水溶性聚噻吩材料的合成及其生物传感性能的研究

基于光学信号输出的共轭聚合物生物传感器在基因检测、临床诊断及食品安全等领域具有广阔的应用前景。这类传感器件的工作原理主要是测量由聚合物链与生物分子间的静电相互作用引起的光学变化。然而，在具有较高离子强度的复杂生物体系中，离子的静电屏蔽极大地削弱了静电相互作用，从而大大降低了传感器的灵敏度，限制了其实际应用。本项目将设计合成系列新型水溶性聚噻吩材料，系统研究在较高离子强度下除静电相互作用以外的疏水、pi-pi及氢键等协同相互作用对传感性能及传感机制的影响。构建新的传感体系及传感阵列，结合生物小分子预修饰和线性判别分析技术实现在复杂生物体系中对生物小分子（氨基酸、寡肽及单糖）的快速、高选择性、高灵敏度检测，并对结构相似生物小分子（氨基酸类、单糖类）实现有效区分。该项目的确立与完成将建立数种具有实用价值与自主知识产权的生物小分子传感技术，为疾病诊断和食品安全监测提供技术支撑。

水溶性、立构规整型聚噻吩是一类构象敏感的共轭聚电解质，在化学与生物传感中具有重要的应用前景。本项目设计、合成了六种水溶性聚噻吩衍生物，系统地研究了其与生物小分子、表面活性剂分子在水溶液中通过非共价相互作用自组装与解组装过程。研究了生物小分子结构、预修饰反应、水溶性聚噻吩结构对组装与解组装过程的影响。结果表明，水溶性聚噻吩侧链间的排斥与共轭主链间的吸引作用相互竞争，主导其在水溶液中的组装与解组装过程。具有较大芳香环结构的阴离子能有效诱导阳离子型水溶性聚噻吩在水溶液中自组装生成聚噻吩超分子聚集体；而表面活性剂分子可通过静电和疏水相互作用诱导聚噻吩超分子聚集体解组装。在组装和解组装过程中，聚噻吩主链构象和聚集态发生变化，导致溶液颜色发生显著变化，同时伴有聚噻吩的荧光淬灭或回复，从而实现以水溶性聚噻吩为探针对生物小分子、表面活性剂分子的比色及荧光法检测。此外，诱导聚集过程中离子基团的选择性可通过软硬酸碱理论定性解释。构建聚噻吩波长传感阵列，结合生物小分子预修饰和线性判别分析技术实现了对结构相似氨基酸分子的有效区分。上述研究结果对理解共轭聚电解质的自组装过程具有重要指导意义，为快速、高选择性、高灵敏度检测生物小分子提供了一种新的方法。