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冠醚化螺吡喃主-客体识别作用的光/pH双响应锂离子纳米孔道的设计与分析应用
李书婷1
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摘要
目的：本学位论文报道一种锂离子（Li+）固态纳米孔道的刺激-响应行为、跨膜离子输运、电化学机理及分析应用研究。设计并制备冠醚化螺吡喃（CE-SP）修饰的Li+纳米孔道，以离子电流为信号输出，探究光/pH双重刺激下纳米孔道对Li+的识别行为；通过有限元模拟揭示限阈空间下离子传输的基本规律和电化学机理；并以此构建Li+定量分析新方法，为临床抗精神病药物碳酸锂（Li2CO3）的浓度监测提供新的技术手段。 方法：（1）通过Fischer吲哚反应、烷基化反应以及缩合反应，制备得到响应性功能分子CE-SP。（2）采用质谱（MS）、核磁共振谱（1H-NMR、13C-NMR）和红外光谱（IR）对合成产物进行表征。（3）通过紫外-可见光谱（UV-Vis）研究CE-SP络合Li+以及紫外光刺激后的光谱学特征。（4）通过1H NMR滴定法测定CE-SP与Li+之间的络合常数，探究CE-SP识别Li+的能力。（5）以多孔阳极氧化铝（AAO）膜为基底材料，通过硅烷化反应和酰胺化反应将CE-SP组装到AAO纳米孔道内，构建一种具有光/pH双响应的Li+纳米孔道。（6）采用X-射线光电子能谱（XPS）、能量散射谱（EDS）和接触角（CA）等技术手段表征制备的Li+纳米孔道。（7）通过I-V曲线探究了Li+纳米孔道在光/pH响应下的Li+识别行为。（8）基于泊松-能斯特-普朗克（Poisson-Nernst-Planck）方程，采用COMSOL Multiphysics5.4软件对Li+纳米孔道进行有限元模拟，探讨纳米限阈空间下离子传输的电化学基本规律。（9）考察Li+纳米孔道响应的特异性、稳定性、可逆性以及电驱动Li+释放等性能。（10）以离子电流为信号输出，定量检测血液中Li+浓度。 结果：（1）MS、1H-NMR、13C-NMR、IR以及异核多量子相关谱（HMQC）证实响应性功能分子CE-SP成功制备；XPS、EDS和CA测试表明CE-SP成功修饰于AAO纳米孔道内。（2）UV-Vis分析结果表明CE-SP在紫外光照射下可以转变为冠醚化花青素（CE-MC），且CE-SP能有效识别Li+。核磁共振滴定及数学拟合计算得到CE-SP与Li+的络合常数为20.6M-1，显示CE-SP对Li+具有较强的络合能力。（3）I-V曲线测试结果表明，当pH为3.5时，CE-SP修饰的纳米孔道识别Li+引起的离子电流信号变化率约为72%；UV刺激后，CE-SP转变为CE-MC，此时纳米孔道识别Li+引起的离子电流信号变化率约为51%。进一步地，当介质pH为7.5时，结合Li+后，跨膜离子电流信号变化可达85%。展示了制备的纳米孔道在识别Li+后，可以通过外界光和pH刺激调控跨膜离子传输。（4）有限元模拟证实了Li+响应性纳米孔道在光/pH刺激下孔道内的表面物理化学性质的演变：pH3.5条件下，当结合Li+后，经UV照射，疏水的电中性CE-SP转变为相对亲水的带正电荷CE-MC，使得孔道内表面电荷密度增大，阴离子富集（如Cl-），导致跨膜离子流量增加；当pH为7.5时，螺吡喃分子中的羟基解离，与冠醚空穴中的Li+产生离子键作用，从而增强对Li+的捕获，使得孔道表面的电荷密度进一步增大，跨膜离子流量继续增加。另外，CA测试也证实了光/pH刺激下孔道亲疏水性的变化。即孔道表面电荷和润湿性均能介导离子电流的变化。（5）当外界电压为6V时，可有效驱动捕获的Li+释放，并且对Li+的捕获-释放行为可循环发生，具有良好的可逆性。（6）实验表明构建的Li+纳米孔道稳定性好，对Li+识别特异性高（可排除常见的金属离子的干扰）。特别地，该纳米孔道对光/pH刺激同样具有很好的响应可逆性。（7）定量分析时，离子电流信号变化与Li+浓度对数之间呈现良好的线性关系（R2=0.9905），线性响应范围为10nM~50mM。用于血液中Li+浓度测定时，方法回收率为94.0~106.7%，相对标准偏差小于5%。 结论：本研究设计合成冠醚化螺吡喃分子（CE-SP），并制备了一种基于AAO膜的Li+纳米孔道，功能分子中的冠醚可特异性结合Li+，螺吡喃单元则赋予了孔道对外界光/pH刺激的响应性，两者共同调控对Li+的识别行为和能力。有限元模拟从理论层面揭示了纳米限阈空间下Li+结合事件中，通过光/pH刺激改变孔道内界面电荷密度及亲疏水性调控跨膜离子转运行为。重要的是，可以在比较温和的条件下，实现Li+的释放。定量检测血液中Li+浓度，结果令人满意。该研究为构建功能化响应性纳米孔道提供了新的研究思路和技术手段，并为临床药物检测以及环境分析提供了新的分析方法。
关键词
抗精神病药物/碳酸锂/浓度检测/锂离子固态纳米孔道/冠醚化螺吡喃/离子电流/光响应性/氢离子浓度指数引用本文复制引用
授予学位
硕士学科专业
药物分析学导师
李新春学位年度
2021学位授予单位
广西医科大学语种
中文中图分类号
R9