Study on Synthesis of Ferrocene Boronic Acid--based Derivatives and Polvmers and Their Redox Responsive and Saccharide Sensing.pdf

1、電化學(xué)生物傳感器主要基于對(duì)電流、電位、電阻和電導(dǎo)的傳感。由于酶電流生物傳感器易于制作商業(yè)化的儀器，因此其在過去的五年中受到了研究者的廣泛關(guān)注。酶電流生物傳感器可以測(cè)量由生物組織和電極材料之間的電子交換所產(chǎn)生的電流。對(duì)葡萄糖響應(yīng)系統(tǒng)的研究主要圍繞著葡萄糖響應(yīng)或者葡萄糖傳感的機(jī)理和其應(yīng)用著兩方面進(jìn)行展開。對(duì)于其機(jī)理的研究又進(jìn)一步圍繞著外源凝集素、葡萄糖氧化酶(GOx)和苯硼酸(PBA)派生物系統(tǒng)這三個(gè)方面進(jìn)行。其中，PBA派生物系統(tǒng)主要通過

2、化學(xué)鍵綁定的形式來實(shí)現(xiàn)對(duì)葡萄糖、多糖以及二醇的檢測(cè)。它是一種先進(jìn)的、低成本的和可靠的葡萄糖的檢測(cè)方法。
　　苯硼酸(BA)可以通過硼烷（由一個(gè)硼原子作為中心，通過碳硼鍵連接著三個(gè)碳原子的化合物）的水解得到。這一過程最初的水解產(chǎn)物是硼酸，這是一種比硼烷更加穩(wěn)定的硼衍生物。之后硼酸進(jìn)一步水解生成苯硼酸。在眾多不同的葡萄糖檢測(cè)方法之中，電化學(xué)檢測(cè)方法是一種非常前沿的檢測(cè)方法，因此目前為止對(duì)這方面的研究還不是非常的多。使用與二茂鐵相結(jié)合的

3、PBA將是一種非常好的開發(fā)電化學(xué)傳感器和新的檢測(cè)葡萄糖以及其他生物分析用的衍生物和聚合物的方法。我們針對(duì)以上相關(guān)發(fā)現(xiàn)，重點(diǎn)對(duì)二茂鐵苯硼酸化合物的化學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了研究。
　　FBPDs是一種普遍的GOx和電極之間傳遞電子的介質(zhì)。電極的作用是檢測(cè)電子轉(zhuǎn)移的數(shù)量，從而得到血液中的葡萄糖的含量。存在于氧化還原酶和電極之間的電化學(xué)相互作用是構(gòu)建以生物酶為基質(zhì)的電極的關(guān)鍵因素。然而，外殼蛋白質(zhì)會(huì)阻斷酶和電極之間的持續(xù)電子交換而屏蔽氧化還原活性位

4、點(diǎn)。氧化還原介質(zhì)即使在低電位的時(shí)候也能夠準(zhǔn)確和靈敏地監(jiān)測(cè)血液中的葡萄糖水平。對(duì)葡萄糖生物傳感器的應(yīng)用主要分為三個(gè)方面:Con A（凝集素）、GOx和PBA。
　　凝集素法是一種非常重要的碳水化合物綁定的檢測(cè)血糖含量的方法。其類似于GOx，也可以作為一種葡萄糖生物傳感器。這是一種理想的激素調(diào)節(jié)劑，其原理遵循細(xì)胞表面糖蛋白和糖脂之間的相互作用。Brownlee和Cerami首次報(bào)道了伴刀豆球蛋白(Con A)，目前這種凝集素被廣泛的應(yīng)

5、用于葡萄糖生物傳感器的研究當(dāng)中。通常來說，和聚合物主鏈結(jié)合的Con A和糖類的復(fù)合物具有四個(gè)連接位點(diǎn)。這樣一種凝集素和聚合物主鏈的連接體系能夠應(yīng)用于藥物釋放系統(tǒng)和葡萄糖檢測(cè)系統(tǒng)之中。
　　我們主要討論了兩種設(shè)計(jì)葡糖糖響應(yīng)系統(tǒng)的方法?；谏锩傅钠咸烟琼憫?yīng)系統(tǒng)主要包含了葡萄糖和GOx之間的酶促反應(yīng)，而基于凝集素的葡萄糖響應(yīng)系統(tǒng)與在葡糖糖和合成的糖基化聚合物之間連接ConA有關(guān)。然而，這些蛋白質(zhì)成分在環(huán)境變化波動(dòng)加大的情況下發(fā)生變性，

6、從而限制了它們的存儲(chǔ)和長(zhǎng)期使用。第三種方法是苯硼酸(PBA)官能化，其主要基于合成具有PBA基團(tuán)的葡糖糖生物傳感器。這些化合物具有很好的耐用性和穩(wěn)定性，能夠?yàn)槠咸烟菣z測(cè)系統(tǒng)提供新的替代品。Kuivila和他的同事于1954年首次將PBA體系應(yīng)用于葡糖糖生物傳感器中。PBA化合物在水溶液中存在著電離態(tài)和非電離態(tài)兩種不同的形式。相對(duì)于具有親水性的電離態(tài)PBA化合物而言，非電離態(tài)PBA化合物更加疏水。電離態(tài)的PBA化合物能夠和添加的葡萄糖在水

7、溶液中通過可逆共價(jià)鍵形成穩(wěn)定的復(fù)合物。因此，在加入葡萄糖之后，PBA化合物的解離平衡向著形成親水的電離態(tài)PBA化合物的方向移動(dòng)。通過利用加入葡萄糖可以使葡萄糖生物傳感器的平衡向著某一方向移動(dòng)的方法，已經(jīng)由許多不同的葡萄糖傳感裝置和系統(tǒng)被設(shè)計(jì)出來。
　　這些系統(tǒng)目前已被用于胰島素的自調(diào)整釋放和葡萄糖濃度的檢測(cè)之中。盡管天然的葡萄糖生物傳感器Con A和GOx具有很好的生物可降解性和生物相容性，但它們也受制于因環(huán)境改變而引起的變性。因

8、此，PBA化合物能夠構(gòu)建一種更加耐用的葡萄糖傳感體系。
　　與GOx和Con A傳感器相比，PBA的穩(wěn)定性持續(xù)時(shí)間更長(zhǎng)，但是以上三種傳感器在葡萄糖濃度分析方面暴露出一些相同的問題?；谏鲜鲋匾l(fā)現(xiàn)，有必要采用一些新方法來提高其靈敏度、選擇性和生物相容性。下文將討論葡萄糖探測(cè)中的常用方法，包括:熒光法、全息法和電化學(xué)傳感器等。
　　以上三種葡萄糖傳感器中，舍硼酸衍生物提供了一些特殊性質(zhì)。PBA官能團(tuán)在葡萄糖檢測(cè)中常被用作熒光接

9、收器。與糖類快速并且可逆的的相互作用使得PBA在葡萄糖檢測(cè)方面具有較強(qiáng)的潛力。
　　有一種全息傳感器系統(tǒng)的新的光學(xué)方法是可用于檢測(cè)葡萄糖濃度的探索之一。該系統(tǒng)的功能強(qiáng)大，價(jià)格便宜，并可遠(yuǎn)程探測(cè)，在近幾年吸引了大量的關(guān)注。該全息感應(yīng)器的基本機(jī)制是通過光柵的入射光束和反射光形成的干涉圖案。根據(jù)布拉格定律，mλ=2dsinθ，條紋(d)的距離的變化會(huì)帶來全息圖的波長(zhǎng)（顏色）顯著的變化。由此可建立擔(dān)任條紋的葡萄糖響應(yīng)性聚合物基質(zhì)。當(dāng)基質(zhì)添

10、加葡萄糖產(chǎn)生溶脹時(shí)，條紋之間的空間增加了，產(chǎn)生全息圖的紅移。另一方面，如果基質(zhì)解溶脹則可以觀察到譜線藍(lán)移。因此，跟蹤波長(zhǎng)的變化，可以探測(cè)到周圍的葡萄糖濃度。
　　電化學(xué)傳感器提供了一個(gè)有吸引力的替代手段，通過將生物結(jié)合事件直接變換為電子信號(hào)來進(jìn)行生物分析。它們通常是由自組裝單層，聚合物材料和水不混溶的有機(jī)油等通過與碳電極的特異性結(jié)合設(shè)計(jì)。傳感器輸出的電子信號(hào)通過電極表面產(chǎn)生硼酸的特性為陰離子和糖類檢測(cè)和分離系統(tǒng)應(yīng)用開發(fā)提供了指導(dǎo)。

11、因此，使用硼酸電化學(xué)感測(cè)為監(jiān)測(cè)治療糖尿病的血糖值可能提供了全面的方法，也可以用于環(huán)境的陰離子檢測(cè)。由硼酸電化學(xué)測(cè)定可分為兩部分:溶液相工藝和表面固定化過程。在溶液中，二茂鐵基硼酸及其衍生物可以直接綁定到多二醇如葡萄糖或糖蛋白上參與電化學(xué)應(yīng)答。盡管此法經(jīng)常使用，但有些反應(yīng)十分復(fù)雜并且動(dòng)力學(xué)相關(guān)研究很少。開發(fā)多硼酸基對(duì)酸的受體分子，以補(bǔ)充糖類生物分子的復(fù)雜性并開發(fā)具有高選擇性的系統(tǒng)很有必要。表面固定化的硼酸基于傳感器過程是強(qiáng)大的，并可以進(jìn)一

12、步改進(jìn)。自組裝單層，聚合物膜，和有機(jī)油滴被滴在適當(dāng)?shù)碾姌O表面，以得到高靈敏度和選擇性的分析方法。鑒于生物分析科學(xué)的快速發(fā)展，硼酸將有更廣泛的分析潛力。
　　在上述討論的用于檢測(cè)葡萄糖的不同方法中，電化學(xué)傳感器是相當(dāng)新的，有探索前途的領(lǐng)域。迄今此領(lǐng)域已有一些簡(jiǎn)單的研究。使用PBA與二茂鐵是開發(fā)電化學(xué)傳感器和開發(fā)新的用于檢測(cè)生物分析物特別是葡萄糖的衍生物和聚合物的好的方法。同時(shí)考慮到上述重要成果，我們?cè)O(shè)計(jì)了以下項(xiàng)目，以探索二茂鐵硼化學(xué)

13、。
　　在我們的第一個(gè)項(xiàng)目中，我們合成了二茂鐵單氨基苯基硼酸(FcMAPBA)和二茂鐵二氨基苯基硼酸(FcDAPBA)并用FTIR和1H NMR進(jìn)行了表征。需要特別強(qiáng)調(diào)的是我們通過1H NMR和CV（使用山梨糖醇）對(duì)二茂鐵氨基苯基硼酸(FcAPBAs)順式二醇和糖類結(jié)合親和性其的影響進(jìn)行了探究。利用1H NMR譜硼酸羥基的信號(hào)消失對(duì)游離和結(jié)合形式的衍生物進(jìn)行了描繪。在CV曲線的兩個(gè)分立的峰的存在與1H NMR譜的結(jié)果相一致，對(duì)應(yīng)順

14、式二醇與糖類的結(jié)合。也有人提出，這種方法使用CV曲線電勢(shì)位移差也可以應(yīng)用于表面受限糖化的分子檢測(cè)。
　　在我們的第二個(gè)項(xiàng)目，我們合成了新的二茂鐵硼酸嵌段共聚物作為為糖類電化學(xué)傳感器。舍二茂鐵的甲基丙烯酸酯均聚物，利用可逆加成斷裂鏈轉(zhuǎn)移聚合(RAFT)合成合成了聚甲基丙烯酸二茂鐵?；阴ァＪ褂肞MAEFc均聚物作為大分子引發(fā)劑，合成了三種新的二嵌段共聚物。均聚物的動(dòng)力學(xué)研究表明，嵌段共聚物的鏈延伸遵循控制/活性的過程。合成的嵌段共聚

15、物的利用1H NMR、凝膠滲透色譜(GPC)、傅里葉變換紅外光譜（FTIR）、熱重量分析法(TGA)和差示掃描量熱法(DSC)進(jìn)行了表征。利用在1HNMR譜中可以觀察到硼酸羥基信號(hào)消失和PMAEFc-B-PVAFBA在11B NMR譜中由于和二糖結(jié)合導(dǎo)致的硼峰的位移可以表征其對(duì)糖類的結(jié)合，嵌段共聚物的游離和結(jié)合的形式。與順式二醇結(jié)合前后，兩個(gè)分立的峰出現(xiàn)在PMAEFc-B-PVAPBA的循環(huán)伏安(CV)曲線上,這與1H NMR和11B

16、NMR結(jié)果一致。
　　在第三個(gè)項(xiàng)目中，我們通過RAFT聚合合成了二茂鐵硼酸基共聚物，聚甲基丙烯酸乙基二茂鐵-聚甲基乙烯基氨基苯硼酸(PMAEFc-b-PMVAPBA)，并研究了它的膠束化行為。共聚物中二茂鐵和苯硼酸嵌段在二元混合溶劑中形成了均勻的球形膠束。在膠束的對(duì)比實(shí)驗(yàn)中，相比在水相透析下，我們?cè)谒x的有機(jī)溶劑中觀察到了大量的聚集體。FMAEFc-b-PMVAFBA的氧化還原響應(yīng)行為是通過氧化試劑(NH4)Ce(NO3)6和還原

17、試劑(NaHSO3)來進(jìn)行的。由于葡萄糖和苯硼酸的結(jié)合，膠束趨向于瓦解，尺寸隨之減小。由于二茂鐵的氧化還原響應(yīng)性，可以觀察到PMAEFc-b-PMVAPBA膠束的尺寸變大。透射電子顯微鏡(TEM)，掃描電子顯微鏡(SEM)和動(dòng)態(tài)光散射(DLS)用以表征該膠束。
　　在我們的第四個(gè)項(xiàng)目中，通過RAFT聚合，合成了包含親水性的2-十二烷基三硫代碳酸酯-2甲基丙酸的兩親性嵌段共聚物PMAEFc-b-PMVAPBA，并作為大分子鏈轉(zhuǎn)移劑接

18、到疏水的甲基乙烯基氨基苯硼酸和氧化還原響應(yīng)的二茂鐵嵌段上。在水溶液中，疏水和親水的共聚物嵌段自組裝形成球形膠束。二茂鐵的氧化還原響應(yīng)行為是通過水溶性的氧化試劑(NH4)Ce(NO3)6和還原試劑(NaHSO3)來進(jìn)行的。二茂鐵的氧化造成的極性改變和膠束的膨脹增大了流體動(dòng)力學(xué)直徑，而葡萄糖與苯硼酸上氫氧根的結(jié)合促使形成單聚體或更小的聚集體。1H NMR光譜，動(dòng)態(tài)光散射(DLS)和透射電子顯徼鏡(TEM)用以研究氧化還原控制的膠束行為。這種