树枝状大分子在荧光生物成像中的研究进展

作者:左云飞;王星;杨飞;沈红;吴德成 刊名:高分子通报 上传者:杨光

【摘要】树枝状大分子是一种具有精确三维结构的纳米材料。目前,对于树枝状大分子的研究,逐渐从合成和表征各式各样的树枝状大分子转向到对其特殊功能和应用的研究。传统的荧光成像探针大多数为小分子化合物,其发展受到特异性低、稳定性差、停留时间短、可修饰基团少和毒性大等缺点的限制。树枝状大分子具备独特的分子结构如大量可设计性的末端官能团和广阔的分子内空腔以及选择多样化的优势,使其在荧光生物成像领域中有良好的应用前景。本文重点介绍了基于树枝状大分子的有机荧光探针和量子点探针在生物成像方面最新的研究进展。

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10.14028/j.cnki.1003-3726.2016.09.018引言荧光成像是一种快速、方便的生物医学成像方法,可以特异性的、非破坏性的、实时或原位成像,是生物医学领域非常重要的检测手段,在毒理学、病理学、疾病的诊断和治疗等方面具有重要的意义[1]。荧光成像探针对特定的细胞内或细胞外的分子可以产生或改变检测信号,而对比度在细胞、组织和器官的可视化成像过程中起着关键的作用。因此,发展灵敏度高,特异性强,稳定性好的荧光成像探针是生物成像的主要研究方向。但是,传统的荧光成像探针大多数为小分子化合物,其发展受到特异性低、稳定性差、停留时间短、可修饰基团少和毒性大等缺点的限制。通过开发基于高分子的生物荧光探针来克服传统荧光探针的缺陷是目前研究的一个热点[2]。树枝状大分子是近年来通过人工合成的一种新型纳米级的高分子材料,具有非常规整的树枝状三维结构,精确可控的分子量及尺寸,大量可设计性的末端官能团和广阔的分子内空腔[3]。从1998年SchlterAD[4]首次提出“树枝状大分子”这一名称至今,人们对于树枝状大分子的研究,从合成和表征各式各样的树枝状大分子逐渐转向到对其特殊功能和应用的研究。树枝状大分子具备独特的分子结构和选择多样化的优势使其在荧光生物成像领域有很大应用前景。很多研究表明,树形大分子可以提高荧光成像探针的耐光性和特异性[5]。基于树枝状大分子的荧光分子探针,按照荧光分子类型,可分为传统有机荧光探针和量子点(QuantumDot,QD)荧光探针;从荧光基团的发光性质讲,有机荧光探针又可分为聚集淬灭(AggregationCausedQuenching,ACQ)的荧光探针(见图1A)和聚集发光(AggregationInducedEmission,AIE)荧光探针(见图1B)[6]。1有机荧光分子传统荧光小分子探针结构中一般含有芳香族结构,在水中难溶且有聚集的趋势;另一方面,当荧光分图1(A)ACQ分子及其聚集淬灭现象和(B)AIE分子及其聚集发光现象[6]Figure1(A)AnACQmoleculeanditsquenchingphenomena,and(B)anAIEmoleculeanditsquenchingphenomena[6]子通过物理作用或化学作用结合到生物分子上时,这些荧光分子会自发地聚集。由于传统的荧光分子在聚集时,往往导致发射荧光的强度大幅减弱甚至淬灭,所以在实际使用过程中,为了避免荧光分子因聚集导致猝灭的影响,不仅需要严格控制荧光分子探针在很低的浓度范围内,还需要控制生物分子上荧光分子的数量[6]。而很低浓度的荧光探针往往不能获得高荧光强度导致成像对比度不高,这给生物成像带来了很大困难。1.1聚集淬灭的荧光探针呈现发散状的立体树状大分子作为荧光探针载体,能够提高特异性,增强稳定性,改善水溶性,有利于长循环并且可以降低毒性。目前,树枝状大分子在荧光成像的应用研究主要集中在通过化学键合和物理包埋荧光小分子的方式来开发新型树枝状大分子荧光探针。苝酰亚胺(Perylenediimides,PDIs)具有共轭的平面结构(如图2A所示),是一种典型的ACQ分子。PDIs及其衍生物消光系数高、荧光量子产量高、荧光颜色丰富、化学和光热性质稳定,广泛应用于荧光探针、有机光伏和生物医药领域[7]。但是,PDIs在生物医用领域的发展受到了聚集淬灭效应以及在有机溶剂中溶解度不高的限制,故需要改性成在有机溶剂或水中易溶解的PDIs衍生物。树枝状大分子结构具有大量可设计性的末端官能团,通过合成以PDIs为内核的树枝状大分子,能够得到溶解

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