共轭聚合物纳米粒子双光子荧光材料的构建及其对细胞内金属离子的识别研究

It is important to recognize and detect the trace metal ions in cell whether in practical applications or scientific research, because which play important roles in physiological and pathological processes such as functional modulations and catalyses of enzyme, and others. There are some disadvantages such as small two-photon action cross-sections (δ× φ), photobleaching and cell toxicity when small molecules were used to recognize metal ions. In order to solve these problems, we construted special conjugated polymer nanoparticles (CPNs) as the precursor because of the advantages including ultrabright fluorescence and photostability, cell permeability and non-toxicity. We hope to obtain water-soluble two-photon CPNs probes, at the same time, which possess large δ×φ（above 5 times that of small organic molecules ）and small particle size (<100 nm) and high identification for metal ions. In addition, the fluorescence will enlarge in the present of metal ions. On the basis of these investigations, we will explore some metal ions in cell by two-photon fluorescent microscope and survey the properties of probes including fluorescent response and specificity for metal ions, cell toxicity, photostability and so on. We want to built regulation mechanisms between different diameters and molecular structures of CPNs and the recognition for metal ions, which will facilitate the development and design of new CPNs as two-photon probes.

细胞内痕量金属离子在生物学过程中担任着细胞功能调节、酶催化等重要活动，对其进行识别和检测具有重要的现实和研究意义。针对双光子有机小分子荧光金属离子探针存在双光子活性吸收截面(δ× φ)小、光漂白、细胞毒性等问题。通过对具有良好发光能力和光稳定性以及较好的细胞透过性和无毒性的共轭聚合物纳米粒子（CPNs）结构的特殊构建，以期获得具有大的δ×φ（目前小分子的5倍以上）、小粒径（<100 nm）、对金属离子高效识别的荧光增强型的双光子CPNs探针材料。在对其发光性能研究的基础上，利用双光子荧光成像技术，有选择的对细胞内的金属离子进行探索，并综合评价其对金属离子的荧光响应性、专一性、细胞毒性、光稳定等问题，期望构建不同粒径和结构的CPNs探针对双光子性能及金属离子识别的调控规律，为新型CPNs双光子荧光探针的的开发、设计提供借鉴。

细胞内痕量金属离子在生物学过程中担任着细胞功能调节、酶催化等重要活动，其缺乏和过量会造成人体的伤害，因此对其进行识别和检测具有重要的现实和研究意义。.本项目在制备了10多种小分子荧光探针和10种左右的聚合物的基础上，研究了小分子探针对金属离子的识别作用，探讨了其选择性、敏感性及作用机理。同时把所合成的共轭聚合物制备成纳米粒子，研究了聚合物分子量、搅拌方式、共轭聚合物浓度、聚合物侧链柔性等对所制备纳米粒子的影响。进一步把共轭聚合物纳米粒子（CPNs）和小分子探针相结合，探讨了CPNs对探针及识别金属离子的光谱的影响。所得主要成果如下：.（1）所合成的小分子探针可以实现对金属离子Ca2+，Al3+，Cu2+，Fe3+，Hg2+的识别，其探针的选择性，敏感性，结合常数，作用机理等被探讨；.（2）Wittig-Honer反应相对Wittig反应能大大提高聚合物分子量。这是因为膦酯中的酯基空间位阻小，使得膦酸酯的柔性更强，更有利于聚合。另外发现增加反应物的柔性，也能在一定程度上提高其分子量；.（3）研究发现，采用超声办法，分子量必须达到一定程度，才能得到粒径较小且均匀，比较接近球型的纳米粒子，而侧链对 CPNs的形貌的影响较小；.（4）制备共轭聚合物纳米粒子时，采用适当的聚合物浓度是非常重要的，目前所制备的共轭聚合物溶液浓度为 20 ppm 左右时制备的纳米粒子的粒径较小，而且分布均匀规则，形貌上呈现明显的圆球颗粒状，粒径可以控制在30-40nm;.（5）适当浓度的CPNs可以有效提高小分子探针的量子产率和吸收截面，CPNs-探针体系的双光子吸收截面基本提高了5倍以上，能更有效的实现对细胞内外的金属离子的检测。.这些研究结果将对金属离子探针的设计，CPNs的制备，CPNs-探针对细胞内外金属离子的识别及相关研究提供借鉴。项目按照计划进行，完成了项目的研究内容，达到预定目标。本项目执行期间，研究结果主要以研究论文的形式报道，在国内外刊物上发表了10篇论文，申请发明专利10项，其中5项已授权。