自组装一般是指组装基元通过弱键相互作用自发地形成特定结构的过程,是获得功能材料的重要手段之一。与共价结合相比,自组装不仅可避免多步合成和复杂的纯化处理,而且基于弱键相互作用的结构容易受外部条件变化的影响,因此可以较为方便地构建刺激响应型分子器件或纳米结构,并用于生物/化学信息获取、药物可控传输等领域。在自组装涉及的各种弱键相互作用中,基于大环分子(如冠醚、环糊精、杯芳烃、葫芦脲等)的主客体相互作用得到高度重视,因为通过主客体包络作用,两个或两个以上的组装基元能够以一种简易和可逆的方式结合在一起,从而为功能器件的设计和制备提供了广阔的空间。本论文选择生物相容性好、易于获取的环糊精为主体分子,设计、制备了系列新型自组装荧光探针,考察了其在核酸检测、细胞成像、药物传输等方面的应用,具体开展了以下工作:1.基于β-环糊精/偶氮苯(β-CD/Az)的可逆主客体包络作用和核酸(DNA)分子自组装,发展了分子信标构型开关制备的新策略。该构型开关是由3条DNA链自组装形成的三茎部分子信标(TMB1):(1)荧光基团和淬灭基团标记的发夹型DNA;(2)5’端偶氮苯标记的DNA;(3)3’端β-CD标记的DNA。常温下偶氮苯处于反式构型并与β-CD形成包络物,使得TMB1处于“锁定”状态,不能与目标DNA结合,体系荧光很弱;紫外光的照射诱导偶氮苯转换到顺式构型,包络物解离,TMB1处于“激活”状态并与目标DNA杂交,体系荧光显著增强;将体系55 oC加热退火后,偶氮苯恢复反式构型,杂交产物解离,TMB1恢复到“锁定”状态,体系荧光降低。结果表明,以上光激活-热再生过程可以实现探针和目标DNA结合的可逆调控。本研究工作通过对分子信标非识别区域的自组装功能化修饰,既能避免在单条核酸分子链上进行多重共价标记,又能避免对探针与靶标间的识别产生影响,为设计刺激响应型功能核酸探针提供了一种新策略。2.基于荧光染料的金刚烷衍生物与β-环糊精聚合物间的主客体包络作用,构建了自组装超分子纳米探针(SSNP),实现了细胞内p H值的比率型荧光检测。SSNP由3种组装基元通过自组装形成:(1)作为纳米探针骨架的β-环糊精聚合物(poly-β-CD);(2)p H敏感的荧光素金刚烷衍生物(Ad-F);(3)作为参比的p H不敏感的罗丹明金刚烷衍生物(Ad-R)。常温下,在水溶液中将以上组份按一定比例混合,即可获得粒径约为30 nm的SSNP,其p H响应范围为4-8。该探针被成功地用于药物刺激后细胞内p H变化的检测,具有制备简便、光稳定性好、生物相容性好等优点,并能方便地通过染料配比的调节以获得最佳p H响应灵敏度。本研究工作为纳米探针的构建提供了一种模块化的设计策略:将荧光染料换成其它功能分子,有望获得不同的功能化纳米探针。3.在上一个研究工作的基础上,合成了金刚烷标记的核酸适配体(Ad-Sgc8c),构建了靶向肿瘤细胞的自组装超分子纳米探针(T-SSNP),实现了肿瘤细胞的特异性识别和杀伤。T-SSNP由3种组装基元通过自组装形成:(1)作为纳米探针骨架的poly-β-CD;(2)金刚烷标记的核酸适配体;(3)荧光染料的金刚烷衍生物(或抗肿瘤药物)。结果表明,该T-SSNP粒径在70 nm左右,能特异性识别CEM细胞(人急性T细胞白血病细胞),信背比为7.4。与普通的荧光素标记的核酸适配体(信背比为2.6)相比,信背比提高了近3倍。有趣的是,如果将荧光染料和金刚烷均标记在核酸适配体上(Ad-Sgc8c-FAM)并与poly-β-CD混合,则不能观察到纳米颗粒的形成,而且该混合物也不能提高细胞识别的信背比。结果还表明,如果将荧光染料替换为抗肿瘤药物阿霉素,该纳米颗粒表现出明显的选择性细胞毒性,说明其具备靶向输送药物的能力。4.在以上研究工作中,我们制备SSNP采用的poly-β-CD均属于主链状环糊精聚合物并且呈电中性,如果将其替换成带负电的吊铃状β-环糊精聚合物,有望进一步改善SSNP的细胞识别性能。一方面是因为吊铃状环糊精聚合物上的环糊精单元具备更好的自由度,能更好地与客体分子相结合;另一方面,由于肿瘤细胞表面一般带负电,因此带负电的聚合物能够降低细胞识别的非特异性信号。鉴于此,我们合成了一种以聚丙烯酸为骨架的吊铃状β-环糊精聚合物(PAA-β-CD),并以其为骨架包载荧光染料的金刚烷衍生物(或抗肿瘤药物),同时以Ad-Sgc8c为识别元件,构建了靶向肿瘤细胞的自组装超分子纳米探针T-SSNP?。结果表明,该新型T-SSNP?识别靶细胞的信背比提高至8.3,其选择性细胞毒性亦有明显改善。同时,以上工作也表明了自组装在构建纳米探针方面的灵活性。5.基于目标细胞对荧光共轭聚合物(阳离子型聚苯撑乙炔,PPE-N+)/核酸适配体自组装结构的影响,发展了一种简便、灵敏的肿瘤细胞检测新方法。PPE-N+与核酸适配体Sgc8c相互作用形成PPE-N+/Sgc8c自组装结构后,PPE-N+的荧光强度由于构型变化而降低;当存在目标细胞(CEM)时,由于Sgc8c与细胞特异性结合,PPE-N+处于游离状态,发出较强的荧光。结果表明,基于PPE-N+/Sgc8c的自组装构型探针可特异性检测出溶液中低至500 cell/m L的CEM细胞。本方法无需对核酸适配体进行荧光标记,操作简便,通用性好,更换核酸适配体即可实现对其它目标物的检测。