本發(fā)明屬于納米醫(yī)用材料領域，涉及一種比率型氧傳感探針及其制備方法和應用，尤其涉及一種細胞外比率型氧傳感探針及其制備方法和應用。

背景技術：

氧氣對于環(huán)境、海洋、農(nóng)業(yè)、工業(yè)、健康等來說是非常重要的元素。在生物領域，氧氣在耗氧細胞核組織中作為一個關鍵的基本物質，在包含能量生產(chǎn)、能量平衡和生物質生成等許多核心細胞生理和發(fā)育過程中扮演了極為重要的角色。作為電子受體，氧氣對于在線粒體和ATP生產(chǎn)中的電子轉移(ETC)功能是至關重要的。至始至終，氧氣有效性和/或利用性會導致病理和疾病態(tài)，因此，其代表了醫(yī)療診斷和基礎研究的重要目標。例如，它已經(jīng)被證實在低氧狀態(tài)(缺氧態(tài))下會直接或間接地對基因表達調(diào)控產(chǎn)生的影響，這可致使惡性腫瘤更具有轉移性和耐藥性。癌細胞中從有氧化磷酸化作用到有氧酵解的新陳代謝轉換(瓦爾保效應)是一個新興的癌癥標記之一。氧化已被證明在心血管缺血和再灌注損傷中的組織生存和再生下起到?jīng)Q定性作用。缺氧已被證實是不同疾病中的重要因素，其中包括阿爾茨海默癥、炎癥、心臟病、中風、慢性肺病和癌癥。這些疾病導致了美國60％的死亡率。因此，實時測量細胞氧氣的能力對進一步了解細胞氧化動力學、線粒體活動和能量生產(chǎn)及生物質合成內(nèi)平衡是十分重要的。此外，細胞呼吸關乎細胞活性，因此它也可以通過細胞呼吸測量實現(xiàn)高通量藥物篩選。

液態(tài)、光纖、水凝膠、溶膠凝膠、聚合物薄膜、微納米顆粒等各種形式的氧傳感器得到了長足的發(fā)展，同時一些最新的綜述也得到了發(fā)表。為了進一步了解氧氣測量和細胞新陳代謝，一些基于光學氧傳感器先進的、商業(yè)化的儀器已經(jīng)得到了發(fā)展。例如，海馬生物科技(Seahorse Bioscience)為細胞呼吸和細胞外酸化測量研發(fā)了XF96新陳代謝測量儀。XF96儀器中的傳感器是屬于一種溶膠的傳感器。為了測量細胞呼吸和酸化，海馬的XF儀器運用了一個特別的芯片設計以獲得高通量分析細胞外pH和氧氣測量。為了獲得高通量分析，如果材料可以很容易被運用在許多商業(yè)儀器中，這就能使得許多研究人員和科學研究受益。因此，如果這些探針/傳感器可以溶解或懸浮在細胞培養(yǎng)基中，這些材料可能是一類理想的材料以獲得簡便的運用及高通量應用。為了簡單化，我們統(tǒng)一將這類探針/傳感器命名為液態(tài)探針/傳感器。許多運用有機化合物、大分子和/或納米顆粒的液態(tài)氧傳感器探針/傳感器得到了發(fā)展。在這些探針/傳感器中，雖然有很多是針對細胞內(nèi)氧測量的；一些液態(tài)傳感器被驗證可以作為細胞外傳感器，并且運用在細胞呼吸和線粒體活性測量當中。Papkovsky等人將含有異氰酸鹽的卟啉鉑(II)(platinum(II)-coproporphyrin，PtCP)與牛血清蛋白(BSA)、氨基聚乙二醇(amino-PEG)、氨基-葡聚糖(amino-dextran)結合以構建大分子探針。Papkovsky也報道了包含八乙基卟啉鉑(II)(platinum(II)-octaethylporphine，PtOEP)和鉑(II)-八乙基卟啉酮(platinum(II)-octaethylporphine-ketone，PtOEPK)的單分散聚苯乙烯/二乙烯苯(polystyrene/divinylbenzene)納米顆粒。這兩種大分子氧傳感器和納米顆粒傳感器對大腸桿菌都具有細胞不可滲透性。這些特征使得這些水溶性傳感器成為了理想的細胞外傳感器。Borisov等人報道了一種含有五氟四苯基卟啉鉑(PtTFPP)的聚苯乙烯-嵌段-聚乙烯吡咯烷酮膠束，同時研究了其在水溶液中的氧氣響應，作者證實這些膠束擁有大約為250nm的平均直徑，并且對大腸桿菌具有不可滲透性。

為了傳感，量子效率是必須關注的。一些由金屬卟啉(PtCPK、PtCP、PdCPK或PtTCPP)制備的親水氧探針展現(xiàn)了0.001到0.0095的極低的量子效率。為了獲得高量子效率，賦予氧傳感器以新的特性，Vinogradov等人展現(xiàn)了一系列樹枝狀氧傳感器。這些樹枝狀傳感器的核心是鉑卟啉，而外殼是疏水的。在這些探針中，磷光金屬卟啉被轉載進疏水的樹枝中，這就形成了一個保護層包裹住了發(fā)色團，控制氧轉變?yōu)槿€態(tài)同時能夠控制方法的靈敏性。樹枝狀外圍的PEGylation或carboxylication確保了較高的水溶性，同時又防止了探針與生物大分子之間的相互作用。最終，含有卟啉的樹枝狀量子效率提升到了0.017到0.073。

本課題組曾進行了一個不定型嵌段共聚物的研究(參見Fengyu Su等，Nanostructured Oxygen Sensor-Using Micelles to Incorporate a Hydrophobic Platinum Porphyrin，PLOS ONE，第7卷第3期，2012年5月)，用納米膠束裝載著一個高效但極度疏水的PtTFPP氧探針，確保了PtTFPP可以運用在水溶液中并擁有0.107到0.111的量子效率。

另一方面，最近，一種含有聚集誘導發(fā)光(AIE)的新式熒光素得到了發(fā)展。AIE熒光素在聚集態(tài)展現(xiàn)了很高的量子效率?？紤]到分子內(nèi)旋轉可以大大地影響激發(fā)態(tài)的輻射與非輻射再復合過程，受限分子內(nèi)旋轉被認為是AIE效應較為可能的機制。在生物研究領域，AIE熒光素也被廣泛用作DNA、肝素、二氧化碳、葡萄糖和生物成像的傳感器。

因此，在本領域，期望能夠運用AIE熒光素結合PtTFPP來開發(fā)一種新型的比率型氧傳感探針。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種比率型氧傳感探針及其制備方法和應用，特別是提供一種細胞外比率型氧傳感探針及其制備方法和應用。

為達到此發(fā)明目的，本發(fā)明采用以下技術方案：

本發(fā)明提供一種比率型氧傳感探針，所述比率型氧傳感探針包括載體和包裹在載體中的氧敏感化合物，所述載體由兩親性接枝聚合物和連接在所述兩親性接枝聚合物上的聚集誘導發(fā)光基團(AIE基團)構成。

優(yōu)選地，所述聚集誘導發(fā)光基團連接在兩親性接枝聚合物的疏水支鏈末端；

優(yōu)選地，所述聚集誘導發(fā)光基團連接在兩親性接枝聚合物的主鏈上形成從主鏈上接出的聚集誘導發(fā)光分子支鏈。

優(yōu)選地，所述載體為具有式I或式II所示的聚合物：

式I中，R₁和R₂獨立地為H、C1-C5烷基或R-CN，R為C1-C5亞烷基或不存在；R₃為疏水聚合物基團；R₄為親水性基團；A為聚集誘導發(fā)光基團；0＜x＜1，0＜y＜1，且x+y＝1；m為10-1000的整數(shù)；

式II中，R₁、R₂和R₅獨立地為H、C1-C5的烷基或R-CN，R為C1-C5的亞烷基或不存在；R₃為疏水聚合物基團；R₄為親水基團；A為聚集誘導發(fā)光分子基團；0＜x₁＜1，0＜x₂＜1，0＜y＜1，且x₁+x₂+y＝1；m為10-1000的整數(shù)。

在本發(fā)明中，所述C1-C5烷基可以為C1、C2、C3、C4或C5烷基，優(yōu)選甲基或乙基。

在本發(fā)明中，所述C1-C5亞烷基可以為C1、C2、C3、C4或C5亞烷基，優(yōu)選亞甲基或亞乙基。

在本發(fā)明中，所述疏水聚合物基團是指帶有疏水聚合物片段結構的基團，所述疏水聚合物片段結構使得疏水聚合物基團呈現(xiàn)疏水性，構成本發(fā)明所述兩親性接枝聚合物的疏水支鏈。

在本發(fā)明中，所述親水性基團構成本發(fā)明所述兩親性接枝聚合物的親水支鏈。

優(yōu)選地，在式I中R₃為其中n₁為10-300的整數(shù)，例如n可以為10、12、15、18、20、23、25、28、30、35、40、45、50、55、60、70、80、90、100、130、150、180、200、230、250、280或300；或者式I中R₃為其中n₂為10-300的整數(shù)，例如n2可以為10、12、15、18、20、23、25、28、30、35、40、45、50、55、60、65、70、75、80、85、90、95、100、130、150、180、200、230、250、280或300。

優(yōu)選地，在式I中R₄為或中的任意一種，p為1-100，例如1、3、5、7、9、12、15、18、20、22、25、28、30、40、45、50、55、60、65、70、75、80、85、90、95或100，以及3.5、5.5、7.5、10.5、13.5、11.5、20.5、30.5、40.5等小數(shù)值。

；其中在中表示基團的連接位點，*端代表聚合物的延伸端，并不表示基團的連接位點。

優(yōu)選地，在式I中A為R_a為C1-C8的直鏈烷基或支鏈烷基，R_b為C1-C8的直鏈亞烷基或支鏈亞烷基。

在本發(fā)明中，C1-C8的直鏈烷基或支鏈烷基可以為C1、C2、C3、C4、C5、C6、C7或C8直鏈烷基或支鏈烷基，例如甲基、乙基、正丙基、異丙基、正丁基、異丁基、正戊基或正己基等。

優(yōu)選地，在式I中A為

優(yōu)選地式I中A基團的供體為

優(yōu)選地，所述載體為具有以下式a-d所示結構的兩親性接枝聚合物中的一種或至少兩種的組合：

在式a中，A為0＜x＜1，0＜y＜1，且x+y＝1；m為10-1000的整數(shù)；

在式b中，A為0＜x＜1，0＜y＜1，且x+y＝1；m為10-1000的整數(shù)；

在式c中，A為0＜x＜1，0＜y＜1，且x+y＝1；m為10-1000的整數(shù)；

在式d中，A為0＜x＜1，0＜y＜1，且x+y＝1；m為10-1000的整數(shù)。

在本發(fā)明中，所述m為10-1000的整數(shù)，例如10、20、30、40、50、60、70、80、90、100、130、150、180、200、300、400、500、600、700、800、900或1000。

優(yōu)選地，在式II中R₃為中的任意一種，其中R₆為H、取代的或未取代的C1-C12的直鏈烷基或取代的或未取代的C1-C12的支鏈烷基；q為1-300的整數(shù)，例如q可以為2、5、8、10、12、15、18、20、23、25、28、30、35、40、45、50、55、60、65、70、75、80、85、90、95、100、130、150、180、200、230、250、280或300。

如上所述取代的或未取代的C1-C12的直鏈烷基可以是取代的或未取代的C1、C2、C3、C4、C5、C6、C7、C8、C9、C10、C11或C12的直鏈烷基，例如甲基、乙基或丙基等。

如上所述取代的或未取代的C1-C12的支鏈烷基可以是取代的或未取代的C1、C2、C3、C4、C5、C6、C7、C8、C9、C10、C11或C12的直鏈烷基，例如異丙基、異丁基或異戊基等。

優(yōu)選地，在式II中R₄為中的任意一種，p為1-100，例如1、3、5、7、9、10，12、15、18、20、22、25、28、30、40、45、50、55、60、65、70、75、80、85、90、95或100，以及3.5、5.5、7.5、10.5、13.5、11.5、20.5、30.5、40.5等小數(shù)值。；其中在中表示基團的連接位點，*端代表聚合物的延伸端，并不表示基團的連接位點。

優(yōu)選地，在式II中A為中的任意一種，其中R₇、R₈、R₉和R₁₀獨立地選自C1-C8的直鏈烷基或支鏈烷基，優(yōu)選甲基、乙基或丙基，X為Cl或Br。

與式II中A基團相對應的供體為中的任意一種。

優(yōu)選地，所述載體為具有以下式e或式f所示結構的兩親性接枝聚合物或兩者的組合：

在式e中，A為0＜x₁＜1，0＜x₂＜1，0＜y＜1，且x₁+x₂+y＝1；m為10-1000的整數(shù)；

在式f中，A為0＜x₁＜1，0＜x₂＜1，0＜y＜1，且x₁+x₂+y＝1；m為10-1000的整數(shù)。

在本發(fā)明中，所述氧敏感化合物為五氟四苯基卟啉鉑(PtTFPP)，其結構式如下：

另一方面，本發(fā)明提供了如上所述的比率型氧傳感探針的制備方法，所述方法為：制備得到連接有聚集誘導發(fā)光基團的兩親性接枝聚合物載體，利用所述兩親性接枝聚合物載體進行自組裝包裹氧敏感化合物得到所述比率型氧傳感探針。

優(yōu)選地，所述連接有聚集誘導發(fā)光基團的兩親性接枝聚合物載體為具有式I或式II所示的聚合物。

優(yōu)選地，式I所示的聚合物的制備方法包括以下步驟：

(1)以聚集誘導發(fā)光分子A-OH為引發(fā)劑引發(fā)疏水單體B發(fā)生聚合反應，得到連接有聚集誘導發(fā)光分子基團A的疏水聚合物A-R₃-H，反應式如下：

A-OH+B→A-R₃-H

(2)將步驟(1)得到的疏水聚合物A-R₃-H與式III所示酰氯化合物反應得到式IV所示疏水聚合物單體，反應式如下：

(3)將步驟(2)得到的式IV所示疏水聚合物單體與式V所示親水單體發(fā)生聚合反應得到式I所示聚合物，反應式如下：

在以上所述反應式中對于各基團的限定如上文所述。

優(yōu)選地，步驟(1)所述疏水單體B為丙交酯或ε-已內(nèi)酯，優(yōu)選ε-已內(nèi)酯。

優(yōu)選地，步驟(1)所述聚集誘導發(fā)光分子A-OH與疏水單體B的摩爾比為1:(2-500)，例如但不局限于1:2、1:4、1:6、1:7、1:8、1:9、1:10、1:20、1:30、1：40、1:60、1:80、1:100、1:120、1:150、1:180、1:200、1:250、1:300、1:350、1:400、1:450或1:500，優(yōu)選1:(5-100)。

優(yōu)選地，步驟(1)所述聚合反應在催化劑存在下進行。

優(yōu)選地，所述催化劑為辛酸亞錫。

優(yōu)選地，步驟(1)所述聚合反應在保護性氣體存在下進行，所述保護性氣體優(yōu)選氮氣。

優(yōu)選地，步驟(1)所述聚合反應的溫度為60-160℃，例如60℃、65℃、70℃、75℃、80℃、85℃、90℃、95℃、100℃、110℃、120℃、140℃或160℃。

優(yōu)選地，步驟(1)所述聚合反應的時間為1-24小時，例如1小時、2小時、3小時、4小時、5小時、6小時、7小時、8小時、9小時、10小時、11小時、12小時、13小時、14小時、15小時、16小時、17小時、18小時、19小時、20小時、21小時、22小時、23小時或24小時，優(yōu)選6-12小時。

優(yōu)選地，步驟(1)所述聚合反應的溶劑為二氧六環(huán)和/或N,N-二甲基甲酰胺。

步驟(1)所述的聚合反應液可以在無溶劑下進行。

優(yōu)選地，在步驟(2)中，將式III所示酰氯化合物滴加至含有疏水聚合物A-R₃-H的反應體系中。

優(yōu)選地，步驟(2)所述疏水聚合物A-R₃-H與式III所示酰氯化合物的摩爾比為1:(1-100)，例如1:1、1:3、1:5、1:8、1:10、1:20、1:25、1:30、1:35、1:40、1:50、1:60、1:70、1:80、1:90或1:100，優(yōu)選1:(1-10)。

優(yōu)選地，步驟(2)所述聚合反應在堿性化合物存在下進行，所述堿性化合物優(yōu)選三乙胺。

優(yōu)選地，步驟(2)所述反應的溶劑為干燥的二氯甲烷和/或三氯甲烷，優(yōu)選干燥的二氯甲烷。所述干燥的二氯甲烷和/或三氯甲烷是指經(jīng)過除水干燥處理的二氯甲烷和/或三氯甲烷。

優(yōu)選地，步驟(2)所述反應在冰浴下進行；

優(yōu)選地，步驟(2)所述反應的時間為4-12小時，例如4小時、5小時、6小時、7小時、8小時、9小時、10小時、11小時或12小時，優(yōu)選6-10小時。

優(yōu)選地，步驟(3)所述式IV所示疏水聚合物單體與式V所示親水單體的摩爾比為1:100-100:1，例如1:100、1:90、1:80、1:70、1:60、1:50、1:40、1:30、1:20、1:10、1:1、5:1、10:1、20:1、30:1、40:1、50:1、60:1、70:1、80:1、90:1或100:1，優(yōu)選1:50-50:1。

優(yōu)選地，步驟(3)所述聚合反應的引發(fā)劑為偶氮二異丁腈、偶氮二異庚腈或過氧化苯甲酰中的任意一種或至少兩種的組合。

優(yōu)選地，步驟(3)所述聚合反應在保護性氣體保護下進行，所述保護性氣體優(yōu)選氮氣。

優(yōu)選地，步驟(3)所述聚合反應的溶劑為N,N-二甲基甲酰胺和/或N,N-二甲基乙酰胺。

優(yōu)選地，步驟(3)所述聚合反應的溫度為60-90℃，例如60℃、63℃、65℃、68℃、70℃、73℃、75℃、78℃、80℃、83℃、85℃、88℃或90℃。

優(yōu)選地，步驟(3)所述聚合反應的時間為10-30小時，例如10小時、12小時、14小時、16小時、18小時、20小時、22小時、24小時、26小時、28小時或30小時。

優(yōu)選地，式II所示聚合物的制備方法包括以下步驟：

(A)使式VI所示的疏水聚合物單體和式VII所示的聚集誘導發(fā)光化合物反應得到式VIII所示的接枝聚合物，反應式如下：

(B)使步驟(A)得到的式VIII所示的接枝聚合物與式V所示親水單體發(fā)生聚合反應得到式II所示聚合物，反應式如下：

在本發(fā)明中，式VI所示的疏水聚合物單體可以利用本領域已知的制備方法制備得到，例如可以利用開環(huán)聚合，而后將開環(huán)聚合產(chǎn)物與帶有雙鍵的酰氯化合物反應，從而得到式VI所示的疏水聚合物單體；或者可以通過本領域已知的原子轉移聚合方法制備得到所述疏水聚合物單體。本發(fā)明所述聚集誘導發(fā)光化合物可以通過購買得到或者可以根據(jù)已知的合成方法來合成。

優(yōu)選地，步驟(A)所述式VI所示的疏水聚合物單體和與式VII所示的聚集誘導發(fā)光化合物的摩爾比為1:100-100:1，例如1:100、1:90、1:80、1:70、1:60、1:50、1:40、1:30、1:20、1:10、1:1、5:1、10:1、20:1、30:1、40:1、50:1、60:1、70:1、80:1、90:1或100:1，優(yōu)選1:50-50:1。

優(yōu)選地，步驟(A)所述聚合反應的引發(fā)劑為偶氮二異丁腈。

優(yōu)選地，步驟(A)所述聚合反應的溫度為60-90℃，例如60℃、63℃、65℃、68℃、70℃、73℃、75℃、78℃、80℃、83℃、85℃、88℃或90℃。

優(yōu)選地，步驟(A)所述聚合反應的時間為10-30小時，例如10小時、12小時、14小時、16小時、18小時、20小時、22小時、24小時、26小時、28小時或30小時。

優(yōu)選地，步驟(B)所述式V所示親水單體與步驟(A)所述式VI所示的疏水聚合物單體的摩爾比為1:100-100:1，例如1:100、1:90、1:80、1:70、1:60、1:50、1:40、1:30、1:20、1:10、1:1、5:1、10:1、20:1、30:1、40:1、50:1、60:1、70:1、80:1、90:1或100:1，優(yōu)選1:50-50:1。

優(yōu)選地，步驟(B)所述聚合反應的引發(fā)劑為偶氮二異丁腈、偶氮二異庚腈或過氧化苯甲酰中的任意一種或至少兩種的組合。

優(yōu)選地，步驟(B)所述聚合反應的溫度為60-90℃，例如60℃、63℃、65℃、68℃、70℃、73℃、75℃、78℃、80℃、83℃、85℃、88℃或90℃。

優(yōu)選地，步驟(B)所述聚合反應的時間為10-30小時，例如10小時、12小時、14小時、16小時、18小時、20小時、22小時、24小時、26小時、28小時或30小時。

優(yōu)選地，步驟(A)和步驟(B)所述聚合反應在保護性氣體保護下進行，所述保護性氣體優(yōu)選氮氣。

優(yōu)選地，所述利用所述兩親性接枝聚合物載體進行自組裝包裹氧敏感化合物的方法為：將所述兩親性接枝聚合物載體與氧敏感化合物溶解在有機溶劑中得到溶液，而后將該溶液加入去離子水中，透析，得到所述比率型氧傳感探針。

優(yōu)選地，所述有機溶劑為N,N-二甲基甲酰胺(DMF)和/或二甲基亞砜(DMSO)，優(yōu)選二甲基亞砜。

優(yōu)選地，所述有機溶劑與去離子水的體積比為1:5-1:50，例如1:5、1:5.5、1:6、1:6.5、1:7、1:7.5、1:8、1:8.5、1:9、1:9.5、1:10、1:20、1:25、1:30、1:35、1:40、1:45或1:50。在該比例范圍內(nèi)，能夠保證具有較好的自組裝動力，能夠保證形成穩(wěn)定的納米體系，而不發(fā)生膠束顆粒之間的過度聚集而導致產(chǎn)生沉淀。

另一方面，本發(fā)明提供了如上所述的比率型氧傳感探針在水溶氧實時監(jiān)測中的應用。

另一方面，本發(fā)明提供了如上所述的比率型氧傳感探針在細胞生長監(jiān)測中的應用。

另一方面，本發(fā)明提供了如上所述的比率型氧傳感探針在藥物篩選中的應用。

相對于現(xiàn)有技術，本發(fā)明具有以下有益效果：

本發(fā)明將聚集誘導發(fā)光基團連接在兩親性接枝聚合物上構成載體，以該載體包裹氧敏感化合物得到所述比率型氧傳感探針，該探針將氧傳感效率高但是疏水性的PtTFPP包裹在載體內(nèi)，使得PtTFPP能在水溶液中進行氧傳感并在水溶液中保證較高的熒光強度。本發(fā)明的比率型氧傳感探針可以測量大腸桿菌和GM12878人B淋巴細胞在不同細胞濃度下的氧消耗情況，同時其可以在7小時內(nèi)原位測量至少100cfu/mL的細菌，還可用于藥物篩選，并且其無細胞毒性，安全可靠。此外，由于PtTFPP探針膠束表現(xiàn)出極高的量子效率，而且這種氧傳感探針可以進行水溶液中氧含量測量，因此可以廣泛運用于一些類似于酶標儀等的商用儀器，能夠為高通量測量、疾病診斷和新陳代謝研究提供幫助。

附圖說明

圖1為實施例3中自組裝得到的載體濃度為0.01-100μg/mL的納米體系在不同波長下的熒光強度曲線圖；

圖2為實施例3中自組裝得到的載體濃度為0.01-100μg/mL的納米體系在530nm波長下的熒光強度圖；

圖3A為本發(fā)明的氧傳感探針對氧氣的響應曲線圖；

圖3B為聚合物載體中PtTFPP在650nm下的I₀/I強度比率曲線圖以及聚合物載體中聚集誘導發(fā)光基團AIE在520nm的強度與聚合物載體中PtTFPP在650nm的發(fā)射強度的比率(I₅₂₀/I₆₅₀)隨溶解氧溶度的變化曲線圖；

圖4為本發(fā)明的氧傳感探針在飽和氧和缺氧條件下的熒光強度變化；

圖5為加入葡萄糖氧化酶后，本發(fā)明的比率型氧傳感探針熒光強度變化圖；

圖6為本發(fā)明的比率型氧傳感探針在大腸桿菌濃度為1.25x 10⁷cfu/mL以及在細胞培養(yǎng)基中的氧呼吸與AIE參比探針在大腸桿菌以及細胞培養(yǎng)中的氧呼吸的對比圖；

圖7為本發(fā)明的比率型氧傳感探針在不同大腸桿菌濃度下的氧呼吸圖；

圖8為本發(fā)明的比率型氧傳感探針在不同大腸桿菌濃度下消耗氧的時間曲線圖；

圖9為本發(fā)明的比率型氧傳感探針在不同大腸桿菌濃度下消耗氧的時間和圖8中熒光強度為1000、1100和1200時的濃度和強度關系圖；

圖10為GM12878人B淋巴細胞在不同細胞濃度下的氧消耗情況；

圖11為在不同探針PtTFPP濃度下，細胞濃度為5x10⁷cfu/mL的大腸桿菌的細胞生長曲線圖；

圖12為在相同氧探針濃度下(5ug/mL PtTFPP)，不同濃度大腸桿菌的細胞生長曲線圖；

圖13為不同藥物濃度刺激下的大腸桿菌氧消耗圖。

具體實施方式

下面通過具體實施方式來進一步說明本發(fā)明的技術方案。本領域技術人員應該明了，所述實施例僅僅是幫助理解本發(fā)明，不應視為對本發(fā)明的具體限制。

實施例1

在本實施例中，通過如下流程合成式a所示聚合物載體：

其中A為

合成步驟如下：

P1合成過程：

將988mg(8.7mmol)ε-已內(nèi)酯和61.1mg(0.1mmol)聚集誘導發(fā)光分子A-OH(根據(jù)以下文獻資料合成：Hongguang Lu，et al,JOURNAL OF POLYMER SCIENCE PART A:POLYMER CHEMISTRY 2012,50,890–899)在燒瓶中充分混合，并在氮氣氛圍下110℃油浴攪拌5min，之后注射兩滴催化劑辛酸亞錫(Sn(Oct)₂)，攪拌反應一夜后，將反應物在冰浴中迅速冷卻得到固態(tài)聚合物。之后固態(tài)聚合物重新溶解在5mL二氯甲烷中，之后溶液緩慢滴加至在100mL冰甲醇中，得到聚合物沉淀，此沉淀過程重復一遍。最終得到600mg聚合物P1，產(chǎn)率71％。¹H NMR(400MHz,CDCl₃,δ(ppm)):8.39(m,br,4H,ArH),7.80(d,4H,ArH),7.60(d,4H,ArH),7.46(br,4H,ArH),6.99(d,4H,ArH),6.88(d,4H,ArH),4.05(t,186H,OCH₂-),3.66(br,2H,-CH₂OH),2.30(t,180H,-CH₂CO),1.64(m,376H,-CH₂CH₂CH₂-),1.37(m,190H,CH₃CH₂-&-CH₂CH₂CH₂-).n＝90；M_n(NMR)＝10860。

P2合成過程：

440mg(0.4mmol)P1和1.39mL(20mmol)三乙胺溶解于60mL超干二氯甲烷中。之后將0.97mL(20mmol)甲基丙烯酰氯溶解于20mL超干二氯甲烷中，并將混合液在冰浴條件下經(jīng)過一個小時緩慢滴加至反應瓶中。經(jīng)過一夜反應后，反應液旋蒸濃縮后在100mL冰甲醇中沉淀，此過程重復一遍。最終得到300mg綠色聚合物，產(chǎn)率68％。¹H NMR(400MHz,CDCl₃,δ(ppm)):8.39(m,br,4H,ArH),7.80(d,4H,ArH),7.60(d,4H,ArH),7.46(br,4H,ArH),6.99(d,4H,ArH),6.88(d,4H,ArH),6.10(br,1H.CH₂＝),5.55(br,1H.CH₂＝),4.05(t,188H,OCH₂-),2.30(t,180H,-CH₂CO),1.64(m,376H,-CH₂CH₂CH₂-),1.37(m,193H,CH₃CH₂-&-CH₂CH₂CH₂-).n＝90；M_n(NMR)＝10940。

P3合成過程：

將500mg(3.49mmol)N-(2-羥丙基)甲基丙烯酰胺，220mg(0.2mmol)的P2和10mg AIBN溶解在5mL超干DMF中溶液通過標準的凍抽氮氣過程對反應溶液進行三次除氣過程。這些單體在氮氣環(huán)境下75℃反應24小時。最終的聚合物在200mL乙醚中沉淀出來。得到400mgP3，產(chǎn)率56％。M_n(GPC)＝58000,M_w(GPC)＝106000,M_w/M_n＝1.82。

實施例2

本實例中，通過如下反應制備式d中的聚合物載體

73mg(0.06mmol)P2,440mg(0.8mmol)寡聚乙二醇甲醚甲基丙烯酸酯(OEGMA，分子量為550)，10mg AIBN放入10mL Schlenk管中，利用傳統(tǒng)的除氧方法后，充氮氣抽換氣三次，加熱至70℃攪拌，反應24小時。反應完畢后逐滴加入冰乙醚中，得粘稠狀聚合物P4。產(chǎn)率84％。Mn＝35400，Mw＝43200。x:y＝7.5:72.5。

實施例3

對實施例1制備得到的聚合物載體在水溶液中形成膠束的能力進行考察，通過測定其臨界膠束濃度進行考察，在膠束形成過程中，熒光發(fā)射會被水淬滅而獲得較弱的熒光。一旦膠束形成，熒光強度將會極大地增強。通過測試P3在水溶液中0.01μg/mL到100μg/mL濃度下熒光強度變化，通過熒光強度突變點判斷實施例1制備得到的聚合物載體的CMC。測試過程熒光強度隨著濃度的變化如圖1所示，可見納米體系在波長530納米處具有強吸收，隨著聚合物濃度的增大熒光強度增強。以濃度和530nm波長下的熒光強度值作為橫坐標和縱坐標作圖得到圖2，由圖2中熒光強度突變點即圖2中兩條直線的交點得出P3的聚合物載體的CMC值為5.0μg/mL。

實施例4

在該實施例中，對實施例1制備得到的聚合物載體進行自組裝包裹PtTFPP得到比率型氧傳感探針，自組裝方法如下：

將實施例1制備得到的P3聚合物載體5mg和0.1mg氧敏感化合物PtTFPP溶于200μLDMSO溶液中，得到澄清溶液，將該澄清液緩慢地注射至1mL去離子水中，然后將溶液放置于透析袋中，至于攪拌的去離子水中進行透析，透析過程持續(xù)兩天，每12個小時換水一次以去除有機DMSO溶劑。透析后，溶液用0.45mm的濾膜過濾以去除可能存在的聚合物沉淀、未包裹的PtTFPP及較大的顆粒。最終的溶液保存在4℃冰箱中。

對包裹在P3聚合物載體中的PtTFPP的熒光量子效率(η)通過利用390nm的光激發(fā)PtTFPP在二氯甲烷中的量子效率(η＝0.088)進行計算，計算公式如下所示。

其中，η_r和η_s是標準熒光量子效率和樣品的熒光量子效率。Ar和As是標準樣品和測試樣品在激發(fā)波長下的洗手。Ir和Is是標準樣和測試樣發(fā)射強度的積分，nr和ns是各樣品溶劑的折射系數(shù)。水和二氯甲烷的折射系數(shù)分別是1.333和1.424，最終的量子效率通過測量吸收值在0.03至0.09范圍的四組數(shù)據(jù)的平均值而得到。標準差小于10％，最終得到其包裹在P3聚合物載體中的PtTFPP的熒光量子效率η＝0.20。

P3聚合物載體中聚集誘導發(fā)光基團的熒光量子效率通過聚合物熒光光譜積分對比硫酸奎寧在1.0N硫酸中的熒光光譜(激發(fā)波長為365nm)，在修正的折射系數(shù)下運用方程(1)得到，其熒光量子效率η＝0.55，熒光量子效率高。

實施例5

在本實施例中對實施例5制備得到的比率型氧傳感探針的氧傳感性能進行測試，氮氣和氧氣的混合氣體被用作調(diào)節(jié)溶液中氧氣濃度?；旌蠚怏w通過定制內(nèi)嵌數(shù)字氣體流量控制器進行精準控制。所有的傳感測量都在大氣壓(760mmHg or 101.3kPa)下進行。23℃時，在氧分壓為21.4kPa的空氣飽和條件下，水中的溶解氧濃度為8.58mg/mL。

圖3A為氧傳感探針對氧氣的響應曲線圖，由于聚合物中聚集誘導發(fā)光基團是很微弱的，因此其對PtTFPP的發(fā)射不產(chǎn)生影響，從圖中可以看出PtTFPP的發(fā)射隨著氧濃度的增加而降低。圖3B為聚合物載體中PtTFPP在650nm下的I₀/I(I₀表示在無氧或氮氣氣氛下的熒光強度，I表示在某一溶解氧濃度下的熒光強度)強度比率曲線圖以及聚合物載體中聚集誘導發(fā)光基團AIE在520nm的強度與聚合物載體中PtTFPP在650nm的發(fā)射強度的比率(I₅₂₀/I₆₅₀)隨溶解氧溶度的變化曲線圖，根據(jù)強度比(I₀/I)曲線圖可知該探針對氧濃度呈現(xiàn)線性響應；I₅₂₀/I₆₅₀曲線也同樣給出線性關系，濃度和熒光強度的線性關系有利于獲得測量的準確數(shù)據(jù)。

實施例6

在本實施例中對實施例5制備得到的比率型氧傳感探針的響應時間進行測試，方法如下：

(1)通過通入氮氣氧氣混合氣體測試傳感探針響應時間：

3mL的PtTFPP膠束溶液置于石英比色皿中，在激發(fā)光為405nm時，測量傳感器650nm峰值的發(fā)射。為了改變緩沖液中溶解氧的濃度，通過小管和針頭將管路中的氣體通入緩沖液中。通氣孔安裝在比色皿上方以針管插入及讓氣體排出。氧氣和氮氣氣流速率設置為50立方厘米/分鐘。測量開始后將100％氧氣和100％氮氣進行快速切換。如圖4所示，從氮氣條件下通入氧氣，達到90％變化時的時間t₉₀為30s，達到95％變化的時間t₉₅為33秒。相反，氧氣條件下通入氮氣，t_90-r為100s，t_95-r為132s。響應時間比PtTFPP物理混合在PHEMA陣列的t₉₀＝50s及物理混合在聚苯乙烯陣列的t₉₀＝84s都要快很多。說明本發(fā)明制備得到的比率型氧傳感探針在氧傳感方面是很理想的材料。通過重復性測試發(fā)現(xiàn)PtTFPP是十分穩(wěn)定的，相比PtTFPP，AIE分子在一小時實驗周期中有5％的下降。這都歸因于長期光照射的光漂白和/或長期暴露在空氣中氧化現(xiàn)象。因此，對于實際運用中，如果可以盡量減少長時間的曝光，這樣可以更好發(fā)揮其性能。

(2)運用葡萄糖氧化酶測量傳感探針響應時間(靜態(tài)響應時間)：

將2mL PtTFPP膠束置于石英比色皿，不同濃度的葡萄糖氧化酶注入溶液中，膠束中葡萄糖保持濃度為0.25M，葡萄糖氧化酶濃度保持在5×10^-5至1mg/mL。葡萄糖氧化酶氧化葡萄糖以消耗氧氣。在405nm激發(fā)下發(fā)射650nm傳感器發(fā)射峰，發(fā)射測量每0.06秒記錄一個數(shù)據(jù)。如圖5所示，通過葡萄糖氧化酶和葡萄糖消耗氧氣，在沒有油封和攪拌的情況下，測試得出了最快的0.7s響應時間。相比聚苯乙烯-嵌段-聚乙烯吡咯烷酮(polystyrene-block-polyvinylpyrrolidone)包覆的PtTFPP，雖然測試條件不一樣，但是還是比其表現(xiàn)的4s響應時間要快很多。

實施例7

在該實施例中，考察本發(fā)明的氧傳感探針對細胞呼吸中氧濃度的響應性，方法如下：

大腸桿菌培養(yǎng)：將單菌落大腸桿菌置于液態(tài)Lysogeny Broth(LB)培養(yǎng)基。其中，LB培養(yǎng)基由10g胰蛋白胨，5g酵母膏和10g氯化鈉溶于蒸餾水。通過測量600nm處的光學強度(OD600)來估計培養(yǎng)基中的大腸桿菌密度。特別是OD600在0.1至1之間時與大腸桿菌表現(xiàn)為良好的線性特征。通過UV-Vis光譜校準，在OD600為1的時候表現(xiàn)為5.0×108cfu/mL。通過一夜的培養(yǎng)，細菌的密度已經(jīng)決定，用新鮮的LB培養(yǎng)基進行適當?shù)南♂屢垣@得適當?shù)拇竽c桿菌濃度。

細胞呼吸測試：運用對氨芐西林敏感的JM109大腸桿菌來對細胞進行研究。將本發(fā)明的比率型氧傳感探針溶液直接加到細胞培養(yǎng)基中，然后運用405nm激光激發(fā)后直接收集熒光信號。AIE發(fā)射峰在520nm，PtTFPP的峰在650nm，測試溫度保持在37℃。本實驗用的共聚物對一些包含大腸桿菌和HeLa細胞學等細胞有不滲透性。為了避免培養(yǎng)基中的氧氣與大氣中的氧氣進行交換，在LB培養(yǎng)基上方運用一層礦油將空氣隔絕。

圖6所示為膠束氧氣測試(在該圖中1E4表示1×10⁴,9E3表示9×10³，以此類推)，在測試前20分鐘，熒光強度的下降歸因于溫度效應。這對很多有機熒光素來說是很正常的，隨著溫度的升高熒光強度隨之下降，溫度穩(wěn)定后，熒光強度也變穩(wěn)定。不論是否含有細菌，在測試中的AIE熒光強度都不會發(fā)生變化。而PtTFPP的熒光強度在不含細菌的情況下不隨時間發(fā)生變化，在有細菌的情況下，熒光強度隨著時間的變化而變強，這都歸因于細菌消耗了氧氣。在氧氣完全消耗后，高細胞濃度下的PtTFPP的熒光強度達到最大，但是之后又輕微的下降。對于低細胞濃度情況下只表現(xiàn)出更小的光降解。

如圖7所示，在連續(xù)光照情況下傳感器的光穩(wěn)定性關乎細胞的濃度，更高的細胞濃度將會導致更嚴重的衰退。因此，對于長時間的應用，相對低濃度的測試是更好的。如圖7所示，在不同細胞濃度下測試了氧傳感器測試細胞呼吸。細胞濃度越高氧氣消耗越快。對于細胞濃度在5×10⁷cfu/mL，溶解氧在15分鐘內(nèi)消耗完畢。通過大腸桿菌氧氣消耗速率以及初始細胞濃度計算。略受初始細胞密度的影響下，單細胞的氧消耗率為油封下4.72×10^-18到6.44×10^-18molcfu^-1s^-1，無油封下3.14×10^-18-4.32×10^-18mol cfu^-1s^-1。

監(jiān)測水中的大腸桿菌對食品污染顯得十分重要，如圖8所示，本發(fā)明的氧傳感探針可以在7小時內(nèi)檢測濃度至少在100cfu/mL大腸桿菌，細胞濃度越高，氧傳感探針的檢測響應越快。如圖9所示，細胞濃度和測試時間顯示出了很好的線性關系，因此可以通過測試時間很好地估算水體被細菌的污染程度。

哺乳動物細胞培養(yǎng)：GM12878人B淋巴細胞需用液態(tài)DMEM培養(yǎng)基培養(yǎng)，其中含有10v/v％FBS，然后在37℃，5％CO₂氛圍下培養(yǎng)。GM12878是懸浮細胞系，可以很好地計算細胞濃度，圖10顯示越高的細胞濃度氧氣消耗越快，因此本發(fā)明的氧傳感探針除了適用于大腸桿菌外，也適用于哺乳動物細胞。

實施例8

在本實施例中，考察本發(fā)明的氧傳感探針的細胞毒性，方法如下：

運用5×10⁷cfu/mL濃度的細胞在5-40μg/mL PtTFPP濃度下對細菌進行細菌生長測試，結果如圖11所示。同時，在PtTFPP濃度為40μg/mL的情況下，在3.5×10⁶到1×10⁸cfu/mL的大腸桿菌細胞濃度下進行細菌生長測試，結果如圖12所示。結果表明，兩種毒性測試方式都顯示本發(fā)明的比率型氧傳感探針膠束對細菌生長沒有影響，不會產(chǎn)生細胞毒性。本發(fā)明的比率型氧傳感探針在1至5μg/mL就能表現(xiàn)出很好的傳感性能。

實施例9

本實施例的氧傳感探針在藥物篩選測試中的應用：

抗霉素對很多不同的細菌來說是很強的電子傳輸鏈抑制劑和抗生素。眾所周知，抗霉素A通過刺激氧化壓力調(diào)節(jié)死亡來抑制不同細胞的生長。通過運用大腸桿菌系為代表測試抗霉素抑制氧氣呼吸。通過觀察氧氣消耗的不同來反映藥物篩選效果。將10⁶cfu/mL濃度下的大腸桿菌混合不同濃度的抗霉素，利用本發(fā)明的氧傳感探針來監(jiān)控氧氣濃度。如圖13所示，沒有添加任何抗霉素的細胞將在3小時完全消耗氧氣，隨著抗霉素濃度的增加，氧氣消耗的速率也隨之明顯減弱。當抗霉素濃度達到100μg/mL的時候，氧氣的消耗被完全抑制。因此，研究表明本發(fā)明的氧傳感探針具有成為抗生素、毒素和藥物篩選等方面應用的潛質。

申請人聲明，本發(fā)明通過上述實施例來說明本發(fā)明的比率型氧傳感探針及其制備方法和應用，但本發(fā)明并不局限于上述實施例，即不意味著本發(fā)明必須依賴上述實施例才能實施。所屬技術領域的技術人員應該明了，對本發(fā)明的任何改進，對本發(fā)明所選用原料的等效替換及輔助成分的添加、具體方式的選擇等，均落在本發(fā)明的保護范圍和公開范圍之內(nèi)。