重金属离子检测中基于自降解材料的荧光信号放大设计及高灵敏度研究

During the past decade, considerable research attention has been devoted for the exploration of sensitive detection way to investigate the pathogenicity mechanism of heavy metal ions in cells or tissues, considering their growing threat to human health. It has also soon become the research focus for diverse field such as materials science, biology and medicine. Considering the current limitations encountered for the well-published fluorescent chemosensors for heavy metal ions (weak signal output & low detection sensitivity), this project focuses on the investigation of highly sensitive and selective fluorescence sensing of heavy metal ions via the fluorescence signal amplification in self-immolative materials, and their fluorescence sensing performance in heavy metal polluted water, living cells and tissues are also conducted. Amphiphilic block copolymers containing self-immolative linear or hyperbranched segment are utilized as the fluorescence detection matrix, the specific metal-ion responsive cleavage reaction is utilized as the trigger switch, and a plurality of fluorescent probe molecules are caged in the polymer chains. During the detection process, the heavy metal ion induced chemical bond cleavage may inspired the domino-like cascade degradation of block copolymer, release and activate a large number of fluorescent probe molecules, and amplify the detection signal output, which may greatly improve the fluorescence detection sensitivity. We speculated that the research will play a role for the mechanism exploration process of heavy metal poisoning and detoxification.

在重金属中毒事件频发而治疗针对性差的大背景下，开发灵敏的荧光检测材料，借此掌握重金属离子的致病机理，是材料、生物、医学等交叉领域亟待解决的重要命题。针对现有有机荧光检测材料信号输出普遍较弱、检测灵敏度不高的问题，本项目提出利用触发式聚合物自降解反应中的荧光信号放大设计开发高灵敏的重金属离子荧光检测材料，研究检测灵敏度的调控规律,并探索材料在活体细胞、组织中的检测应用。本研究拟将特定重金属离子响应性弱化学键作为触发开关接入到具有自降解特性的线性、超支化两亲性嵌段共聚物基体中，并在自降解聚合物链段的发散端或者梳状侧链上修饰多个荧光信号闭锁的探针分子；检测过程中重金属离子触发的化学键断裂将会引发嵌段共聚物多米诺式级联降解，释放并激活大量荧光探针分子，放大荧光检测信号输出，极大的提升检测灵敏度。项目的顺利实施可望在直观化的重金属离子中毒“诊、研、疗”等领域发挥作用。

本项目主要利用具有重金属离子触发自降解特性的嵌段聚合物构筑高灵敏重金属离子荧光检测与示踪材料，研究材料在自降解过程中的荧光信号放大机制及其对检测灵敏度的调控规律，该研究结果对开发灵敏、便捷的重金属离子的示踪、检测材料具有一定的参考意义。本项目执行过程中取得的具体成果有：.a).自降解型有机荧光小分子的制备以及性能研究：基于香豆素探索了反应型自降解钯离子(Pd2+)有机荧光小分子的制备，详细表征了其荧光检测性能；基于氨基苯并噻唑获得了灵敏的汞离子(Hg2+)检测探针，证实EDTA可用于放大荧光检测信号; 基于喹啉席夫碱基的高选择性与敏感性，设计合成了新型耐酸型Cd2+荧光传感器; 基于Hg2+促进的脱硫反应设计合成了香豆素基Hg2+检测荧光探针T1。.b).重金属离子触发自解聚聚合物基传感材料的开发，及其信号放大设计：完成了钯离子触发式超支化自降解嵌段聚合物、钯离子触发的线性自解聚嵌段聚合物的制备工作，掌握了这类具有触发式自降解特性的聚合物的制备技术；研究了触发式自降解荧光聚合物的荧光检测性能，探索其信号放大机制，以及荧光调控机制。.c ).材料在水体、生命体系内对重金属离子的检测、示踪：将上述自降解型有机荧光小分子、触发式超支化自降解嵌段聚合物、触发式线性自解聚嵌段聚合物用于水溶液中的重金属离子检测。结果显示，所得自解聚荧光检测材料在水溶液中均能对相应的触发重金属离子呈现出灵敏响应，选择性好，抗干扰性佳，部分材料还能在细胞中灵敏检测重金属离子。.另外，我们还开发了可生物降解Nb2C-MXene量子点，详细研究了其用于金属离子传感和细胞荧光成像中的应用效果；开发了高量子产率，荧光颜色可调以及可固态发光的氮掺杂碳量子点材料，详细研究其在荧光检测中的应用；开发了多色固态发光碳量子点，探索其在潜指纹成像、制备多色LED灯中的应用等。.本项目在执行期间，共计发表第一/通讯作者基金标注SCI收录论文14篇，授权专利4件，另有2件专利进入实审。