基于轮烷旋转模型构建粘度响应型荧光传感器

The changes of intracellular viscosity usually induce the disease or dysfunction. Fluorescent viscosity sensors based on small molecules can visually monitor the changes of viscosity, therefore they display important applications in detection of diseases. Currently, a majority of viscosity sensors are molecular rotors involving in the rotation of covalent bonds, in which the viscosity will affect the rate of intramolecular rotation, thus affecting the change of fluorescence intensity. From this, it can be found that the rotation rate is very significant for sensitivity and detection range of sensors. However, studies on the rate of rotation are extremely limited. In this proposal, we will design and synthesize one type of novel viscosity-responsive fluorescence sensors via host-guest chemistry approach. In which, the mechanically non-covalent rotation of rotaxane molecules is employed as the model of operation. And we will investigate the structure-property relationship of the rotation rate, viscosity of solution and fluorescence intensity of system. According to these results, we will reveal the principle of operation and explore their application in biological cell. This proposal will promote the application of interlocked molecular machines in micro-system and provide a novel model and some examples for the design and application of novel sensors.

细胞粘度的变化通常会诱发机体疾病或机能失调。而基于小分子荧光传感器的粘度探针能够可视化的监控体系的粘度变化，在疾病检测方面具有重要的应用前景。目前，粘度传感器主要采用的是分子转子模型，即利用粘度调节分子内共价键的旋转速率，实现体系的荧光变化。由此可以发现旋转速率的大小对传感器自身的灵敏度和检测范围至关重要，然而目前已有的体系对分子内旋转速率的研究极为有限。因此本项目拟以轮烷分子内非共价的机械旋转为替代模型，通过主客体化学的途径，创制一类新型的具有荧光信号特征的粘度传感器，研究互锁分子内非共价的机械旋转运动速率与溶液粘度大小、体系荧光强度之间的构效关系，揭示其作用机制并探讨其在生物细胞内的应用。本研究工作的开展有望推动互锁分子的机器功能在微环境体系中的应用，为新型传感器的设计和应用提供新的模型和例证。

细胞粘度的变化通常会诱发机体疾病或机能失调。而基于小分子荧光传感器的粘度探针能够可视化的监控体系的粘度变化，在疾病检测方面具有重要的应用前景。目前，以共价键旋转的分子转子类粘度荧光传感器作用机制并不明确。为了阐明粘度荧光传感器的作用机制并探寻新的粘度荧光传感器作用体系，本项目以轮烷分子内非共价的机械旋转为模型，通过主客体化学途径，设计合成了一系列新型的粘度荧光传感器；利用核磁共振、质谱等研究了主客体分子的自组装过程；利用紫外-可见吸收光谱和荧光光谱研究了荧光传感器对粘度变化的响应性质；利用高斯激发态理论计算模拟了荧光传感器在不同粘度中的能级跃迁及轨道能量分布，并分析了主客体互锁分子内非共价的机械旋转运动速率与溶液粘度大小、体系荧光强度之间的关系。取得了如下进展：（1）拓展了动态亚胺共价化学应用范围，通过将功能化的官能团（例如：芘、蒽、四苯乙烯、二噻吩乙烯等荧光团或光开关等）引入到铵盐模板或亚胺构建模块（2,6-二醛基吡啶和四 (乙二醇) 双 (2-氨基苯基) 醚）中，构建了一系列功能化轮烷分子，发现轮烷分子相比于组装前的铵盐模板，其相应的光学性能均逐步得到提升；（2）将具有聚集诱导荧光发射特性的四苯乙烯类骨架引入到轮烷体系中，系统研究了轮烷分子中大环单元与铵盐模板上四苯乙烯单元之间的距离对轮烷分子聚集及粘度响应性质的影响，发现轮烷分子相比于铵盐模板均更早出现聚集态荧光，且粘度敏感性更强；（3）将荧光团芘和蒽引入到铵盐模板中，通过亚胺化学构建得到两类轮烷分子，研究发现蒽修饰后的轮烷分子体系相比其铵盐具有极强的粘度敏感性，而芘修饰的轮烷分子相比其铵盐粘度敏感性相差不大。