CN104910312B - 一种提高染料荧光强度的线性聚合物及其制备方法和应用 - Google Patents

一种提高染料荧光强度的线性聚合物及其制备方法和应用 Download PDF

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本发明的目的在于提供了一种提高染料荧光强度的线性聚合物及其制备方法和应用，用苯乙烯和丙烯酸酯共聚合分别制备了含有2‑氮琥珀酰亚胺等单元的聚合物，聚合物的荧光强度分别显著增加。通过共聚单体的调节，荧光材料具有很好的生物相容性，荧光强度已经可以很好地满足常用的细胞成像；为了解决现有技术中缺少利用其他载体(如线性聚合物等)通过基质隔离的方法来提高材料的荧光强度。

Description

一种提高染料荧光强度的线性聚合物及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于高分子化学领域，涉及一种提高染料荧光强度的线性聚合物及其制备方法和应用。
技术背景
荧光材料凭借其优异的光学性能，被广泛应用于蛋白标记、细菌检测、重金属离子的筛查等科学领域，并提供荧光光物理过程的新见解。一般来说，荧光材料是通过功能化具有共轭结构的荧光团制备而成。
最近，非典型性荧光材料在生物化学传感和成像方面已经展现出了很好的应用潜力。Pucci等发现聚异丁烯琥珀酸酐/酰亚胺具有非典型性荧光，并归因于羰基的聚集诱导荧光效应。一般情况下，大多数荧光材料都有聚集荧光淬灭的现象，这是由荧光基团自身或与环境之间发生的电荷转移作用造成的。美国加州大学伯克利分校的Frechet教授在2000年前后利用生物界的基质隔离原则，将树枝状聚合物为作为载体，在其内部引入荧光基元(荧光团、镧系金属离子等)有效地限制了荧光基元之间的相互作用，降低了荧光淬灭效应，从而显著地提高了材料的荧光强度，最终用于发光器件的制备。
但是，没有报道利用其他载体(如线性聚合物等)通过基质隔离的方法来提高材料的荧光强度。同样，我们也偶然发现了羰基和苯环之间的共轭相互作用能产生特异性荧光。但是，所有这些非典型性荧光单元只有以共价键结合的方式分散在基质中才会发出荧光，本身不具备明显的可探测荧光。因此，设计并制备含有非典型性荧光单元的荧光材料有很大的难度。
发明内容
本发明的目的在于为了解决现有技术中缺少利用其他载体(如线性聚合物等)通过基质隔离的方法来提高材料的荧光强度，提供了一种提高染料荧光强度的线性聚合物及其制备方法和应用。
一种提高染料荧光强度的线性聚合物，所述线性聚合物为:一类缺电子单体和富电子单体聚合得到共聚物。
所述线性聚合物为:具备羰基和苯环结构的单体化合物通过羰基和苯环之间的共轭相互作用聚合得到共聚物。
作为进一步的优选，所述线性聚合物为:缺电子单体为马来酰亚胺，富电子单体为苯乙烯、丙烯酸酯。
作为进一步的优选，所述线性聚合物为：聚(苯乙烯-alt-2-氮马来酰亚胺)、聚(丙烯酸酯-alt-2-氮马来酰亚胺)、聚(苯乙烯-alt-2,3-二硫马来酰亚胺)。
本发明还在于提供了线性聚合物的制备方法：
所述线性聚合物为具备羰基和苯环结构的单体化合物通过羰基和苯环之间的共轭相互作用聚合得到。
本发明提供了线性聚合物的制备方法优选为：
(1)聚(苯乙烯-alt-2-氮马来酰亚胺)的制备：苯乙烯，2-氮马来酰亚胺和偶氮二异丁腈溶于四氢呋喃中，冷冻-抽真空-溶解三次后封管，反应；打开封管，反应液用四氢呋喃稀释，在甲醇中沉淀两次、干燥，得浅黄色固体粉末；
或(2)聚(丙烯酸酯-alt-2-氮马来酰亚胺)的制备：丙烯酸酯，2-氮马来酰亚胺和偶氮二异丁腈溶于四氢呋喃中，冷冻-抽真空-溶解三次后封管，反应；打开封管，反应液在正己烷/乙醚＝1:2-1:1的混合溶剂中沉淀，真空干燥得到浅黄色粘稠固体；
或(3)聚(苯乙烯-alt-2,3-二硫马来酰亚胺)的制备：苯乙烯，2,3-二硫马来酰亚胺和偶氮二异丁腈溶于四氢呋喃中，冷冻-抽真空-溶解三次后封管，反应；打开封管，反应液用四氢呋喃稀释，在甲醇中沉淀两次、干燥，得浅黄色固体粉末。
本发明还提供了一种线性聚合物在细胞成像领域中的应用。常用的有机小分子染料如DAPI，HOECHST尽管用量很小，但都有很强的细胞毒性。线性聚合物链段隔离法制备的材料荧光强度已经可以很好地满足常用的细胞成像。通过共聚单体的调节，荧光材料具有很好的生物相容性；同时，通过对单体的精细设计，可以给荧光材料引入不同的功能性基团，用于细胞的特征和选择性摄取。
发明的有益效果：
本发明首次提出了利用具备羰基和苯环结构的单体化合物通过羰基和苯环之间的共轭相互作用聚合得到线性聚合物，分别制备了含有2-氮琥珀酰亚胺等单元的聚合物，两种聚合物的荧光强度分别达到数量级地增加；
琥珀酰亚胺荧光的浓度效应在聚合物溶液中进行，聚(苯乙烯-alt-2,3-二硫马来酰亚胺)在405nm激发，聚(苯乙烯-alt-2-氮马来酰亚胺)有330nm和405nm两个特征吸收峰，分别激发；
常用的有机小分子染料如DAPI，HOECHST尽管用量很小，但都有很强的细胞毒性。通过共聚单体的调节，荧光材料具有很好的生物相容性，荧光强度已经可以很好地满足常用的细胞成像。
附图说明
以下将结合附图和具体实例对本发明进行进一步的阐述。
图1.聚(苯乙烯-alt-2-氮马来酰亚胺)的核磁氢谱图。
图2.聚(丙烯酸酯-alt-2-氮马来酰亚胺)的核磁氢谱图。
图3.聚(苯乙烯-alt-2,3-二硫马来酰亚胺)的核磁氢谱图。
图4.氮琥珀酰亚胺经聚合物链段隔离前后的荧光性质图。
图5.不同浓度下聚(苯乙烯-alt-2,3-二硫马来酰亚胺)，聚(苯乙烯-alt-2-氮马来酰亚胺)的荧光谱。
图6.聚合物链段隔离法提高材料的荧光强度的对照图。
图7.线性聚合物链段隔离法制备的材料在增强细胞荧光成像的对照图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
除非另行定义，文中所使用的所有专业与科学用语与本领域熟练人员所熟悉的意义相同。此外，任何与所记载内容相似或均等的方法及材料皆可应用于本发明中。文中所述的较佳实施方法与材料仅作示范之用。
实施例1
聚(苯乙烯-alt-2-氮马来酰亚胺)的制备
苯乙烯(508.7mg,4.90mmol)，2-氮马来酰亚胺(27.4mg,0.163mmol)和偶氮二异丁腈(6.8mg,0.0415mmol)溶于0.7mL四氢呋喃中，冷冻-抽真空-溶解三次后封管，80℃下反应20h。打开封管，反应液用2mL四氢呋喃稀释，在甲醇中沉淀两次、干燥，得浅黄色固体粉末。
实施例2
聚(丙烯酸酯-alt-2-氮马来酰亚胺)的制备
丙烯酸酯(597.5mg,4.18mmol)，2-氮马来酰亚胺(23.4mg,0.139mmol)和偶氮二异丁腈(6.8mg,0.0415mmol)溶于0.7mL四氢呋喃中，冷冻-抽真空-溶解三次后封管，60℃下反应8h。打开封管，反应液在正己烷/乙醚＝1:1的混合溶剂中沉淀2次，真空干燥2h得到浅黄色粘稠固体。
实施例3
聚(苯乙烯-alt-2,3-二硫马来酰亚胺)的制备
苯乙烯(735.3mg,7.07mmol)，2,3-二硫马来酰亚胺(55.2mg,0.202mmol)和偶氮二异丁腈(11.9mg,0.0727mmol)溶于1.0mL四氢呋喃中，冷冻-抽真空-溶解三次后封管，80℃下反应20h。打开封管，反应液用2mL四氢呋喃稀释，在甲醇中沉淀两次、干燥，得浅黄色固体粉末。
实施例4
(1)2-氮琥珀酰亚胺及其聚合物的荧光强度比较
马来酰亚胺是一类缺电子单体，通常是和富电子单体(苯乙烯、丙烯酸酯)聚合得到共聚物。聚合后，马来酰亚胺转变成了琥珀酰亚胺。我们用苯乙烯和丙烯酸酯共聚合分别制备了含有2-氮琥珀酰亚胺单元的聚合物，图4表明，两种聚合物的荧光强度分别增加了200倍和71倍。苯乙烯类聚合物荧光强度增加较多的原因是苯乙烯的结构更为刚性，更有效地限制了聚合物链通过构象重组造成的能量损失。
(2)2,3-二硫琥珀酰亚胺及其聚合物的荧光强度比较
琥珀酰亚胺荧光的浓度效应在聚合物溶液中进行，聚(苯乙烯-alt-2,3-二硫马来酰亚胺)在405nm激发，聚(苯乙烯-alt-2-氮马来酰亚胺)有330nm和405nm两个特征吸收峰，分别激发。由于激发态弛豫可通过非辐射衰减途径来增加，荧光团之间的相互作用能够淬灭荧光。我们测试了溶液状态时荧光团分子间的淬灭效应。含2,3-二硫琥珀酰亚胺单元的聚合物溶液荧光强度和浓度基本呈线性关系，一定浓度后荧光强度开始降低(图5)，这说明荧光淬灭在溶液状态下是存在的。
(3)用线性聚合物隔离法提高材料在溶液中的荧光强度
由于激发态弛豫可通过非辐射衰减途径来增加，荧光团之间的相互作用能够淬灭荧光。琥珀酰亚胺荧光团和溶剂间的相互作用在本体时大大降低，2,3-二硫琥珀酰亚胺和2-氮琥珀酰亚胺都有较强的荧光，激发谱和发射谱跟溶液状态时相近。在溶液中，聚合物到达一定浓度后荧光强度开始降低，这说明荧光淬灭在溶液状态下是存在的。在先前的工作中(Advanced Materials 2012,24,5617-5624)，被聚合物线团型纳米结构隔离的苯环和邻位羰基的π-π相互作用使得聚合物产生强荧光，聚合物链段越长，材料的荧光强度增长的越多(图6)。
先前的研究对象是多嵌段聚合物，由于链转移试剂结构的限制，一条聚合物链中有多个邻二溴苄单元和多条聚合物链段，我们无法精确控制和表征每一段聚合物链段精确的分子量，因而无法得知单个荧光基元和聚合物链段之间的关系。此方案中，聚(苯乙烯-alt-马来酰亚胺)/聚(丙烯酸酯-alt-马来酰亚胺)体系不存在此类问题，而且隔离载体是具有明确结构的线性聚合物。结果表明，线性聚合物的隔离能够大大提高聚合物的荧光强度。
由于2-氮琥珀酰亚胺的荧光强度增长空间比2,3-二硫琥珀酰亚胺要大得多，因此，我们以2-氮琥珀酰亚胺为例重点对可能的机理进行解释。在2-氮琥珀酰亚胺单体的溶液中，分子间的距离较近，亚胺基团之间有很强的分子间相互作用，体系的能量可以通过非辐射跃迁消耗掉，因此，2-氮琥珀酰亚胺单体几乎没有荧光。当用柔性线性聚合物链段隔离时，聚合物使得分子间相互作用的能级升高，非辐射衰减的效率降低，因此材料保留了部分的荧光强度；当用刚性线性聚合物链段隔离时，分子间相互作用能级升高的同时，刚性链段转动的受限使得亚胺基团之间的空间位阻和排斥力增大，因而，材料的荧光很少通过能量形式消耗掉。
实施例5
线性聚合物链段隔离法制备的材料在增强细胞荧光成像的应用
常用的有机小分子染料如DAPI，HOECHST尽管用量很小，但都有很强的细胞毒性。线性聚合物链段隔离法制备的材料荧光强度已经可以很好地满足常用的细胞成像。通过共聚单体的调节，荧光材料具有很好的生物相容性；同时，通过对单体的精细设计，可以给荧光材料引入不同的功能性基团，用于细胞的特征和选择性摄取。
在培养皿里分别种HepG2细胞或巨噬细胞，细胞种植密度为3000个/每毫升培养基，加10％的胎牛血清，，在37℃、5％二氧化碳环境下培养36小时。细胞用PBS冲洗2遍后，加入聚(丙烯酸酯-alt-2-氮马来酰亚胺)50nM于含DMEM 40％PBS中，37℃下继续培养2小时；然后，细胞用PBS洗涤3遍，加入一定量的培养基后在共聚焦显微镜下观察(图7)。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (4)

1.一种提高染料荧光强度的线性聚合物，其特征在于：所述线性聚合物为：聚(苯乙烯-alt-2-氮马来酰亚胺)或聚(苯乙烯-alt-2,3-二硫马来酰亚胺)。
2.根据权利要求1所述的提高染料荧光强度的线性聚合物，其特征在于：提高染料荧光强度的线性聚合物的制备方法如下：所述线性聚合物为分别具备羰基和苯环结构的单体化合物聚合得到。
3.根据权利要求1所述的提高染料荧光强度的线性聚合物，其特征在于：提高染料荧光强度的线性聚合物的具体制备方法为
(1)聚(苯乙烯-alt-2-氮马来酰亚胺)的制备：苯乙烯，2-氮马来酰亚胺和偶氮二异丁腈溶于四氢呋喃中，冷冻-抽真空-溶解三次后封管反应；打开封管，反应液用四氢呋喃稀释，在甲醇中沉淀两次、干燥，得浅黄色固体粉末；
或(2)聚(苯乙烯-alt-2,3-二硫马来酰亚胺)的制备：苯乙烯，2,3-二硫马来酰亚胺和偶氮二异丁腈溶于四氢呋喃中，冷冻-抽真空-溶解三次后封管，反应；打开封管，反应液用四氢呋喃稀释，在甲醇中沉淀两次、干燥，得浅黄色固体粉末。
4.一种如权利要求1-3任一项所述的提高染料荧光强度的线性聚合物在细胞成像领域中的应用，其特征在于：将由所述的线性聚合物制备的荧光材料，用于细胞的摄取。
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