摘要
化学传感是超分子化学的一个重要分支，近年来引起了国内外专家学者的广泛关注，尤其是针对一些在动植物生命过程和环境中起重要作用的生物小分子的识别。设计具有高选择性和高灵敏性的生物小分子识别主体倍受青睐，同时也颇具挑战性。基于超分子聚集的化学传感体系，作为化学传感领域的新兴分支，相比于传统的小分子化学传感器，往往具有更高的灵敏度和选择性，以及识别单元简单易得等独特优势。本论文以此为出发点，考察了通过对硼酸基有机染料的诱导聚集、解聚以及聚集体的相互转化过程实现糖基生物小分子的识别。本论文共分为以下五章: 第一章简要介绍了硼酸与邻二醇结合的基本原理以及结合过程所涉及的影响因素，并举例分析硼酸基传感体系对含糖物质的识别原理以及该类传感器设计过程中需要注意的问题。同时简要介绍了苝酰亚胺、花菁等有机染料的H-型和J-型聚集及其影响因素。最后，举例介绍了超分子聚集体应用于化学传感的途径及其优越性。在此基础上提出本论文的研究设想。 第二章介绍了一种通过超分子自组装过程有效提高生物相关物种荧光检测性能的新思路。我们设想若使荧光传感分子形成H-型聚集体，荧光淬灭，从而降低检测背景。当结合待检测的生物相关物质时，聚集体解离荧光物质被更好地保护于疏水环境导致更强的发射信号。同时，聚集态的荧光染料在一定程度上增强与检测物种的作用。因此，低的背景，高的结合能力和强的输出信号大幅提升了识别性能，聚集/解聚过程伴随的信号放大也会改进识别的选择性。为了证实这一作用原理，我们设计合成含有两个硼酸基团的近红外花青染料(Cy-BA)，其中Cy-BA中的硼酸可与ATP中的顺式二醇结合。在浓度低于其临界聚集浓度(CAC)的阳离子表面活性剂十二烷基三甲基溴化铵(DTAB)存的水溶液中，Cy-BA形成H-型聚集体，荧光几乎完全淬灭，降低了背景干扰。在DTAB存在下，向Cy-BA溶液中加入ATP，观察到Cy-BA的近红外荧光显著增强，其原因是Cy-BA中硼酸与ATP的顺式二醇结合，形成带有较多负电荷的结合体，带负电荷的硼酸盐和ATP中三重磷酸根阴离子与DTAB的阳离子极性端相互作用形成超分子囊泡，使得近红外染料较好的分散并处于疏水微环境。尽管硼酸与顺式邻二醇的动态结合与静电作用均较弱且不具备选择性，然借助多种弱相互作用的协同性实现了对ATP的高选择性和高灵敏度(LOD90 nM)检测。 第三章提出了另一种新颖的传感策略，即通过诱导有机染料聚集形态的转化来实现对生物相关物种的高性能识别。基于该思路，设计合成含有两个硼酸基团的近红外花青染料(IR-DBA)。两个硼酸单元处于花菁骨架的异侧，空间距离与NADH两个核糖间距相近，以期实现对复杂糖基生物分子NADH的选择性识别。实验发现，当IR-DBA与NADH中的两个顺式二醇单元结合时，可引起IR-DBA的聚集形态自J-型转化为H-型，引起显著的光谱变化，实现了对NADH的选择性识别，最低检测限为21 nM。借助花青染料的聚集体可以增强IR-DBA中硼酸基与NADH中邻二醇的相互作用，该作用诱导花菁染料J-型聚集体转化为H-型，聚集体转换过程涉及信号放大，可以增强NADH传感的选择性和灵敏度。该部分工作通过简单的硼酸基有机染料超分子聚集体实现了对含有多个结合位点之生物分子的识别，为复杂生物分子的高效传感提供了一种新思路。 第四章介绍了含有苯硼酸基团的非手性阳离子型苝-3，4-二甲酰亚胺(1)在UMP和Hg2+协同作用下形成五组分超分子螺旋聚集体。在选定溶剂条件下，染料1以单体形式存在，分别加入UMP或Hg2+时仍以单体形式存在。有趣的是，当1与UMP和Hg2+共同混合时发生螺旋聚集，说明此时形成了1-U-Hg2+-U-1形式的五组分结合体。实验发现，在非手性苝酰亚胺染料聚集体的吸收带观察到强烈的激子耦合CD信号，其原因是UMP分子中的手性信号通过聚集作用转移到1-U-Hg2+-U-1聚集体，形成右手螺旋聚集体。由于1/UMP和UMP/Hg2+之间的相互作用较弱，因此，推断1-U-Hg2+-U-1聚集体形成过程具有明显的协同作用。计算得到该聚集体的g因子达到1.4×10-2，高于普通的手性传递过程，可证实协同作用的存在。总而言之，本章我们提出了原位构建多组分聚集单元的新策略，即通过多重弱相互作用的协同过程。该思路可有效减轻聚集单元的合成，同时可以提高弱作用物质的相互选择性，预测超分子聚集体的各种功能。 第五章设计合成一边为硼酸基团一边含正电荷的两亲性苝酰亚胺衍生物PBI-MBA。向苝酰亚胺中同时引入硼酸和带正电荷的季铵盐，不仅提高了化合物的溶解性，同时引入了更多结合位点。两亲性染料PBI-MBA在甲醇中以单体形式分散，在水中则形成H-型聚集体。选取恰当的甲醇/水比例，调节溶液酸碱度使硼酸电离带负电荷，借助亲疏水作用、π-π堆积作用和静电作用，促使PBI-MBA形成头尾相对的H-型二聚体，该二聚体同时含有硼酸和季铵盐正电荷多个结合位点，与NADH分子中核糖邻二醇及带负电荷的磷酸根作用位点匹配。研究结果表明，NADH可诱导PBI-MBA二聚体进一步聚集形成H-型聚集体，因而引起溶液光谱以及颜色发生明显变化，实现了NADH的识别。由于聚集过程伴随协同效应和信号放大现象，该识别体系增强了硼酸与邻二醇作用的结合常数，提高了对NADH检测的灵敏度。此外，结合位点的空间位置高度匹配性使得PBI-MBA对NADH的识别具有较高的选择性。
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