荧光共轭聚电解质的制备及其在生化传感领域的应用

【摘要】：荧光共轭聚电解质(Conjugated polyelectrolytes, CPEs)是指带有离子化侧链的一类水溶性荧光共轭聚合物。它们一方面传承了共轭聚合物的独特π-π*共轭电子结构、分子导线效应和显著的信号放大作用,同时又具有聚电解质的良好水溶性以及较强的静电行为,因而在高灵敏的生化传感器领域具有十分重要的优势与应用潜力。截至目前,荧光共轭聚电解质已经被广泛地应用于各种生物分子(包括糖类、蛋白质、酶类以及核酸等)的高灵敏检测。本研究工作主要集中在新型荧光共轭聚电解质的制备及其在酶活性分析方面的应用,具体内容包括： 1)基于一条简便的合成路线制备了一种带有磺酸基团的PPE类荧光共轭聚电解质(PPESO3),并成功将该路线拓展应用于一种新型羧基PPE (PPE-OBS)的制备。在此基础上,进一步引入聚酰胺-胺(PAMAM)类树枝状聚合物的合成策略,创造性地发展了一种多羧基荧光共轭聚电解质(PPE-(COOK)4). 2)重点研究了PPE-OBS与PPE-(COOK)4的基本性质。其中,PPE-OBS由于水溶性较差,从而导致其荧光量子产率较低,并且不稳定。但加入适量的表面活性剂(如CTAB、PVP)后,则PPE-OBS的量子产率及稳定性均可以得到大幅度提高。相比较而言,PPE-(COOK)4则具有良好的水溶性、稳定的荧光发射以及较高的量子产率等优点。这主要是由于较高密度的离子化侧链不但具有显著的增溶作用,并且还可以增强分子间的静电排斥,从而阻止PPE-(COOK)4在水溶液中的聚集。 3)基于PPESO3的聚集与解聚集(荧光猝灭/恢复)现象发展了一种无标记、超灵敏的蛋白酶检测方法。该方法以阳离子小肽诱导PPESO3发生聚集作用(荧光猝灭)为起点,一旦该小肽被蛋白酶催化水解,则体系的荧光恢复,因而不需要任何标记探针即可以实现不同蛋白酶的灵敏检测。研究发现,五聚精氨酸(Arg5)不但可以有效猝灭PPESO3的荧光,而且经过任一酶切即可以大幅降低甚至完全丧失诱导PPESO3发生聚集的能力。这使得所发展的胰蛋白酶检测体系具有超高的灵敏度,检出限为0.25 ng/mL(11 pM),比目前的绝大多数方法都低1～2个数量级以上。另外,HPLC与MS表征均证实,当寡聚精氨酸的长度低于一个“阈值”时(Arg4),胰蛋白酶对它的酶解速度将大幅降低。利用这一现象,并仔细设计酶切位点与肽链长度,进一步发展了一种糜蛋白酶的检测方法,不但具有超高的灵敏度(检出限0.15 ng/mL,～6pM),而且还表现出了出色的选择性。 4)基于PPE-(COOK)4/Cu2+猝灭体系的荧光恢复现象发展了一种谷胱甘肽还原酶(GR)的活性分析方法。研究结果表明,PPE-(COOK)4在PBS缓冲溶液(10mM,pH 7.4)中,不仅对于Cu2+具有高灵敏的响应(KSV=4.8×106M-1),而且还表现出了极佳的选择性,因而是一种非常优秀的铜离子荧光探针。进一步利用还原型谷胱甘肽(GSH)与氧化性谷胱甘肽(GSSG)在恢复PPE(COOK)4/Cu2+荧光方面的显著差异,成功发展了一种谷胱甘肽还原酶(GR)的检测方法,检测下限为0.2 mU/mL,远远低于目前通用的分光光度法。此外,该方法还具有良好的选择性,并且检测结果与NADPH的浓度变化无关,因而准确、可靠,适用于GR的活性监测以及GR抑制类药物的筛选等研究。