磷光共轭聚电解质的设计、合成及在生物传感、成像与光动力学治疗的应用

Considering the long emission lifetime of phosphorescent heavy-metal complexes (PHMCs) and the amplified signal output of conjugated polyelectrolytes (CPEs), it is quite interesting to graft PHMCs (as energy guest) into the CPEs (as energy host) to yield phosphorescent conjugated polyelectrolytes (PCPEs). In this proposal, we plan to design and synthesize a novel kind of sensing materials based on conjugated polyelectrolytes containing phosphorescent iridium (III) complexes, and to realize their applications in biosensing, bioimaging and photodynamic therapy. First, poly(ethylene glycol) (PEG) is grafted to the polymers to enhance their water-solubilities. Secondly, some special receptors of biomacromolecules, such as protein, are introduced into the monomers to achieve biosensing with high selectivity and competivity. Taking advantage of the long emission lifetime of PCPEs, time-resolved photoluminescent technique is applied in the sensing to eliminate the interferences from the background autofluorescence and enhance the signal-to-niose ratio and sensitivity, especially in the complicated media. Furthermore, the targeting ligands of tumor cells are grafted to polymer side chains to obtain PCPEs that can target tumor cells specifically and distinguish the tumor cells from normal cells. PCPEs can also be used as photosensitizers in the photodynamic therapy.

本项目结合重金属磷光配合物长发射寿命的特点与共轭聚电解质的信号放大效应，拟设计、合成含铱配合物的磷光共轭聚电解质探针材料并实现其在生物传感、癌细胞靶向与光动力学治疗的应用。首先，我们将亲水性的基团引入到共轭聚合物的侧链来改善材料的水溶性，为其后续检测和成像奠定基础。通过改变聚合物中磷光铱配合物的含量，研究不同条件下聚合物主体到铱配合物客体的能量传递，为实现比率法的检测提供依据。其次，我们将特异性识别基团引入聚合单体中，实现高选择性的生物传感，利用磷光共轭聚电解质长发射寿命的优势，我们引入时间分辨技术扣除背景自发荧光信号的干扰，提高检测的信噪比和灵敏度。进一步将癌细胞靶向配体连接到共轭聚合物链上，实现共轭聚电解质对癌细胞的靶向标记。磷光共轭聚电解质作为光敏剂产生活性氧杀死癌细胞，实现光动力学治疗。

共轭聚合物（CPs）是一类具有刚性π共轭骨架的聚合物材料。由于其具备“分子导线”的性质，即电子或能量在共轭主链上快速迁移，在传感中呈现出信号放大的效应，从而提高检测的灵敏度。磷光重金属配合物（PHMCs）具有量子效率高、发射寿命长、发光波长可调、大的Stokes位移，以及可见光激发和光稳定性等特点，使其在化学、生物传感及生物成像领域引起广泛的关注。尤其是其长的发射寿命，人们可以使用时间分辨技术和荧光寿命成像技术来消除自荧光干扰，以此来提高检测和成像的灵敏度。本项目结合CPs和PHMCs的优势，将磷光铱配合物（作为能量受体）引入CPs（作为能量给体）链中，得到一类性能优异的含磷光铱配合物的共轭聚合物材料，详细研究了其光物理性能及其在生物传感与细胞成像中的应用。.我们通过Suzuki和Sonogashira偶联反应，设计并合成了两类含铱配合物的CPs，它们由磷光铱配合物和荧光芴或芴炔单元组成。能量可以从聚合物主链向铱配合物客体传递。两亲性的结构使得这些聚合物可以自组装形成磷光纳米粒子，HR-TEM可以观察到这些粒子具有超小的尺寸（6±2 nm）。通过从激发态的磷光Pdots到基态的分子氧（三线态）的能量传递，这类磷光Pdots可用于氧传感。在能量转移的过程中产生的单线态氧（1O2），可以导致癌细胞凋亡，从而实现细胞水平的肿瘤光动力学治疗。这一项目首次实现了单组分磷光共轭聚合物用于肿瘤光动力学治疗，为后期设计具有生物传感，生物成像以及生物治疗应用价值的多功能聚合物纳米探针提供指导与借鉴。进一步，我们探索了这类材料在双光子吸收特性及其双光子成像方面的应用，为后期活体实验提供了保障。