基于分子杂化的新型化学与生物传感纳米材料制备与构效关系研究

The nano-sized inorganic hybrid functional materials as probes and biosensor with high sensitivity and well selectivity, were prepared based on molecular design and "Click Chemistry" method by incorporating a receptor with high selectivity and a fluorophore with two-photon absorption or nonlinear optical properties and so forth into the inorganic polyhedral oligomeric silsesquioxane for improving the sensitivity in condensed state condition, in which the nano-meter POSS were uniform dispersed to inorganic hybrid probes and biosensor materials. Through changing the structure of the different components, to achieve effective structural architecture of hybrid materials, the control method of materials synthesis, influence factors and formation mechanism were investigated in detail. The probe performance and mechanism, in vitro and/or in vivo biosensor effect, and aggregation induced luminescence enhancement effect (AIE) were systematically investigated and evaluated by 4f phase coherent imaging technique, confocal laser system with femtosecond pulse, fluorescence microscope, UV-vis and fluorescence spectral techniques. By combining the theory of simulation and experiment, the influence of molecular structure on properties of probe and relationship between molecular composition, micro and macro molecular structure and their biosensor performance of hybrid materials were investigated in detail for the application and development in the field of environmental and biological materials.

通过分子设计,将具有荧光光学性能优异的双光子吸收和非线性光学等光敏基团，以及高选择性的探针识别基团，采用高效点击化学等方法，将他们分别组装到高热稳定并具有纳米大小的多面体笼状硅氧烷（POSS）无机材料中，有效克服凝聚态光学聚集效应，制备出灵敏度高、选择性好、不同结构与分子构筑的新型纳米无机杂化探针和生物传感功能材料；通过改变不同组分的结构，实现杂化分子结构的有效构筑，系统研究材料结构控制方法、影响因素与形成机理，采用4f相位相干成像和显微共聚焦、荧光显微以及荧光光谱仪等测试方法，研究材料的探针性能与机理、生物体内外材料的探针与传感效应，以及材料探针性能的聚集态增强机理，采用理论模拟和实验技术相结合,深入探讨杂化材料分子组成、微观与宏观结构与杂化材料分子探针与生物传感性能之间的关系与影响规律，为材料在环境与生物领域的应用与开发奠定基础。

项目提出了四种功能探针分子设计方法，主要包括：(a)提出协同增强效应和多通道检测的分子设计方法，设计出Cu2+、Al3+和Ca2+的多离子同时高灵敏高选择性检测的多功能荧光探针；(b)提出改变斯托克斯位移的方法， 设计出turn-on型高灵敏高选择性的Al3+ 、Zn2+的同时检测多功能探针。( C)提出了自屏蔽效应的分子设计方法，设计出Turn-On效应的Cu2+高灵敏高选择性的荧光探针 (d) 采用氢键诱导发光增强的分子设计方法，设计出体内与体外环境中高灵敏和高选择性Hg2+检测荧光探针。.在探针设计方法研究基础上，又主要设计制备了四种杂化分子的多功能探针，杂化探针材料主要基于POSS纳米分子平台，将生物可降解的聚乙二醇、探针基团或影像基团等，通过高效点击化学的反应方法，设计制备出多功能协同增强的新型纳米探针，研究了不同分子结构以及不同功能基团的配比，对结构与物化性能的影响，对探针在环境与生物中部分重金属离子的检测应用进行系统研究，发现杂化材料对环境中Hg2+、Al3+、Fe3+和Zn2+离子检测，具有很高的选择性和很高的灵敏性；同时发现该类探针具有很好的细胞渗透性，可实现细胞及活体动物中重金属离子迁移或代谢的影像跟踪；研究发现该类杂化生物探针分子，可清除细胞与动物器官中中毒的重金属离子，使受重金属污染伤害的细胞或动物器官呈现逐步恢复功能的现象。但探针的功效、作用机理和分子结构之间的构效关系还有待进一步研究，该项研究为进一步多功能诊疗一体化的探针材料设计与应用奠定基础。