基于氢键自组装的模块化荧光传感

Fluorescent molecular sensors offer a sensitive and straightforward approach to monitoring biologically or environmentally important targets. However, obtaining high-performance chemosensors are still challenging in terms of laborious synthesis and low success rate. In this project, we will develop a general and robust strategy for fabrication of fluorescent chemosensors. Under the concept of "modularization", fluorescent sensory supramolecules can be efficiently formed by hydrogen-bonding self-assembly of linker-bearing subunits. In sharp contrast to traditional covalent fabrication strategy on a case-by-case basis, the subunits can be synthesized independently and interchanged between different sensing systems. Furthermore, the numbers, ratios and combination pattern of the subunits can be flexibly modulated to optimize the sensing performances. Therefore, our method not only remarkably reduces the synthesis difficulty but also enables the easy realization of complex functionality of fluorescent chemosensors. Based on this brand-new sensing strategy, an array of fluorescent sensory co-assemblies with desirable functions such as signal amplification, ratiometric responses or multitarget recognition will be developed for sensitive detection of bioactive small molecules, inorganic ions, gaseous species and chemical warfare agents.

荧光传感作为一种灵敏、便捷的探测手段在生命和环境体系研究中广受重视，但高性能荧光探针的开发往往受到合成难度大和成功率低等因素的困扰。本项目采用"模块化设计"理念，提出了一种通用、高效的荧光传感体系构建方法。在模块化组装中，荧光探针的各功能亚单元被"零件化"，这些带有特定氢键链接基团的亚单元可高效地自组装成结构复杂化的超分子荧光探针。与传统的共价合成策略不同，该组装方式使得各亚单元可被分别合成、灵活更换，而且传感系统中亚单元的种类、数量和相对比例均可自如调整。因此，这种新的构建策略不仅将大幅度降低探针合成的难度，而且易于实现复杂的传感功能。基于该策略，本项目将建立一系列具有信号放大、比率响应或多组分同时识别功能的新型荧光传感体系，应用于生物活性分子、无机离子、气体和化学战剂等物种的检测。

荧光传感作为一种灵敏、便捷的探测手段在生命医学和环境科学研究中广受重视，然而结构复杂的高性能荧光探针的研发往往受到合成难度大和成功率低等因素的困扰，本项目将“模块化”的概念引入荧光分子探针的设计，提出了一种普适性的、高效的荧光超分子传感体系构建新策略：将荧光探针的各功能亚单元“零件化”，再通过各种具有氢键自组装活性的亚单元的共组装构建结构复杂化、功能多样化的超分子荧光探针。我们合成了一系列以巴比妥酸、三聚氰胺或胸腺嘧啶为氢键粘合位点的识别单元、信号单元、两亲单元及生物相容性改造单元，研究了“单一识别单元+单一信号单元”、“单一识别单元+多种信号单元”、“多种识别单元+多种信号单元”等多种不同的亚单元组合模式，考察了增溶因子和仿生因子的引入对自组装体的塑形和改性效果，通过分子自组装构建了一系列形貌可控（包括链状聚合物、纳米管和纳米囊泡等）、响应性能新颖（包括信号放大响应、多色组合响应、非线性多重响应、多组分并行响应及同系物分辨性响应等）的高灵敏荧光传感体系。在这种新的组装模式中，各种亚单元可分别合成、自由搭配，且种类、比例可调，不仅极大地降低材料合成的难度，而且易于实现性能优化和功能复杂化，为新型高性能光学探针的结构设计和性能革新提供了重要的新思路。我们还对该组装策略的化学基础进行了拓展，除了氢键，配位键、亲疏水作用乃至静电相互作用均被成功地用于驱动超分子探针的模块化组装过程。项目执行期间，藉由该模块化组装策略所建立的荧光传感体系涉及的分析目标物已涵盖氨基酸、糖类、无机阴离子、小分子气体、有机锡、脂肪酸及神经毒剂等多类物种，充分说明了这种组装策略的可行、高效和普适性，有望成为新一代光学传感体系往多功能化、智能化发展的重要推力。