刺激响应共轭聚合物的制备及CO2检测研究

In this proposal, CO2-stimui responsive systems will be developed for CO2 sensing based on conjugated polymers (CP). These systems consist of conjugated polymers with CO2 responsive side chains or self-assembled conjugated polymer-substrate with CO2 responsive groups, reacting with CO2 to generate charge, polarity or viscosity changes that lead to the regulation of electrostatic interactions, hydrophobicity or π-π stacking between the conjugated main chains, which induces the changes of aggregation state or the conformation of CP with conformational flexibility, resulting in varied intrachain and interchain energy transfer efficiency or color changes in solution. The CO2 intelligent responsive materials and fluorescent chemosensor will be developed by using aggregation-induced fluorescence resonance energy transfer (FRET) or color changing strategy. Furthermore, the correlation between the molecular structures and the CO2 responsive properties including response speed, sensitivity and specificity will be revealed to guide on optimizing the structures of conjugated polymers and CO2 responsive groups to obtain an efficient CO2-stimui responsive materials and a convenient, quantitative and visualized by "naked-eye" technology with high sensitivity and high resistance to interference for CO2 sensing. This new protocol will provide new thinking for designing smart materials and optical sensing approaches.

本项目旨在构建基于共轭聚合物（CP）的CO2刺激响应体系，发展新型的CO2识别与检测方法。通过共价连接或者非共价组装的方式获得一系列含有CO2响应基元的CP或者组装体，利用CO2改变其电荷、极性或者粘度，从而调控CP及其组装体的静电相互作用、亲疏水性或者主链间的π-π相互作用，进而改变CP的聚集状态或者构象，导致其链间或链内能量转移效率的改变或者构象敏感型CP的变色效应，发展基于聚集诱导的荧光共振能量转移（FRET）技术和变色效应的CO2智能响应材料和传感体系，并通过考察CP及CO2响应基元与其响应速度、敏感性及特异性的构效关系，揭示传感机理，优化CP结构及组装体的组成获得CO2高效、敏感响应的荧光传感材料，发展简单、定量、肉眼可视、高灵敏度且抗干扰的CO2新型识别与检测方法。该项目将为新型智能响应聚合物材料及荧光传感体系的设计提供新的思路。

按照项目计划书中的研究任务，立足化学与生物学学科交叉前沿，围绕构建基于共轭聚合物（CP）的CO2刺激响应体系，发展了简单、定量、肉眼可视、高灵敏度且抗干扰的CO2新型识别与检测方法，并且智能调控CO2的吸附和释放过程。本项目按照研究计划，圆满完成了任务。主要包括三方面内容：（1）构建CO2刺激响应体系，优化共轭聚合物结构及组装体的组成获得CO2 高效、敏感响应的荧光传感体系。设计并合成了以芴和2,1,3-苯并噻二唑为主体的共轭聚合物（PFBT），在CO2刺激下，PFBT链间的接触增强，导致相邻的PFBT分子紧密聚集，引发了从芴向2,1,3-苯并噻二唑（BT）的分子内能量转移，荧光从蓝色向绿色转变，可应用于高灵敏度和低检测限的CO2原位检测。PFBT与BN通过非共价作用，组装成超分子组装体，实现了检测CO2吸附和缓慢释放的双重功能，提供了一种利用荧光变化检测CO2捕获的新方法。利用共轭聚噻吩（PTP）和侧链带有胍基的寡聚芴（G-OF）构建了复合体系，监测光合作用中CO2的浓度变化，实现了高灵敏度、肉眼可见的CO2检测，同时提出了基于共轭聚合物监测光合作用的概念。（2）CO2 刺激响应复合体系的构建及其对相应生物功能的调控。在PTP的荧光信号放大性能和碳酸酐酶（CA）的基础上，构建了一种CO2响应以及生物酶催化调控的聚噻吩组装体。通过与酶的催化活性相结合，实现了多功能监视和仿生捕获CO2。PFBT与高分子水凝胶3OEG-PIC通过疏水基团间相互作用组装成CO2响应的新型复合水凝胶，模仿自然界的相互作用过程，构建了多重刺激响应仿生水凝胶。（3）CO2 刺激响应体系智能调控 CO2的吸附和释放过程。设计合成了一种在近红外区有吸收的具有光热效应的共轭聚合物PD-8-DTTE-7，将其制备成具有CO2和近红外光双重响应的咪唑功能化的纳米颗粒，通过静电作用与基因、蛋白质等生物分子或细菌等结合调控其结构，对治疗相关生物分子引起的疾病具有启发作用。还合成了一种光热调控CO2释放的吡咯并吡咯二酮型共轭聚合物PDPP-Gu，通过气体吸附和光热转换的双重特点，动态地控制CO2的吸附和释放，展现了吡咯并吡咯型共轭聚合物在CO2吸附方面的优良的应用前景。本项目将为新型智能响应聚合物材料及荧光传感体系的设计提供了新的思路。