用于胺检测的具有强光发射和溶致变色性能的纯氧非共轭高分子及其制造方法与流程

相关申请的交叉引用

本专利申请要求2014年10月17日递交的，申请号为61/122,326的美国临时专利申请的优先权，该美国临时专利申请的申请人为本专利申请的发明人，并且在此整个结合引用，以作参考。

本发明涉及不含典型的生色团的发光团的研究，以及其在传感器领域的应用。特别地，本发明涉及聚合荧光材料的制备以及其作为探针在胺传感器应用中的使用。

背景技术：

双键广泛存在于有机分子中。在所有的双键中，碳-碳双键是构造有机发光材料的主要骨架。多个碳碳双键(c＝c)可以连接在一起形成聚烯烃，产生发光聚合物。当三个碳-碳双键以头尾相连的方式连接时，将形成苯环，双键的环状形式。苯环是所有传统的有机生色团的基础基团。对于其他双键如碳氧双键(c＝o)、硫碳(c＝s)、碳氮(c＝n)、氮氧(n＝o)，氮氮(n＝n)的研究较少，其中的一些已知是非发光的或是有害发光的。因此，无c＝c的生色团的发展是有别于传统研究方向的。

在生物系统中，具有丰富的含磷(磷)、硫、氮(氮)的富电原子。了解这些富电原子对光激发的响应具有理论价值和实践意义，并可能导向具有优良生物相容性的发光聚合物。有研究者发现一些发射强光的体系没有双键，一个例子是聚(酰氨基胺)(以下简称pamam)。

事实上，有几个研究小组主导对pamam的研究。虽然精密的生色团仍在研究中，但是对这些生色团的普遍共识是增加聚合物的生成或降低溶液的ph值会产生强发光，这是源于为叔胺(公认的生色团)创造了更刚性的环境。在某些其他体系中，研究者发现柔性环境将有利于激发态能量以非辐射途径衰减的，而刚性环境(rigidenvironment)有利于辐射途径。pamam体系的另一特征是其需要经历相对较长时间的缓慢的氧化过程以形成发光体(emissionspecies)，因此使得发光pamam的生成费时且不可控。

从发光角度看，刚性结构会产生更好的发光性能。与氮相比，纯氧系统发光应更具挑战性。氮可以具有三个取代基，而氧只能具有两个取代基，因此其运动更自由，且更容易产生光发射。然而，纯氧非常规体系是非常罕见的。

pucci等报道了马来酸酐官能化聚异丁烯(maleicanhydridefunctionalizedpolyisobutene)的聚集诱导发光特性(“aggregation-inducedluminescenceofpolyiosbutenesuccinicanhydridesandimides”,macromol.chem.phys.,2008,209,900-906)。根据pucci等的报道，马来酸酐可以附连到pib作为端基。可以预计，其发光效率不会很高，因为生色团较少。从这个意义上说，具有简单而清晰的结构且不需要存放较长时间才能发光的非常规发光生色团，在目前来看是未知且符合期望的。

技术实现要素：

在一实施例中，本发明涉及包括具有发光性能的纯氧聚合物的非共轭聚合物，其中所述非共轭聚合物显示荧光性。

在另一实施例中，本发明涉及一种胺检测方法，包括在样本中引入本发明在此所述的非共轭聚合物，以及通过观察紫色聚集体产生来确定样本中存在胺。

在另一实施例中，本发明涉及一种聚合物溶剂复合物，包括与富电溶剂相互作用的聚[(马来酸酐)-谷丙转氨酶-(乙酸乙烯酯)](以下简称pmv)。

附图说明

图1a示出了在日光(左)和365nm紫外光(uv)(右)照射下拍摄的不同溶剂中的pmv照片。

图1b示出了n-甲基-2-吡咯烷酮(以下简称nmp)和四氢呋喃(以下简称thf)中的pmv的uv光谱，其中聚合物浓度5mm。

图1c示出了在nmp和thf中的pmv的光致发光(以下简称pl)光谱，其中聚合物浓度:5mm；激发波长:330nm。

图2a示出了p1在二甲亚砜(以下简称dmso)中的pl光谱，其中聚合物浓度:5mm,激发波长:330nm。

图2b示出了p2在dmso中的pl光谱，其中聚合物浓度:5mm,激发波长:330nm。

图3a示出了thf中的聚马来酸酐(以下简称pmah)和聚醋酸乙烯酯(以下简称pvac)的pl光谱，浓度:5mm；激发波长:330nm。

图3b示出了在nmp/thf混合物(v/v,19:1)中的pmah和马来酸酐(以下简称mah)溶液的pl光谱；其中浓度:5mm；激发波长:330nm。

图4示出了thf/水混合物(v/v,1:1)随培育时间的pmv粒径andpl强度变化。

图5a示出了pmv在nmp(24h)中,先在nmp(12h)中接着在水中(12h),先在水中(12h)然后在nmp(12h)中,以及在水中(24h)的uv吸收光谱；其中浓度:5mm。

图5b示出了pmv在nmp(24h)中,先在nmp(12h)中接着在水中(12h),先在水中(12h)然后在nmp(12h)中,以及在水中(24h)的pl光谱；其中浓度:5mm；激发波长:550nm。

图6a示出了对于不同存储时间，pmv在nmp/thf混合物(v/v,19:1)中的uv吸收光谱；浓度:5mm。

图6b示出了对于不同存储时间，pmv在nmp/thf混合物(v/v,19:1)中的pl光谱；浓度:5mm；激发波长:550nm。

图7示出了pmv，以及pmah和pvac的混合物在nmp/thf(v/v,9:1)中的uv光谱，浓度:5mm。

图8示出了pmv，以及pmah和pvac混合物在nmp/thf混合物(v/v,9:1)中的pl光谱；浓度:5mm；激发波长:550nm。

图9示出了溶解在含(右)或不含(左)1％三甲胺(以下简称tea)thf的pmv的照片，pmv浓度：50mg/ml。

图10a示出了新鲜制备的pmv-tea复合物在dmso和dmso/水混合物(1:19,v/v)溶液的uv光谱；浓度：50mg/ml。

图10b示出了新鲜制备的pmv-tea复合物在dmso和dmso/水混合物(1:19,v/v)溶液的pl光谱；浓度：50mg/ml；激发波长:330nm。

图11示出了pmv-tea复合物在dmso和dmso/水混合物(1:19,v/v)溶液的pl光谱；浓度：50mg/ml；激发波长:527nm。

图12示出了pmv-tea复合物在dmso和dmso/水混合物(1:19,v/v)溶液中在室温下存储48h前后的uv光谱。

图13示出了pmv-tea复合物在dmso和dmso/水混合物(1:19,v/v)溶液中在室温下存储48h前后的pl光谱；浓度:5mm；激发波长:330nm。

图14示出了pmv-tea复合物在dmso和dmso/水混合物(1:19,v/v)溶液中在室温下存储48h前后的pl光谱；浓度:5mm；激发波长:527nm。

图15示出了以表格法获得的(a)pmv和(b)pmv-tea的ir光谱。

具体实施方式

除另有规定外，在此使用的全部技术和科学术语都具有和本发明所属的领域中技术人员通常所理解的含义。为了更好地理解本发明的主题和构造附加的权利要求，提供以下定义。

除另有说明外，应注意，在本说明书和后附的权利要求书中，单数形式“一”、“一个”和“所述”包括单数和复数。

在此使用的术语“发光强度”是指通常从荧光光谱仪或荧光显微镜测量获得的荧光/磷光亮度。

在此使用的术语“生色团(chromophore)”是指分子中产生颜色的部分。

在此使用的术语“发光体(luminophore)”是指显示荧光性的分子。

除了特别地单独定义外，在提供一个范围值时，例如浓度范围、百分比范围或比例范围，应该理解，在本发明中，应该涵盖位于该范围中的上限和下限之间的为其下限单位的十分之一的数值的任何中间值，以及任何规定范围内的其他的规定值或者中间值。除了特别排除在规定的范围内的限值以外，这些小范围的上限和下限可以独立包含在这些小范围中，且这些实施例同样涵盖在本发明中。在此，规定的范围包括一个或两个限值。在本发明中，还包括那些一个或多个限值被排除的范围。

在本申请中，各个实施例的描述使用“包括”的描述。然而，本领域技术人员可以理解，在某些特定的情况下，一个实施例可以交替使用的“基本上由…组成”或“由…组成”。

为了更好地理解本发明的教导，而非限制本发明，除另有说明外，所有的表示数量，百分比或比例的数值，或其他在本发明说明书或权利要求书中使用的其他数值，都应该为理解为是大约的。除另有说明外，在下述说明书和后附的权利要求书中出现的数值是估计的，并且取决于试图获得的性质。至少，每个数值参数至少应被解释为根据记载的重要数值通过应用普通的四舍五入获得。

本发明涉及具有发光性能，即荧光性的纯氧非共轭聚合物。该聚合物在不同的溶剂中具有不同的吸收和发光特性。在一个实施例中，这些聚合物包含构象锁定的酸酐基团作为生色团以提供荧光。例如，pmv在和不同溶剂相互作用时具有不同的激发和发射光谱。特别地，在将pmv添加到含富电原子(如n或s)的溶剂中时，将溶液逐渐变成洋红色，且解析到在约600nm的发光峰。此外，当pmv加入到只有碳和氧的溶剂中，则不会观察到这样的现象。锁定的酸酐基团形成的生色团可与来自醋酸乙烯的酯基形成电荷转移体。与富电溶剂的相互作用可以方便的电荷转移过程，并在发射和吸收最大值中产生红移。

在一实施例中，非共轭聚合物包括具有发光性能的纯氧聚合物，其中非共轭聚合物显示荧光性。

在一实施例中，所述非共轭聚合物由选自下列组的一种或多种单体组成：

其中，每个x是独立选自氧和硫组成的组的；

每个r1、r2、r3、r4、r5,和r6是独立选自h、cnh2n+1、ocnh2n+1和nhcnh2n+1组成的组的，且

每个n是从1-20的整数。

在一实施例中，所述非共轭聚合物是具有下列化学式的pmv

在一实施例中，所述非共轭聚合物是具有下列化学式的pmah

在一实施例中，所述非共轭聚合物是具有下列化学式的pvac

在一实施例中，在一个或一个以上的单体上的羰基集聚提供生色团。

在一实施例中，该生色团在红光区域发光。

在一实施例中，所述非共轭聚合物显示溶剂对吸收的影响。

在一实施例中，所述非共轭聚合物在富电溶剂具有红移的吸收峰。

在一实施例中，所述红移吸收是由于酸酐基团和酯基之间的促进的电荷转移所致。

在一实施例中，所述非共轭聚合物显示溶剂对发射的影响。

在一实施例中，所述非共轭聚合物在富电溶剂具有红移的发射峰。

在一实施例中，所述红移发射是由于酸酐基团和酯基之间的促进的电荷转移所致。

在一实施例中，提供了一种检测胺的方法，包括在样本中引入本发明在此所述的非共轭聚合物，以及通过观察紫色聚集体产生来确定样本中存在胺。

在一实施例中，提供了一种聚合物溶剂复合物，包括与富电溶剂相互作用的pmv。在某些实施例中，所述富电溶剂包括从n、s和其混合物构成的组中选择的富电原子。

在一实施例中，本发明涉及包含pmv-tea复合物的聚合物溶剂复合物。

在一实施例中，当聚合物颜色变淡时，保持发光。

在一实施例中，本发明涉及包括富电原子聚集以形成生色团的聚集发光团(clusteroluminogen)。

在一实施例中，聚集发光团是pmah。

在一实施例中，聚集发光团是pmv。

所述荧光聚合物首先从马来酸酐和醋酸乙烯的自由基聚合构造以获得pmv。pmv具有溶致变色性：在与富电溶剂相互作用后，由于聚合物/溶剂复合物的形成，其吸收和发射迁移到较长波长。这使得可以通过改变溶剂而无需改变生色团就可以微调其光学性质。所述聚合物可以应用到传感器或者成像应用中。

在一实施例中，pmv可以根据下列合成路径合成：

为了确定获得的聚合物是与传统的生色团无关的，使用偶氮二异丁腈(azobisisobutyronitrile，以下简称aibn)作为引发剂。通过在～300ml的己烷/氯仿混合物(10:1,v/v)中沉淀三次纯化该聚合物。经过真空干燥烘箱50℃过夜后，得到淡红色粉末。

在一实施例中，该聚合物在普通溶剂中可溶解，这些溶剂包括二甲亚砜(dmso)，二甲基甲酰胺(dmf)、四氢呋喃(thf)，二氯甲烷(dcm)，n-甲基-2-吡咯烷酮(nmp)氯仿和丙酮，但在正己烷、二乙醚，乙酸丁酯(buac)和三乙胺(tea)中的溶解度有限。

在一实施例中，pmf的thf稀溶液是无色的，且在波长大于300nm时几乎不吸收uv光(图1a和1b)。然而，在紫外线照射下，仅观察到蓝光。相关pl光谱在444nm示出发射峰。

在一实施例中，pmf显示溶致变色性质：其在不同的溶剂中显示不同的吸收和发射。例如，pmv的nmp溶液是紫红色，而在dmso和dmf中，它分别是淡红色或暗红色的(图1a)。与在thf中相比，pmv在npm中的uv光谱显示中心在～550nm的新强带。另一方面，在相同的溶剂中，除了在444nm的一个峰之外，pl光谱在600nm显示另一个峰值，这表示有新的发射体生成。

在一实施例中，研究了溶剂对pmv的光学性质的影响。结果见表1。

表格1.pmv在不同溶剂中的光物理性质^a

^a缩写:λab＝吸收波长,λem＝发射波长,thf＝四氢呋喃,nmp＝n-甲基-2-吡咯烷酮,dmf＝二甲基甲酰胺,dmso＝二甲亚砜,无^b＝由于溶剂的吸收的干扰而不能测定。

在芳烃和含氧溶剂，如甲苯、丙酮、四氢呋喃和二氧杂环乙烷中，pmv显示为无色且在蓝光区域发光。在具有富电原子(如硫和氮)的nmp、吡啶、dmf和dmso中，pmv是洋红色，并发射红光。显然，在聚合物和溶剂之间发生相互作用。

在一实施例中，研究两个商业聚合物(p1和p2)的pl，p1和p2具有如下结构：

如下表格1和2中概况的结果显示，在p1和p2的发光上观察到相同的溶剂效应。与pmv相比，p1和p2的溶液在相同的溶剂中颜色更浅。在p1中的羰基数量较少，且在p2中的乙基施加的位阻较大，将会影响它们和溶剂间的相互作用的程度，从而削弱吸收和发射的变化。

表格2p1在不同溶剂中的光物理性质^a

a缩写:nmp＝n-甲基-2-吡咯烷酮,dmf＝二甲基甲酰胺,tea＝三乙胺，dmso＝二甲亚砜,thf＝四氢呋喃,λab(nm)＝吸收最值,λem(nm)＝发射最值,无b＝不能测定。

表格3p2在不同溶剂中的光物理性质^a

a缩写:nmp＝n-甲基-2-吡咯烷酮,dmf＝二甲基甲酰胺,tea＝三乙胺，dmso＝二甲亚砜,thf＝四氢呋喃,λab(nm)＝吸收最值,λem(nm)＝发射最值,无b＝不能测定。

在一实施例中，从pmv的两个基本单元，即乙酸乙烯(以下简称vac)和mah制备聚合物，并检测它们是否发光。可聚合vac产生pvac。通过采用与vac和mah相同聚合的条件，可以很好的产率(例如53％到85％)获得pvac和pmah。

在一实施例中，根据以下的合成路径合成pmah：

在一实施例中，根据以下的合成路径合成pvac：

pmah的thf溶液在390nm处基于光激发发射强蓝光(图3a)。相反地，在pvac没有荧光信号记录。

在一实施例中，在相同的实验条件下(图3b),mah没有发光。由于其庞大的酸酐基团，pmah在溶液中具有刚性构象，从而阻碍了聚合物链沿c-c单键的自由旋转。这有利于通过聚集羰基形成异端集群(heterodoxcluster)，从而在uv照射时发光。

在一实施例中，为了确定具有富电原子的溶剂的红光发射的起源，研究在不同溶剂中的pmah的pl光谱，在表格4中示出数据。在全部的含有硫和氮的测试溶剂中，pmah的pl光谱仅在约390nm示出单峰(表格4，下同)。在整个实验过程中没有观察到颜色变化或红移现象。

表格4pmah在不同溶剂中的光物理性质^a

a缩写:dmso＝二甲亚砜,dmf＝二甲基甲酰胺,nmp＝n-甲基-2-吡咯烷酮,thf＝四氢呋喃,λab(nm)＝吸收最值,λem(nm)＝发射最值,φf＝荧光量子效应,<τ>＝平均荧光寿命。

在一实施例中，测得pmah的在不同溶剂中的量子产率为约20％，这可与传统的生色团相比，因此可以证明羰基本身可以作为有效的生色团。

在一实施例中，测定了pmv的pl寿命。在475nm激发，在全部溶剂中激发态通过三种途径弛豫，其平均寿命约为6ns(如下表格5)。

表格5pmv在不同溶剂中在不同波长的荧光寿命^a

^a缩写:λex＝激发波长,λem＝发射波长,dmso＝二甲亚砜,dmf＝二甲基甲酰胺,nmp＝n-甲基-2-吡咯烷酮,thf＝四氢呋喃。

在600nm获得相同结果。pmv的寿命与pmah类似(如下表格6)，这确实证明mah集群是pmv的生色团，且在富电原子出现时其与vac基团反应，从而使得发射迁移到长波长。

表格6.pmah在不同溶剂中在不同波长的荧光寿命^a

^a缩写:dmso＝二甲亚砜,dmf＝二甲基甲酰胺,nmp＝n-甲基-2-吡咯烷酮,thf＝四氢呋喃,<τ>＝平均荧光寿命。.

在一实施例中，为了检测其他形式的羧基，如羧酸，是否显示相同的性质，采用水在thf中水解pmv，接着pl随时间改变。如图4所示，pmv的荧光随着培育时间增加变弱。水解过程不会增加羧基数量，但是会使得mah基团开环。这可以为羰基提供更多的自由度以进行旋转，从而导致非辐射弛豫和光致发光。

在一实施例中，粒径随培育时间变化。pmv是不溶于50％的水溶液的，且显示出130nm的平均粒径。由于热胀冷缩作用，在水解过程中的初始阶段，粒径增加。在140分钟之后，粒径急剧变小。在180分钟，几乎没有检测到信号，这表明水解产物由于其高亲水性可溶于溶剂混合物。这也揭示了羰基需要相对刚性的设置以进行相互作用和发光。

在一实施例中，在富电溶剂中进行了同样的实验。类似以前的结果，pmv的nmp溶液是洋红色且在～550nm吸收。当在～550nm对其进行激发时，其在～600nm发光(图5)。当采用水处理pmv，或首先对其水解时接着加入nmp时，没有观察到颜色变化或者红吸收以及发光。另一方面，如果先将pmv溶解到nmp，然后加入水，该溶液呈现红色，以很弱的强度发出红光。这些结果表明mah基团对于pmv的吸收和发射是至关重要的，应该防止mah基团水解。

如图6所示，在一个实施例中，在nmp/thf的混合物中在不同时间间隔测量pmv的紫外和pl光谱。随着培育时间增加，发光复合物缓慢形成，聚合物的吸收和发射变强。因此，需要足够的时间来调整聚合物的构象和产生的生色团。

在一实施例中，为了破解vac基团与mah基团以及溶剂之间的产生发射红光的复合物的相互作用本质上是分子内还是分子间的，研究pmah和pvac在nmp/thf混合物之间的光学性能，且将获得的数据与相同条件下的pmv的数据进行相比。混合物的uv光谱几乎是没有明显峰值的直线(图7)。当在550nm激发时，没有检测到pl信号，但是pmv溶液却给出了强红pl(图8)。这意味着mah和vac基团的共价键对于这种现象来说是至关重要的，这使得其在足够近的距离进行相互反应。

在一实施例中，pmv在tea中的溶解度非常有限。一旦加入tea，立即形成紫色聚集体。受此特点启发，我们设计了如下实验以分离生色团：首先将100mgpmv溶解到2mlthf(图9左)，接着加入20μltea。该溶液变红，接着很快混浊。在很短一段时间之后，该溶液变成啫喱状(图9右)。在移除过量溶剂之后，获得紫色粉末。

在一实施例中，该粉末很容易溶于dmso形成洋红色溶液。这表明，形成pmv-tea复合物，并且进一步在～550nm处显示吸收峰(图10a)。在330nm激发，在dmso中观察到沿着600nm的肩峰的在～460nm的发射峰，而前者仅在dmso水溶液中检测的到(图10b)。

在一实施例中，在550nm激发，dmso溶液在～590nm剧烈发光，但dmso水溶液仅在～600nm显示弱强度的峰(图11)。

在一实施例中，在室温下留置48小时后，聚合物的吸收变弱，其颜色变淡(图12)。然而，其发射保持(图13和14)。如前所述，首先在水中培育之后，pmv在长波长区没有吸收和发射。与pmv相比，pmv-tea对水显示出很大的电阻，这可能是因为在pmv和tea之间存在强相互作用以稳定mah基团不发生水解。

在一实施例中，采用红外光谱(ir)表征pmv和pmv-tea。pmv光谱中在1858cm^-1和1785cm^-1处的峰是源于其酐基的c＝o伸缩振动。另一方面，1738cm^-1处的峰值是由于vac基团的c＝o吸收。pmv-tea的光谱在1737cm^-1显示一个c＝o吸收，这意味着在聚合物的羰基和加入的tea分子之间的相互作用。

上述实施例是用于解释本发明的主旨，而非限制本发明的。

材料：在使用前蒸馏醋酸乙烯。马来酸酐、aibn、其他化合物和试剂均购自aldrich且在使用前未经纯化。p1和p2均购自sigma-aldrich且在使用前在己烷/氯仿混合物(10:1,v/v)中沉淀其溶液三次进行纯化。

设备：在brukerarx400nmr光谱仪使用dmso-d6或氯仿-d作为溶剂，四甲基硅烷(tms)作为内标测量¹h和¹³cnmr光谱。在miltonrayspectronic3000阵列分光光度计测量uv吸收光谱。在perkinelmerls55分光光度计测量pl光谱。在edinburghflsp920分光光度计采集时间分辨荧光光谱。使用0.1n硫磺酸的奎宁硫磺酸盐作为标准评定溶液荧光量子效应(φf)值(φf＝54.6％)。溶液的吸光率保持在0.04到0.06之间以避免内滤效应。

缩写

aibn:偶氮二异丁腈

buac:乙酸丁酯

dcm:二氯甲烷

dmso:二甲亚砜

dmf:二甲基甲酰胺

mah:马来酸酐

nmp:n-甲基-2-吡咯烷酮

pamam:聚(酰氨基胺)

pib:聚异丁烯

pl:光致发光

pmah:聚马来酸酐

pmv:聚[(马来酸酐)-谷丙转氨酶-(乙酸乙烯酯)]

pvac:聚醋酸乙烯

tea:三甲胺

thf:四氢呋喃

tms:四甲基硅烷

uv:紫外

vac:聚醋酸乙烯

基于在此包含的信息，对于本领域技术人员来说，在不偏离下述权利要求的精神和范围的情况下，对本发明的精确描述做出各种改变是显而易见的。本发明的主题不限于在此定义的步骤，性质和组分，因为这些优选的实施例以及其他描述是用于示例本发明的各个特定方面。实际上，对于化学，生物化学领域的技术人员来说，可以对本发明所描述的示例做出各种修改，这些修改都落入本发明的保护范围。