摘要
金属元素以不同的丰度广泛存在于自然界之中，并在生物体内发挥多样性的生理功能。随着现代社会和工业的发展，金属离子滥用和过度排放已成为严重的生态污染问题，也对人类的健康造成严重威胁。不同复杂体系（生命、环境等）对金属离子的分析检测提出了不同需求。从金属离子配位化学及其与生物分子的相互作用出发，构建识别亲和力与选择性可调的组装体系，发展金属离子原位生物传感分析新方法和分离新材料，可望为金属离子的生理和环境毒理分子机制研究提供新工具和新方法。围绕下述研究思路，本论文开展了以下工作: 针对汞离子(Hg2+)生物毒性大，而现有分析方法存在选择性不足、响应时间较长、原位检测兼容性较差的问题，从具有金属离子识别功能的生物分子结构出发，通过氨基酸残基和肽键的选择，设计合成了一系列三肽分子，构建具有离子识别诱导荧光打开效应的探针。发现简单改变肽键或者单个氨基酸残基可调控Hg2+的响应和自组装行为，筛选得到Hg2+高亲和、高特异性识别的多肽探针Pep2-TPE。利用扫描电镜、圆二色光谱、显微红外、高分辨质谱等手段，观测并解析了多肽探针在Hg2+诱导下形成的多级手性纳米纤维超分子组装体。利用Pep2-TPE良好的生物相容性及其快速、特异性的Hg2+响应信号，建立了活细胞和模式动物中Hg2+的成像示踪新方法，跟踪分析了Hg2+在细胞和动物组织中的分布，为Hg2+毒理的分子机制研究提供新工具和新方法。 针对交界酸(borderline acid)金属离子，如铅离子(Pb2+)，灵活特殊的配位化学性质，在复杂生物体系中特异性识别难、干扰人的问题，以金属离子亲和的氨基酸为基元，以路易斯软硬酸碱理论为指导，开展了新型多肽分子的设计及其配位亲和性质和构型的调控研究。获得了与pb2+具有高亲和力、高选择性结合的多肽GSSH-2TPE，不仅可在19种不同性质的金属离子中对pb2+有特异性开关响应，而且具有结合快速、离子诱导超分子组装和灵敏度高的特点，检出限低至1.5nM。机理研究表明，多肽结构中“软-硬”适中的配位官能团及其特殊的分子构型对pb2+特异性识别起重要作用。利用GSSH-2TPE内源性物质干扰小、无背景荧光的性质，实现了活细胞中pb2+的成像检测和亚细胞定位分析，GSSH-2TPE能够检测pb2+浓度变化响应的生物分布变化，为预测pb2+可能的生物危害通路提供信息。 针对有害金属离子污染对广谱亲和分离材料的需求，利用金属-有机框架材料UiO-66多孔、高的比表面积和化学稳定性的特点，开展了混合配体UiO-66的设计筛选。经过不同官能团和配体汁量比的优化，获得了对不同价态、不同性质金属离子具有广谱、快速吸附能力的协同型分离材料。初步实验结果显示，混合配体UiO-66对共存的15种离子具有非常好的吸附效果，实际自来水加标样品中，吸附率达90％以上，在复杂样品金属离子分离捕获、混合离子高效负载方面的潜在应用价值。
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