一种识别甲醛的近红外荧光聚合物探针及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种识别甲醛的近红外荧光聚合物探针及其制备方法和应用，具体公开了式Ⅰ结构的近红外荧光聚合物探针。本发明专利技术提供的聚合物探针是由近红外荧光分子与生物相容性壳聚糖经过化学反应而成，其中，所述近红外荧光分子作为近红外荧光响应单元，能够与甲醛发生化学反应发出红光，实现对甲醛的特异性响应；壳聚糖作为聚合物的主链构成单元，赋予聚合物探针良好的水溶性和生物相容性。本发明专利技术提供的近红外荧光聚合物探针可用于水溶液中、活细胞内及活体内的甲醛检测及成像，在环境监测、生物成像与传感方面具有重要的应用前景。

A Near Infrared Fluorescent Polymer Probe for Recognition of Formaldehyde and Its Preparation and Application

【技术实现步骤摘要】
一种识别甲醛的近红外荧光聚合物探针及其制备方法和应用
本专利技术属于高分子材料与化学传感器领域，具体涉及一种识别甲醛的近红外荧光聚合物探针及其制备方法和应用。
技术介绍
甲醛是一种具有特殊刺激性气味的无色气体，被确认为具有强烈的致癌和促癌作用，对人的眼睛、鼻、呼吸道和皮肤等易暴露器官产生伤害。目前，生活环境中甲醛主要来源于酚醛及脲醛树脂、纺织品助剂和防腐剂等人类生产活动以及某些有机化合物的代谢和降解。甲醛也是人体内源性物质，可以通过氨基脲敏感胺氧化酶和赖氨酸特异性组蛋白去甲基化酶1等生物酶催化产生。研究发现，甲醛对人的空间记忆和认知能力的形成起着重要作用。然而，当血液中甲醛浓度超标时，会导致一些疾病的发生，比如癌症、神经组织退化、糖尿病、老年痴呆症和慢性肝功能紊乱等。因此，有效地监测或监控生物样品或环境样品中的甲醛具有重要的现实意义。目前，一些用于甲醛检测的小分子荧光探针已有报道。专利CN201610077333和专利CN2015109227960涉及的探针荧光最大发射波长仅530nm，离理想的近红外成像窗口650-900nm差距较大，这会给细胞带来光致毒性，还会诱导组织自发荧光干扰(短波长的发射光成为组织中生物荧光分子的激发光)；已报道的荧光探针多是非水溶性的荧光有机小分子，这些荧光小分子在生物环境中容易被生物酶破坏，限制了其在生命科学、医学等领域中的应用。因此，设计合成出既适用于溶液环境中甲醛检测，又适合于细胞内甲醛水平检测，并且探针使用量少、安全低毒、实现对细胞内甲醛的监测，以便进一步辅助相应疾病治疗和病理的研究，是本领域人员需要不断去探索和创造的内容。
技术实现思路
为了克服现有技术中的上述缺陷，本专利技术旨在提供一种识别甲醛的近红外荧光聚合物探针及其制备方法和应用。本专利技术的核心在于利用方酸菁近红外荧光和壳聚糖生物相容性。与小分子荧光探针相比，本专利技术的聚合物探针是以廉价易得的壳聚糖聚合物链为基础，利用多个肼-方酸菁识别位点和邻近羟基的协同结合作用来富集低浓度甲醛污染物。因此，甲醛与探针的特异性化学反应显著加快，缩短荧光响应时间、提高响应灵敏度。本专利技术的第一目的是提供一种识别甲醛的近红外荧光聚合物探针，解决现有甲醛传感器细胞毒性、稳定性和水溶性问题。本专利技术所述的识别甲醛的近红外荧光聚合物探针，其通式结构为式Ⅰ：式Ⅰ。本专利技术第二个目的是提供所述识别甲醛的近红外荧光聚合物探针的制备方法，具体步骤如下：以壳聚糖为聚合物主链，通过酰胺化反应引入识别甲醛的方酸菁衍生物即红外荧光分子，得到含有联氨-方酸菁衍生物基团的壳聚糖衍生物。优选的，所述近红外荧光分子具有式Ⅱ结构：式Ⅱ。优选的，所述壳聚糖与近红外荧光分子Ⅱ的质量份数为：壳聚糖1～3份，近红外荧光分子Ⅱ5～10份。优选的，所述壳聚糖的分子量Mw为5kDa～20kDa，脱乙酰度为0.8～0.95。优选的，所述组合催化剂为N-羟基丁二酰亚胺和1-乙基-(3-二甲氨基丙基)碳二亚胺。优选的，所述N-羟基丁二酰亚胺、近红外荧光分子Ⅱ与1-乙基-(3-二甲氨基丙基)碳二亚胺的摩尔比为1:1:3-5。优选的，所述酰化反应在室温条件下进行，反应时间为12-48h。本专利技术的第三个目的是提供一种识别甲醛的近红外荧光聚合物探针在特异性检测水溶液中甲醛的应用。本专利技术的第四个目的是提供一种识别甲醛的近红外荧光聚合物探针在可特异性检测细胞内源性或外源性甲醛中的应用。与现有技术相比，本专利技术的优点在于：1)本专利技术提供的识别甲醛的近红外荧光聚合物探针是生物相容性的，探针结构中的壳聚糖组分保证了探针的水溶性和细胞相容性；2)本专利技术提供的识别甲醛的近红外荧光聚合物探针生色团以化学键结合在高分子中，不容易脱落；3）本专利技术提供的识别甲醛的近红外荧光聚合物探针生色团分布均匀，含量稳定，发光性能和光导性能良好；4)本专利技术提供的识别甲醛的近红外荧光聚合物探针，具有良好的光稳定性，其吸收波长为663nm，发射波长为698nm，在生物安全近红外(NIR)窗口650-900nm范围内，具有荧光“关-开”型响应，能大大消除检测时检测背景对结果的干扰，提高检测的准确度；5）本专利技术提供的方酸菁类染料的“关-开”型甲醛探针对甲醛溶液具有良好的响应，能够实现对细胞内甲醛的检测，具有成本低廉、响应灵敏、易于推广和应用等优点。附图说明图1为本专利技术的识别甲醛的近红外荧光聚合物探针的紫外-可见吸收光谱；图2是本专利技术实施例1中探针随不同当量甲醛的加入荧光谱图的变化情况，图中，从下至上，甲醛浓度依次为0、2、4、6、8、10、12、16、32μmol/L的荧光光谱；图3是本专利技术实施例1中探针与2当量甲醛在1min内，698nm处荧光强度值随时间变化的光谱图；图4是本专利技术实施例1中探针对不同干扰分析物的选择性柱状荧光数据图；图中，1半胱氨酸、2谷胱甘肽、3乙醛、4乙二醛、5苯甲醛、6甲醛、7葡萄糖；图5是实施例1中探针在HeLa细胞中甲醛响应的荧光成像图，其中，图5(a)是参照组，5(b)是实验组。具体实施方式下面结合附图对本专利技术的技术方案作进一步说明。本专利技术的识别甲醛的近红外荧光聚合物探针，其分子结构式如式Ⅰ：式Ⅰ其中，n=30～120。本专利技术提供的识别甲醛的近红外荧光聚合物探针的制备方法包括如下步骤：以壳聚糖作为聚合物主链，近红外荧光分子为可激活荧光功能分子，通过壳聚糖的氨基与近红外荧光分子的羧基发生酰胺化反应，为壳聚糖引入具有能够特异性识别甲醛而“开启”近红外荧光功能分子，得到能识别甲醛的近红外荧光聚合物探针。本专利技术使用的近红外荧光分子具有式Ⅱ结构：式Ⅱ壳聚糖是天然生物高分子，来源极为广泛、安全无毒，价格低廉，与合成高分子相比，具有良好的生物相容性和生物可降解性，因此，以壳聚糖为原料，制得的聚合物探针作为溶液或细胞中甲醛探针具有很高的环境友好性和生物安全性。实施例1识别甲醛的近红外荧光聚合物探针的制备取3.0g壳聚糖（Mw=10kDa，DA=0.85）溶于25mLN,N´-二甲基甲酰胺(DMF)中，在通氮气保护下加入5.0g近红外荧光分子Ⅱ和5mL含0.01mol的N-羟基丁二酰亚胺（NHS），搅拌后再加入0.04mol1-乙基-(3-二甲氨基丙基)碳二亚胺（EDC），室温条件下搅拌反应24h。在去离子水中透析两天、真空冷冻干燥，得到目标探针，放于紫外吸收光谱仪中进行测试，得到图1所示紫外-可见吸收光谱，可见目标近红外荧光探针在水溶液中的最大吸收峰位于663nm处。实施例2近红外荧光聚合物探针与不同当量甲醛反应的荧光光谱变化取实施例1制备的探针溶于DMF中，制成浓度为0.5mmol/L探针母液（探针的浓度为0.5mmol/L）；将质量分数为37%的甲醛溶液加入蒸馏水，配制成甲醛浓度为1mmol/L的甲醛母液。从探针母液中取出60μL加入到5mL离心管中，加入不同当量（0-2eq）的甲醛母液,所述当量是指甲醛母液中甲醛的摩尔数相对于探针母液中探针的摩尔数的倍数，取1.44mLDMF和浓度25mmol/L、pH7.4的不同体积PBS水溶液稀释至3mL，配置成探针浓度为10μmol/L、含50%DMF的测试溶液。采用荧光光谱仪测试探针与不同当量甲醛反应液的荧光光谱变化（激发波长为650nm），如图2所示。由图2可见，随着甲醛加本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种识别甲醛的近红外荧光聚合物探针，其特征在于，所述聚合物探针具有式Ⅰ的通式结构：

【技术特征摘要】
1.一种识别甲醛的近红外荧光聚合物探针，其特征在于，所述聚合物探针具有式Ⅰ的通式结构：其中n＝30～120。2.权利要求1所述的识别甲醛的近红外荧光聚合物探针的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：将壳聚糖和近红外荧光分子混合，在组合催化剂作用下进行酰化反应，得到含近红外荧光壳聚糖的聚合物探针。3.权利要求1所述的识别甲醛的近红外荧光聚合物探针的制备方法，其特征在于，所述近红外荧光分子具有式Ⅱ结构：4.根据权利要求2所述的识别甲醛的近红外荧光聚合物探针的制备方法，其特征在于，所述的壳聚糖和近红外荧光分子Ⅱ的质量份数为：壳聚糖1～3份，近红外荧光分子Ⅱ5～10份。5.根据权利要求2所述的识别甲醛的近红外荧光聚合物探针的制备方法，其特征在于，所述组合催化剂为N-羟基丁二酰亚胺和1-乙基...

【专利技术属性】
技术研发人员：张怀红，周桃，于琴，杨正莹，仓辉，蔡照胜，
申请(专利权)人：盐城工学院，
类型：发明
国别省市：江苏,32