一种可调控多彩荧光发射的荧光素功能化聚二乙炔囊泡的制备方法及其分子逻辑门的构建
阅读说明：本技术 一种可调控多彩荧光发射的荧光素功能化聚二乙炔囊泡的制备方法及其分子逻辑门的构建 (Preparation method of fluorescein functionalized polydiacetylene vesicle capable of regulating and controlling multicolor fluorescence emission and construction of molecular logic gate of fluorescein ) 是由 杨光 侯娟 李光耀 纪捷 于 2019-09-27 设计创作，主要内容包括：一种可调控多彩荧光发射的荧光素功能化聚二乙炔囊泡的制备方法及其分子逻辑门的构建,属于有机共轭聚合物波组装技术领域。本发明为了解决现有荧光调控的功能化基材制备条件繁琐,pH控制要求较高,且功能化基材灵敏度小,受外界干扰较大等问题。本发明将二乙炔和荧光素基团相互结合,制得聚二乙炔复合囊泡,该复合囊泡基于聚二乙炔在外界刺激下红相和蓝相互相转变、荧光素基团对外界pH值变化响应的作用,来实现多重刺激聚二乙炔和荧光素基团二者颜色以及荧光发射变化调控的多彩荧光发射方法。本发明的复合囊泡制备过程简单,具有优异的荧光可调控性能,且荧光调控操作过程简便,可操作性强,并且抗环境干扰能力强,体系响应灵敏、快速。(A preparation method of fluorescein functionalized polydiacetylene vesicles capable of regulating and controlling multicolor fluorescence emission and construction of a molecular logic gate thereof belong to the technical field of organic conjugated polymer wave assembly. The invention aims to solve the problems that the existing fluorescence-controlled functionalized substrate is complicated in preparation conditions, high in pH control requirement, small in functionalized substrate sensitivity, large in external interference and the like. According to the invention, diacetylene and a fluorescein group are combined with each other to prepare the polydiacetylene composite vesicle, and the multi-color fluorescence emission method for regulating and controlling the colors of the polydiacetylene and the fluorescein group and the fluorescence emission change is realized on the basis of the mutual transformation of a red phase and a blue phase of the polydiacetylene under the external stimulation and the response of the fluorescein group to the change of the external pH value. The composite vesicle has the advantages of simple preparation process, excellent fluorescence regulation and control performance, simple and convenient fluorescence regulation and control operation process, strong operability, strong environmental interference resistance and sensitive and quick system response.)
技术领域
本发明涉及一种可调控多彩荧光发射的荧光素功能化聚二乙炔囊泡的制备方法及分子逻辑门的构建，属于有机共轭聚合物波组装技术领域。
背景技术
多重刺激响应荧光聚合物具有较好的荧光发射、便于制备、性能稳定等优点，在生物传感器、显示材料、逻辑开关、信息存储等方面具有较广阔的前景。
聚二乙炔在很多外接环境的刺激，如温度、酸碱度、化学试剂及应力作用等，会发生肉眼可见明显的颜色变化，典型的颜色变化为蓝色变为红色。但目前调控荧光发射多数依赖于光、热、电以及化学物质等方法，并且现在荧光调控的功能化基材的制备条件繁琐，pH控制要求较高，且功能化基材灵敏度小，受外界干扰较大。
发明内容
本发明为了解决现有荧光调控的功能化基材的制备条件繁琐，pH控制要求较高，且功能化基材灵敏度小，受外界干扰较大等问题，提供了一种可调控多彩荧光发射的荧光素功能化聚二乙炔囊泡的制备方法及分子逻辑门的构建。
本发明的技术方案：
一种可调控多彩荧光发射的荧光素功能化聚二乙炔囊泡的制备方法，该方法的具体操作步骤如下：
步骤1，使用羧基荧光素和乙二胺制备氨基化的荧光素(FDNS)；
步骤2，使用羧基基团二乙炔单体(PCDA)和N-羟基琥珀酰亚胺(NHS)制备白色粉末(PCDA-NHS)；
步骤3，将步骤1和步骤2分别得到的FDNS和PCDA-NHS溶解在DMF溶剂，恒温避光搅拌，得到荧光素取代的二乙炔单体(F-PCDA)；
步骤4，将PCDA与F-PCDA溶解无水乙醇中，加入去离子水，加热超声处理后，避光条件下冷却，恒温静置，得到复合囊泡；
步骤5，将步骤4得到的复合囊泡在254nm紫外光下进行光照聚合，制得蓝色聚二乙炔复合囊泡体系。
所述的步骤1具体操作过程如下：将物质的量比为1：1.2的羧基荧光素和乙二胺放入到无水乙醇中，80℃条件下加热回流12h，冷却至室温后过滤，并使用无水乙醇洗涤2-3次，重结晶，得到FDNS。
所述的步骤2具体操作过程如下：将PCDA溶于二氯甲烷溶液中，然后向该溶液中滴加NHS，30℃条件下避光搅拌4h后过滤，柱色谱分离后，30℃真空干燥12h，得到白色粉末状的PCDA-NHS。
所述的PCDA和NHS的物质的量比为1：1.2；所述的柱色谱分离中展开剂为二氯甲烷。
所述的步骤3具体操作过程如下：将物质的量比为1:1的PCDA-NHS和FDNS溶解在DMF溶剂中，30℃条件下避光搅拌24h，得到F-PCDA。
所述的步骤4具体操作过程如下：将总物质的量为5×10-5mol，摩尔比为10:1的PCDA与F-PCDA溶解在1.5ml无水乙醇中，加入300ml去离子水，加热到65℃后，在超声功率40％的条件下超声65min，避光条件下冷却，并于4℃条件下静置12h，得到复合囊泡。
将步骤5制得蓝色聚二乙炔复合囊泡体系，加热至80℃，得到具有荧光的红相聚二乙炔复合囊泡，体系产生单一的红色荧光发射。
向步骤5制得蓝色聚二乙炔复合囊泡体系中加入L-赖氨酸与Cu2+离子，使体系pH升高，荧光素基团做出响应，且聚二乙炔复合囊泡处于蓝相，故体系产生绿色荧光发射；然后加热至80℃，聚二乙炔复合囊泡变成红相，两种荧光混合，体系产生黄色荧光反射；然后再加入H+离子，荧光素荧光在酸性条件下迅速淬灭，体系回到红色荧光发射。
向步骤5制得蓝色聚二乙炔复合囊泡体系中加入L-赖氨酸与Cu2+离子，聚二乙炔复合囊泡处于蓝相，荧光素基团做出响应，体系产生绿色发射；然后加热至80℃，聚二乙炔复合囊泡变成红相，两种荧光混合，体系产生黄色荧光反射；然后再加入三硝基苯酚(TNP)，TNP淬灭聚二乙炔复合囊泡的红相荧光，体系回到绿色荧光发射；然后再加入H+离子和无水乙醇，体系回到红色荧光发射。
基于可调控多彩荧光发射的荧光素功能化聚二乙炔囊泡的分子逻辑门的构建，所述的OR逻辑门，定义输入信号为L-氨基酸或加热，即存在L-氨基酸或加热为1；不存在L-氨基酸或加热为0；以聚二乙炔复合囊泡的体系发射荧光颜色为输出端，即体系黄色荧光发射为1，反之为0；并定义聚二乙炔囊泡为蓝相状态并且体系为绿色荧光发射为起始状态；所述的INHIBIT逻辑门，定义输入信号为H+离子或OH-离子，即存在H+离子或OH-离子为1；不存在H+离子或OH-离子为0；以聚二乙炔复合囊泡的体系发射荧光颜色为输出端，以聚二乙炔复合囊泡的体系发射荧光颜色为输出端，即体系黄色荧光发射为1，反之为0；并定义聚二乙炔囊泡为红相并且体系为绿色荧光发射为起始状态。
本发明具有以下有益效果：本发明将二乙炔和荧光素基团相互结合，制得聚二乙炔复合囊泡，该聚二乙炔复合囊泡基于聚二乙炔在外界刺激下红相和蓝相互相转变、荧光素基团对外界pH值变化响应作用下，聚二乙炔和荧光素基团二者颜色以及荧光发射变化，来实现多重刺激调控的多彩荧光发射的方法。该聚二乙炔复合囊泡制备过程简单，具有优异的荧光可调控性能，且荧光调控操作过程简便，可操作性强，并且抗环境干扰能力强，体系响应灵敏、快速，可用于制备多重刺激调控器件的构建当中，在智能显示材料制备，光存贮等方面具有良好的使用价值。
附图说明
图1为本发明的FDNS的合成公式；
图2为FDNS的核磁氢谱谱图；
图3为FDNS的荧光光谱表征；
图4为F-PCDA的合成公式；
图5为F-PCDA的核磁氢谱谱图；
图6为聚二乙炔复合囊泡制备示意图；
图7为聚二乙炔复合囊泡多彩荧光调控示意图；
图8为OR逻辑门构建；
图9为INHIBIT逻辑门构建。
具体实施方式
下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明均为常规方法。
具体实施方式1：可调控多彩荧光发射的荧光素功能化聚二乙炔囊泡的制备方法，该方法具体过程如下：
(一)将物质的量比为1:1.2的5(6)-羧基荧光素和乙二胺加入无水乙醇中，80℃条件下加热回流12h，冷却室温，过滤，无水乙醇洗涤2-3次，重结晶，得氨基化的荧光素(FDNS)，FDNS的合成公式如图1所示，FDNS的结构式与核磁氢谱谱图如图2所示，使用的氘代试剂是化学位移为2.54ppm的氘代二甲基亚砜(d-DMSO)。核磁共振氢谱中8ppm、7.7ppm、7.2ppm、6.5ppm的区域可发现苯环上的氢原子；4.2ppm的区域是酚羟基上的氢原子；3.2ppm、1.2ppm的区域为氨基相邻碳上的氢原子；2ppm的区域可发现氨基上的氢原子。积分面积比为a:b:c:d:e:f:g:h＝1:3:1:1:1:1.5:1:2，可看出合成的物质即为荧光素-乙二胺(FDNS)。FDNS的荧光光谱如图3所示：当用465nm光激发，FDNS发射峰位于510nm，当体系中加入一定量的碱OH-，FDNS会有一定的荧光增强现象；反之，当体系中加入酸H+时，FDNS的荧光会瞬间淬灭，因此改变外界pH值，则可以有效的调控荧光素部分的荧光性质。
(二)将羧基基团二乙炔(PCDA)溶于二氯甲烷溶液中，滴加N-羟基琥珀酰亚胺(NHS)，其中PCDA与NHS的物质的量比为1:1.2，30℃条件下避光搅拌4h，过滤，柱色谱分离(展开剂：二氯甲烷)，30℃真空干燥12h，得白色粉末PCDA-NHS。
(三)将PCDA-NHS和FDNS等质量溶解在DMF溶剂中，30℃条件下避光搅拌24h，最终得到荧光素取代的二乙炔单体(F-PCDA)，F-PCDA合成公式如图4所示，F-PCDA的结构式与核磁氢谱谱图如图5所示：溶剂为氘代氯仿(CDCl3)，已知溶剂的化学位移为7.2ppm。谱图中可见化学位移为8ppm、7.7ppm、7.1ppm、6.6ppm、6.2ppm、3.4ppm、3ppm、2.2ppm、1.2ppm、0.9ppm处分别对应酚羟基上的氢、酰胺基上的氢原子、苯环上的氢原子、氨基相邻碳上的氢以及双炔碳链上的氢原子。分析得到积分面积比为a:b:c:d:e:f:g:h:i:j＝4:1:1:1:1:4:24:4:10:4，因此可证明荧光素取代的二乙炔单体(F-PCDA)成功的制备。
(四)将总物质的量为5×10-5mol，摩尔比为10:1的PCDA与F-PCDA溶解在1.5ml无水乙醇中，加入300ml去离子水，加热到65℃后，在超声功率40％的条件下超声65min，避光条件下冷却，并于4℃条件下静置12h，得到复合囊泡。将复合囊泡在254nm紫外光下进行光照聚合，制得蓝色聚二乙炔复合囊泡体系，过程如图6所示。
具体实施方式2：蓝色聚二乙炔复合囊泡的荧光调控方法，如图7所示，
①、将具体实施方式1制得的蓝色聚二乙炔复合囊泡体系中加热至80℃，使聚二乙炔变成具有荧光的红相，体系产生单一的红色荧光发射。
②、在具体实施方式1制得的蓝色聚二乙炔复合囊泡体系中加入一定量的L-赖氨酸与Cu2+离子，体系中碱性氨基酸会使pH略有升高，荧光素基团做出响应，但聚二乙炔仍处于蓝相状态，因此体系呈现绿色荧光发射。
③、在②的基础上，将体系加热至80℃，使聚二乙炔变成具有荧光的红相，荧光素产生绿色荧光发射，两种荧光混合，体系呈现出黄色荧光发射。
④、在③的基础上继续加入H+离子，体系中荧光素基团做出响应，荧光素荧光在酸性条件下会迅速淬灭，因此体系会回到聚二乙炔的红相状态，体系呈现红色荧光发射。
⑤、在②的基础上，继续加入三硝基苯酚(TNP)，由于TNP可以淬灭聚二乙炔本身的红相荧光，因此体系会回到荧光素基团的绿色荧光发射，体系呈现绿色荧光发射。
⑥、在⑤的基础上，继续加入H+离子和无水乙醇后，无水乙醇可以抑制TNP淬灭聚二乙炔红相荧光，同时体系中加入H+离子，体系中荧光素基团做出响应，荧光素荧光在酸性条件下会迅速淬灭，因此体系会回到红相聚二乙炔的红色荧光发射，体系呈现红色荧光发射。
具体实施方式3：可调控多彩荧光发射的荧光素功能化聚二乙炔囊泡的分子逻辑门的构建，构建过程如下：
OR逻辑门：针对荧光素修饰的二乙炔符合囊泡，定义输入信号(input)：L-氨基酸(L-lysine)或加热(heating)存在为1，反之为0；输出端(output)：黄色荧光发射状态的聚二乙炔囊泡体系为1，反之为0。定义聚二乙炔囊泡为蓝相状态并且体系为绿色荧光发射为起始状态，因此当体系存在L-氨基酸(L-lysine)或加热(heating)其中任意一种刺激作为输入信号时，即输入信号为(1/0、0/1、1/1)时，都可使该复合聚二乙炔囊泡器件实现黄色荧光发射，即输出端信号为1，如图8所示，OR逻辑门可作为具有调控多彩荧光发射的灵敏性器件。
INHIBIT逻辑门：针对荧光素修饰的二乙炔符合囊泡，定义输入信号(input)：H+离子或OH-离子存在为1，反之为0；输出端(output)：黄色荧光发射状态的聚二乙炔囊泡为1，反之为0。定义聚二乙炔囊泡为红相并且体系为绿色荧光发射为起始状态，因此当体系必须单独存在OH-离子时，即输入信号为(0/1)时，方可使该复合聚二乙炔囊泡器件实现黄色荧光发射，即输出端信号为1。当两者输入信号同时存在，即(1/1)时，酸碱相互作用抵消，因此该体系无黄色荧光发射，即输出信号为0，如图9所示，INHIBIT逻辑门可作为具有调控多彩荧光发射的灵敏性器件。