可用于活细胞温度分布成像的聚合物磷光温敏探针

A variety of cellular events, such as cell division and metabolism, are marked by temperature changes. Hence, accurate monitoring of dynamics of cellular heat production and propagation in the different intracellular compartments is of paramount important for understanding the cellular biochemical process and pathological changes mechanism. One of the important ways to construct fluorescent thermo-sensitive probe is utilizing the temperature dependence of chain configuration of thermo-sensitive polymer, combined with the sensitivity of a variety of fluorescence features. However, there are still several key problems which need to be solved. For example, the biocompatibility is usually poor. Moreover, the change of fluorescence intensity can be easily interfered by external environment (such as background bio-autofluorescence) and most temperature test was conducted in vitro. To solve these problems, in this project, we put forward a new strategy to realize phosphorescent polymer thermo-sensitive probe via introducing phosphorescent complexes with novel luminescence mechanism into thermo-sensitive polymer nanogel. Simultaneously, a ratiometric thermo-sensitive probe can be realized to monitor temperature quantitatively by using the insensitive fluorescent or phosphorescent signal as reference. Besides, the signal to noise ration can be further improved significantly via use of time-resolved luminescent imaging technology to eliminate the interference of autofluorescence. Furthermore, developing organelle target-specific thermo-sensitive probe, which can be used for subcellular temperature imaging. Based on this, study the cellular temperature change during pathological process and under external stimuli.

温度变化是各种细胞活动的主要外在症候之一，实现亚细胞尺度温度成像对深入认识细胞内的生化过程和研究细胞的病变机理具有重要意义。利用温敏聚合物的分子链构象对温度的依赖性，结合有机荧光材料发光性质对环境的敏感性，是构建荧光温敏探针的重要手段之一。目前这一领域存在许多关键问题需要解决，如检测信号易受外界环境（如背景荧光）干扰、材料生物相容性差、检测大都在体外进行等。因此在本课题中我们提出将一种具有新型发光机理的磷光金属配合物引入到温敏聚合物中来制备聚合物磷光温敏探针，通过聚合物主链结构修饰和分子量控制既可以解决探针的细胞相容性问题，同时引入参比发光单元实现对温度的比率法检测，提高检测准确度；利用磷光与生物背景荧光发光寿命的不同，通过时间分辨光学成像有效消除生物背景荧光干扰，提高检测信噪比和灵敏度；进一步发展可适用于亚细胞层次温度分布成像的探针，研究细胞病变过程以及外界刺激下的胞内温度变化。

温度作为基本的物理量之一与自然界中几乎所有的物理、化学、和生物过程都紧密相关，发展精确的温度测量方法具有重要意义。本项目围绕高灵敏温敏发光探针的构建及应用研究开展工作，在详细研究与总结溶液状态下分子与分子之间基本相互作用规律及与溶液发光性质之间的内在关系的基础上，开发出了一系列温敏发光探针体系，并将其成功应用于细胞内的温度分布成像、光学玻璃化温度探针及基于温度的多阶光学信息防伪技术。主要研究内容和取得的重要结果如下。.1、通过系统研究有机荧光分子的溶致变色效应与分子体积、溶剂成分、外界温度之间的相互关系，总结出外界温度变化对溶液发光性质的影响规律，构建了一类多刺激响应荧光传感器。尤其是通过选择不同的溶剂体系可以实现对温度响应窗口的灵活调控。.2、构建了一类聚集诱导磷光发射增强金属配合物，通过改变不同的配体结构实现了对聚集诱导发光性质的有效调控，实现了从绿光到红光的波谱覆盖。进一步通过将这类配合物引入到水凝胶聚合物体系中实现了一类聚集诱导磷光发射温敏聚合物探针，并成功将其应用于细胞内的温度分布检测。.3、开发了一类基于热致相变的温敏荧光探针，详细研究了分子结构对其温敏光学性质的影响，总结了这类温敏材料的热致荧光变色机理，实现了对变色窗口和温度响应窗口的有效调控。在此基础上构建了一类热致变色材料库，初步制备了将近30个热致荧光变色分子。基于这种热致变色材料库，首次提出并实现了一种基于温度的多阶光学信息防伪技术。.除了上述主要研究成果外，为了项目研究内容的顺利开展和对研究体系的应用拓展，还分别进行了如下研究工作，1）详细研究了水凝胶聚合物单体结构与主链结构对转变温度的影响，2）通过将聚集诱导发射单体引入到传统聚合物主链中研究了玻璃化转变温度附近发光性质的变化规律，3）详细研究了一类汞离子荧光探针的检测机理与分子结构的内在关系。