究的最多。目前，聚合物囊泡由于其特殊的仿生结构已被广泛应用于智能仿生材料、药物传输载体、微反应器甚至人工细胞（器）构筑等各个领域。另一方面，荧光化学传感器在检测灵敏性、选择性、快速响应和高的时空分辨率等方面具有独特的优点，近年来多种荧光探针手段也被开发并利用来高效检测各种物理信号、化学分析物、生物活性分子以及细胞代谢过程等。本论文集前半部分主要研究了刺激响应性聚合物囊泡的组装及组装体微结构与性能的响应性调控。后半部分探讨了利用聚集诱导发光这一新兴的荧光响应机制在设计新型荧光探针方面的应用。第一章简要介绍了刺激响应聚合物在自组装领域的近期发展与挑战，以及荧光探针在生物传感检测领域的研究现状与应用前景。第二章设计了一种光响应的两亲性嵌段共聚物，研究了其自组装形成的纳米囊泡结构在光照刺激作用下的囊泡双层膜渗透性变化。第三章设计了一种光致变色的响应性聚合物及对应的聚合物囊泡，研究了波长选择性的光照刺激下囊泡渗透性的可逆调节过程。第四章一种利用钾离子与冠醚分子之间超分子识别诱导的聚集发光而构筑的钾离子荧光探针。第五章设计了一种酶促偶联反应诱导的聚集发光体系，并探索了其在过氧化氢、葡萄糖以及抗体抗原等多底物分析领域的应用。具体来说，本论文的工作包括以下四个方面:
　　1.构筑同时具有共价交联和可渗透性膜的囊泡依然面临着巨大的挑战。猜想设计这样的理想囊泡材料应该需要一种独特的化学交联方式和交联过程中发生大量的官能团的转变。这里我们提出了一种通过光调节的“无痕”交联的新方式来解决这一难题。简单来说就是我们设计了一种疏水嵌段带有光不稳定的氨基甲酸酯键包埋的伯氨基团的两亲性嵌段共聚物。这种刺激响应性的两亲性嵌段共聚物在水中自组装成囊泡后，外界UV光照触发侧基断键分解释放伯氨，随后发生囊泡微环境增强的酰胺化反应使囊泡交联而不是像最初设想的那样由囊泡分散成单链。最重要的是发生交联反应的同时疏水双层膜发生了由疏水到亲水的转变。我们进一步展示了光调控包埋在囊泡内亲水小分子和疏水小分子的同步释放和光调控包酶的囊泡微反应器的生物催化活性。
　　2.设计合成了一种新型的PEO-b-PSPA的两亲性嵌段聚合物，其中SPA是含有氨基甲酸酯的螺吡喃光致变色单体，研究发现该聚合物在水中可以自组装成具有光致变色性质的纳米囊泡，并且可以可逆调控囊泡的渗透性。其中螺吡喃基元位于囊泡的双层膜上，不同波长的光照刺激可以实现其在疏水的螺吡喃（SP,λ2＞450 nm光照）和两性离子的部花箐(MC，λ1＜420 nm)的两种状态下的可逆互变。光致变色的两种状态下的囊泡（螺吡喃囊泡及部花箐囊泡）是通过疏水相互作用、氢键相互作用以及π-π相互作用和紧密离子对相互作用的多重非共价相互作用协同得以稳定的，后两种相互作用对于部花箐囊泡是独有的。此外，作为对照试验，含有碳酸酯的螺吡喃单体(SPO)以及传统的只含有一个酯基的甲基丙烯酸酯的螺吡喃单体(SPMA)及其相对应的两亲性嵌段聚合物也被设计合成了。研究结果表明，含有氨基甲酸酯键侧基的PEO-b-PSPA的两嵌段的聚合物囊泡体系中氢键相互作用对于稳定两性离子的部花箐囊泡的起到关键的作用。而且光触发的SP到MC囊泡的可逆转变使得原来不具有渗透性的囊泡到对特定分子量以下的不带电，带正电荷以及两性离子的小分子具有很好的选择透过性（例如抗癌药物2'-脱氧-5-氟尿嘧啶，氨基酸等）。更有趣的是，UV触发的MC囊泡可提供两种释放模式，1）短时间光照后能够持续释放，主要是因为在这样的囊泡体系中，MC-SP的转换是一个非常慢的过程(在黑暗条件下t1/2＞20 h);2）在可见光/紫外光的交替光照下能够实现程序化的按需的可控释放。也研究了在HeLa细胞中光触发时空可控的释放带正电荷的细胞核染料4'，6-二脒基-2-苯基吲哚。光触发的SP-MC的可逆转变也可轻松实现对于半胱氨酸功能化的Au纳米颗粒在SP/MC囊泡边缘的聚集与释放。为了进一步验证光可逆调节的膜的渗透性得普适性，可控的输送膜外的氨基酸和质子到包覆有荧光物质的PEO-b-PSPA的微米反应器，进而发生反应诱导的荧光增强的实验也成功实现。
　　3.在本工作中，我们有效融合了聚集诱导发射(AIE)和钾离子(K+)与冠醚的之间特有的超分子识别作用，发展了一种新颖的更为有效的荧光增强型K+探针。我们设计合成了四个巯基官能化的TPE-(SH)4分子与马来酰亚胺官能化的苯并-15-冠-5(B15C5)，并通过这两种前提分子间的高效硫醇-烯烃加成反应(Micheal addition)，合成了一种新型的冠醚功能化的四苯乙烯TPE-(B15C5)4分子。该分子的特征为TPE内核具有AIE活性，外部的四个B15C5基团具有超分子识别K+的功能团。所以，当TPE-(B15C5)4单分子溶解在溶剂（四氢呋喃THF）时整个分子几乎无荧光发射。当加入K+时，由于K+与B15C5基元之间固有的超分子识别特性而迅速形成K+/B15C5(1/2摩尔比)夹心形式的分子识别复合物，从而诱导TPE-(B15C5)4发生分子间聚集。该过程正好满足了AIE特性并伴有强的荧光发射，而荧光发射的强弱是与所存在的K+浓度正相关的。因此，所设计合成的TPE-(B15C5)4分子可以作为一种新颖的高灵敏性和选择性荧光增强型K+探针。
　　4.在本工作中我们提出一种新的设计方法，将底物选择性的生物活性酶的催化反应与聚集诱导荧光（AIE）有效的结合起来。为此，我们设计合成了结构明确的四个酪氨酸分子功能化的四苯基乙烯分子(TPE-Tyr)，其特点在于分子内核是具有显著AIE活性的潜在荧光基团(TPE)，而分子外围共价键合的四个酪氨酸基元（Tyr）本身是很好的辣根过氧化物酶（HRP）的还原底物。这种新型的传感探针分子TPE-Tyr在水溶液中可以自由溶解，整个体系几乎没有荧光发射;但向体系中加入HRP酶和氧化底物（过氧化氢）后，由于TPE-Tyr分子中酪氨酸部分迅速的发生了酶催化偶联反应而导致分子间交联快速产生。而这一酶催化交联过程直接激活了探针的AIE活性，使得体系的荧光快速增强，且体系荧光增强的幅度所存在过氧化氢量呈正相关，从而提供了一种新颖的高灵敏度和高选择性的快速检测策略。为了验证这种酶催化检测体系的优越性，我们进一步将其成功应用于葡萄糖的高效检测中。更有意义的是，这一检测平台还可以通过与ELISA试剂盒的结合实现了酶联免疫检测各种相关抗原（例如人类癌胚抗原）。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 刺激响应性聚合物

1．2 两亲性聚合物自组装

1．3 聚合物囊泡自组装

1．4 囊泡渗透性

1．5 荧光探针／传感器

1．6 聚集诱导发射

1．7 本论文研究工作

参考文献

第二章 刺激响应性无痕交联的聚合物囊泡渗透性调控

2．1 引言

2．2 实验部分

2．2．1 原料及试剂

2．2．2 样品合成与表征

2．2．3 仪器与表征

2．3 结果与讨论

2．3．1 PEO45-b-PNBOCx自组装过程

2．3．2 囊泡自组装及其性能研究

2．3．3 囊泡渗透性调控

2．4 总结

参考文献

第三章 光致变色聚合物囊泡渗透性的可逆调控

3．1 引言

3．2 实验部分

3．2．1 原料及试剂

3．2．2 样品合成与表征

3．2．3 仪器与表征

3．3 结果与讨论

3．3．1 两亲性光致变色聚合物的设计合成及其自组装

3．3．2 光致变色囊泡的光触发螺吡喃可逆异构化

3．3．3 光致变色聚合物囊泡的结构稳定性

3．3．4 非共价键相互作用协同稳定囊泡的机理

3．3．5 光可逆调控囊泡渗透性及时空分辨的胞内可控释放

3．4 总结

参考文献

第四章 基于超分子识别与AIE的钾离子荧光探针

4．1 引言

4．2 实验部分

4．2．1 原料及试剂

4．2．2．样品合成与表征

4．2．3．仪器与表征

4．3 结果与讨论

4．3．1 TPE-(B15C5)4探针的合成与表征

4．3．2 聚集诱导发射与钾离子检测

4．3．3 钾离子响应机制研究

4．4 总结

参考文献

第五章 基于酶催化偶联反应构筑的新型生物传感器

5．1 引言

5．2 实验部分

5．2．1 原料及试剂

5．2．2．样品合成与表征

5．2．3 仪器与表征

5．3 结果与讨论

5．3．1 TPE-Tyr探针的合成与性能研究

5．3．2 TPE-Tyr探针过氧化氢响应性

5．3．3 TPE-Tyr探针葡萄糖响应性

5．3．4 TPE-Tyr探针抗原响应性

5．4 总结

参考文献

全文总结

在读期间发表的学术论文／专利

致谢