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《南京邮电大学》 2017年
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含特异性打断链接的水溶性共轭聚合物的合成、表征及其生物应用

李杰  
【摘要】:水溶性共轭聚合物(WSCP)结合共轭聚合物的优良光电性质,同时也解决了生物相容性等问题,拓展了共轭聚合物高分子领域的应用范围,具有巨大的潜在应用前景。传统的WSCP探针不管是在溶解性方面还是在检测的选择性和灵敏度方面都有着诸多的局限性:离子型WSCP的靶向特异性差;中性WSCP由于修饰基团的引入大大增加了探针的选择性,但是这类的探针的后续修饰的合成过程繁琐,并且检测物很难对光谱性质产生影响。在其他检测领域,有一种特殊的化学键结构被用来连接两个不同的分子或者结构,但是与普通的化学键不同的是它们能够被特异性的打断——这就是打断式链接(cleavable linker)。在检测的过程中这些链段具有打断的特异性,因此也给探针带来了检测时的特异性识别作用。但是,具有可打断式链接的分子探针普遍存在一个问题,用到的荧光团均为小分子染料。小分子染料或多或少存在一些诸如光稳定性差,分子结构稳定性差易受生物环境影响,水溶性不好,膜渗透率高(进入细胞中的染料探针容易渗出),荧光量子效率低等缺点。因此,本论文提出了将共轭聚合物主链的优良光学特性与打断式链接的解离特异性相结合形成新型的水溶性聚合物探针。通过打断式链接的特异性解离来帮助共轭主链实现光学变化,同时识别各种解离条件,达到特异性检测成像的目的。论文主要分为以下四部分:(1)“Turn-off”型水溶共轭聚合物巯基物质探针本工作介绍了一种基于―turn-off‖效应的水溶性共轭聚合物探针用于生物巯基物质检测。该聚合物探针侧链用二硫键连接水溶性链段,聚乙二醇(PEG)以获得在水中良好的水溶性(34 mg/m L)以及高量子产率(0.47)。在生物微环境中,二硫键能够被巯基物质解离,之后PEG从聚合物上被分离了下来导致聚合物的水溶性降低以及荧光的淬灭。探针的荧光变化对于谷胱甘肽(GSH,1至200 n M)表现出良好的线性关系,计算后测得的探针对谷胱甘肽的检测限为16 n M。经过对不同生物分子的检测试验,我们的探针材料对巯基物质表现出良好的选择性。随后的细胞巯基物质检测实验中,该聚合物探针材料对Hela细胞中的巯基物质成像效果显著。(2)比率型水溶性掺杂共轭聚合物巯基物质探针本工作介绍了一种比率型的水溶性共轭聚合物,该聚合物侧链用二硫键连接聚乙二醇。该WSCP中掺杂聚合了低能系的1,4-二噻吩基苯并噻二唑(DBT),并用二硫键在共轭骨架的侧链连接修饰上PEG链断以实现聚合物大分子的水溶性(溶解度达到28 mg/m L)。当聚合物侧链中的二硫键被巯基物质特异性打断之后,侧链上的PEG链断也随之与主链分开而使整个WSCP的水溶性降低,导致共轭主链上的能量转移效率提高。该WSCP探针的荧光比率(I628/I420)从最低的0.095提高到了1.15,实现了最大12倍的增强。探针的检测限为2.56μg/m L(0.021 m M)。通过对不同的生物分子进行干扰测试中,我们的探针表现出良好的特异性和灵敏度。在之后的细胞试验中,通过对Hela细胞中巯基物质的检测成像,该WSCP探针同样也表现出很好的响应特性。(3)基于FRET的比率型水溶性共轭聚合物巯基物质探针该探针中二硫键的两端连接了蓝光的聚芴(PF)和红光的罗丹明(Tritc)形成荧光共振能量转移(FRET)对子。正常情况下,聚芴与罗丹明之间因存在能量传递作用而使聚芴的能量被罗丹明吸收,荧光处于抑制状态。当有巯基物质存在的情况下,聚芴与罗丹明之间的二硫键被打断导致两者的距离增加,降低了它们之间FRET的效率,使得聚芴的能量不能被罗丹明吸收,聚芴的荧光得到恢复,罗丹明的荧光由于无法吸收聚芴的能量,荧光强度降低。通过探针对巯基物质(谷胱甘肽)的检测响应测试,我们发现探针对其有很好的检测特性,检测限达到4.78μg/m L(GSH,15 n M)。同时通过干扰性测试,探针表现出良好的检测选择性。最后通过对MCF-7细胞的成像,我们的探针材料也能够很好的示踪细胞质中的巯基含量。实验结果充分说明了探针(PF-PEG-Tritc)在检测体外巯基物质方面有应用价值。(4)含偶氮苯侧链的“turn-on”型水溶性共轭聚合物在乏氧成像中的应用本工作主要介绍了一种侧链为偶氮苯基团的水溶性共轭聚合物,该偶氮苯基团能被乏氧条件下细胞内存在的偶氮还原酶打断。因此我们结合了共轭聚合物(聚芴)以及偶氮苯荧光淬灭剂开发出了适用于乏氧条件检测的共轭聚合物,形成“turn-on”型的乏氧示踪探针。在细胞处于常氧条件下,探针的荧光处于淬灭“turn-off”状态;当细胞处于乏氧条件下,该条件下激活的偶氮还原酶活性增强,能够将偶氮苯分解使其使其荧光吸收能力,此时探针的荧光会逐渐恢复,“turn-on”状态。因此,荧光点亮的程度直接反应出乏氧的程度以及部位。我们通过在细胞外利用偶氮还原酶模拟乏氧状态,发现探针有着良好的响应特性。经过稳定性测试之后,探针也表现出良好的检测特异性。在之后的细胞成像实验当中,我们针对不同氧气浓度下培养的Hela细胞对探针进行试验,探针也表现出对不同的氧气浓度有不同程度的荧光恢复特性。我们用Hela细胞以及MCF-7细胞在常氧和乏氧条件下对比成像试验。结果显示,探针在两组细胞处于常氧条件下都是荧光“turn-off”状态;探针在细胞处于乏氧条件下为荧光“turn-on”状态。
【学位授予单位】:南京邮电大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:O631

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