功能聚联乙炔组装体的构建及其在检测方面的应用

发布时间：2018-03-12 06:32

  本文选题：共轭聚合物　切入点：聚联乙炔　出处：《西北农林科技大学》2017年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：作为一类独特的共轭聚合物,聚联乙炔具有在外界刺激下产生由蓝到红的颜色变化,并伴随无荧光到有荧光发射的性质。这种特殊的光学性能使其在生物和化学传感器领域具有广泛的应用前景。目前,基于聚联乙炔的比色和荧光传感器已成功实现了对病毒、细菌、蛋白质、金属离子、有机溶剂等多种生物和化学分析物的识别检测。随着时代的进步,在社会发展的各个领域,越来越多不同种类的分析检测对象层出不穷,这对聚联乙炔型传感器提出了更大的挑战,同时也提供了更多的发挥空间。因此,进一步发挥聚联乙炔材料优异的传感性能,构建更加灵敏高效的聚联乙炔识别体系,扩展其检测对象和应用范围是该领域发展的必然趋势。本论文以新型聚联乙炔传感器的构建为出发点,选取生物和化学中一些重要的分析物为检测对象,通过对二乙炔单体合理的设计和合成,成功地构建了几类基于聚联乙炔功能性组装体的传感体系,在实现对这些分析物识别检测的同时,通过对聚联乙炔检测体系和机理进行改进和创新,克服聚联乙炔传感器自身的一些局限,从而提高聚联乙炔传感体系的灵敏度和稳定性。所取得的主要研究结果如下:1.构建了功能化聚联乙炔脂质体传感体系,通过酶引发分子内自降解反应的方式实现了对β-葡萄糖醛酸酶(β-GUS)简单、快速和实时的分析检测。在该研究中,首先设计合成了一个新的二乙炔单体PCDA-GlcA,该单体包含一个β-D-葡萄糖苷酸基元作为亲水端基,将其通过一个能发生分子内自降解消除反应的4-羟基-3-硝基苄醇化合物与氨基化的二乙炔单体相连。利用该单体和10,12-二十五烷二炔酸(PCDA)以摩尔比率为3:7制备的聚联乙炔脂质体能够灵敏地实现对β-GUS活性的实时可视化分析检测。机理研究表明,该体系对β-GUS的识别机理是酶特异性水解β-D-葡萄糖苷酸基元所引发分子内的自降解反应和随后的一系列分子间的相互作用导致了聚联乙炔共轭骨架构象的变化,而产生光学信号的响应。最后,为了验证其实际的应用价值,所构建的检测体系成功用于对酶抑制剂的抑制效率测定,测定结果与文献报道具有较好的一致性。2.构建了包裹有聚联乙炔脂质体的凝胶微球传感体系用于对铅离子(Pb~(2+))更加灵敏和非侵扰性的检测。在该研究中,首先设计合成了一个多巴胺改性的聚联乙炔脂质体PCDA-DA,利用该单体和PCDA以摩尔比率为1:9制备的聚联乙炔脂质体传感体系不仅能够实现对水中Pb~(2+)比色和荧光的检测,并且具有非常好选择性。检测机理实验表明,其对Pb~(2+)的识别机理可能是多巴胺基团和羧基基团对Pb~(2+)强的络合作用而引起聚联乙炔产生光学响应。为了克服聚联乙炔脂质体传感体系的局限(如稳定性差、灵敏度低),我们进而结合微流控芯片液滴技术,将聚联乙炔脂质体溶液与海藻酸钠水溶液混合制备成液滴,利用海藻酸钠遇钙离子形成凝胶的原理,将混合液滴进行固化,从而构建了包裹聚联乙炔脂质体的海藻酸盐凝胶微球。首次利用该聚联乙炔脂质体的固定化凝胶微球传感体系,在提高稳定性的基础上,实现了对Pb~(2+)更加灵敏的检测,可视化检测限可达200 ppb,并且凝胶微球在检测完成后能够从样品中移除,实现一种非侵扰性的检测。3.构建了一类新型的具有荧光信号自放大效应增强的聚联乙炔脂质体传感体系,并将其用于灵敏和选择性检测阳离子表面活性剂(CS)。在该研究中,设计合成了一类链端带有萘酐衍生物荧光基团的二乙炔单体,将该类单体与PCDA经共组装制备了二乙炔脂质体结构,在该脂质体未聚合之前,表现出源自于萘酐衍生物荧光团强烈的绿色荧光,通过光引发二乙炔脂质体聚合,该荧光基团的荧光可发生猝灭,而聚联乙炔的热致变色又可使其荧光恢复,从而实现了聚联乙炔传感体系荧光信号自放大效应的增强。对该现象的详细机理研究表明,引起荧光基团荧光猝灭的原因是受激发的荧光团向形成的共轭骨架之间的能量转移过程,荧光恢复则是由于热致变色引起了脂质体形态的变化,导致了荧光团与共轭骨架之间的距离增大,减弱了它们之间能量转移过程。进一步的研究发现,CS也能够引起该体系发生荧光恢复,并伴随独特的颜色变化,通过对其吸收和荧光变化的量化分析研究发现,所构建的新的聚联乙炔脂质体传感体系,能够实现对CS更加灵敏和选择性的检测,检测的灵敏度相比与传统的利用聚联乙炔红相荧光性质进行检测的灵敏度高出一个数量级。4.构建了苯硼酸和萘酐衍生物功能化的聚联乙炔脂质体传感器,研究了其光学性质,初步探索了其对细胞表面聚糖的标记和成像。在该研究中,分别合成了对羟基苯硼酸改性的二乙炔单体PCDA-pBA和萘酐衍生物取代的二乙炔单体PCDA-Nap,制备了系列两种单体不同摩尔率的二乙炔脂质体分散液。光聚合实验发现,单体PCDA-Nap在总的二乙炔单体中所占摩尔比率不超过10%时,萘酐衍生物荧光基团的荧光能够有效地被形成的聚联乙炔共轭骨架猝灭。热致变色研究发现,以苯硼酸功能化的单体PCDA-pBA制备的脂质体溶液具有温度可逆响应性质,而随着单体PCDA-Nap的引入,所得脂质体体系逐渐丧失了热可逆性。本研究还利用苯硼酸与唾液酸能够形成稳定硼酸酯结构的特点,构建了基于单体PCDA-pBA、PCDA-Nap和氨基化改性的二乙炔单体PCDA-EA的复合聚联乙炔脂质体,初步实现了对细胞表面含唾液酸残基的聚糖的标记和成像。综上所述,本研究通过对二乙炔单体的设计和合成,以及对检测体系的优化和改进,成功地构建了几类功能化的聚联乙炔组装体,实现了对几种生物和化学分析对象的灵敏和选择性的检测。该研究为聚联乙炔材料在传感器领域中的应用提供了研究基础和指导,同时也为构建更加灵敏和高效的聚联乙炔型传感器提供了新的方法和思路。
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【学位授予单位】：西北农林科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：O632.17
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本文编号：1600345