郭錦周，鄭仁林

(1 西南科技大學(xué)生命科學(xué)與工程學(xué)院，四川 達州 635000；2 西南科技大學(xué)生命科學(xué)與工程學(xué)院，四川 綿陽 621000)

熒光水凝膠是一種特殊的高分子凝膠，因其特殊的發(fā)光性質(zhì)而受到了許多研究者的關(guān)注[1]。熒光水凝膠是熒光劑和水凝膠的結(jié)合體，不僅具有水凝膠的優(yōu)點，還具有熒光劑的優(yōu)異性能。Su等[2]研究發(fā)現(xiàn)，熒光水凝膠通過調(diào)節(jié)發(fā)色團和激發(fā)態(tài)環(huán)境，來改變熒光水凝膠的狀態(tài)及其發(fā)射光譜的變化。肽分子具有的分子間疏水作用力可以促使自身自組裝[3]。其分子結(jié)構(gòu)中的疏水基排列在內(nèi)側(cè)，而外側(cè)的親水基以互補的離子形式相互連接且呈現(xiàn)橫向交替排布，促使肽分子聚合成具有穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的短肽或多肽等[4]，最終與熒光水凝膠結(jié)合，再經(jīng)凝膠化得到了短肽熒光水凝膠[5-6]。

1 制備原理

熒光水凝膠按其制備方法的不同大致可分為三類，有自組裝、聚合、交聯(lián)等[2]。其中，自組裝是指在沒有人為干預(yù)的情況下，小結(jié)構(gòu)單元自發(fā)排列形成有序結(jié)構(gòu)的過程，存在于自然和非自然系統(tǒng)中[7]。短肽熒光水凝膠就屬于自組裝水凝膠，其以疏水作用力、氫鍵和靜電作用力等作為肽自組裝的自組裝驅(qū)動力。在短肽的合成過程程中，肽分子首先通過肽鍵連接成一條肽鏈，然后在經(jīng)過外力的作用形成二級結(jié)構(gòu)(圖1)[8]，二級結(jié)構(gòu)進一步在分子作用力的條件下進行自組裝，最終形成穩(wěn)定性較好的凝膠。Seow等[9]在自己制備的短肽水凝膠中發(fā)現(xiàn)，肽在溶液中堆積，從隨機線圈演變成a螺旋，最后隨著濃度的增加并到達臨界凝膠化濃度，構(gòu)成了b-轉(zhuǎn)構(gòu)象[10]。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，短肽熒光水凝膠的含水量也發(fā)揮著重要的作用。它不僅影響水凝膠的穩(wěn)定性和溶解性，還對凝膠中的熒光強度有影響。當水凝膠中的水分較少時，分子被固定在一定位置，分子間的碰撞受到分子鏈的限制，氫鍵數(shù)目增多，從而實現(xiàn)熒光增強。

圖1 肽分子自組裝二級結(jié)構(gòu)Fig.1 Self-assembled secondary structure of peptide molecules

2 短肽熒光水凝膠

2.1 Fmoc-D-丙氨?；臒晒馑z

9-芴甲氧基(Fmoc)是合成短肽過程中的一種重要的保護基，使其順利合成短肽。其中Fmoc中的9-芴甲氧羰基保護基(圖2)可以保護氨基酸的氨基不被破壞[11]，且還具有被生物體內(nèi)酶溶解和一定的生物學(xué)活性[12]，因此用于合成Fmoc-D-丙氨?；?。Ma等[13]先將Fmoc-D-丙氨酸的羧基進行縮合，然后再用羧基活化劑將其活化，再以混合的有機溶劑作溶劑，在弱堿性條件下合成了Fmoc-D-丙氨?；?圖3)。之后將所制得的Fmoc-D-丙氨?；呐c熒光劑依次加入液態(tài)水凝膠中，冷卻后就得到了Fmoc-D-丙氨?；臒晒馑z。其進一步檢測溫度和酸堿度對該凝膠的影響，酸根陰離子因帶有電子，且該二肽也帶有電子，兩者不易連接成鍵，所以對這種水凝膠形成的影響不顯著；再對溫度研究，由于肽鍵不耐高溫，導(dǎo)致該凝膠在高溫時結(jié)構(gòu)被破壞，所以溫度對這種水凝膠形成的影響較為顯著。

圖2 9-芴甲氧羰基保護基Fig.2 9-fluorene methoxycarbonyl protective group

圖3 Fmoc-D-丙氨?；暮铣赏緩紽ig.3 Synthesis pathway of Fmoc-D- alanyl dipeptide

2.2 谷氨酰胺轉(zhuǎn)氨酶熒光水凝膠

谷氨酰胺轉(zhuǎn)氨酶(Transglutaminase，TGase)是生物界內(nèi)一種重要的蛋白酶，其主要的運用是催化不同蛋白分子之間谷氨酰胺殘基與伯氨基的交聯(lián)反應(yīng)，從而形成異肽鍵實現(xiàn)組分蛋白間的交聯(lián)[14-15]。Zhang等[16]利用固相合成方法合成了四種短肽分子Ac-I2～4QGK-NH2和Ac-F2QGK-NH2(見圖4)，再加入TGase和熒光劑，利用其酶促反應(yīng)(見圖5)制備成水凝膠。制備成功后，通過質(zhì)譜法、高效液相色譜法等的測定發(fā)現(xiàn)，對于加入TGase和熒光劑的水凝膠體系，熒光強度隨著其濃度的增加而增加。這是由于電子的躍遷，促使了熒光的發(fā)射，當電子從最低激發(fā)態(tài)躍遷到基態(tài)時發(fā)射出光子即產(chǎn)生了熒光。

圖4 Ac-I2～4QGK-NH2和Ac-F2QGK-NH2系列短肽Fig.4 Short peptides of AC-I2～4QGK-NH2 and AC-F2QGK-NH2 series

圖5 谷氨酰胺轉(zhuǎn)氨酶酶促反應(yīng)Fig.5 Glutamine transaminase enzymatic reaction

2.3 Zn卟啉芳香基短肽水凝膠

隨著短肽水凝膠的發(fā)展，越來越多的研究表明，短肽類自組裝材料有一定的光電性質(zhì)，甚至超過了傳統(tǒng)半導(dǎo)體光電材料[17]。研究發(fā)現(xiàn)通過對芳香基短肽合成條件的控制[17-18]，可以控制其結(jié)構(gòu)的形貌，進而使其具有光電特性[19](見圖6)。Feng等[20]將色素分子Zn卟啉摻雜進芳香基短肽水凝膠中，其合成了具有光電特性的凝膠材料，且凝膠中的肽骨架結(jié)構(gòu)接受著光電子，促進電荷的分離和光電子的產(chǎn)生。經(jīng)過FTIR和CD譜測試表明該凝膠中的肽纖維具有b折疊的二級結(jié)構(gòu)；光電子測試證明了該凝膠具有顯著的光響應(yīng)特性。因此，這種雜化水凝膠在太陽能轉(zhuǎn)化方面具有極大的應(yīng)用潛力。

圖6 Zn卟啉芳香基短肽光電子產(chǎn)生原理Fig.6 Photoelectron generation principle of Zn porphyrin aromatic short peptide

3 應(yīng)用研究

3.1 藥物輸送

氨基酸和短肽是人體內(nèi)必不可少的一類物質(zhì)，它與人體的生理活動和疾病治療有著密不可分的關(guān)系。使用合適的給藥系統(tǒng)可以保證較高的藥物利用度，并能長時間發(fā)揮藥效，減少藥物的給予量和對身體的危害。熒光凝膠具有良好的發(fā)光性質(zhì)，能通過熒光強度來觀察藥物的運輸狀況，且無毒副作用，成為一種適合藥物運輸?shù)牟牧蟍21-22]。例如Te熒光水凝膠[23]就是通過檢測相關(guān)部位熒光的分布，然后Te-巰基-二硫鍵在細胞內(nèi)斷裂，導(dǎo)致納米材料3D網(wǎng)絡(luò)的破壞，進而精準釋放藥物。

3.2 重金屬離子檢測

重金屬離子污染已經(jīng)成為危害生態(tài)環(huán)境和人類健康的全球性問題[24]。熒光水凝膠具有優(yōu)異的含水量和獨特的發(fā)光性能。它可以進一步改造，用于檢測重金屬和其他環(huán)境污染物[25]。因熒光水凝膠中含有熒光物質(zhì)，所以將其做成檢測金屬離子的熒光探針。并且對于重金屬離子的檢測，純脂肪族的熒光材料比傳統(tǒng)的芳香族熒光材料更容易被接受，因為它們在產(chǎn)生熒光時不容易光降解和老化[26-27]，所以可以把短肽熒光水凝膠中的短肽換成含脂肪族的短肽，這樣就能提高熒光的強度，達到檢測重金屬離子的效果。

3.3 傳感器

基于熒光的傳感器已經(jīng)被常規(guī)用于生物學(xué)、生理學(xué)、藥理學(xué)和環(huán)境科學(xué)。由于其生理相容性，熒光凝膠傳感器引起了醫(yī)學(xué)界的廣泛關(guān)注。傳感器具有獨特的光譜特性，對熒光強度的變化感知較為靈敏。而其中的短肽主要起穩(wěn)固水凝膠的作用。例如，Weng等[28]報道了基于Eu-亞氨基二乙酸酯(Eu-IDA dynamic)配位的短肽熒光水凝膠，該凝膠適合制備成傳感器，因為其在pH、溫度、金屬離子、超聲波處理以及各種力刺激下可以動態(tài)斷裂和鍵合，并且可以切換光器件和溶膠與凝膠的轉(zhuǎn)換。這些優(yōu)點使其成為傳感器后能更好的檢測疾病的發(fā)生與治療。

4 結(jié) 論

短肽的熒光水凝膠是一種生物相容性和生態(tài)友好的高分子物質(zhì)。這種肽由蛋白質(zhì)氨基酸殘基組成，其合成過程是一種綠色化學(xué)方法。目前，熒光水凝膠已廣泛應(yīng)用于傳感器、生物成像探針、組織修復(fù)和環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域。然而，熒光水凝膠也有一定的缺陷。例如，通過非共價相互作用制備的凝膠由于凝膠之間的弱相互作用而其機械穩(wěn)定性較差。

綜上所述，基于熒光水凝膠的良好前景，現(xiàn)階段的短肽熒光水凝膠仍需要進一步改進研究，加速完善短肽熒光水凝膠缺陷，制備更好的短肽熒光水凝膠顯得尤為重要。使其具有更多的生物學(xué)功能，推動了化工技術(shù)、生物技術(shù)的進步，從而服務(wù)于人類的疾病治療。