水溶性聚噻吩的合成及其在纳米孔传感器中的应用基础研究

Conjugated polyelectrolytes(CPEs) have wide applications in biosensing due to their signal amplification effect and good biocompatibility. Among them, polythiophene derivatives with chain conformations sensitive to external stimuli have been demonstrated to be probes for rapid detection and clinic diagnosis because of the ease of synthesis and functionalization. Hitherto, most CPE-based sensors are established for single analyte detection and it remains a challenge to construct sensors for multianalyte detection. In this project, a series of water-soluble polythiophene derivatives will be designed and synthesized to overcome the above problems and its sensing performance for toxic metal ions in water or food will be studied. Furthermore, a novel sensing system will be constructed on the basis of CPE combined with nanopore technology. The dynamic and two-dimensional signals outputted by nanopore sensors are expected to discriminate multianalyte. We believe the sensing technology developed in this system would be used for environmental monitoring and food safety detection. This research will provide a new approach for the multianalyte detection.

共轭聚电解质因其独特的光学倍增响应性和良好的生物相容性而被广泛应用于生物传感领域。其中聚噻吩类衍生物由于合成简单，构象敏感等特点，在快速检测，疾病诊断等方面有着重要的应用前景。然而，目前基于共轭聚电解质所检测的底物主要以单一组分为主，对复杂体系中多组分的同时检出问题尚未突破，这也是传感领域中存在的主要挑战之一。本项目将针对上述问题，以食品与环境中存在的有害离子为模型底物，设计合成系列新型水溶性聚噻吩并以之为穿越分子，研究其通过纳米孔的基本机制并总结相关规律，通过对聚噻吩结合底物前后产生的信号差异进行分析，构建传感体系，并对体系中的各项参数进行优化，建立一种以共轭聚电解质与纳米孔技术相结合的新型检测方法，以纳米孔提供的动态二维信号为基础初步探索多底物的同时检出。该项目的确立与完成不仅为建立多底物分析方法提供新的途径，而且也可以为环境监测和食品安全检测提供技术支撑。

聚噻吩类共轭聚电解质具有合成简单，构象敏感等特点，在快速检测，疾病诊断等方面有着广阔的应用前景。然而单一的信号输出极大地限制了其应用，纳米孔的动态二维信号为解决这一问题提供了一种可能。不仅如此，共轭聚电解质与纳米孔技术的结合可以有效地解决纳米孔穿越分子的单一性问题，从而使得研究者可以根据待测物的需要来设计探针结构，丰富了纳米孔技术的研究策略。同时也为多底物分析打下基础。. 本项目在实施期间，针对上述问题开展了以下工作：运用有机化学手段，成功设计并合成了系列水溶性聚噻吩并利用各种物理化学手段对探针及其中间体进行了结构表征；系统研究了系列水溶性聚噻吩的溶解性能，光谱性质，传感性能及与底物相互作用情况；研究了水溶性聚噻吩在溶血毒素蛋白纳米孔中的穿越行为，底物作用及相关应用。. 取得的重要成果包括：系统考察了不同类型聚噻吩在纳米孔中的穿越行为，成功获取了阴离子型聚噻吩PMTEMA在纳米孔体系中的穿越信号并进行了一定的分析和归属，实现了共轭聚合物和纳米孔两个领域的结合。将PMTEMA/纳米孔传感体系用于区分聚噻吩不同的聚集状态以及精蛋白的检测，为研究高分子在溶液中的构象与分散状态以及生物大分子构象变化提供了一种新的思路和解决方案；首次提出了分子链构象控制的pH致变色机制，这一概念是对现有pH致变色机制的完善和补充；利用点击化学来调控共轭聚电解质的构象并将其发展成重金属离子Cu(II)的高灵敏度，高特异性的可视化检测方法；利用诱导聚集机制，首次建立了联吡啶类农药，百草枯和敌草快的比色荧光双重检测法，该方法以纯水溶液作为检测介质，不使用有机试剂，具有优异的选择性和灵敏度，响应迅速，其最低检测限可达1 nM，可视化检测限为10uM。. 在本项目的资助下，申请人共发表SCI研究论文7篇，参加国内/国际学术会议7次。其中一些工作发表在Anal. Chem., ACS Appl. Mater. Interfaces， Analyst，Org. Biomol. Chem. 等杂志上。