非共轭聚胺类荧光纳米粒子的合成、机理及性能研究

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非共轭聚合物荧光纳米粒子(Non-conjugated Polymer Fluorescence Nano-particles,NCPF NPs)作为传感器、生物成像、药物和基因传递介质的应用开辟了新的途径。理想的NCPF NPs是不掺杂外部荧光色素的自荧光体系,具有良好的水溶性、高量子产率、光学稳定性和低毒性。在NCPF NPs的合成过程中,由于聚胺类大分子自身分子量较大及其所具有的伯胺(-NH2)等活波性基团的存在,不仅使NCPF NPs的粒径大小及分布难以控制,荧光标记效率较低,而且活性基团导致NCPF NPs不可避免地发生氧化等有害反应,致使NCPF NPs的荧光性能发生减弱衰变。此外,胺类荧光探针中的氨基可与多种金属离子发生配位作用而导致其荧光猝灭,在金属离子检测方面的应用受到了极大的限制。为了避免聚胺类荧光粒子的弊端,本文以具有不同空间结构的非共轭聚胺类化合物(1.0代聚酰胺-胺,1.0G PAMAM;支化聚乙烯亚胺,bPEI)为原料,以抗坏血酸(AA)的水热氧化物古洛糖酸(DKG)为交联剂,采用一锅法分别得到两种非共轭聚胺类荧光纳米粒子(Non-conjugated Polyamine Fluorescence Nano-particles,NCPAF NPs)。通过优化合成条件、离子识别以及荧光性能的研究,得到了该体系的荧光机理,其结果如下:采用一锅法使AA氧化成含有多羰基的DKG并与1.0G PAMAM或者bPEI发生交联反应,分别得到以1.0G PAMAM、bPEI为骨架的荧光纳米粒子(1.0G PAMAM-DKG Fluorescence Nano-particles,PADF NPs;bPEI-DKG Fluorescence Nano-particles,bPEIDF NPs)。通过实验条件优化分别得到粒径均一的黄绿色荧光PADF NPs(平均粒径4.86nm),其粒径方差s12=0.5648;黄绿色荧光bPEIDF NPs(平均粒径为1.2 nm),其粒径方差为s22=0.1826。通过pH响应及稳定性研究发现,PADF NPs以及bPEIDF NPs均在浓度小于1mmol/L时(PADF NPs浓度均以N数计),可避免荧光材料浓度猝灭的现象发生。PADF NPs在碱性条件(pH>7.00)下荧光发生严重猝灭,但是在35℃的酸/中性溶液(pH=3.00、7.00)中荧光强度均可稳定5 d;bPEIDF NPs在35℃的酸/碱性溶液(pH=3.00、12.00)中荧光强度均可稳定7 d,并且酸性环境(pH=3.00)可以抑制bPEIDF NPs自身的结构缺陷完善而发生的蓝移。通过金属离子识别实验可知,PADF NPs和bPEIDF NPs均可对Cu2+产生选择性识别,其Cu2+浓度-荧光强度标准曲线分别为:(1)PADF NPs:Y1=-40.591X+100.12,R12=0.9869,(2)bPEIDF NPs:Y2=-192.11X+303.32,R22=0.9979,其中Y1、Y2为NCPAF NPs荧光强度,X为铜离子浓度(单位:mmol/L)。在水热反应中AA氧化生成的DKG与1.0G PAMAM或bPEI发生交联反应,使DKG和1.0G PAMAM或bPEI中的杂原子(N、O)得到固化,杂原子的振动和旋转受到限制,导致辐射跃迁强度增加、荧光增强。纳米粒子粒径分布以及亚荧光基团所处的化学环境存在差异,NCPF NPs存在多重激发态的现象。由于1.0G PAMAM的空间对称结构与DKG交联产物未能形成致密结构的胶体粒子,C=N等荧光基团特征荧光性能得以保留;而然,bPEI因其短支链上具有伯胺,可与DKG形成致密的有机胶粒。通过计算两种产物的粒径及其方差可知,1.0G PAMAM形成胶粒的粒径较大(5 nm)且分布较宽(s12=0.5648),bPEI形成胶粒的粒径较小(1.2 nm)且分布均一(s22=0.1826),这是由于PADF NPs结构疏松,而bPEIDF NPs结构致密。在离子识别过程中,具有空电子轨道的Cu2+与N、O原子的孤对电子形成配位化合物,减弱了荧光基团中电子的转移,从而使荧光发生减弱或猝灭,产生选择性识别。
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