本发明属于化学、生物传感、荧光成像材料技术领域，具体涉及一类水溶性的以交替的芴基和乙烯基为共轭主链，并掺杂少量芳香杂环的两性离子型水溶性聚合物的制备及其在化学/生物传感、荧光生物成像方面的应用。
背景技术：
近十几年来，水溶性共轭聚合物在化学与生物传感等信息技术领域的应用引起了人们越来越广泛而热切的关注。这类化合物把传统共轭聚合物的优异光电性质和聚电解质的水溶性特点结合在一起。一方面，作为共轭聚合物，它们一般在紫外可见光区有很强的吸光性能，并且具有“分子导线”的性质。另一方面，它们主要通过在共轭体系的侧链上挂接亲水性离子型官能团实现水溶性，并且离子型官能团能够与其它带电物质发生静电作用，因此可通过聚合物与带相反电荷猝灭剂之间的电子或能量转移实现对周围环境中的多种有机、无机及生物分子的高灵敏检测。
在此基础上进一步发展，近些年来水溶性共轭聚合物作为一类新型荧光探针材料在荧光生物成像领域的研究和应用引起了人们的极大兴趣。chem.rev.在2012年刊登了综述性文章，题为“用于荧光成像、诊断和治疗的水溶性共轭聚合物”，大量关于水溶性共轭高分子荧光成像应用的研究论文涌现在各种国际权威学术期刊上。具有典型两亲性的水溶性共轭聚合物能在水溶液中自组装形成纳米粒子，也可以有效的利用静电、氢键、疏水等超分子作用力结合生物分子或药物分子形成纳米粒子；这些纳米粒子通过与细胞一起孵育，能被细胞内吞而进行荧光成像，并进一步用于活体成像。
目前，已用于荧光成像研究的水溶性共轭聚合物就侧链挂接的离子型官能团来说，大部分采用的是侧链挂接阳离子型官能团，同时挂接阴、阳离子型官能团的研究的相对较少。首先，传统的阳离子型水溶性共轭聚合物纳米粒子在体内循环时易发生非特异性蛋白吸附，从而影响在肿瘤组织的积聚保留效果；而且在细胞内进行荧光成像时，存在着较难被细胞内吞、内吞后易被细胞膜吸附等问题，这是由于细胞膜内部的磷脂大多带有负电荷。两性离子型水溶性共轭聚合物由于侧链同时挂接阴离子和阳离子，能够有效抵抗非特异性蛋白吸附，并改善材料被细胞膜吸附的问题，从而可能实现更好的肿瘤靶向作用和生物成像效果。其次，两性离子聚合物结构中含有大量易被解离的酸性基团和易被质子化的碱性基团，这些基团的离子化程度受溶液ph值等外界条件的影响，致使大分子链的构象发生相应的变化，从而导致荧光光谱的变化，可以实现对环境ph值等因素的传感或荧光生物成像。
并且，过去研究的水溶性聚芴乙烯撑大都是两种单体形成的聚合物，发光区域单一，大部分集中在蓝光区域，在红光/近红外光区(600–1000nm)的较少。在红光/近红外光区，生物组织对光的吸收和散射较少,光对生物组织的穿透能力更强,生物的自发荧光更弱，因而有利于活体成像时的深度检测。因此，本发明将窄带隙的芳香杂环作为单体之一引入大分子主链中，得到一系列共轭主链掺杂的两性离子型水溶性聚芴乙烯撑。研究结果表明，通过改变溶剂、浓度、ph值等外界条件可以调节这类聚合物的分子构象及聚集状态，导致荧光共振能量转移，从而表现出多个发光区域，如4,7-双(噻吩-2基)-2,1,3-苯并噻二唑基团掺杂水溶性聚芴乙烯撑，可在蓝光和红光区域发光。通过比较不同发光区域的荧光发射变化(即比例型荧光发射)，能够减少其他因素干扰，提高检测灵敏度，并且可用于设计多样化的检测方案，满足检测对象多样化的需求，从而使这类材料在化学/生物传感和荧光生物成像方面有着潜在的广泛应用前景。
技术实现要素：
技术问题：本发明的目的在于提出一种共轭主链掺杂的两性离子型水溶性聚芴乙烯撑及其制备方法，并且提出其在化学、生物传感和荧光生物成像方面的应用。这些材料特性可用于设计多样化的检测方案，能够提高检测灵敏度，并且满足检测对象多样化的需求，从而使这类材料在化学/生物传感和荧光成像方面有着潜在的广泛应用前景。
技术方案：本发明的一种共轭主链掺杂的两性离子型水溶性聚芴乙烯撑采用有机金属催化的heck聚合反应制备得到中性聚合物，再通过季铵化及/或羧酸酯水解等反应得到共轭主链掺杂的两性离子型水溶性聚芴乙烯撑，化合物的分子结构如下：
其中，
ar为4,7-双(噻吩-2基)-2,1,3-苯并噻二唑基团或2,5-二(2-乙基己基)-3,6-二(噻吩-2基)-吡咯并吡咯二酮基团中的一种；
聚合度n为大于1的自然数，x，y为大于0小于1的小数，x+y＝1，且y≤0.3；
r，r’不相同并分别选自下列基团中的任一种：r1r2r3r4n+，r5coo-，r1r2r3r6n+，或r，r’同时为r1r2r3r6n+；这里r1，r2，r3，r4，r5分别为下列基团中的一种：烷基、烷氧基；r6结构式为r7so3-，这里r7为下列基团中的一种：烷基、烷氧基。
其中：
a.当ar为4,7-双(噻吩-2基)-2,1,3-苯并噻二唑基团时，其中两种典型的结构如下：
a1.r和r’均位于芴基的9位上，r的结构是r1r2r3r4n+，r1为烷氧基，r2、r3和r4均为烷基；r’的结构是r5coo-，r5为烷基，其结构式如下：
a2.r和r’均位于芴基的9位上，r，r’同时为r1r2r3r6n+的结构，r1为烷氧基，r2和r3均为烷基，r6结构式为r7so3-，这里r7为烷基，其结构式如下：
b.当ar为2,5-二(2-乙基己基)-3,6-二(噻吩-2基)-吡咯并吡咯二酮基团时，其中两种典型的结构如下：
b1.r和r’均位于芴基的9位上，r的结构是r1r2r3r4n+，r1为烷氧基，r2、r3和r4均为烷基；r’的结构是r5coo-，r5为烷基，其结构式如下：
b2.r和r’均位于芴基的9位上，r，r’同时为r1r2r3r6n+的结构，r1为烷氧基，r2和r3均为烷基，r6结构式为r7so3-，这里r7为烷基，其结构式如下：
本发明的共轭主链掺杂的两性离子型水溶性聚芴乙烯撑的制备方法为：
1)采用有机金属催化的heck聚合反应，通过a+b+c的三组分聚合的方法先合成中性共轭聚合物，其中，a为二溴芴衍生物单体，b为二烯基芴衍生物单体，c为用于掺杂的二溴芳香杂环单体，
2)步骤1)制备得到的中性聚合物再通过季铵化及/或羧酸酯水解反应得到共轭主链掺杂的两性离子型水溶性聚芴乙烯撑。
其中，
所述单体a和单体c的物质的量之和等于单体b的物质的量，且c的物质的量小于或等于b物质的量的30％。
本发明的共轭主链掺杂的两性离子型水溶性聚芴乙烯撑在化学、生物传感或荧光生物成像中的应用。
有益效果：在本发明中，将芳香杂环作为单体之一引入聚芴乙烯撑主链中，得到一种共轭主链掺杂的两性离子型水溶性聚芴乙烯撑，通过改变溶剂、ph值等某些外界条件，可调节该种聚合物的分子构象及聚集状态，导致发生荧光共振能量转移，从而表现出多个发光区域的比例型荧光发射，并可实现红光/近红外发射。两性离子型结构有利于细胞进行内吞作用，能够有效改善材料被细胞膜吸附的问题，从而可能达到更好的生物成像效果。这些材料特性可用于设计多样化的检测方案，能够提高检测灵敏度，并且满足检测对象多样化的需求，从而使这类材料在化学/生物传感和荧光成像方面有着潜在的广泛应用前景。
附图说明
图1.为本发明制备的两性离子型水溶性聚芴乙烯撑在水中的紫外-可见吸收光谱，浓度为2×10-5mol/l。
图2.为本发明制备的两性离子型水溶性聚芴乙烯撑在水中的荧光发射光谱，浓度为2×10-5mol/l。
图3.为本发明制备的两性离子型水溶性聚芴乙烯撑的hela细胞成像的明场、暗场和叠加图。
具体实施方式
为了更好地理解本发明的内容，下面通过具体的实施例进一步说明本发明的技术方案，但不能以此来限制本发明的范围。
实施例1：
通过以下方法制备单体(1)和(2)，将(1)、(2)和(3)按物质的量比为1：1.25：0.25投料，然后在pd(oac)2/p(o-tolyl)3催化下通过heck反应将三者偶联起来，反应12小时后，即得到中性4,7-双(噻吩-2基)-2,1,3-苯并噻二唑基团掺杂水溶性聚芴乙烯撑p1；进一步用碘甲烷进行季铵化反应，反应3天，得到阳离子型4,7-双(噻吩-2基)-2,1,3-苯并噻二唑基团掺杂水溶性聚芴乙烯撑p1’；最后用三氟乙酸进行羧酸酯水解反应，反应24小时，得到两性离子型4,7-双(噻吩-2基)-2,1,3-苯并噻二唑基团掺杂水溶性聚芴乙烯撑p1”。
实施例2：
同实施例1，制备单体(2)，用下列方法合成得到单体(4)，将(4)、(2)和(3)按物质的量比为1：1.25：0.25投料，然后在pd(oac)2/p(o-tolyl)3催化下通过heck反应将三者偶联起来，反应12小时后，即得到中性4,7-双(噻吩-2基)-2,1,3-苯并噻二唑基团掺杂水溶性聚芴乙烯撑p2，进一步用碘甲烷进行季铵化反应，反应3天，得到阳离子型4,7-双(噻吩-2基)-2,1,3-苯并噻二唑基团掺杂水溶性聚芴乙烯撑p2’；最后加入1,4-丁烷磺酸内酯反应，反应3天，得到两性离子型4,7-双(噻吩-2基)-2,1,3-苯并噻二唑基团掺杂水溶性聚芴乙烯撑p2”。