具有光動(dòng)力治療效果的超分子聚合物比率式納米氧氣傳感器摘要氧（O_2）在眾多生物體系的生理及病理學(xué)進(jìn)程里意義重大。前期研發(fā)出一類新穎的超分子聚合物比率式納米氧氣傳感器，借助四重氫鍵作用，把卟啉類磷光指示劑與熒光參比組裝成于水中均勻分散的超分子聚合物納米小球。此納米小球?qū)ρ鯕庹宫F(xiàn)出極佳的比率式響應(yīng)特性，具備良好的檢測可逆性、儲(chǔ)存穩(wěn)定性、光穩(wěn)定性以及低毒理性，適用于活細(xì)胞內(nèi)氧含量的比率式檢測。該探針制備簡便，功能可通過調(diào)整小分子單體結(jié)構(gòu)輕松達(dá)成。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步構(gòu)建出具有能量傳遞的高亮度超分子聚合物納米小球，在實(shí)現(xiàn)氧氣傳感的同時(shí)，對(duì)腫瘤細(xì)胞具備良好的光動(dòng)力治療效果。關(guān)鍵詞超分子聚合物；比率式納米氧氣傳感器；光動(dòng)力治療；四重氫鍵一、引言氧氣在生物體內(nèi)參與呼吸作用、能量代謝等關(guān)鍵生理過程，其含量的精準(zhǔn)檢測對(duì)疾病診斷、治療效果評(píng)估及生物醫(yī)學(xué)研究極為重要。傳統(tǒng)氧氣檢測方法存在操作復(fù)雜、侵入性強(qiáng)、無法實(shí)時(shí)原位檢測等不足。光學(xué)氧氣傳感器因具有靈敏度高、響應(yīng)速度快、可實(shí)現(xiàn)非侵入式檢測等優(yōu)勢，成為研究熱點(diǎn)。比率式光學(xué)氧氣傳感器通過檢測兩種不同信號(hào)的比值來測定氧氣濃度，能有效消除環(huán)境因素干擾，提高檢測準(zhǔn)確性。超分子化學(xué)以分子間非共價(jià)相互作用為基礎(chǔ)，為構(gòu)建功能性納米材料提供了新途徑?；谒闹貧滏I的超分子自組裝具有特異性強(qiáng)、穩(wěn)定性高、可逆性好等特點(diǎn)，可用于制備結(jié)構(gòu)精確、功能多樣的超分子聚合物。將超分子聚合物與比率式氧氣傳感技術(shù)相結(jié)合，有望開發(fā)出性能優(yōu)異的納米氧氣傳感器。同時(shí)，光動(dòng)力治療作為一種新型腫瘤治療方法，具有選擇性高、創(chuàng)傷小、副作用低等優(yōu)點(diǎn)。若能使納米氧氣傳感器兼具光動(dòng)力治療功能，將為腫瘤診斷與治療一體化提供新策略。二、比率式光學(xué)氧氣傳感器概述2.1概念比率式光學(xué)氧氣傳感器是一種通過檢測兩種光學(xué)信號(hào)（如熒光、磷光等）的強(qiáng)度比或光譜特征比來定量測定氧氣濃度的傳感器。與傳統(tǒng)單信號(hào)光學(xué)氧氣傳感器相比，比率式傳感器能有效減少因傳感器自身性質(zhì)變化、光源波動(dòng)、儀器漂移以及樣品背景干擾等因素導(dǎo)致的測量誤差，顯著提高檢測的準(zhǔn)確性和可靠性。2.2檢測原理其檢測原理主要基于氧氣對(duì)熒光或磷光物質(zhì)的猝滅作用。常見的有熒光共振能量轉(zhuǎn)移（FRET）和磷光猝滅兩種機(jī)制。在FRET機(jī)制中，傳感器包含供體和受體兩種熒光物質(zhì)，當(dāng)供體受激發(fā)后，其發(fā)射光譜與受體的吸收光譜有一定重疊，可通過非輻射能量轉(zhuǎn)移將能量傳遞給受體。氧氣的存在會(huì)影響供體和受體之間的能量傳遞效率，導(dǎo)致供體和受體熒光強(qiáng)度比值發(fā)生變化。而磷光猝滅機(jī)制是利用氧氣對(duì)磷光物質(zhì)的猝滅作用，使磷光強(qiáng)度降低。通過同時(shí)檢測磷光物質(zhì)的磷光強(qiáng)度和另一種不受氧氣影響的參考信號(hào)（如熒光），計(jì)算兩者比值，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)氧氣濃度的比率式檢測。例如，以卟啉類磷光指示劑作為氧氣敏感物質(zhì)，以熒光參比物質(zhì)作為參考信號(hào)源，當(dāng)氧氣存在時(shí)，卟啉類磷光指示劑的磷光被猝滅，而熒光參比物質(zhì)的熒光強(qiáng)度不變，通過檢測兩者信號(hào)強(qiáng)度比，可準(zhǔn)確測定氧氣濃度。2.3應(yīng)用比率式光學(xué)氧氣傳感器在生物醫(yī)學(xué)、環(huán)境監(jiān)測、工業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用。在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，可用于細(xì)胞內(nèi)、組織內(nèi)氧氣濃度的檢測，為研究細(xì)胞代謝、腫瘤微環(huán)境、缺血缺氧性疾病等提供重要信息。例如，實(shí)時(shí)監(jiān)測腫瘤細(xì)胞內(nèi)氧氣濃度變化，有助于深入了解腫瘤的生長、轉(zhuǎn)移機(jī)制，為腫瘤治療方案的制定提供依據(jù)。在環(huán)境監(jiān)測方面，可用于水體、大氣中溶解氧濃度的檢測，評(píng)估水質(zhì)和空氣質(zhì)量。在工業(yè)生產(chǎn)中，可應(yīng)用于食品保鮮、發(fā)酵過程控制等，通過監(jiān)測氧氣濃度，優(yōu)化生產(chǎn)工藝，提高產(chǎn)品質(zhì)量。三、超分子聚合物比率式納米氧氣傳感器的構(gòu)筑及性能研究3.1微乳法制備超分子聚合物比率式納米氧氣傳感器采用微乳法制備超分子聚合物比率式納米氧氣傳感器。首先，設(shè)計(jì)合成具有雙四重氫鍵的磷光分子Z2和熒光分子Z3，通過核磁共振氫譜（^1HNMR）、碳譜（^{13}CNMR）和高分辨質(zhì)譜（HRMS）對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行精確表征，確保分子結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)確性。隨后，將合成的磷光分子Z2、熒光分子Z3與含四重氫鍵的連接分子T2、T3按一定比例溶解于有機(jī)溶劑中，形成油相。同時(shí)，將表面活性劑溶解于水中，形成水相。在劇烈攪拌下，將油相緩慢滴加到水相中，形成微乳液體系。在微乳液的微小液滴內(nèi)，通過四重氫鍵的特異性相互作用，磷光分子Z2、熒光分子Z3與連接分子T2、T3自組裝形成超分子聚合物納米小球，即超分子聚合物比率式納米氧氣傳感器。通過掃描電子顯微鏡（SEM）對(duì)其形貌進(jìn)行觀察，結(jié)果顯示納米小球呈規(guī)則球形。進(jìn)一步利用透射電子顯微鏡（TEM）和動(dòng)態(tài)光散射儀（DLS）對(duì)納米小球進(jìn)行表征，確定其粒徑約為55nm，且在水中具有良好的分散性，這為其在生物體系中的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。3.2比率式納米氧氣傳感器的能量傳遞性能對(duì)制備的比率式納米氧氣傳感器的能量傳遞性能進(jìn)行研究。通過熒光光譜和磷光光譜測試，考察傳感器中熒光參比物質(zhì)與磷光指示劑之間的能量傳遞過程。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在該超分子聚合物納米小球體系中，存在有效的能量傳遞現(xiàn)象。當(dāng)以特定波長的光激發(fā)熒光參比物質(zhì)時(shí)，其發(fā)射的熒光能通過非輻射能量轉(zhuǎn)移的方式傳遞給磷光指示劑，使磷光指示劑發(fā)出更強(qiáng)的磷光。隨著氧氣濃度的變化，磷光指示劑的磷光強(qiáng)度發(fā)生改變，而熒光參比物質(zhì)的熒光強(qiáng)度基本保持不變。通過計(jì)算磷光強(qiáng)度與熒光強(qiáng)度的比值，可實(shí)現(xiàn)對(duì)氧氣濃度的比率式檢測。通過光譜重疊積分、F?rster半徑計(jì)算等方法，深入分析能量傳遞效率與氧氣濃度、分子間距離、分子結(jié)構(gòu)等因素的關(guān)系，為優(yōu)化傳感器性能提供理論依據(jù)。3.3比率式納米氧氣傳感器對(duì)氧氣的傳感性能利用不同濃度的氧氣標(biāo)準(zhǔn)氣體對(duì)超分子聚合物比率式納米氧氣傳感器的傳感性能進(jìn)行測試。在無氧環(huán)境下，磷光指示劑發(fā)出較強(qiáng)的磷光，此時(shí)磷光強(qiáng)度與熒光強(qiáng)度的比值較高。隨著氧氣濃度逐漸增加，磷光指示劑的磷光被猝滅，磷光強(qiáng)度降低，磷光與熒光強(qiáng)度比值線性下降。通過對(duì)不同氧氣濃度下的比值進(jìn)行Stern-Volmer線性擬合，得到該傳感器對(duì)氧氣檢測的Stern-Volmer常數(shù)。結(jié)果表明，該傳感器對(duì)氧氣具有極高的靈敏度，能夠檢測到極低濃度的氧氣變化。同時(shí)，對(duì)傳感器的檢測可逆性進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)當(dāng)氧氣濃度從高到低變化時(shí)，磷光與熒光強(qiáng)度比值能夠恢復(fù)到初始狀態(tài)，表明該傳感器具有良好的檢測可逆性，可用于實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)監(jiān)測氧氣濃度變化。3.4比率式納米氧氣傳感器的光穩(wěn)定性在實(shí)際應(yīng)用中，光穩(wěn)定性是傳感器的重要性能指標(biāo)之一。對(duì)超分子聚合物比率式納米氧氣傳感器進(jìn)行長時(shí)間的光照穩(wěn)定性測試，在一定強(qiáng)度的光照下，每隔一段時(shí)間檢測傳感器的磷光強(qiáng)度和熒光強(qiáng)度，并計(jì)算其比值。結(jié)果顯示，在連續(xù)光照數(shù)小時(shí)后，傳感器的磷光與熒光強(qiáng)度比值基本保持不變，表明該傳感器具有良好的光穩(wěn)定性。進(jìn)一步研究光穩(wěn)定性的影響因素，發(fā)現(xiàn)超分子聚合物的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、分子間相互作用以及傳感器的納米尺寸效應(yīng)等對(duì)光穩(wěn)定性起到重要作用。良好的光穩(wěn)定性保證了傳感器在復(fù)雜光照環(huán)境下能夠準(zhǔn)確、可靠地檢測氧氣濃度，提高了其實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。四、比率式納米氧氣傳感器的光動(dòng)力治療4.1光動(dòng)力治療原理光動(dòng)力治療是基于光敏劑在特定波長光照射下，吸收光能躍遷至激發(fā)態(tài)，激發(fā)態(tài)的光敏劑與周圍的氧氣發(fā)生能量轉(zhuǎn)移或電子轉(zhuǎn)移反應(yīng)，產(chǎn)生具有細(xì)胞毒性的單線態(tài)氧（^1O?）等活性氧物種。這些活性氧物種能夠氧化生物大分子（如蛋白質(zhì)、核酸、脂質(zhì)等），破壞細(xì)胞結(jié)構(gòu)和功能，導(dǎo)致細(xì)胞凋亡或壞死，從而達(dá)到治療疾病（尤其是腫瘤）的目的。在光動(dòng)力治療過程中，氧氣是產(chǎn)生單線態(tài)氧的關(guān)鍵物質(zhì)，其濃度直接影響光動(dòng)力治療的效果。因此，實(shí)時(shí)監(jiān)測光動(dòng)力治療過程中氧氣濃度的變化，對(duì)于優(yōu)化治療方案、提高治療效果具有重要意義。4.2超分子聚合物比率式納米氧氣傳感器的光動(dòng)力治療效果研究將具有光動(dòng)力治療效果的超分子聚合物比率式納米氧氣傳感器應(yīng)用于腫瘤細(xì)胞的光動(dòng)力治療研究。首先，通過細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)，將腫瘤細(xì)胞與傳感器共同孵育，使傳感器進(jìn)入腫瘤細(xì)胞內(nèi)。利用激光共聚焦顯微鏡觀察傳感器在細(xì)胞內(nèi)的分布情況，結(jié)果顯示傳感器能夠均勻分布于腫瘤細(xì)胞內(nèi)。然后，用特定波長的光照射腫瘤細(xì)胞，激發(fā)傳感器中的光敏劑（卟啉類物質(zhì)）產(chǎn)生單線態(tài)氧。同時(shí)，利用傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測細(xì)胞內(nèi)氧氣濃度的變化。通過MTT法、流式細(xì)胞術(shù)等方法檢測腫瘤細(xì)胞的存活率和凋亡率，評(píng)估光動(dòng)力治療效果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在光照條件下，傳感器產(chǎn)生的單線態(tài)氧能夠有效殺傷腫瘤細(xì)胞，隨著光照時(shí)間的延長和傳感器濃度的增加，腫瘤細(xì)胞存活率顯著降低，凋亡率明顯升高。同時(shí)，通過傳感器監(jiān)測到細(xì)胞內(nèi)氧氣濃度隨著光動(dòng)力治療過程逐漸降低，進(jìn)一步證實(shí)了氧氣在光動(dòng)力治療中的關(guān)鍵作用以及該傳感器在實(shí)時(shí)監(jiān)測光動(dòng)力治療過程中氧氣濃度變化方面的有效性。五、結(jié)論與展望本研究成功構(gòu)建了一種具有光動(dòng)力治療效果的超分子聚合物比率式納米氧氣傳感器。通過微乳法制備的超分子聚合物納米小球?qū)ρ鯕饩哂袃?yōu)異的比率式響應(yīng)性能，能夠準(zhǔn)確、靈敏地檢測氧氣濃度變化，且具有良好的檢測可逆性、儲(chǔ)存穩(wěn)定性和光穩(wěn)定性。同時(shí)，該傳感器在光照射下能夠產(chǎn)生單線態(tài)氧，對(duì)腫瘤細(xì)胞具有顯著的光動(dòng)力治療效果，實(shí)現(xiàn)了氧氣傳感與光動(dòng)力治療的一體化。然而，目前該傳感器在實(shí)際應(yīng)用中仍面臨一些