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本工作将两种生色团引入高分子胶体(纳米)粒子中,分别构成荧光共振能量转移(FRET)的受体和给体,获得了以高分子胶体粒子为基质的FRET体系。通过给体与受体间高效率的能量转移,使纳米粒子表现出荧光可逆调控或特定离子选择性识别功能,为其在生物标记、离子检测等方面的应用提供新的途径。本论文的主要内容和结果如下:
根据FRET原理,选定了能级匹配的给体(硝基苯并二恶唑基(NBD)荧光染料)和受体(甲基丙烯酸酯化螺吡喃(SPMA))。采用两步原子转移自由基聚合(ATRP)方法合成了结构明确、分子量分布较窄的聚氧化乙烯-b-聚苯乙烯-b-聚甲基丙烯酸酯化螺吡喃(PEO-b-PS-b-PSPMA)三嵌段共聚物,该三嵌段共聚物能够在水中自组装形成以水溶性的PEO链段为壳,疏水的PS和PSPMA链段为核的胶束。在水相中,利用胶束的两亲性将疏水性荧光染料NBD吸附到纳米胶束核/壳界面,形成了以该荧光染料为给体,螺吡喃基团为受体的能量转移体系。通过胶束内的能量转移可实现对NBD染料的荧光调控。
通过一步法在水相中成功制备了一种含螺吡喃基团的双亲性核壳纳米粒子。这种纳米粒子是以亲水性的PEI链段为壳,以疏水的甲基丙烯酸甲酯、含螺吡喃单体(SPMA)和交联剂的共聚物为核的结构。该胶体粒子可通过吸附作用吸附一定量的疏水荧光染料NBD到亲水性壳与疏水性核的界面,从而大大提高这种NBD染料在水分散体系中的荧光发射,同时疏水性核也能为螺吡喃基团提供适宜的环境极性;在紫外光作用下,经从给体到受体的高效能量转移,最终实现了对NBD的荧光可逆的调控。将Forster能量转移的有关理论引入以胶体粒子为单元的能量转移体系,计算了胶体粒子中FRET体系的Forster临界距离,明确了胶体粒子中可发生能量转移的有效区域,为胶体粒子中的能量转移体系的进一步深入研究打下了一定基础。
采用一步细乳液聚合方法将两种生色团(NBD和螺吡喃基团)引入单个的聚合物纳米粒子。纳米粒子的直径通过改变实验参数可控制在40nm至80nm左右。对荧光胶体粒子的光谱学研究证明了两种生色团已经成功进入纳米粒子中。同时,从光谱数据中估算出纳米粒子中的NBD和螺吡喃基团的含量为投料比的85~90%,而且它们之间的比例也和投料比接近,这表明细乳液的方法适合于同时引入多个确定比例的生色团到同一纳米粒子中。另外,紫外光和可见光可用来调控纳米粒子中NBD的荧光发射。在紫外光和可见光的照射下,纳米粒子中的螺吡喃基团在开环结构(McH态)和闭环结构(SP态)之间发生可逆转变,从而引发NBD荧光发生可逆的“开”和“关”。这是由于从NBD染料到McH态螺吡喃之间发生了荧光共振能量转移。这种纳米粒子在紫外/可见光的照射下,显示出良好的光可逆性、光稳定性和相对较快的光响应特征。这种光可逆的纳米粒子在生物领域如生物标记、成像以及光学领域如单独可寻址的纳米装置等具有潜在的应用前景。
利用前述方法制备的以PEI为壳、PMMA为核的双亲性纳米粒子,通过溶胀的方法在PMMA核中引入红色疏水荧光染料尼罗红(Nile Red),成功地制备了一种具有较高荧光量子产率的荧光纳米粒子。利用PEI这种多胺聚合物对水中Cu2+具有强络合作用,以及两者形成络合物的显色效应,形成了以胶体粒子为基质的尼罗红-(PEI/Cu2+)给体-受体对的能量转移体系,进而通过荧光共振能量转移过程,实现了以荧光纳米粒子为单元的Cu2+检测体系。最后通过调节粒径大小、PH值等实验参数,使纳米粒子中给体(尼罗红)与受体(PEI与Cu2+的络合基团)之间发生高效率的荧光共振能量转移,获得一种在纯水相中的铜离子具有选择性识别检测功能的新型荧光纳米粒子传感器(检测下限为1×10-6M),为其在环境和生物检测方向的应用提供了可能性。