关键词:
纤维素
壳聚糖
荧光探针
细胞成像
环境监测
摘要:
生物质材料的主要来源是动物、植物以及微生物的衍生体,其中,纤维素和壳聚糖作为多糖类生物质材料的代表,在可再生、生物相容、环境友好的替代产品研发使用中取得了显著进展。随着技术的进步和生产投入的加大,多糖类生物基材料所具备的相关优势被充分利用和放大,生物质材料行业的发展更是进入一个崭新的黄金时代。纤维素是一种由β-d-吡喃葡萄糖单元组合而成的聚合物,依赖1-4-糖苷键作为连接,分子链较为均匀。通过合理的设计,利用化学或物理方法对纤维素进行修饰,可以扩大其应用范围,例如对其-OH基团进行酯化、醚化、交联、接枝共聚等各种化学修饰,并引入一些新的官能团,由此使其获得新的性能。壳聚糖作为一种阳离子多糖,在抗炎、免疫增强、渗透增强和生物相容性等诸多方面均占据有利优势,并可以通过化学方法对其开展改性研究,以达到满足各种生物学和医学需求的目的,其中-NH可以参与烷基化、季铵化修饰,与醛酮反应、接枝等,-OH官能团可以与极性原子的氢键交联、接枝或进行乙酰化修饰等。经过功能化改性的壳聚糖以多种材料形式呈现,成为各类应用领域的研究新方向。随着光学成像技术的不断发展和深入,荧光探针已经作为一项重要的工具用于各种目标物质的检测。本论文以多糖类生物质材料为基础,接枝以小分子荧光团,设计一系列纤维素基、壳聚糖基,具备良好生物相容性且细胞毒性较低的大分子荧光探针,可以被应用于食品、水样、细胞和生物体中目标微量物质的监测,并在该类探针的基础上开发测试凝胶和试纸条,极大的简便检测操作过程,具备广阔的应用前景。
(1)通过化学手段将羟乙基纤维素进行改性,并采用点击化学的方式将萘酐类荧光团引入到改性后的纤维素上,开发出可用于甲醛(HCHO)检测的纤维素基荧光探针。所制备的纤维素基聚合物荧光探针(HEC-FA)属于肼基-萘酰亚胺官能化羟乙基纤维素聚合物,具有一定的亲水性能,可以实现对溶液和气体环境中HCHO的灵敏、有选择性检测。HEC-FA中荧光基团的设计是通过HCHO和肼基之间的特定的化学反应来实现的,该反应可以“启动”萘酰亚胺荧光团,宏观表现出强烈的荧光变化。对比一般的对HCHO响应的小分子有机荧光响应类似物,探针HEC-FA的设计基于多糖类生物质基聚合物纤维素链,具有较低的细胞毒性和检测限,在检测过程中可以实现对待测物的灵敏性、特异性荧光响应。同时,HEC-FA具备在癌细胞和模式动物斑马鱼中对HCHO进行分析和荧光成像的能力。对于本探针还进行了HCHO检测试纸和凝胶的开发,分别可以完成对空气和溶液中HCHO的特异性检测,通过观察试纸和凝胶检测后颜色(或紫外光下荧光程度)的深浅可以对HCHO含量的高低进行判断。
(2)通过在萘酰亚胺荧光团中成功引入叠氮基团,以此作为硫化物与其进行化学反应的特定位点,利用还原性质构建探针的有机荧光基团部分,并将小分子探针接枝到改性纤维素上,充分利用纤维素长链的优势,制备出一种用于硫化氢(HS)检测的聚合物荧光传感器(HC-HS)。该探针可以利用纤维素链上多个识别位点的协同作用更有效地结合低浓度分析物,顺利实现目标信号的放大,使HC-HS具备快速的荧光响应的优势。通过核磁氢谱、质谱、红外光谱、扫描电子显微镜、X射线光电子能谱等对中间产物和目标产物进行定性和半定量分析,证实HC-HS被成功合成。扫描电子显微镜结果显示原来呈现条状的纤维素经处理后变成散碎的片状,形态变小有助于探针顺利的进入到细胞中。本探针在继承纤维素良好生物相容性、低细胞毒性的同时,可以对HS进行灵敏高效的选择性检测。HC-HS成功实现细胞和生物体中的内源性、外源性HS的荧光成像。基于HC-HS开发的试纸可以作为通过追踪HS水平来检测食品新鲜度的优良候选,用于食品供应链的现场新鲜度检测。
(3)通过点击化学反应将改性后的壳聚糖与基于分子内电荷转移机制设计的萘类荧光分子结合,设计了一种用于过氧化氢(HO)快速、灵敏和无毒检测的荧光探针(CTS-HP)。缺电子基团硼酸酯作为HO的反应位点被引入萘酰亚胺荧光团,并与该荧光团构成了会对染料的荧光强度进行削弱的“A-π-A”型电子结构。CTS-HP与HO反应后,-OH作为供电子基团代替了探针中原来硼酸酯的位置,此时反应产物的电子结构变成了“D-π-A”型共轭体系,CTS-HP中的ICT过程增强,宏观表现出更强的荧光发射。探针CTS-HP是一种具有高密硼酸酯-萘酐识别位点的随机卷曲壳聚糖聚合物链,能够充分利用分子之间的相互作用来“富集”聚合物链周围的低浓度HO,从而加速HO与硼酸酯基团之间的化学反应。通过光谱测试结果可知,探针具备对于HO灵敏、高效检测的能力,较快的检测速率,且聚合物探针与小分子荧光团相比,在成像时对细胞造成的伤害更小,并满足在生物体内检测的一定酸碱条件下的要求。探针CTS-HP的优异荧光稳定性和生物相容性使其在细