基于生物应用的汞离子荧光探针的设计制备及检测性能研究

It's of vital importance to develop fluorescent probe for sensitive and selective detection of mercuric ion (Hg2+) in biological systems because of its physiological toxicity concern. This project is an attempt to design and synthesis a series of porphyrin-thiourea (PT) moieties as reaction-based Hg2+ fluorescent probes. Copolymerized these PT moieties with methoxy polyethylene glycol and N-isopropylacrylamide could obtain a series of well-defined thermosensitive double hydrophilic block copolymers. With improved water solubility and biocompatibility compared with PT moieties, these copolymer fluorescent probes are well-suited for in vivo Hg2+ analysis. Moreover, the distribution of PT moieties in polymer chains could be tuned and the sensing properties could be further improved due to the thermosensitive property of the polymer matrix. It is expected to understand the effects of molecular structure of PT moieties, the composition of copolymers and its temperature-responsive self-assembly behaviors on the photophysical properties as well as the Hg2+ recognition capabilities of these copolymers. Furthermore, detection of Hg2+ concentration and imaging in cells and in tissues could be achieved via confocal laser scanning microscopy. This will be helpful for understanding the cell biological processes of mercury poisoning and mercury poisoning-related physiological and pathological processes, providing useful information for detection of other metal ions in vivo, and enriching the connotation of polymer science, medicine and life science.

汞是一种具有严重生理毒性的重金属，研究适用于生物体内汞离子选择性灵敏检测的荧光探针意义重大。本课题拟设计合成系列卟啉-硫脲(PT)衍生物，将其作为反应型汞离子荧光探针与聚乙二醇单甲醚和N-异丙基丙烯酰胺共聚合制备温敏双亲水性嵌段聚合物。在改善PT小分子的水溶性与生物相容性的基础上，构筑适用于生物体内汞离子检测的聚合物体系；利用聚合物载体的温度响应自组装行为，调节PT在载体中的分布,实现检测性能的调控与优化。系统阐明PT分子的化学结构、聚合物的组成及温度响应自组装行为对聚合物探针的光物理性能、汞离子识别性能的影响规律；进一步结合激光共聚焦技术，实现细胞及组织内汞离子的检测与荧光成像；将为深入理解汞中毒的细胞生物学过程及生物体内汞中毒引发的有关生理、病理过程提供有益启示，同时为体内其它金属离子的检测提供新思路与新途径，丰富功能高分子材料科学、医学和生命科学的研究内涵。

重金属污染是当今世界面临的几大难题之一，其中危害最严重的当属汞离子。汞是一种具有严重生理毒性的重金属，能对人体与环境产生巨大危害。研究适用于生物体内汞离子选择性灵敏检测的荧光探针意义重大。其中，基于探针分子与汞离子之间特定、专一化学反应原理构建的反应型汞离子荧光探针引起研究者的广泛关注。然而，目前报道的反应型汞离子荧光探针虽然具有较高的灵敏度与选择性，但在实际应用中、尤其是在生物成像和检测中仍然面临着很多问题，诸如水溶性差、发射波长较短(<500 nm)、荧光猝灭等。针对以上问题，本课题设计合成了系列卟啉–硫脲(PT)衍生物，将其作为反应型汞离子检测基元与聚乙二醇单甲醚和N-异丙基丙烯酰胺共聚合制备温敏双亲水性嵌段聚合物。在改善PT小分子的水溶性与生物相容性的基础上，构筑适用于生物体内汞离子检测的聚合物体系；并利用聚合物载体的温敏特性，实现检测性能的优化与调控。实验结果表明，所获得的探针分子对汞离子呈现出明显的比率型荧光响应，在环境温度高于其LCST时，聚合物逐渐发生自组装行为，PT在形成的疏水核中富集，荧光发射强度增加了约2.1 倍，提高了检测灵敏度。该探针在其他金属共存时也表现出良好的选择性。为了明确汞促硫脲分子胍化成环的机理及过程，采用核磁共振氢谱、核磁共振碳谱、红外光谱、高分辨质谱对比水溶性小分子卟啉-硫脲探针分子与汞离子作用前后的谱图变化。最后结合激光共聚焦技术与活体动物成像仪，实现了细胞及裸鼠体内汞离子的检测与荧光成像。本课题为体内其它金属离子的检测提供了新思路与新途径，丰富了生物荧光探针的研究内涵。