刺激響應性聚合物囊泡滲透性調(diào)控及新型熒光探針的設計應用.pdf

1、刺激響應聚合物有效融合了傳統(tǒng)高分子具有的可設計性、易于功能化及拓撲結構多樣性等優(yōu)勢及響應基元所具備的對外界刺激的特性感應能力，使其在基礎理論研究、智能材料及生命科學等領域快速發(fā)展并發(fā)揮著日益突出的重要作用。其中在聚合物的超分子自組裝領域，尤其是利用兩親性嵌段共聚物，已經(jīng)人工構筑出了多種多樣的納米結構組裝體，如球形膠束、棒狀膠束、納米囊泡、大復合囊泡以及反向膠束等。其中，由于兩親性嵌段聚合物的囊泡結構是與構成細胞框架細胞膜結構形態(tài)最為相仿

2、而被研究的最多。目前，聚合物囊泡由于其特殊的仿生結構已被廣泛應用于智能仿生材料、藥物傳輸載體、微反應器甚至人工細胞（器）構筑等各個領域。另一方面，熒光化學傳感器在檢測靈敏性、選擇性、快速響應和高的時空分辨率等方面具有獨特的優(yōu)點，近年來多種熒光探針手段也被開發(fā)并利用來高效檢測各種物理信號、化學分析物、生物活性分子以及細胞代謝過程等。本論文集前半部分主要研究了刺激響應性聚合物囊泡的組裝及組裝體微結構與性能的響應性調(diào)控。后半部分探討了利用聚集

3、誘導發(fā)光這一新興的熒光響應機制在設計新型熒光探針方面的應用。第一章簡要介紹了刺激響應聚合物在自組裝領域的近期發(fā)展與挑戰(zhàn)，以及熒光探針在生物傳感檢測領域的研究現(xiàn)狀與應用前景。第二章設計了一種光響應的兩親性嵌段共聚物，研究了其自組裝形成的納米囊泡結構在光照刺激作用下的囊泡雙層膜滲透性變化。第三章設計了一種光致變色的響應性聚合物及對應的聚合物囊泡，研究了波長選擇性的光照刺激下囊泡滲透性的可逆調(diào)節(jié)過程。第四章一種利用鉀離子與冠醚分子之間超分子識

4、別誘導的聚集發(fā)光而構筑的鉀離子熒光探針。第五章設計了一種酶促偶聯(lián)反應誘導的聚集發(fā)光體系，并探索了其在過氧化氫、葡萄糖以及抗體抗原等多底物分析領域的應用。具體來說，本論文的工作包括以下四個方面:
　　1.構筑同時具有共價交聯(lián)和可滲透性膜的囊泡依然面臨著巨大的挑戰(zhàn)。猜想設計這樣的理想囊泡材料應該需要一種獨特的化學交聯(lián)方式和交聯(lián)過程中發(fā)生大量的官能團的轉(zhuǎn)變。這里我們提出了一種通過光調(diào)節(jié)的“無痕”交聯(lián)的新方式來解決這一難題。簡單來說就是我

5、們設計了一種疏水嵌段帶有光不穩(wěn)定的氨基甲酸酯鍵包埋的伯氨基團的兩親性嵌段共聚物。這種刺激響應性的兩親性嵌段共聚物在水中自組裝成囊泡后，外界UV光照觸發(fā)側(cè)基斷鍵分解釋放伯氨，隨后發(fā)生囊泡微環(huán)境增強的酰胺化反應使囊泡交聯(lián)而不是像最初設想的那樣由囊泡分散成單鏈。最重要的是發(fā)生交聯(lián)反應的同時疏水雙層膜發(fā)生了由疏水到親水的轉(zhuǎn)變。我們進一步展示了光調(diào)控包埋在囊泡內(nèi)親水小分子和疏水小分子的同步釋放和光調(diào)控包酶的囊泡微反應器的生物催化活性。
　　

6、2.設計合成了一種新型的PEO-b-PSPA的兩親性嵌段聚合物，其中SPA是含有氨基甲酸酯的螺吡喃光致變色單體，研究發(fā)現(xiàn)該聚合物在水中可以自組裝成具有光致變色性質(zhì)的納米囊泡，并且可以可逆調(diào)控囊泡的滲透性。其中螺吡喃基元位于囊泡的雙層膜上，不同波長的光照刺激可以實現(xiàn)其在疏水的螺吡喃（SP,λ2＞450 nm光照）和兩性離子的部花箐(MC，λ1＜420 nm)的兩種狀態(tài)下的可逆互變。光致變色的兩種狀態(tài)下的囊泡（螺吡喃囊泡及部花箐囊泡）是通過

7、疏水相互作用、氫鍵相互作用以及π-π相互作用和緊密離子對相互作用的多重非共價相互作用協(xié)同得以穩(wěn)定的，后兩種相互作用對于部花箐囊泡是獨有的。此外，作為對照試驗，含有碳酸酯的螺吡喃單體(SPO)以及傳統(tǒng)的只含有一個酯基的甲基丙烯酸酯的螺吡喃單體(SPMA)及其相對應的兩親性嵌段聚合物也被設計合成了。研究結果表明，含有氨基甲酸酯鍵側(cè)基的PEO-b-PSPA的兩嵌段的聚合物囊泡體系中氫鍵相互作用對于穩(wěn)定兩性離子的部花箐囊泡的起到關鍵的作用。而且

8、光觸發(fā)的SP到MC囊泡的可逆轉(zhuǎn)變使得原來不具有滲透性的囊泡到對特定分子量以下的不帶電，帶正電荷以及兩性離子的小分子具有很好的選擇透過性（例如抗癌藥物2'-脫氧-5-氟尿嘧啶，氨基酸等）。更有趣的是，UV觸發(fā)的MC囊泡可提供兩種釋放模式，1）短時間光照后能夠持續(xù)釋放，主要是因為在這樣的囊泡體系中，MC-SP的轉(zhuǎn)換是一個非常慢的過程(在黑暗條件下t1/2＞20 h);2）在可見光/紫外光的交替光照下能夠?qū)崿F(xiàn)程序化的按需的可控釋放。也研究了在

9、HeLa細胞中光觸發(fā)時空可控的釋放帶正電荷的細胞核染料4'，6-二脒基-2-苯基吲哚。光觸發(fā)的SP-MC的可逆轉(zhuǎn)變也可輕松實現(xiàn)對于半胱氨酸功能化的Au納米顆粒在SP/MC囊泡邊緣的聚集與釋放。為了進一步驗證光可逆調(diào)節(jié)的膜的滲透性得普適性，可控的輸送膜外的氨基酸和質(zhì)子到包覆有熒光物質(zhì)的PEO-b-PSPA的微米反應器，進而發(fā)生反應誘導的熒光增強的實驗也成功實現(xiàn)。
　　3.在本工作中，我們有效融合了聚集誘導發(fā)射(AIE)和鉀離子(K+

10、)與冠醚的之間特有的超分子識別作用，發(fā)展了一種新穎的更為有效的熒光增強型K+探針。我們設計合成了四個巰基官能化的TPE-(SH)4分子與馬來酰亞胺官能化的苯并-15-冠-5(B15C5)，并通過這兩種前提分子間的高效硫醇-烯烴加成反應(Micheal addition)，合成了一種新型的冠醚功能化的四苯乙烯TPE-(B15C5)4分子。該分子的特征為TPE內(nèi)核具有AIE活性，外部的四個B15C5基團具有超分子識別K+的功能團。所以，當T

11、PE-(B15C5)4單分子溶解在溶劑（四氫呋喃THF）時整個分子幾乎無熒光發(fā)射。當加入K+時，由于K+與B15C5基元之間固有的超分子識別特性而迅速形成K+/B15C5(1/2摩爾比)夾心形式的分子識別復合物，從而誘導TPE-(B15C5)4發(fā)生分子間聚集。該過程正好滿足了AIE特性并伴有強的熒光發(fā)射，而熒光發(fā)射的強弱是與所存在的K+濃度正相關的。因此，所設計合成的TPE-(B15C5)4分子可以作為一種新穎的高靈敏性和選擇性熒光增強

12、型K+探針。
　　4.在本工作中我們提出一種新的設計方法，將底物選擇性的生物活性酶的催化反應與聚集誘導熒光（AIE）有效的結合起來。為此，我們設計合成了結構明確的四個酪氨酸分子功能化的四苯基乙烯分子(TPE-Tyr)，其特點在于分子內(nèi)核是具有顯著AIE活性的潛在熒光基團(TPE)，而分子外圍共價鍵合的四個酪氨酸基元（Tyr）本身是很好的辣根過氧化物酶（HRP）的還原底物。這種新型的傳感探針分子TPE-Tyr在水溶液中可以自由溶解，

13、整個體系幾乎沒有熒光發(fā)射;但向體系中加入HRP酶和氧化底物（過氧化氫）后，由于TPE-Tyr分子中酪氨酸部分迅速的發(fā)生了酶催化偶聯(lián)反應而導致分子間交聯(lián)快速產(chǎn)生。而這一酶催化交聯(lián)過程直接激活了探針的AIE活性，使得體系的熒光快速增強，且體系熒光增強的幅度所存在過氧化氫量呈正相關，從而提供了一種新穎的高靈敏度和高選擇性的快速檢測策略。為了驗證這種酶催化檢測體系的優(yōu)越性，我們進一步將其成功應用于葡萄糖的高效檢測中。更有意義的是，這一檢測平臺還