宋春霞，羊小海，王柯敏，王　青，劉劍波，黃　晉，李文山，黃海花，劉　衛(wèi)

(湖南大學化學生物傳感與計量學國家重點實驗室，化學化工學院，生物納米與分子工程湖南省重點實驗室，長沙410082)

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聚合物在熒光檢測領域的應用

宋春霞，羊小海，王柯敏，王青，劉劍波，黃晉，李文山，黃?；ǎ瑒⑿l(wèi)

(湖南大學化學生物傳感與計量學國家重點實驗室，化學化工學院，生物納米與分子工程湖南省重點實驗室，長沙410082)

摘要聚合物是由一種或幾種重復單體以共價鍵連接形成的大分子化合物，它不僅能夠保持單體的性質，而且由于聚合后單體間的協同作用，使其表現出獨特的性能.聚合物作為基礎材料在熒光檢測領域得到廣泛應用.聚合物通過氫鍵作用、親疏水作用及范德華力等分子間相互作用，實現了對特定目標物的選擇性識別;通過信號轉換和放大功能，可以將分子識別作用轉化為熒光信號;可以作為骨架連接多個識別單元，通過多價結合作用等提高識別目標物的能力，或連接不同的功能單元，構建多功能的分子器件.本文對聚合物在熒光檢測領域的應用進行了概述.

關鍵詞聚合物;熒光檢測;分子識別;信號轉換;探針骨架

E-mail: yangxiaohai@ hnu.edu.cn

王柯敏，男，博士，教授，博士生導師，主要從事納米及分子水平上的生物分析化學研究.

E-mail: kmwang@ hnu.edu.cn

Fig.1　Application of polymers in fluorescence analyses［10—12］( C) Copyright( 2010) from American Chemical Society;( D) Copyright( 2014) from American Chemical Society;( E) Copyright( 2013) from American Chemical Society.

聚合物是由一種或幾種重復單體以共價鍵連接形成的大分子化合物［1，2］.它不僅能夠保持單體的性質，而且由于聚合后單體彼此間的協同作用，表現出某些獨特的性能，其作為基礎材料已經在熒光檢測領域得到了廣泛關注和應用.其中最為經典的例子是分子印跡聚合物.基于抗原-抗體的檢測體系是多種環(huán)境、食品和臨床熒光分析方法的基礎，然而抗體的應用在穩(wěn)定性和成本等方面受到諸多限制［3］.1940年，Pauling［4］提出了以抗原作為模板合成“化學抗體”的理論.基于此，1973年Wulff研究組［5］首次報道了人工合成分子印跡聚合物.1993年Mosbach等［6］以甲基丙烯酸為單體，合成了可以模擬生物抗體識別作用的分子印跡聚合物并用于膽堿的檢測后，分子印跡聚合物成為當時的研究熱點.除了用于目標物的識別外，聚合物也常被用于熒光信號的轉換和放大.Swager等［7，8］利用熒光共軛聚合物中熒光信號的超猝滅作用實現了百草枯等的高靈敏檢測.近年來，以聚合物為骨架，結合其它功能單元來構建多功能的熒光納米探針備受關注.Li等［9］利用兩親型嵌段聚合物作為探針骨架，通過自組裝方法構建了一種集多種成像和治療功能于一體的納米顆粒，其具有近紅外熒光成像、磁共振成像、正電子放射成像、光熱治療和光動力學治療等功能.本文根據聚合物在熒光檢測中的作用，分別對其在分子識別、信號轉換和作為探針骨架等方面的應用進行概述(圖1).

1　聚合物的分子識別功能及其在熒光檢測領域的應用

一個熒光檢測方法至少包括分子識別和信號轉換2個單元.分子識別是指識別單元通過共價鍵、范德華力、親疏水作用、氫鍵或離子鍵等與目標物特異性結合，這種識別需要較高的親和力和專一性［13］，是能夠特異性檢測目標物的基礎.信號轉換是將目標物與分子識別單元的識別作用轉換為熒光信號輸出，從而給出目標物的相關信息.

聚合物通過多個單體之間的協同作用以及結構的改變，與目標分子高特異性、高選擇性結合，在熒光檢測領域應用非常廣泛，發(fā)揮著重要作用.分子印跡聚合物是其中最為典型的應用.自1993年Mosbach等［6］利用分子印跡聚合物實現血液中痕量膽堿的檢測以來，分子印跡聚合物的研究引起廣泛關注并取得重要進展.其它聚合物如核酸適配體通過獨特的堿基序列或者構象改變實現對目標分子的高效識別.這些聚合物具有性能穩(wěn)定、成本低廉及可重復使用等優(yōu)點，作為抗體的有效補充在分析檢測領域得到廣泛應用［10，14］.我們以分子印跡聚合物和核酸適配體為例，對聚合物的分子識別機制及其應用進行概述.

1.1基于分子印跡聚合物的分子識別機制及其應用

分子印跡技術被稱為制造“人工鑰匙”的人工鎖技術，即模擬生物體內抗原與抗體、酶與底物等分子之間的識別過程，利用單體聚合制備對目標分子具有特異性識別能力的聚合物［15］.分子印跡聚合物具有抗惡劣環(huán)境能力強、穩(wěn)定性好、使用壽命長和應用范圍廣等優(yōu)點，因此在催化、生物分析、色譜分離、藥物開發(fā)、細胞培養(yǎng)甚至分子結晶等領域都得到了應用［10］.

分子印跡聚合物的識別機制如圖2所示［16］.首先，使模板分子盡可能地與具有適當功能基團的單體形成多重作用位點，得到單體-模板分子復合物;然后，單體與過量的交聯劑在致孔劑的存在下形成聚合物，從而在模板分子周圍形成一個交聯度很高的剛性聚合物骨架，單體上的功能基團在特定的空間取向上固定下來;最后，通過物理或化學方法將模板分子脫除，即在聚合物中留下一個與模板分子在空間結構上完全匹配，并含有與模板分子特異性結合的功能基團的三維空穴［17，18］.所得空穴對模板分子的作用與生物體內抗原-抗體或酶-底物作用相似，通過多個作用位點非共價鍵(氫鍵、范德華力及離子鍵等)或共價鍵的協同作用，與模板分子形成穩(wěn)定的復合物，并且具有良好的選擇性.

Fig.2　Schematic diagram of recognition mechanism of the molecular imprinting process［16］Copyright( 2011) from the Royal Society of Chemistry.

目前，基于分子印跡聚合物的熒光分析方法已經得到了廣泛研究和應用，例如Xu等［19］以目標物三硝基甲苯( TNT)為模板，以CdTe量子點為種子合成了分子印跡聚合物(圖3)，利用分子印跡聚合物識別TNT過程中量子點的熒光被猝滅的現象，實現了TNT的檢測.在此基礎上，Liu等［20］利用受樣品本體熒光影響小的上轉換納米顆粒YVO4∶Eu3+為種子合成分子印跡聚合物，實現了復雜樣品中λ-氯氟氰菊酯的檢測.此外，Cheng等［21］和Liu等［22］利用與目標物分子有選擇性作用力的環(huán)糊精為單體構建了分子印跡聚合物，顯著提高了方法的選擇性.

Fig.3　Dummy molecularly imprinted polymers-capped CdTe quantum dots for the fluorescent sensing of 2，4，6-trinitrotoluene［19］Copyright( 2013) from American Chemical Society.

為了進一步提高分子印跡聚合物與目標分子的結合能力，可以選擇與目標分子有選擇性作用的單體來合成分子印跡聚合物.如Cheng等［21］利用與亞精胺之間有超分子作用力的環(huán)糊精作為單體合成分子印跡聚合物，并結合疏水環(huán)境下熒光分子的熒光增強實現了亞精胺的靈敏檢測;利用喹啉修飾的β-環(huán)糊精作為功能單體，以亞精胺作為模板合成分子印跡聚合物膜.去除模板后分子印跡聚合物可以識別亞精胺，疏水性的亞精胺進入環(huán)糊精的空腔，導致喹啉所在微環(huán)境的疏水性提高、熒光增強，從而實現亞精胺的靈敏檢測.由于環(huán)糊精對亞精胺的選擇性識別能力增強了分子印跡聚合物與目標物之間的結合常數，所以本方法對同系物有良好的選擇性.Liu等［22］也利用環(huán)糊精為單體構建分子印跡聚合物，環(huán)糊精與氨基酸的選擇性結合大大提高了分子印跡聚合物與氨基酸的結合常數，使該方法的選擇性顯著提高.

1.2基于核酸適配體的分子識別機制及其應用

核酸適配體是從人工合成的DNA/RNA文庫中通過指數富集配基系統(tǒng)進化技術( Systematic evolution of ligands by exponential enrichment，SELEX)［23，24］篩選獲得的能夠高親和力、高特異性結合目標物的寡核苷酸鏈.核酸適配體具有易于合成與修飾、無免疫原性且目標物范圍廣等優(yōu)點［3，14］.核酸適配體作為識別單元在生物傳感、分析檢測和生物成像等方面得到廣泛應用，是當前分析化學領域的研究熱點之一［3］.

SELEX技術是體外篩選核酸適配體的基本方法.篩選原理是首先合成一個大容量的單鏈寡核苷酸文庫，將其與目標物混合后，通過一定的分離技術從中篩選出與目標物特異性結合的核酸，并以此核酸分子為模板進行PCR擴增，使其得到指數級富集，用于下一輪的篩選過程.經過多次循環(huán)，最終獲得與目標物高特異性、高親和力結合的核酸適配體［25］.SELEX技術通常包括以下步驟: ( 1)文庫與目標物孵育; ( 2)除去未結合的核酸; ( 3)分離與目標物結合的核酸; ( 4)擴增得到的核酸.此外，還要通過反篩步驟以提高核酸適配體的特異性識別能力［25］.

核酸適配體與目標物的相互作用需要2個條件:一是通過折疊形成特定結構，使彼此空間結構相互匹配;二是需要多種“作用力”如氫鍵、靜電作用等穩(wěn)定彼此的相互作用.核酸適配體與目標物結合時，往往通過堿基配對形成穩(wěn)定二級結構與目標物結合，或者在配體的誘導下形成穩(wěn)定的二級結構，如發(fā)夾( Hairpin)、假結( Pseudoknot)和G-四聚體( G-quartet)等，其中的堿基通常是結合目標物的關鍵位點.核酸適配體與目標物的作用通常不是單獨一種作用力，而是“假堿基對”堆積作用、氫鍵作用、靜電作用和形狀匹配效應等多種作用力協同作用的結果.例如，凝血酶的核酸適配體可形成含有2個G-四聚體結構的特殊三維結構，與凝血酶通過范德華力、氫鍵作用、靜電作用和形狀匹配等相互作用實現高特異性識別(圖4)［26］.

核酸適配體作為一類新型的識別分子，目前已被廣泛用于無機離子、有機分子、生物大分子(蛋白質、酶和受體)乃至細菌、病毒、細胞及組織等的檢測［14］.經過合理設計和修飾后的核酸適配體首先與目標物特異性識別，再輸出易于檢測的物理信號.熒光法具有靈敏度高、易于讀取、樣品體積量少及定量方便等優(yōu)勢［14，27］.在熒光方法中通常是利用熒光基團標記核酸適配體，目標物與核酸適配體作用后熒光性質發(fā)生改變，從而實現對目標分子的檢測;或者同時將熒光基團和猝滅基團共同標記在核酸適配體的不同位置上，通過目標物特異性誘導核酸適配體空間結構發(fā)生變化，從而使熒光信號發(fā)生改變來實現目標物的檢測.本課題組［28］基于細胞膜蛋白觸發(fā)核酸適配體探針構型變化的信號激活原理，實現了小鼠體內腫瘤靶向定位和成像(圖5) ; Tang等［29］設計了一種可激活式熒光探針，實現了凝血酶等目標物的檢測.為了增強核酸適配體對目標物的識別能力，還可利用能識別目標物不同位置的2個核酸適配體進行熒光檢測［30］.

Fig.4　Proposed secondary structure of the thrombin aptamer( A) and the interaction of the aptamer with human thrombin( B)［26］Copyright( 1997) from Academic Press.

Fig.5　Activatable aptamer probe for contrast-enhanced in vivo cancer imaging based on cell membrane protein-triggered conformation alteration［28］Copyright( 2011) from National Academy of Sciences.

2　聚合物的信號轉換功能及其在熒光檢測領域的應用

在熒光檢測方法中，通過信號轉換將分子識別作用轉換為熒光信號輸出是熒光檢測方法的必要組成部分.聚合物在熒光信號轉換中的應用非常廣泛，例如熒光共軛聚合物因具有導電性而使熒光信號超猝滅，可實現對目標物的高靈敏檢測［12，31，32］.根據聚合物在熒光信號轉換中的作用模式，可將其分為可自發(fā)熒光的聚合物、可誘導生成熒光物質的聚合物以及可增強或減弱熒光的聚合物.

2.1可自發(fā)熒光的聚合物及其在信號轉換中的應用

可自發(fā)熒光的聚合物在與目標物的相互作用過程中，其熒光性質發(fā)生變化，從而實現信號的轉換輸出.本文以熒光共軛聚合物為例進行介紹.熒光共軛聚合物的主鏈具有單鍵、雙鍵或叁鍵交替結構［12，31，32］，主鏈結構中的π電子共軛體系提供了電子和空穴遷移的路徑，被稱為“分子導線”，只要共軛聚合物上的一個熒光單元被猝滅，則整條聚合物鏈的熒光都會沿著共軛聚合物鏈以電子能量轉移的形式被猝滅，從而引起熒光信號的超猝滅［33］(圖6).研究表明，電子能量轉換可以傳遞130個單體甚至更多［33］，有些熒光共軛聚合物還可以作為超靈敏的激光材料［34］.所以熒光共軛聚合物具有良好的信號放大能力，作為一種高靈敏的熒光信號轉換元件已被用于離子［35～38］、小分子［39］、生物大分子( DNA，RNA和蛋白質等)［40～44］和細胞［45～48］的靈敏檢測.

Fig.6　Schematic diagram of signal transformation mechanism of the conjugated polymers［33］Copyright( 2013) from American Chemical Society.

對空氣中爆炸物的檢測在反恐和軍事等領域具有非常重要的意義，利用線性熒光共軛聚合物已經實現了三硝基甲苯( TNT)等爆炸物的檢測［33］，是熒光共軛聚合物應用于分析檢測領域最成功的例子.三亞甲基三硝胺( RDX，也稱黑索金)是一種高能炸藥，揮發(fā)性能比TNT低1000倍，應用經典的線性熒光共軛聚合物無法檢測.Gopalakrishnan等［49］通過交聯聚乙炔得到網狀熒光共軛聚合物，發(fā)現其信號放大能力優(yōu)于線性共軛聚合物，通過RDX對其熒光的超猝滅作用實現了空氣中RDX的高靈敏檢測(圖7).

Fig.7　Direct detection of RDX vapor using a conjugated polymer network［49］Copyright( 2013) from American Chemical Society.

陽離子熒光共軛聚合物是一種帶正電荷的共軛聚合物，因其可以通過靜電作用與帶負電荷的DNA探針相互作用而得到廣泛應用.2002年，Bazan等［50］首次基于聚芴與中性的肽核酸( PNA)之間的熒光共振能量轉移( FRET)發(fā)展了DNA的檢測方法，通過FRET可導致熒光素的發(fā)光強度達到直接激發(fā)時的25倍以上，從而使對目標DNA的檢出限達到10 pmol/L.Nilsson等［51］在靜電力的基礎上引入氫鍵力，利用兩性聚噻吩與單鏈、雙鏈DNA相互作用時靜電作用力和氫鍵力的不同使聚噻吩構型發(fā)生變化，引起其熒光強度和最大發(fā)射波長變化，從而實現DNA的檢測.王樹等［52］利用聚芴與熒光基團之間以及熒光基團與DNA鏈嵌入性熒光染料之間的2次FRET，實現了DNA的高特異性和高靈敏檢測.此外，王樹等［12］還利用聚芴結合核酸工具酶，實現了DNA單堿基錯配、DNA甲基化和DNA損傷的檢測.Liu等［53］通過點擊化學反應在紅色熒光共軛聚合物的側鏈上引入聚乙二醇( PEG)以增加其水溶性和熒光量子產率，降低非特異性團聚以及消除與細胞的非特異性結合，并進一步通過在側鏈上引入葉酸得到可與腫瘤細胞特異性結合的熒光探針.

2.2可誘導產生熒光的聚合物及其在信號轉換中的應用

可誘導產生熒光的聚合物本身不發(fā)射熒光，但是可以作為模板誘導生成熒光納米顆粒，從而實現信號的轉換，利用這類聚合物作為信號轉換單元避免了探針的標記，降低了分析成本［54～72］.以核酸和含胺基等的聚合物為例對其信號轉換機制及應用進行概述.

核酸可以作為模板誘導熒光納米材料的生成，從而實現信號轉換.研究較多的主要有DNA穩(wěn)定的熒光銀納米簇和由單/雙鏈DNA為模板制備的熒光銅納米顆粒.2004年，Dickson等［58］首次以DNA為模板合成了銀納米簇.銀納米簇具有高達30%的量子產率，為其用于細胞成像提供了有力支持.本課題組［73］設計了銀納米簇-核酸適配體探針用于腫瘤細胞的檢測和成像.Rotaru等［74］首次以雙鏈DNA為模板合成了熒光銅納米顆粒( CuNPs)，而單鏈DNA以及三鏈DNA不能有效地合成熒光CuNPs.2013年，本課題組［75］發(fā)現富T核酸單鏈可以作為模板合成熒光CuNPs(圖8).通過將富T核酸鏈固定在瓊脂糖凝膠中，做成“水凝膠試紙”，實現了水樣中銅離子的檢測( LOD=20 μmol/L).該方法可以避免水樣中酶的影響，能夠滿足國際組織對飲用水中銅離子安全上限的檢測要求［76］.因具有易合成、分散性好以及優(yōu)良的光譜性質等特點，使得CuNPs受到了廣泛關注，已應用于離子、核酸酶和核酸等的檢測［77～84］.

Fig.8　Poly( thymine) -templated selective formation of fluorescent copper nanoparticles［75］Copyright( 2013) from Wiley-VCH Verlag GmbH＆Co.KGaA，Weinheim.

胺基等基團對許多貴金屬離子如鉑離子、銀離子有很強的配位能力，所以含胺基等基團的聚合物常用于貴金屬納米簇的合成［54，56，57，65，85］.由于具有易合成、分散性好以及優(yōu)良的光譜性質等特點，以含胺基等基團的聚合物為模板的貴金屬納米簇已經用于硫化物等的檢測［86］.

2.3可增強或猝滅熒光的聚合物及其在信號轉換中的應用

雖然鮮腐竹、鮮豆皮的口感美味，但易腐爛變壞并招蠅蟲，有些商家會用甲醛浸泡以保持新鮮，顏色鮮亮。生蔬菜品要細查，在涮食前，應仔細檢查蔬菜的色澤和新鮮程度，并確保已清洗干凈再放入鍋內。

有些聚合物本身沒有熒光，也不能誘導熒光物質的合成，但是其存在會影響其它分子的熒光性質(熒光強度和熒光光譜等)，這類聚合物在熒光分析方法中也有一些應用.

環(huán)糊精聚合物是含有多個環(huán)糊精單體的高分子聚合物，不僅保持了環(huán)糊精單體的包絡識別功能，還具有溶解度增大、穩(wěn)定性增強、交聯劑效應及多價結合效應等優(yōu)點，并且具有顯著的熒光增強能力［87，88］.最近，本課題組［27，88～90］利用環(huán)糊精聚合物的增敏作用開展了一系列工作，發(fā)現β-環(huán)糊精聚合物可使標記在單鏈DNA上芘的熒光增強10倍以上，并將此現象用于DNA的檢測［88］.其原理如圖9所示.DNA探針( Py3-probe)上的芘與β-環(huán)糊精聚合物發(fā)生相互作用，導致熒光顯著增強，當有互補序列的目標DNA存在時，Py3-probe與目標DNA互補形成雙鏈，由于DNA雙鏈結構的剛性和空間位阻使標記在堿基上的芘脫離β-環(huán)糊精聚合物的空腔，致使探針熒光信號降低，從而實現了目標DNA的靈敏檢測.

其它聚合物(如核酸)與核酸嵌入型染料如溴化乙錠( EB)［91～93］，SYBR Gold和SYBR GreenⅡ［60，71］等結合后，可以增強染料的熒光.Zheng等［91］利用SYBR Gold嵌入核酸，結合目標物對核酸適配體的酶切保護作用，發(fā)展了一種免標記的通用型熒光分析方法用于離子、蛋白質和小分子的檢測.帶負電荷的聚合物可使苝聚集，導致其熒光猝滅［94～96］.Liao等［94］利用此現象發(fā)展了乙酰膽堿脂酶的熒光檢測方法; Wang等［95］利用帶負電荷的核酸存在下苝的聚集猝滅現象實現了溶菌酶的檢測.

Fig.9　Competitive host-guest interaction( CHGI) between β-cyclodextrin polymer and pyrene-labeled probes for fluorescence analyses［88］Copyright( 2015) from American Chemical Society.

3　聚合物作為骨架構建的熒光傳感探針

近年來，聚合物作為熒光傳感探針骨架的研究是生物分析領域一個非常值得關注的課題.Li等［9］利用聚合物兩親型嵌段聚合物作為骨架，構建了一種集多種成像和治療功能于一體的納米顆粒.以聚合物為骨架構建的熒光傳感探針克服了單獨染料分子在應用中存在的易聚集、光散射干擾及光漂白等缺點［97，98］，體現出如下優(yōu)點: ( 1)多價結合［11，99］，以聚合物作為骨架的傳感探針具有多個結合位點，提高了與目標分子的結合常數和檢測靈敏度; ( 2)信號放大作用［11，99］，以聚合物為骨架的熒光傳感探針包含大量熒光基團，靈敏度比傳統(tǒng)方法有顯著提高; ( 3)光學穩(wěn)定性好［97，98］，以聚合物為骨架構建的傳感探針的光學穩(wěn)定性比單獨染料分子明顯提高; ( 4)易于修飾［97，98］，聚合物上可以引入不同的活性基團，如氨基、羧基或者巰基等，以滿足不同的生物功能化需求; ( 5)生物相容性得到改善［97，98］，因為聚合物作為骨架可以在一定程度上隔絕染料分子與細胞的直接接觸; ( 6)實現多目標物檢測［100］，其原因是可以在聚合物上修飾多個識別單元.

目前，以聚合物作為骨架的聚合物熒光傳感探針的構建主要有2種方式:一種是通過化學接枝法將染料分子和功能基團修飾在聚合物的側鏈上;另一種是通過超分子自組裝形成熒光傳感探針.

3.1通過接枝法構建的聚合物熒光傳感探針

通過接枝法可以將多個功能基團和識別單元通過共價鍵連接在聚合物的側鏈上.如Yang等［99］(圖10)通過丙烯酰胺聚合的方法構建了側鏈上連接有多個sgc8( CEM細胞的核酸適配體)和熒光基團的聚丙烯酰胺聚合物.此探針對CEM細胞及其耐藥細胞具有非常好的識別能力，能通過聚合物本身的毒性殺傷目標細胞，并且側鏈上的多個熒光基團可以將識別信號轉換為熒光信號.該工作通過聚合物接枝法實現了人急性淋巴細胞白血病的診療一體化，是以聚合物作為傳感探針骨架的典型應用.

此外，通過接枝法還可在聚合物側鏈上連接多個功能基團以實現多種功能的一體化，提高熒光傳感探針的生物相容性等.如Zeng等［11］通過胱氨酸與賴氨酸聚合得到多肽聚合物骨架，然后在側鏈上連接有疏水基團和親水基團以及pH敏感基團，得到一種樹枝狀聚合物傳感探針，并用于miRNA的傳輸.此聚合物傳感探針是由天然氨基酸聚合而成，具有良好的生物相容性和可降解性.研究［11］還發(fā)現疏水基團和親水基團的引入有利于細胞的吞噬，通過pH敏感基團還可以進行細胞內pH傳感.

Fig.10　Engineering polymeric aptamers for selective cytotoxicity［99］Copyright( 2011) from American Chemical Society.

3.2通過超分子自組裝構建的聚合物熒光傳感探針

共價接枝法構建聚合物熒光傳感探針通常反應條件苛刻，需要多步化學合成及復雜的后續(xù)純化處理.通過超分子自組裝來構建傳感探針可以克服上述缺點，因為聚合物和功能團之間一般通過弱相互作用力(如氫鍵、范德華力，固體中的緊密堆積、疏水效應及π-π堆積)結合.超分子聚合物熒光傳感探針還具有刺激響應性和可逆性等優(yōu)勢，在熒光傳感、藥物輸送和治療等領域具有一定的優(yōu)勢.

Li等［9］利用兩親型嵌段聚合物的自組裝，構建了基于卟啉的診療一體化的多功能納米顆粒(圖11).該兩親型嵌段聚合物的親水端為聚乙二醇( PEG)，疏水端以賴氨酸為樹枝狀骨架，焦脫鎂葉綠酸a和膽酸為端點.該聚合物在水溶液中形成約20 nm的納米顆粒，可以吸收紅外區(qū)的光，具有光熱治療( PTT)和光動力學治療( PDT)的能力.由于此納米顆粒為自組裝形成，在細胞內兩親型嵌段聚合物分散開，使原本聚集猝滅的近紅外熒光恢復，因此不僅可以在低背景下進行腫瘤的近紅外熒光成像( NIRFI)，而且分散開后用于化療的藥物可以更好地作用于細胞.此外，焦脫鎂葉綠酸a的卟啉基團還可與Cu2+，Pd2+，Gd3+和Ga3+絡合，使得這種納米顆粒具有磁共振成像( MRI)和正電子放射成像( PET)的功能.此方法充分利用了可逆自組裝的優(yōu)勢，獲得了具有多種模式的診療一體化納米顆粒.

Fig.11　A smart and versatile theranostic nanomedicine platform based on nanoporphyrin［9］Copyright( 2014) from Nature Publishing Group.

本課題組［101］利用β-環(huán)糊精聚合物與2種熒光染料金剛烷-羅丹明B/金剛烷-熒光素之間的主-客體相互作用，構建了一種粒徑為30 nm的比率型熒光納米探針，并用于細胞內pH的檢測(圖12).此納米探針由環(huán)糊精構成，具有良好的水溶性和生物相容性，易于被細胞吞噬;并且金剛烷-羅丹明B對pH不敏感，而金剛烷-熒光素的熒光受pH影響，通過2種染料熒光強度的比率可以實現細胞內pH的檢測.Yan等［102，103］則利用β-環(huán)糊精聚合物與雙光子熒光染料DEASPI自組裝構建了粒徑約為50 nm的膠束，該膠束結合了環(huán)糊精聚合物和雙光子熒光染料的優(yōu)點，可以避免體系自發(fā)熒光的干擾，已用于腫瘤組織染色和細胞內Caspase-3的檢測.

綜上所述，與單獨染料相比，利用聚合物作為骨架構建的熒光傳感探針具有多價結合、信號放大、光學穩(wěn)定性好、易修飾、生物相容性好、多目標物同時檢測以及多功能一體化等優(yōu)勢;并且通過自組裝構建的聚合物熒光傳感探針具有刺激響應性和可逆性，可用于生物體內的刺激響應、靶向傳輸及可控釋放，在分析檢測和生物醫(yī)學等領域有望得到廣泛應用.

Fig.12　Self-assembled supramolecular nanoprobes for ratiometric fluorescence measurement of intracellular pH values［101］Copyright( 2015) from American Chemical Society.

4　結論與展望

雖然聚合物在保持單體性質的同時，還因聚合后單體之間的協同作用，在分子識別、信號轉換及多功能探針構建等方面表現出特有的優(yōu)勢，是熒光檢測領域廣泛應用的基礎材料，但是目前仍然存在一些問題和挑戰(zhàn)，需要在未來的研究工作中加以重視: ( 1)目前獲得可識別目標物的聚合物(如分子印跡聚合物和核酸適配體)的過程繁瑣、費時，為了更方便快捷地得到可識別相應目標物的聚合物，需要在分子水平上深入解析聚合物相關的分子識別機制和信號轉換機制; ( 2)將某些聚合物如分子印跡聚合物由有機相轉移至水相，提高水溶性，使其識別能力與抗體相當; ( 3)發(fā)展生物相容性好、易于合成修飾的新型聚合物材料，為熒光檢測領域的發(fā)展提供更多的材料基礎; ( 4)拓展聚合物熒光分析的目標物范圍，從小分子、蛋白甚至到活細胞，使聚合物在熒光檢測領域的應用越來越廣泛，成為實際的通用方法［12，14，16，53］.

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Application of Polymers in Fluorescence Analysis?

SONG Chunxia，YANG Xiaohai*，WANG Kemin*，WANG Qing，LIU Jianbo，
HUANG Jin，LI Wenshan，HUANG Haihua，LIU Wei
( State Key Laboratory of Chemo/Biosensing and Chemometrics，College of Chemistry and Chemical Engineering，Key Laboratory for Bio-Nanotechnology and Molecular Engineering of Hunan Province，Hunan University，Changsha 410082，China)

Abstract Polymers are macromolecular compounds built up from single or numerous kinds of monomers.The common materials in production and living( for example protein，nucleic acid，starch，fiber，plastic and rubber，etc.) are included in this category.Owing to the unique properties after polymerization and their monomers，polymers have been extensively used in fluorescence analysis as fundamental materials: target recognition can be realized through polymers interact with target molecules through intermolecular forces ( hydrogen bond，hydrophilic and hydrophobic function，and van der Waals’force，etc.) ; certein polymers can transform the molecular recognition event to easily recognizable fluorescence signal，and then fluorescence signal transformation and amplification could be realized; certein polymers have been used as framework of flourescence probes，therefore the recognition capacity of fluorescence probes are improved due to multivalency effect，and multifunction devices are constructed based on the conjugation of different functional units.In this paper，the research and application of polymers in molecular recognition，signal transformation and as framework of probes were reviewed.

KeywordsPolymer; Fluorescence analysis; Molecular recognition; Signal transduction; Framework of fluorescence probe

( Ed.: N，K)

?Supported by the National Natural Science Foundation of China( Nos.21190044，21175035) and the National Basic Research Program of China( No.2011CB911002).

基金項目:國家自然科學基金(批準號: 21190040，21175035)和國家“九七三”計劃項目(批準號: 2011CB911002)資助.

收稿日期:2015-10-15.網絡出版日期: 2016-01-14.

doi:10.7503/cjcu20150796

中圖分類號O652

文獻標志碼A

聯系人簡介:羊小海，男，博士，教授，博士生導師，主要從事核酸分子探針及生物傳感器的研究.