[发明专利]一种比率型氧传感探针及其制备方法和应用

说明书

本发明提供一种比率型氧传感探针及其制备方法和应用，所述比率型氧传感探针包括连接有氧敏感基团的两亲性接枝聚合物和参比探针成分，所述参比探针成分包括参比探针材料分子和/或连接在所述两亲性接枝聚合物上的参比探针基团。本发明的比率型氧传感探针具有良好氧气敏感特性，具有高的荧光效率，结构稳定。能在水溶液中进行氧传感并在水溶液中保证较高的荧光强度，提高氧传感器荧光量子效率、检测水溶液中氧含量的准确性和稳定性，可以测量大肠杆菌和海拉细胞以及成骨细胞等在增殖过程中的氧气消耗情况，不同细胞浓度下的氧消耗情况能很好地观察出来，在测试过程中并没有表现出细胞毒性，探针材料合成简单可控，具有广泛的应用前景。

技术领域

本发明属于纳米医用材料领域，涉及一种比率型氧传感探针及其制备方法和应用，尤其涉及一种细胞外比率型氧传感探针及其制备方法和应用。

背景技术

氧气在环境保护、工程工艺、海洋水产、工业和农业等领域都是非常重要的元素或者参数之一，尤其是在生物领域中，氧气是细胞新陈代谢的重要原料之一，更是维持生命活动的能量之源。随着科学研究的不断发展，氧气浓度对于细胞的影响逐渐被我们认识。尽管氧气对于细胞的新陈代谢是必不可少的，但是氧气浓度的升高也会产生一定的毒性。在高浓度氧气环境下，需氧和微量需氧的细胞或者组织会启动自身的保护机制来应对当下的不正常环境。被称为活性氧物质的超氧化物(O₂^-)和过氧化氢(H₂O₂)将会成为细胞新陈代谢的副产物在细胞内不断的积累，因为这些活性氧物质比正常的氧分子更为活泼，最终氧化细胞内大分子进而使细胞凋亡。同样地，如果细胞内的氧浓度低于正常值，将会导致需氧和微量需氧的细胞或者组织缺血性损伤甚至细胞死亡。细胞缺氧也会导致出现各种各样的疾病，例如慢性血管疾病、神经障碍、肺病甚至癌症等等。因此，能够准确而精确的测量细胞内的含氧量对于理解细胞的生物学活力、研究各种疾病的病理学以及诊断和治疗癌症有重大意义。众所周知，细胞呼吸是发生在生物器官和组织内一系列的新陈代谢反应和过程，细胞以此来获得三磷酸腺苷(ATP)等能量并排出如二氧化碳等废弃物。尽管检测细胞内的氧含量已经被报道，但是仍旧不能忽视细胞外氧含量的检测，许多生物代谢的过程依然要通过检测细胞外氧含量来研究。在细胞新陈代谢反应过程中，线粒体是支撑需氧呼吸并获得ATP的关键性细胞器。然而，细胞呼吸并不是都依靠线粒体，还有一种呼吸类型并不需要线粒体，这种呼吸类型被称为非线粒体氧消耗(non-mitochondrial oxygen consumption)。而研究非线粒体氧消耗的特征，则需要通过测量细胞外的氧消耗情况。因此，能够准确而精确测量细胞在呼吸过程中的氧气消耗情况对于评估有氧糖酵解率、氧化磷酸化作用和高通量的药物筛选等是非常重要的。

对于光学荧光传感器来说，荧光量子效率高低是衡量传感器优劣的重要标准之一。虽然相对于其他氧传感器如有机染料和芳香环类等，金属卟啉类的氧传感器室温下荧光量子效率要高一些，然而一些金属卟啉类光学氧传感器如粪铂卟啉酮(PtCPK)、粪铂卟啉(PtCP)、粪钯卟啉酮(PdCPK)、中-四(4-羧基苯基)铂卟啉(PtTCPP)等，其荧光量子效率的范围仍旧低至0.001到0.0095，仍不能满足人们在实际应用过程中的需求。为了提高传感器的荧光量子效率并赋予其更多的特点，科研工作者们做出了很多努力。Vinogradov等设计了树枝状大分子的壳核结构，其内核为疏水环境，可以把传感器包埋在内，以避免传感器在检测时泄露出来，另一方面也可以让氧气容易扩散到壳内并被激发。而树枝状大分子的外壳则连接聚乙二醇等高分子链确保其能够在水中良好的分散，并且阻止内部的探针分子与生物环境之间的相互作用。铂卟啉被包埋在树枝状大分子结构内后，其荧光量子效率达到了0.017到0.073，有效地提高了传感器的荧光量子效率。另外，Yanqing Tian等设计了一种纳米级的胶束粒子来包覆铂卟啉，其包覆原理与树枝状大分子包埋铂卟啉相同。这种胶束纳米粒子由聚己内酯和聚乙二醇(PCL-b-PEG)无定形态的嵌段共聚物组成，是一端为亲水端一端为疏水端的双亲高分子在水中自组装而形成。经过测量，该纳米胶束氧传感器的荧光量子效率达到了0.107-0.111。此外，用胶束包覆氧传感器不仅可以提高其荧光量子效率，而且其光学稳定性也得到进一步提升。