含染料夹层的新型超分子囊泡的组装与分析应用

Many important technological innovation were inspired by biosystems. This project is aimed at developing a new concept of supramolecular optical sensors based on bioinspired construction of the sensory materials. Novel supramolecular vesicles with a chromogenic or fluorescent interlayer will be fabricated via biomimetic self-assembly. This type of vesicles are featured by high recognition/separation efficiency of bioactive membranes and advantageous reaction kinetics between the optical probes and the analytes, thus resulting in highly selective and sensitive optical responses toward target species. Three different modes of dye-interbedded vesicles will be constructed and applied to the visual chiral recognition of amino acids, spectral differentiation of bioactive homologues, and sensitive fluorescent detection of endogenous gaseous species, respectively. This is an innovative research in interdisciplinary fields. The integration of biomimetic function into chemical sensors will benefit not only the chemical understanding of the related biological processes but also the improvement of chemical sensing performance. A series of high-performance optical sensors, which are highly applicable to advanced bioanalytical demands, will consequently developed.

生物功能系统常常是启发人类科技创新的样板，本项目拟通过仿生结构设计对化学传感进行性能革新，发展一种全新的超分子光学传感模式。采用仿生自组装策略，制备含染料夹层的新型超分子囊泡，此类囊泡不仅保留了生物膜强大的识别与分离能力，还改进了染料与刺激物的反应动力学，从而实现对目标物的高选择性、快速、灵敏响应。在本项目中，我们拟发展三类染料嵌层超分子囊泡，分别应用于氨基酸的可视化手性识别、生理活性小分子同系物的光学分辨及生理内源性气体的高灵敏荧光检测。本项目通过多学科交叉、融合进行创新，在化学传感中“植入”仿生功能，一方面促进对相关生命分子事件的理解，另一方面带动化学传感的性能升级，并有望为一些疑难生化分析问题的解决提供特效、灵敏且高生物相容性的光学检测新方案。

生物功能系统常常是启发人类科技创新的样板，本项目通过仿生自组装发展了一类新型光学纳米探针，该类探针模拟生物囊泡产生识别与分离功能的膜结构基础，并在囊泡膜层中嵌入具有应激响应功能的染料夹层，建立了一种集分离和检测功能为一体的光学传感新模式。我们采用模块化组装策略制备了三类具有不同光学响应性能的染料嵌层囊泡，分别为：（1）含高反应活性生色团叠堆层的可视化应激响应囊泡；（2）含酰亚胺类荧光团叠堆层的高亮度、比率型荧光响应囊泡；（3）含携荧光团氢键网络夹层的多梯次应激荧光响应囊泡。从以下两个主要方向开展染料嵌层囊泡的生化分析应用研究：（1）利用囊泡膜层的识别与分离功能，解决生物活性小分子手性识别与同系物辨别的难题，实现含巯基氨基酸的可视化手性识别和不同脂肪酸的荧光光谱法分辨；（2）利用纳米囊泡的限域效应和染料聚集层的信号放大功能，解决浓度低、流动性强的生理内源性气态小分子的检测难题，实现一氧化氮、二氧化硫等气体信号分子的高灵敏、快速荧光检测以及生理内源性中性小分子自由基的原位、动态监测。通过一系列传感实例系统地阐明这类基于染料嵌层囊泡的光学纳米探针的组装策略、结构调控途径、应激响应机制和传感性能特点，并提出了一套高效率制备两亲性成囊染料的砌块“粘合”技术和便捷的囊泡“后修饰”方法。在本项目中，通过化学传感对生物应激过程的模拟，不仅促进了对相关生命分子事件的理解，更带来化学传感的性能革新：其一，将囊泡膜的识别与分离功能应用于化学传感，有效地降低了对映体或同系物识别的难度，使这些高结构相似度的目标物得以便捷地分辨；其二，借助染料嵌层囊泡的独特结构，有效改进了探针与刺激物反应的动力学、光学探针的信号响应模式以及传感体系的生物相容性，赋予此类探针优越的传感性能和良好的生物应用前景。