基于共轭聚合物的复合荧光纳米探针的设计、构建及其应用研究

本项目组将结合申请者在荧光纳米材料的设计、构建及其生物应用的研究经历，通过优化有机小分子功能组份来调控聚芴-苯撑-乙烯撑(PFPV)、聚芴-苯并噻二唑(PFBT)衍生物等共轭聚合物内的光物理过程，进而构筑在特定光物理性能上得到"裁剪"或"修补"的、能满足特定生物分析需要的复合荧光纳米探针和传感器。通过抑制共轭聚合物内的光生空穴极化子和清除三重激发态组份来提高探针的光稳定性和荧光效率；通过诱导从共轭聚合物向小分子刺激-响应组份的应激式放大化能量转移过程来构筑高响应灵敏度的复合荧光纳米传感器；通过将福斯特能量转移过程、激发态分子内质子转移过程和空间限域效应三重因素集成于单一纳米结构单元中，诱导荧光纳米探针中的放大自发射效应；通过对螺吡喃和螺噁嗪光开关化合物的分子结构裁剪和纳米尺度微环境的调控来优化光可开关荧光纳米探针的开关时间常数，在确保荧光成像空间分辨率的情况下进一步提高成像的时间分辨率。

我们依据研究计划，在基于共轭聚合物的荧光探针和传感器的设计构建及其应用方面开展一系列探索性研究，并取得了一系列原创性研究成果。（1）通过优化有机小分子功能组份来调控共轭聚合物内的光物理过程，优化了共轭聚合物纳米探针的抗光漂白能力等特性。（2） 设计合成了具有光稳定性、生物兼容性、增强的磷光寿命动力学范围、可以“自载入”方式进入细胞并对细胞内氧气浓度在0-20%范围内进行精确传感的聚合物纳米探针。（3）设计和构建了具有远红荧光发射特性、能用于对活细胞内铝离子浓度进行传感的共轭聚合物荧光纳米探针。（4）设计构建了基于荧光共轭聚合物的复合荧光纳米探针用于银离子的探测，提出并证实了有别于业已报道的、以协同识别为机制的荧光响应机制。（5）设计合成了基于单发色团的、能够选择性地显示出银离子诱导的荧光增强和汞离子诱导的荧光淬灭效应，因而能够以双通道模式同时探测银离子和汞离子的新型荧光探针。（6）设计构建了基于聚芴-聚噻吩共聚物的pH荧光探针，这类探针能分散在水溶液环境中、其荧光发射特征能对环境pH在4.8到13范围类的变化做出灵敏的响应。（7）设计构建了基于共轭聚合物的、可用近红外光通过双光子吸收过程激发、发射近红外荧光的“近红外光输入-近红外光输出”复合荧光探针；其荧光成像穿透深度可高达1.2毫米、对深置目标及一定厚度的生物样品进行成像具有实用意义。（8）设计合成了一类红细胞膜包覆的、可用近红外光触发的光动力学治疗(PDT)纳米载体；归因于其良好的生物兼容性及隐身能力、优越的氧气通透性及对活性单重态氧的递送能力、可进行程序化递送等特性，这种材料展现出了对小白鼠肿瘤极为有效的光动力学治疗效果，该成果对于肿瘤的光动力学治疗具有重要意义。（9）设计合成了一种基于单发色团的、能够对活细胞内的硫醇类衍生物和氧化还原状态进行时序化探测的双功能荧光探针；验证了其在活细胞内对硫醇和氧化还原状态进行时序化探测的能力。其对半胱氨酸(Cys) 的检测限能够达到0.52微摩。（10）设计合成了一类不具有典型“给体-受体”分子结构特征、但展现出典型溶致变色荧光发射特征的蒽醌类衍生物；确认了其在受光激发后分子内的电荷分离特征，揭示了分子内电荷转移激发态分子受溶剂偶极矩驰豫的影响而表现出溶致变色发射特征。