生物聚合物范文（精选9篇）
生物聚合物 第1篇
关键词：树枝状聚合物,仿生修饰,人工蛋白,生物矿化,结晶
0 引言
生物矿化广泛存在于自然界中, 是生物体系中以少量有机大分子 (蛋白质、糖蛋白或多糖) 为模板, 通过有机大分子和无机物离子在界面处相互作用, 从分子水平高度有序地组装成生物矿物的过程。生物矿物是生物体内组成与自然界岩石相同的一些矿物质, 包括羟基磷灰石和方解石等, 构成骨骼、牙齿等硬组织[1,2,3]。一些矿物材料具有特殊的性能或用途, 人们尝试合成组成和结构相似的仿生矿物材料, 但很难得到生物矿物特殊的多级结构。模拟生物矿化过程以有机基质为模板控制无机矿物的形成, 可以制备具有独特显微结构特点和生物学性能的材料, 并能揭示生物矿化控制机理, 为寻求新型仿生材料提供了有益的借鉴[4,5]。
人们发现, 大多数与生物矿物结合的蛋白质都是酸性、水溶性聚电解质, 它们是矿物晶体成核和生长的模板。为了探讨蛋白质在矿化过程中的作用, 人们试图分离矿化组织中的蛋白质, 但发现要将这些结合非常紧密的组分与构架分离开来非常困难。即使将某种蛋白质分离出来, 其氨基酸序列也不易得到, 只能分析其氨基酸组成[6]。因此, 人们合成了一些带相似基团的线型酸性高分子, 如聚丙烯酸 (Polyacrylic acid, PAA) 来模拟蛋白的作用。由于线型聚合物分子量的多分散性, 并且在溶液中常形成无规线团, 所以它们并不适用于构建晶体有序的结构和探讨分子结构-结晶过程的关系[7]。树枝状聚合物 (Dendrimer) 是一类三维的、高度对称有序的单分散性大分子化合物, 由中心核、数层重复树枝单元和大量外围基团所组成[8]。树枝状聚合物可被设计成不同的代数和结构, 带有不同功能的端基, 从而可模拟多种蛋白质结构和功能, 所以树枝状聚合物有“人工蛋白”的美誉[9], 其明确可控的结构有利于研究者深入认识生物矿化过程中蛋白质结构-功能关系。另外, 树枝状聚合物扇形或球形的分子结构也比线型聚合物更刚性, 使其具有规整的二级结构, 不存在分子链缠绕的问题[10]。基于以上优点, 树枝状聚合物是一类性能优异、适用于模拟生物矿化的大分子模板。树枝状聚合物种类很多, 但用于模拟生物矿化研究的树枝状聚合物并不多, 近10年才开始有将树枝状聚合物用于无机物结晶过程的研究, 研究集中在生物体中含量最多的碳酸钙和羟基磷灰石矿物上。国内这个领域的研究很少, 都集中在树枝状聚合物调控晶体形貌上, 用树枝状聚合物模拟生物矿化过程制备的仿生材料也非常少。目前国际上研究相对深入的树枝状聚合物主要有聚酰胺-胺型树枝状聚合物、聚丙烯亚胺型树枝状聚合物及少量其他类型树枝状聚合物, 本文简要评述它们用于模拟生物矿化的研究。
1 聚酰胺-胺型 (Polyamidoamine, PAMAM) 树枝状聚合物
PAMAM型树枝状聚合物是1985年Tomalia课题组[8]通过反复的Michael加成和酰胺化反应首次合成出来的一类“星爆状”树枝状聚合物。PAMAM半代产物表面带容易改性为羧基的酯基, 整代产物表面带氨基, 很容易让人联想到氨基酸的结构。PAMAM树枝状聚合物合成方法较为成熟, 并且表面基团易于改性, 目前它已是研究最为广泛的一类树枝状聚合物, 将其用于生物矿化的研究也是最多的。低代数 (0.5～3.5代) PAMAM为开放结构, 其内部叔胺和酰胺基团可与金属离子结合;高代数PAMAM结构更类似球体且表面覆盖大量可与金属离子结合的官能团[11]。大量研究表明, 不同代数或带不同端基的PAMAM调控或诱导矿化的能力是不同的。
1.1 PAMAM型树枝状聚合物调控矿化
表面为羧基的半代PAMAM树枝状聚合物在溶液中电离带负电, 可用来模拟阴离子胶束或蛋白质[12]。Naka等[10]就表面为羧基的PAMAM对碳酸钙结晶的影响进行了一系列研究。碳酸钙主要有4种常见结晶形态:方解石、文石、球霰石和无定型碳酸钙[13], 其中方解石最为稳定, 其余3种晶型在一定条件下都可以转化成方解石。通常情况下, 球霰石接触水就会不可逆地转变成方解石, 这个过程只需要4天左右[14] ;无定型碳酸钙最不稳定, 经常作为一种过渡状态存在[15]。Naka等在加入表面为羧基的半代PAMAM的水溶液中得到了能稳定存在1个星期的碳酸钙球霰石晶体, 并且水洗不会改变球霰石晶体的形态;而空白对照组得到菱形方解石。这说明带羧基的PAMAM阻止了水溶液中球霰石向方解石的相转变, 使球霰石表面保持稳定。另外, PAMAM的代数和浓度都会影响其与钙离子的复合能力, 导致碳酸钙结晶过程的不同。高代数能与钙离子结合的表面官能团数量和其内部含氮部分都较低代数增加, 所以高代数PAMAM与钙离子形成复合物的能力明显强于低代数PAMAM, 使高代数PAMAM控制碳酸钙晶体成核与生长的能力更强。从1.5代到3.5代, 得到的碳酸钙晶体尺寸逐渐减小, 直至4.5代才不再变化, 而且低代数PAMAM得到的晶体产率比高代数的高, 表明高代数PAMAM才能抑制晶体形成[10,12]。浓度的影响与代数类似, 浓度增加时, PAMAM表面官能团数目和内部含氮部分都增多, 使碳酸钙倾向于形成球霰石晶体。用4.5代PAMAM进行碳酸盐扩散实验, 发现加入低浓度PAMAM时, 形成的碳酸钙晶体多为方解石;但加入高浓度PAMAM时, 球霰石比例也随浓度的升高而升高。
羟基磷灰石 (Hydroxyapatite, HA) 是很好的生物相容材料, 制备具有特殊性能的HA一直是研究的热点。受前述PAMAM用于碳酸钙结晶的研究的启发, 研究者尝试将PAMAM应用于羟基磷灰石结晶的研究, 发现羟基磷灰石的结晶过程同样受PAMAM代数和浓度的影响, 与碳酸钙类似。Yang课题组[16,17]发现无论是表面为氨基的整代还是表面为羧基的半代PAMAM树枝状聚合物, 在水热法制备HA的实验中, 得到的晶体粒径都随代数增加依次减小, 并且晶体从棒状变为椭圆状。而相同代数PAMAM浓度增加时, 晶体粒径也依次减小。另外, 他们还发现端基不同会造成PAMAM与钙离子的配位点不同, 所以晶体成核点不同, 导致HA晶体形态不同。他们用端基改性为羟基的2.5代PAMAM与水热法结合制备了HA纳米棒状晶体, 比端基为羧基的PAMAM制得的纳米棒更短, 原因是前者外部的羧基是主要的配位点, 而低代数树枝状聚合物的开放结构使其内部含氮部分也可以结合钙离子, 所以形成的HA晶体主要为纳米棒状, 也有少量椭圆形粒子;后者主要由其内部的含氮部分提供配位点, 并且PAMAM内部有限的结合能力抑制了晶核的生长, 所以形成的晶体主要为比前者短的纳米棒[18]。
Yang课题组还进行了一些PAMAM调控其他矿物的研究, 研究方法和结论与调控碳酸钙和磷酸钙的类似, 制备了一些具有特殊性能的矿物晶体。比如在室温下用表面为羧基的5.5代PAMAM制备了粒径均一、较少团聚的纳米晶体ZrO2、CeO2和Y2O3粉末[19];表面带羧基的代数为0.5到5.5的半代PAMAM与水热法结合制备了一系列尺寸不同的BaWO4晶体[20]。
生物矿化早期研究表明, 不同的酸性大分子会吸附在生长中的晶体的不同面上, 改变不同晶面的相对生长速度, 从而得到不同晶体形态[21]。Naka课题组和Yang课题组都得出以下结论:PAMAM树枝状聚合物作为有机基质对矿物的结晶过程有明显的调控作用。而不同PAMAM树枝状聚合物与金属离子结合的位置不同, 金属离子可能结合在其表面, 也可能结合在其内部含氮部分。这导致不同的树枝状聚合物会吸附在生长中的晶体的不同面上, 抑制了某些面上晶体的生长, 改变不同晶面的相对生长速度, 从而得到不同晶体形态。另外, 高代数PAMAM对晶体生长起抑制作用是由于PAMAM内部带负电部分与钙离子作用, 或由于PAMAM的聚集, 也可能两种机理皆有。
一些研究者发现树枝状聚合物-金属离子复合物的相互作用和反应动力学在矿物的结晶和稳定中起重要作用, 而不仅仅与PAMAM结构和浓度有关。Tanaka等[22]向同浓度的表面为羧基的0.5代PAMAM水溶液中加入钙盐后, 分别放置不同时间后加入等量碳酸根离子, 结果表明, 后加入碳酸根离子的组都只得到球霰石晶体, 而先加入碳酸根离子的组得到方解石和球霰石晶体的混合物, 并且越晚加入碳酸根离子, 得到的球霰石晶体尺寸越小而且越稳定。这说明树枝状聚合物-钙离子相互作用时间越长, 树枝状聚合物对碳酸钙晶体形貌的调控和稳定作用也越大。
前面已经提到, 不同端基的PAMAM对矿物晶体的调控作用不同, 但不是所有端基都有调控矿化的作用。Ta-kaguchi等[23]合成了一种带1个蒽端基和4个羧基端基的1.5代PAMAM树枝状聚合物, 模仿Naka[10]的条件, 同样得到了碳酸钙球霰石晶体, 且能稳定存在1个月。检测发现结合在碳酸钙晶体中的蒽端基PAMAM仍保持其光活性, 表明蒽端基对碳酸钙的选择性结晶并没有明显的作用。
以上研究都证明PAMAM是具有调控矿化能力的, 这种能力与其结合钙离子的位置、多少和相互作用时间有关。不同代数、端基、浓度的PAMAM树枝状聚合物揭示了这种结构-矿化能力关系。
1.2 PAMAM型树枝状聚合物诱导矿化
诱导矿化与调控矿化不同, 不会在溶液中格外加入一定量构成矿物的阴阳离子, 而是将有机物置于类似模拟体液或模拟唾液的环境中, 诱导阴阳离子组成矿物。一些研究发现, PAMAM也具有诱导成矿的能力, 并可得到特殊结构的矿物。
根据Naka等的研究, 人们知道PAMAM树枝状聚合物可以模拟生物矿化制备球状碳酸钙晶体, 所以有研究者推测PAMAM也可用于制备球状HA。Khopade等[24]用表面为羧基的3.5代和4.5代PAMAM树枝状聚合物为模板, 在含Na2PO4的模拟体液 (SBF) 中用自沉淀法制备了球状的HA。他们同样推测半代PAMAM起到成核位点的作用可能是由于表面的羧基能结合钙离子或由于其两亲性而形成了超分子聚集体, 也可能两种机理兼有。他们用这种球形的HA核吸附血色素的糖涂层, 制备了一种新型载体磷脂囊 (Aquasome) 。这种纳米级的核负载血色素的能力高于直接沉淀法制得的HA, 并且保持亲氧性、协同性和稳定性至少30天。
将PAMAM固载于不溶的有机基质上来实现其诱导矿化功能的设计很符合生物矿化中的有机基质-酸性大分子模型。Lungu等[25] 发现阳离子树枝状聚合物同样有诱导矿化的能力。他们制备了一种甲基丙烯酸羟乙酯 (Hydroxyethyl mathylacrylate, HEMA) 和环氧丙基丙烯酸甲酯 (EPM) 的共聚物水凝胶, 将其作为聚合物基质, 通过开环反应使端基为氨基的2.0代和4.0代PAMAM与之结合, 发现结合了PAMAM的两种水凝胶都有诱导磷灰石晶体形成的能力, 且4.0代PAMAM组诱导矿化能力更强。FTIR检测结果表明, 在共混物水凝胶中发生的早期矿化过程是由氨基和酰胺基组分共同引发的。
Bertorelle等[26]用再沉淀法制备了烷基链长不同的4-氨基-7-萘苯-2-氧杂-1, 3-二唑荧光染料 (NBD) 的微晶, 在荧光显微镜下可以很方便地观察晶体形貌。他们发现, 在再沉淀介质中加入4.0代和3.5代PAMAM树枝状聚合物会加速NBD形成微晶, 尤其对于烷基链较短即疏水性较差的NBD。若不加入PAMAM, NBD会在水中形成不规则的晶体并且团聚。在阳离子型PAMAM作用下, NBD形成非常薄的中心为X型、两个三角形相对的矩形晶体, 与阴离子型PAMAM得到的晶体形状相似。为了弄清PAMAM结构对结晶的影响, 他们通过荧光光谱观察NBD所处环境, 并对比羧基浓度相同的PAA与3.5代PAMAM, 发现微晶形貌非常相似, 说明对再沉淀过程起主要作用的不是PAMAM树枝状聚合物内部结构, 而是其表面官能团。
基于上述3个课题组的研究可知, PAMAM树枝状聚合物具有诱导溶液中金属离子和阴离子成为矿物晶体的能力, 这个能力可能与树枝状聚合物表面基团和分子尺寸有关。受到前述研究者们的启发, 我们课题组推测可通过设计不同代数 (分子大小不同) 的树枝状高分子, 能够与可诱导牙釉质再矿化的牙釉基质蛋白 (EMPs) 以及可诱导牙本质再矿化的牙本质磷蛋白 (DPP) 在结构和功能上具有可比拟性, 因而开展了进一步的研究工作。经与口腔医院的课题组合作研究, 用ATR-FTIR 和SEM 手段均可观测到树枝状高分子材料对牙釉质再矿化的明显诱导作用 (FTIR出现C=O基团峰;SEM可观测到大量点状、块状附着物) , 并且其微硬度和牙釉质表面钙、磷含量均有显著增加。
1.3 PAMAM型树枝状聚合物的其他应用
PAMAM可以模拟蛋白的尺寸和结构, PAMAM大小与牙釉质中的组蛋白相近。Chen等[27]用带不同电荷端基的7代PAMAM来检测牙釉质的HA表面电荷分布。带有氨基、羧基和乙酰胺基团的PAMAM可通过电荷吸引和络合等方式在其表面附着, 他们先将树枝状聚合物附着于晶体表面, 再分别用蒸馏水和不同浓度的磷酸缓冲液清洗覆盖了树枝状聚合物的晶体表面。用AFM观察发现晶体与树枝状聚合物结合力大小为 (端基) 中性乙酰胺基团<负电荷羧基基团<正电荷氨基基团。Chen等[28]在纳米棒状牙釉质晶体表面检测了端基为羧基的PAMAM间距, 与带负电的蛋白在晶体表面的带状分布非常类似。这些结果说明晶体表面和蛋白所带的电荷对二者之间的结合很重要, 并且HA晶体表面有正电和负电交替分布的电荷带或不同的电荷阵列。
自组装膜 (Self-assembled monolayers, SAMs) 是近年来发展起来的一种新型有机超薄膜。由于在SAMs中可以连接不同的官能团, 所以用SAMs技术可制得各式各样的有序排列的单层膜[29,30]。树枝状聚合物能通过不同的技术吸附到如云母、玻璃、硅、石墨、金等固体基底上。Cox等[31]用两种球状分子刚性的无机多金属氧酸盐和柔性的有机树枝状聚合物PAMAM制备了层层自组装膜。而自组装膜能作为一种二维乃至三维领域内用于研究生物矿化过程的很好模型, 是研究和认识晶体有序性生长现象的极佳体系。利用SAMs作为模板, 迄今已对CaCO3、CaC2O4、FeOOH等无机晶体和一些氨基酸、蛋白质等有机晶体进行了研究。
2 聚丙烯亚胺型 (Propylene imine, PPI) 树枝状聚合物
用长脂肪链修饰的PPI树枝状聚合物是一种新型两亲性物质, 其构象的灵活性使其表现出各种各样的聚集态。表面活性剂在溶液中或界面处具有特殊的自组装形态, 因此会影响沉积过程, 使得无机晶体具有特殊的形貌。使用表面活性剂作为添加剂研究碳酸钙沉积的工作近年来刚刚展开。Nico课题组[32,33]将长链烷基 (C16) 改性的5.0代树枝状PPI与单链表面活性剂十八胺 (OA) 、溴化十六烷基三甲基胺 (CTAB) 和十二烷基磺酸钠 (SDS) 在水溶液中混合, 观察不同形状、尺寸和表面化学的自增强聚集体的形成[34]。PPI/OA聚集体优异的硬度和规整的尺寸、形状使它成为研究碳酸钙结晶的三维模板。这种模板的加入促进了无定型碳酸钙 (ACC) 的形成, 虽然溶液中有方解石和ACC两种竞争相, 但值得注意的是80%的方解石都包裹着一个ACC球体, 并且ACC可以稳定存在超过14天。
单独的树枝状PPI聚集体也可以作ACC球体形成的模板, 但形成的ACC不仅量少且更快转化成方解石。PPI/CTAB聚集体也可诱导ACC生成, 能得到可以存在超过5天被碟状球霰石包裹着的菱面体方解石[32]。PPI/SDS聚集体则诱导形成多分散的较大有机物球状粒子和少量方解石晶体。在含钙离子的介质中, 这种聚集体会结块形成大球体, 从而消耗钙离子, 阻碍了碳酸钙的形成, 也抑制了方解石的产生[34]。
前述树枝状聚合物-表面活性剂复合物用作碳酸钙晶体形成的模板的成功, 促使Nico等[35]探索它们控制羟基磷灰石形成的能力, 研究发现OA组形成的晶体是针状的, CTAB组形成的晶体则是圆盘状的, SDS组的晶体则兼有上述两种晶型。考察这些羟基磷灰石的力学性能显示, OA组的抗拉强度是合成材料中最高的, 约为纯HA的2倍, 并且这种材料在拉伸过程中出现与骨组织类似的屈服现象。与在脆性的基体中混入橡胶球状粒子的增韧聚苯乙烯机理相似, PPI/OA和PPI/CTAB聚集体近似球体的形态也可用于增韧磷灰石。这些具有特殊的力学性能的复合物是很有应用前景的生物材料, 如可用于骨移植中的骨重塑。
由于PPI树枝状聚合物能与很多种类表面活性剂通过疏水作用结合而具有不同功能, 形成的混合体系可以对矿物晶体形貌起到极大的调节、控制作用, 因而树枝状聚合物在矿物合成控制方面具有很好的应用前景[36]。
3 其他类型树枝状聚合物
Wang等[37]合成了一系列由甲氧基聚乙二醇 (MPEG) 衍生出的带羧酸官能团的线型-树枝状嵌段共聚物 (LDBC) , 考察不同代数LDBC和不同浓度4.0代LDBC在含CaCl2和NaHCO3的水溶液中对碳酸钙结晶的调控。LDBC作用下碳酸钙主要为球霰石晶体, 且晶体尺寸随代数和浓度增加而减小。另外, 当这种扇形树枝状聚合物代数增加时, 球霰石量略微减少, 且开始产生特殊的圆锥状方解石。而当羧酸基团浓度相同时, 晶体尺寸相似。此研究同样表明, 树枝状聚合物所带的官能团数量对结晶有很重要的影响。
4 结语
在模拟生物矿化过程的研究中, 对蛋白质的模拟是研究的重点, 树枝状聚合物可弥补线型聚合物结构不明确、构象难以预测等缺陷, 并且其精确可控的立体结构更适合用来模拟蛋白质。在使用树枝状聚合物研究生物矿化的过程中, 研究者们已经发现了很多有趣的现象并给出了一定的解释, 但是矿物质的成核和结晶是非常复杂的过程, 仅靠单一的树枝状聚合物很难完全模拟出生物体内的矿化过程, 甚至连模拟蛋白质的能力都很有限。因此, 树枝状聚合物用于生物矿化的研究还远未达到终点, 所要研究的问题依然大量存在。如树枝状聚合物代数、外围基团、结构刚性对矿物质结晶的影响机理并没有明确并且公认的解释;可否通过对树枝状聚合物的仿生修饰 (包括模拟蛋白质多级结构的仿生修饰) 以满足更多更为复杂情况下的生物矿化条件?这些关键性问题的解决还需要大量的研究工作来完成。另外, 在生物体内, 作为矿化模板的蛋白质是可以降解的, 在保证树枝状聚合物矿化能力的前提下, 使其能够按照人们的期望降解也是一个很有吸引力的方向。本课题组也正致力于这方面的研究。
组成生物体的化合物教案 第2篇
说明：教师引导学生分析组成生物体的化学元素在体内以什么形式存在(单质还是化合态)，分析时结合学生了解的生物体组成的化合物来分析，总结归纳出构成细胞的化合物。
一、构成细胞的化合物
无机化合物：水：80-90%
无机盐：1-1、5%
有机化合物：蛋白质：7-10%
核酸
糖类：1-1、5%
脂类：1-2%
二、水
问题2：水对于生物体是至关重要的，水对于生物体、对于细胞有什么生理作用呢?这种作用是如何体现的?
说明：引导学生从水的生理作用、水的存在形式等方面分析水分的相关知识，既要通过介绍实例来启发学生分析，也要鼓励学生自己举例分析水分的相关知识。归纳总结如下：
1、含量：最多
(1)不同生物含量不同：水母97%、毛豆60%
(2)不同结构含量不同：骨22%、肌肉76%、脑86%
(3)不同生长阶段含量不同：婴儿72%、成人60%、老人50%
2、存在形式：
(1)结合水(4、5%)：与细胞内其它物质结合
(2)自由水(94、5%)：以游离形式存在，可自由流动
如：种子烘干(水分为自由水)
3、生理作用：水是生命之源
(1)细胞核生物体的组成成分
(2)良好的溶剂，利于体内化学反应的进行
(3)利于细胞内物质运输
三、无机盐
问题3：无机盐在生物体内以什么形式存在?无机盐对于细胞和生物体的作用如何?这些生理作用是如何发挥的?
说明：引导学生从无机盐的存在形式、无机盐的生理作用等方面分析无机盐的相关知识，既要通过介绍实例(见下面总结)来启发学生分析，也要鼓励学生自己举例分析。归纳总结如下：
1、含量：很少
2、存在形式：离子态
3、生理作用
(1)细胞内某些复杂的化合物的重要组成部分
镁离子：叶绿素;铁离子：血红蛋白
(2)维持生命活动
钙离子：激活凝血酶原，缺乏时表现抽搐现象
(3)维持细胞渗透压和酸碱平衡
生理盐水：保证细胞正常的渗透平衡
四、糖类
问题4：你所知道的糖有哪些?这些糖的共同特点是什么?它们对于细胞和生物体有什么生理作用?
说明：引导学生从自己感知的糖类出发，分析糖类的分类，再引导学生分析糖类的共同特点过程中分析糖类的元素组成和生理作用，教师再结合特定的事例(见总结)帮助学生分析理解糖类的特殊的生理作用。最后归纳总结如下：
1、组成元素：C、H、O
2、分类(根据水解情况分类)
(1)单糖：不能水解，五碳糖、六碳糖
葡萄糖：光合作用的产物
细胞重要的能源物质
半乳糖：乳汁中
(2)二糖：水解后产生两个单糖
植物二糖：蔗糖、麦芽糖
动物二糖：乳糖
(3)多糖：水解后产生多个单糖
植物多糖：淀粉、纤维素
动物多糖：糖原(肝糖原、肌糖原)
3、生理作用
(1)核糖、脱氧核糖是核酸的重要组成分
(2)生物体生命活动的主要能源物质
(3)糖类与生物体的结构有关
五、脂类
问题5：你所知道的脂类有哪些?这些脂类的共同特点是什么?它们对于细胞和生物体有什么生理作用?
说明：引导学生从自己感知的脂类出发，分析脂类的分类，再引导学生分析脂类的共同特点过程中分析脂类的元素组成和生理作用，教师再结合特定的事例(见总结)帮助学生分析理解脂类的特殊的生理作用。最后归纳总结如下：
1、组成元素：C、H、O、(N、P)
C、H比例高，彻底氧化释放出更多能量
2、分类及生理作用
(1)脂肪：储能物质
维持体温恒定、减少摩擦、缓冲外界压力等
(2)类脂：磷脂(构成膜的主要成分)
脑磷脂、卵磷脂
六、蛋白质
问题6：你所知道的蛋白质有哪些?这些蛋白质的共同特点是什么?它们对于细胞和生物体有什么重要生理作用?
树枝状聚合物生物相容性研究进展 第3篇
1 PAMAM的结构与合成
PAMAM是以小分子乙二胺或氨等为中心始发核, 内部以树枝状的重复单元向外生长, 表面具有大量的官能团的大分子, 并且具有空间三维结构。PAMAM不同于传统的线性聚合物和超支化聚合物, 在结构上由三部分组成: (1) 中心小分子始发核; (2) 内部中间的重复单元; (3) 表面大量的官能团。这些特点决定了PAMAM在结构上高度对称, 分子形状为球形, 分子尺寸在纳米范围, 也决定了它的性质。
PAMAM的合成主要有发散法和汇聚法两种方法, 发散法以小分子 (如乙二胺或氨等) 为始发核, 采用逐步循环Michael加成和酰胺化反应从中心向外不断生长, 每循环一次就在原有的基础上增加一代, 记为G (G0、G1、G2…) , 最后形成树枝状聚合物。然而, 空间位阻等因素会导致末端官能团反应不完全, 进而会使下一步反应不能继续发生, 产物生长不均匀, 随分子增大, 该现象出现的几率也更大[2];汇聚法是通过保护/去保护的合成策略, 重复反应形成树枝状聚合物的一部分, 然后通过多官能团中心核将各部分连接得到树枝状聚合物。收敛法每步增长过程涉及的反应官能团数目较少, 因此可在有限的几个活性中心进行, 反应物不必过量, 利于产物纯化, 产物生长不均匀的几率下降, 产物结构优于发散法。但此法对立体构型较敏感, 随分子链的增长, 反应官能团活性减小, 反应产率也会下降[9]。
2 PAMAM生物相容性的体外研究
2.1 细胞毒性
关于PAMAM细胞毒性的研究较多, 大多是用不同的分析方法分析PAMAM与不同的细胞系培养不同的时间后的细胞毒性。虽然这些研究的培养时间较短, 细胞的种类也不同, 但仍然可以得到一些有意义的结论。
Parimi等[10]研究了PAMAM (G2、G4、G6) 的代数和浓度对HEK293T和He La细胞系的毒性和生长的影响。他们发现在PAMAM的浓度约为500nM时, PAMAM从促进细胞生长转变为抑制细胞活性, 并且PAMAM的浓度为500~700nM时能有效地被细胞摄取而没有明显的毒性。Roberts[11]等用中国仓鼠肺成纤维细胞V79进行细胞成活率的研究, 结果表明, l nM的G3.0、10n M的G5.0和100nM的G7.0对细胞的致死率为90%。Malik等[12]用MTT法通过比较PAMAM、DAB、DAE、PLI、PEI等阳离子型聚合物的毒性, 可以得出类似的结果。PAMAM的细胞毒性不仅依赖于其核心的化学环境, 而且受其表面化学环境的严重影响。如:余沛霖[13]等研究了mPEG修饰的G4.0PAMAM对SH2SY5Y细胞的毒性, 发现在低浓度时PAMAM与PEG化的PAMAM毒性都较低, 但在高浓度时PEG化的PAMAM毒性显著降低。贾兰等[14]将G5.0 PA-MAM用丙烯酰氧基乙基磷酸胆碱修饰后发现在高浓度时其对ECV304细胞的毒性明显比G5.0 PAMAM小。Mukherjee等[15]对PAMAM (G4、G5、G6) 对HaCaT细胞和SW480细胞的毒性进行了研究发现PAMAM的细胞毒性依赖于其结构, G4毒性最小, G6毒性最大, 并且发现PA-MAM表面氨基越多, 其毒性越大, 表面静电荷越多毒性越大。所以, PAMAM表面的电荷是影响其细胞毒性最主要的原因之一。
2.2 溶血性
因为可以根据释放的血红蛋白来定量的研究聚合物和膜的相互作用, 故红细胞溶解法被广泛使用[16]。Malik等[12]研究表明, 阳离子型PAMAM、DAB、DAE (G1 PAMAM除外) 与红细胞 (RBC) 共孵育1 h产生溶血活性的浓度在1 mg/mL以上, 并且有代数依赖性, 与PAMAM不同的是DAB与DAE的溶血活性没有代数依赖性, 而在没有溶血活性的低浓度 (10μg/mL) 共孵育1h, 阳离子型PAMAM与DAB会引起RBC形态的显著变化, 并且与阳离子型PA-MAM共孵育1h后细胞会聚集成球形, 这可能是由于PA-MAM的交联作用引起。在高浓度 (1 mg/mL) 聚集现象加剧, 且膜损伤明显。RBC与阴离子型G3.5-G9.5 PAMAM (浓度达2 mg/mL) 共孵育没有发生形态的变化[17]。Wang等[18]将G5.0 PAMAM以PEG (PEG-2k、PEG-5k、PEG-20k) 修饰的G5.0 PAMAM与红细胞在37℃孵育4h, 结果发现G5.0 PAMAM和PEG-2k修饰的G5.0 PAMAM的溶血浓度分别为0.1 mg/mL和0.5 mg/mL, 并且原子力显微镜 (AFM) 观察显示两者使红细胞聚集和溶解, 而PEG-5k和PEG-20k修饰的G5.0 PAMAM即使浓度高达5mg/mL也未见明显的溶血现象。与PEG化的PAMAM孵育后的红细胞表面的粗糙度比与PAMAM孵育后的红细胞表面的粗糙度低的多。
正常红细胞表面由于有脂多糖和糖蛋白而带负电荷, 负电荷之间的排斥阻止了红细胞之间聚集和对血管的吸附[19]。整数代的PAMAM由于代正电荷而接近红细胞表面, 静电相互作用被认为是PAMAM导致溶血的原因[20]。
2.3 细胞作用机制
虽然对于PAMAM的胞吞作用的机制研究较少, 但细胞动力学对PAMAM的生物相容性有很重要的影响。胞吞的速度和机制会影响PAMAM是否适合应用于给药系统。胞吞之后的代谢也会影响PAMAM的抗原性和毒性。重复通过静脉注射进入体内的PAMAM由于生物降解或非生物降解会在溶酶体内蓄积, 因此有导致依赖于注射频率和剂量的溶酶体蓄积综合征的可能性[21]。Wiwattanapatapee等[22]研究表明, 在成年大鼠的肠组织细胞中G1.5和G2.5PAMAM比其它线性聚合物和嵌段聚合物的转运速度快的多。后者的浆膜内吞指数为0.1~0.3μL/mg蛋白质/h, 而阴离子PAMAM则高达3.4~4.4μL/mg蛋白质/h。只有15%~20%的阴离子PAMAM继续保留在组织中, 剩下80%-85%都直接转移进浆膜液。G2.5和G3.5 PAMAM的转移量随底物浓度的增加线性增加。G3.0和G4.0阳离子型PAMAM有55%~60%的组织摄取量, 但只有35%~40%转移至浆膜液。Perumal等[23]将FITC标记的PAMAM G4.0-OH、PAMAM G4.0-NH2、PAMAM G3.5-COOH分别与人肺癌上皮细胞孵育, 发现随着孵育时间的延长三者的细胞摄取量均增加, 细胞的摄取速度顺序为PAMAM G4.0-NH2>PAMAM G3.5-COOH>PAMAM G4.0-OH。PA-MAM在细胞内的分布, 作者通过共聚焦显微镜观察发现, PAMAM G4.0-NH2没有分布在溶酶体中, 而是分布在内涵体中。PAMAM G3.5-COOH和PAMAM G4.0-OH分布在溶酶体中。当将孵育的温度从37℃降至10℃, 三者的细胞摄取量都显著降低, PAMAM G4.0-OH降低了90%, PA-MAM G4.0-NH2和PAMAM G3.5-COOH降低了80%。当和代谢抑制剂2-脱氧葡萄糖及叠氮化钠 (通过干扰糖氧化和分解阻止细胞产生ATP) 孵育后, PAMAM G4.0-NH2和PAMAM G3.5-COOH的细胞摄取量减少了约40%~50%, 而PAMAM G4.0-OH的细胞摄取量减少了约70%。这些结果说明PAMAM的跨膜转运是主动转运过程, 但可能是通过不同的通道转运。在和不同的胞吞抑制剂作用后, 作者认为PAMAM表面的电荷对其细胞摄取有非常重要的影响, 但具有不同表面官能团的PAMAM的胞吞机制不同, PAMAM G3.5-COOH部分是通过细胞质膜微囊摄取, 而PAMAM G4.0-NH2和PAMAM G4.0-OH是通过非网格蛋白、非细胞质膜微囊介导的胞吞机制被细胞摄取。
3 PAMAM生物相容性的体内研究
树枝状大分子的静脉注射后的体内分布研究较少, 其体内的生物相容性研究也不多。Nigavekar等[24]将G5 PA-MAM用3H标记的乙酸酐进行了部分和完全的标记, 再将其静脉注射入患有B16黑素瘤和DU145前列腺癌的小鼠模型体内, 以研究PAMAM的体内分布和急性毒性, 结果发现部分和完全标记的PAMAM分布于主要的器官和肿瘤, PAMAM迅速从血中清除, 在大多数器官中PAMAM的含量在1h达到最大, 并且在注射后24h至7天内PAMAM保持稳定。注射后24h之内PAMAM通过尿的排泄最多。部分和完全标记的PAMAM没有发现急性毒性。由于部分标记的PAMAM带正电荷、完全标记的PAMAM不带电荷, 并且实验结果发现带正电荷的PAMAM比不带电荷的PAMAM在组织中的含量高, 所以电荷可以改变PAMAM在体内的分布。但两者在体内的分布趋势相似, 各器官的分布顺序为:肺>肝>肾>肿瘤>心>胰腺>脾>脑。Li等[25]首先在体外考察了各代PAMAM对人肺癌细胞的毒性, 包括G1、G2、G3、G4、G5、G6、G7、G8以及G3.5、G4.5、G5.5、G7.5PAMAM, 发现G3、G4、G5、G6、G7、G8 PAMAM导致细胞死亡, 而其余的PAMAM没有导致细胞死亡。由于Nigavekar等[24]研究显示PAMAM在肺中分布最多, 所以随后Li[25]选择将G3 PAMAM缓慢滴注进小鼠的肺气管, 结果G3 PA-MAM显著增加了肺部的炎症, 但加入自体吞噬抑制剂后炎症得到了改善, 并且肺部的损伤由于加入自体吞噬抑制剂而得到部分恢复。小鼠在使用G3 PAMAM后的存活率由于使用自体吞噬抑制剂而得到了明显改善。所以作者认为自体吞噬与PAMAM引起的急性肺损伤有密切关系。Roberts等[11]用13C标记了G3、G5、G7PAMAM, 通过腹腔注射研究了PAMAM在Swiss-Webster小鼠体内的毒性和分布。作者通过观察小鼠的水平垂直运动能力、饮食习惯、体重等来评估PAMAM的毒性, 并且分别进行了为期7天、30天和6个月的观察。结果发现, 与对照组相比实验组的小鼠行为和体重没有明显变化, 故PAMAM无明显毒性。体内分布作者取了小鼠的血、肝、肾、脾、肠、心、肺、胰腺、膀胱以及尿进行测定, 发现G3在肾组织内聚集最多, G5和G7则更多地在胰腺里沉积。
4 结语
从以上研究中发现, PAMAM的细胞毒性和溶血性主要与其表面电荷有关, 阳离子型PAMAM的毒性要大于阴离子型PAMAM, 但可通过将阳离子型PAMAM的表面PEG化等方法来降低其毒性。PAMAM与细胞相互作用的机制目前尚不明确。而其体内研究, 由于研究者的实验方法、实验对象等的不同, 还没有完全一致的结论。相信随着PAMAM研究不但深入这些问题都会得到圆满解决。
摘要：聚酰胺胺型 (PAMAM) 树枝状聚合物是新近发展起来的一种新型聚合物, PAMAM具有三维球型对称结构、表面众多官能团、高度的单分散性、纳米尺寸、分子量精确可控等结构特点, 作为载体在给药系统中得到了广泛而深入的研究, 但对其生物相容性的研究相对还比较零散, 旨在对PAMAM生物相容性的国内外研究进行综述, 以便对PAMAM在生物医药中的应用提供相关信息。
生物聚合物 第4篇
芳香族硝基化合物生物降解在代谢工程中的应用
综述了几种芳香族硝基化合物好氧降解的微生物、降解途径以及主要酶,指出了应用代谢工程生物降解芳香族硝基化合物的.研究方向和研究前景.
作 者：王艳芳 沙昊雷 WANG Yan-fang SHA Hao-lei 作者单位：王艳芳,WANG Yan-fang(宁波天一职业技术学院,浙江,宁波,315100)沙昊雷,SHA Hao-lei(浙江工业大学,生物与环境工程学院,浙江,杭州,310032)
刊 名：浙江化工 英文刊名：ZHEJIANG CHEMICAL INDUSTRY 年，卷(期)： 38(12) 分类号：X7 关键词：硝基苯 生物降解 双加氧酶 分子生物学 代谢工程生物聚合物 第5篇
众所周知,太阳光是一种最重要的清洁、可再生的环境友好型资源,通过太阳能电池可以把其转化成电能储存并使用,因此在新能源的开发利用中引起关注。目前,第3代的有机薄膜电池的开发、利用是太阳能领域研究的热点之一,其中聚合物本体异质结型(BHJ)太阳能电池具有质量小﹑柔韧性好﹑用途更广泛等特点得到了各国科研人员的关注[1,2,3,4]。近几年,光电转化效率最高值被不断刷新,中科院化学所在两维共轭聚合物光伏材料的分子设计方面取得重要进展,报道了转化值达到了8.79%的聚合物太阳能电池[5,6,7,8],2012年加州大学洛杉矶分校杨阳又报道了光电转化效率达到10.6%的破纪录的聚合物太阳能电池,这一结果已获得美国国家可再生能源中心的认证。纵观已报道文献的结果,为了提高聚合物有机太阳能电池的转换效率,一方面在电池器件的制备工艺条件﹑方法及电池电极等方面加以完善[9,10,11];另一方面是设计并合成新型的电池活性材料。对于BHJ结构的电池活性材料,其结构变化更多的来源于电子供体材料的设计与制备,各种共轭体系的小分子及大分子的功能材料不断见于报道,每一个新材料的开发都提高了电池的转换效率,而这些供体材料的结构中基本上都含有噻吩环或者各种改性的噻吩体系,证明噻吩体系活性材料在有机太阳能电池中的重要性。目前,电池的受体材料一般都是富勒烯的衍生物,[6]-苯-碳61-丁酸甲酯[PCBM]是应用最多的一个电子受体材料[12,13,14]。 除了C60的衍生物外,C70及一些高级富勒烯(C76,C80,C84等)的衍生物也被制备作为电子受体材料应用于有机太阳能电池[15,16,17]。虽然受体材料的结构变化不多,但近几年来也有几篇文献报道对富勒烯C60进行化学修饰进而作为电池的受体材料使用[18,19,20,21],但对电池转化效率的影响不是很显著。
最近,我们也尝试设计并合成了几个新颖结构的有机活性材料[22,23,24],融合了噻吩体系材料的供电子性和富勒烯的接受电子的能力,属于D-A型结构的活性材料。本论文中,我们设计并合成了一个新的单体化合物,结构为D-A型富勒烯-噻吩的二元体系,为了便于电池器件制备工艺及条件的优化考虑,一个长碳链被引进到化合物中,以便提高材料的溶解性,此单体化合物进一步聚合即可作为电池材料应用于有机太阳能电池中。
2 实验部分
2.1 试剂与仪器
丙二酸亚异丙酯(化学纯,山东中泰科技有限公司);十二醇(分析纯,国药集团化学试剂有限公司);富勒烯C60(99.5%,Alfa Aesar),DCC(分析纯,国药集团化学试剂有限公司);5,5-二羟甲基环戊[c]并噻吩自己制备[25];甲苯(无水蒸馏处理),其它溶剂均为分析纯。
FT-IR NICOLET 308傅立叶红外光谱仪、300MHz Bruker,电化学实验在电化学工作站AUTOLAB(荷兰四通公司)上完成,采用三电极系统,工作电极和对极为铂丝,参比电极为饱和KCl甘汞电极。紫外吸收在岛津UV-3100PC记录,质谱为岛津MALDI-TOF。
2.2 中间体4丙二酸单酯的制备
将1.00g(6.93mmol)的丙二酸亚异丙酯和1.56g(8.37mmol)的十二醇加入到25ml的圆底烧瓶中,然后在氮气保护下,于120℃下保持搅拌2.5h。生成的反应混合物首先用乙酸乙酯溶解,然后用水洗,加入饱和碳酸氢钠,分离得到的水层在搅拌的条件下加入盐酸,然后用乙酸乙酯萃取,分离,干燥后,用旋转蒸发仪蒸出溶剂,此时得到864.1mg的丙二酸单酯4,收率70.20 %。IR(KBr压片)(cm-1):3220(宽,缔合O-H),2928,2855(饱和氢),1732,1750(C=O),1142(O-CH2); 1H-NMR(CDCl3,300MHz), (t,J=6.6Hz,2H)3.66(s,2H),1.79(m,2H),1.50～1.20(m,20H),0.89(t,J=6.9,3H)。
2.3 中间体3对称型丙二酸噻吩双酯的制备
在一个50ml二口瓶中加入226.3mg(0.83 mmol)化合物丙二酸单十二烷基酯4, 50.5mg(0.27mmol) 5,5-二羟甲基环戊[c]并噻吩和10ml无水CH2Cl2,,用冷水浴将其冷却至0℃,再加入171.5mg(0.83mmol)DCC,于0℃下保持搅拌1h,然后缓慢升温至室温并保持24h后,反应混合物过滤,滤液浓缩后,用硅胶柱分离,流动相为二氯甲烷,得到145.9mg丙二酸噻吩双酯3,收率76.80%。IR(KBr压片)(cm-1):2923,2853(饱和氢),1753,1736(C=O),1611,1148(O-CH2); 1H-NMR(CDCl3, 300MHz), δ6.75(s,2H)4.18(s,4H),4.12(t,J=6.8Hz,4H),3.39(s,4H),2.67(s,4H),1.62(s,4H),1.63(m,4H)1.50～1.20(m,40H),0.88(t,J=6.9Hz,6H)。
2.4 目标化合物1和2的制备
将50.0mg(0.07mmol)丙二酸噻吩双酯3和151.9mg(0.21mmol)C60加到一个250ml的烧瓶中,在超声下用140ml的无水甲苯溶解,再加入53.6mg(0.21mmol)的碘和100mg(0.72mmol)的DBU,在氮气保护下于室温反应24h,然后将反应混合物过滤,水洗,有机相用Na2SO4干燥,除去溶剂后,再利用硅胶柱分离,用二硫化碳/二氯甲烷=3∶1～1∶1混合溶剂作为流动相,分离得到50.2mg化合物1,收率 32.6%和35.4mg化合物2,收率 34.9%及回收89.2mg的C60,回收率为58.7%。1: 1H-NMR(CDCl3,300MHz),1: 1H-NMR(CDCl3,300MHz),δ6.92(s,2H ),4.59(s,4H),4.52(t,J=6.8Hz,4H),2.96(s,4H),1.83(m,4H)1.40～1.10(m,40H),0.87(t,J=6.9Hz,6H)。MS(MALDI-TOF):m/z: 2128.4(M+),2: 1H-NMR (CDCl3,300MHz),δ6.92(s,2H),4.55(d,J=5.6Hz,2H),4.47(t,J=6.8Hz,4H),4.26(d,J=5.6Hz,2H),2.94(d,J=8.1Hz,2H),2.73(d,J=8.1Hz,2H),1.82(m,4H)1.60～1.20(m,40H),0.88(t,J=6.9Hz,6H)。MS (MALDI-TOF): m/z:1408.4(M+)。
3 结果与讨论
3.1 制备
富勒烯C60的2个衍生物1和2的结构如合成路线所示,为了提高目标化合物在普通有机溶剂中的溶解度,便于作为电池活性材料使用时,器件制备工艺条件的调控,一个长碳链被引到化合物中。化合物1和2相对于C60,分别属于单加成和双加成产物,从分子式计算结果看,1和2中C60的含量分别为:67.7%和51.1%,2个物质中高含量的C60对作为电池活性材料提高转换效率是有利的。
如合成路线所示(图1),我们利用反应活性和选择性都很活泼的丙二酸亚异丙酯为起始原料,与十二醇进行酯化反应,高选择地得到丙二酸单十二烷基酯4,红外谱图的分析表明在3220cm-1和1732,1750cm-1处分别观察到丙二酸单酯的羧羟基和两个羰基的吸收峰,同时氢谱的分析也显示了结构的正确。该中间体可进一步与含羟基的化合物反应制备丙二酸双酯。由于噻吩体系在改善聚合物太阳能电池的转换效率中被经常使用,因此我们按文献报道合成了一个5,5-二羟甲基环戊[c]并噻吩中间体[25],在1,3-二环己基碳二亚胺(DCC)的催化下,与丙二酸单十二烷基酯4进一步酯化制得对称型丙二酸噻吩双酯3,生成物的红外谱图表明羧羟基吸收峰的消失,而氢谱分析显示了化合物中改性噻吩环的存在。进一步中间体3与富勒烯C60进行Bingel反应,通过柱分离得到2个C60的加成物,通过质谱和 1H-NMR分析的结果,我们可以确定一个是单加成的产物1,其结构中含有2个C60;而另一个加成物通过质朴的分析,其结构中仅含有一个C60单元,而 1H-NMR分析的结果表明该结构的化合物具有cis对称性,并且环戊环上的亚甲基和邻近环戊环亚甲氧基都发现了裂分的氢信号,参考相似结构化合物的文献报道,我们推断该化合物是cis-2 对称的Bingel双加成产物2[26]。通过几步反应,2个噻吩-富勒烯(C60)二元结构的化合物被成功的制得,对2个化合物溶解性的调查显示,它们都能很容易的溶解在一般的有机溶剂中,例如:二氯甲烷,三氯甲烷,甲苯,四氢呋喃等。如果这2个化合物作为聚合单体进一步发生聚合反应,将生成在高分子噻吩链上联有富勒烯(C60)的D-A型结构的活性材料。
3.2 光电物性
为了调查化合物1和2作为电池活性受体材料的潜在应用可能性,我们测试了它们的吸收光谱特性及电化学性质。吸收光谱的结果如图2所示,在286nm和358nm处观察到吸收峰,除了吸收系数有些不同,化合物1和2的光谱特性几乎完全一致,这也暗示着在基态时C60和噻吩之间没有相互作用。
化合物1和2的电化学性质被循环伏安环电流表征。如图3所示,在含有0.1M Bu4NBF4电解质的邻二氯苯与二氯甲烷的混合溶剂中,以0.1 V/s的扫描速率,1和2都观察到三个氧化还原波,数据表明化合物2比1更难还原,这也与化合物2为C60的双加成结构一致的。
4 结论
生物聚合物 第6篇
1 研究概述
1992年, N.S.Sariciftci等在Science上报道了共轭聚合物与C60之间的超快速光诱导电荷转移现象[10,11], 在这一过程中, 共轭聚合物作为电子给体材料, C60作为电子受体材料, 当它们的复合体在光照下电子给体材料共轭聚合物光诱导产生的电子立即转移给受体, 光诱导产生的空穴则转移给给体材料, 实验证明这一过程在几个皮秒内完成, 比荧光辐射跃迁要快3～4个数量级, 从而有效地阻止了光生电荷的发光复合, 电荷的分离效率大大提高。电子给体材料共轭聚合物如图1所示, 电子受体材料PC61BM如图2所示。这种物理现象的发现使制备高效率的共轭聚合物光电检测器和太阳能电池成为可能, 也使聚合物光电转换器件的效率有了大幅度的提高。
1994年G.Yu等将一定比例的MEH-PPV (图1a) 和C60制成了MEH-PPV/C60共混膜的三明治结构的聚合物光伏器件[12], 由于电子给体与电子受体相各自形成网络状连续相结构 (bi-continuousnetwork) , 光诱导所产生的电子与空穴可分别在各自的相中输运并在相应的电极上被收集, 光生载流子在达到相应的电极前被重新复合的几率大为降低, 光量子效率是纯MEH-PPV的103～104倍。但由于C60较差的可溶性及易结晶, MEH-PPV:C60共混薄膜的性能不易优化。以C60的衍生物PC61BM (图2) 代替共混膜中的C60作为电子受体材料, MEH-PPV/PCBM-C60体系上得到3%的能量转换效率, 载流子收集效率达30% (光强为20mW/cm 2时) , 此时开路电压为0.8V, 短路电流可达2mA/cm 2。其光灵敏度在-10V时可达0.2～0.3A/W, 外量子效率可达50%～80%, 光谱响应范围约为300-650nm之间。从此, 聚合物光伏器件的研究中, 互穿网络双连续相异质结 (Bulkheterojunction) 光伏器件成为聚合物光伏器件研究的主要类型。
1996年, G.Yu等[13]首次报道了基于P3OT (图1b) 和PC61BM的大面积-全彩色摄像传感阵列器件 (光谱响应300～700nm) , 同时由于这一器件不但具有较高的光响应灵敏度 (0.2A/W) , 低的暗电流以及较大的动态响应率, 并且由于器件的制备过程是在室温下使用简单的溶液涂布工艺, 使器件的制备成本要比相应的无机器件具有很大的价格优势。在此工作后, 人们制备出诸多光谱响应在400～900nm的高的响应速度和灵敏度的聚合物光探测器件[14,15], 但是, 近红外传感器件的研究较少。
2004年, X.Wang等[16]报道了基于窄带隙共轭聚合物APFO-Green1 (图1c) 和PC61BM光伏器件, 该器件的光谱响应达到1 000nm。2006年, 夏养君等[17]报道了基于窄带隙共轭聚合物PDDTT (图1d) 和PC61BM光伏器件, 该器件的光谱响应达到1 100nm。这些工作主要关注光伏性能的研究, 对该类器件在光探测方面的应用没有进行系统的研究
2007年, Y.Yang等[18]报道了基于窄带隙共轭聚合物PTT (图1e) 和PC61BM的近红外光电探测器件, 该器件的光谱响应达到了1 000nm, 在850nm时, 器件的外量子效率约为38%、响应带宽约为4MHz, NEP (噪声等效功率) 为3.85×10-12W/Hz1/2。
2008年, E.Person等[19]报道了窄带隙共轭聚合物LBPP-1 (图1f) 和PC61BM的近红外光探测器件, 该器件的光谱响应达到了1 300nm, 器件在950nm的外量子效率约为11%, NEP约为2×10-9W/Hz1/2。
2008年, 夏养君等在美国C.Brite公司的资助下, 对2006年报道的聚合物PDDTT[17]的聚合反应进行优化, 将聚合物的分子量提高了2～3倍 (6 500g/mol提高到12 000～19 000g/mol) , 得到的聚合物的吸收光谱推移到1 480nm。2009年, A.J.Heeger研究小组、华南理工大学曹镛研究小组、美国C.brite公司及夏养君等合作制备出了基于PDDTT和PC61BM的高探测率、宽光谱响应的聚合物光探测器件[9]。在800nm时, 器件的外量子效率为26%, 光响应灵敏度为0.17A/W。在室温下, 该聚合物光探测器件不但实现了从300～1 450nm的光探测, 而且在300～1 150nm波段光探测器件的探测率达到了1013cm·Hz1/2/W, 该器件的探测率要比目前商用的硅基光探测器件的探测率要来的高 (目前商用的Si基光探测器件的探测率约为4×1012cm·Hz1/2/W) , 在1 150～1 450nm波段光探测器件的探测率达到了1012cm·Hz1/2/W, 该器件的探测率与InGaAs器件的探测率基本相当 (而InGaAs器件一般要达到这样的探测率需要在较低温度下工作才能够得以实现) 。另一方面, 该器件的线性动态响应大于100dB (分贝) (器件结构基于ITO/PEDOT/PS-TPD-PFCB/PDDTT:PC61BM/C60/Al) , 而这一线性动态响应数据和传统硅基光电探测器件的线性动态响应 (120dB) 基本相当, 比传统InGaAs基光探测器件的线性动态响应 (66dB) 要来的大。该结果在发表在2009年8月13日的Science上, 到了广泛的关注。ChemcialandEngieenr News和Physicstoday在2009年8月17日和2009年8月24日分别以“polymerplusfullereneyieldsphotodetectorthatcoversultraviolettonearinfrared”[8]和“bright-eyedpolymer”[20]为标题, 对这一成果进行了评述。同时, 美国加州大学的Y.Yang教授更是认为“Theworkisveryexciting, ”Thepaperwill“openanewdirectionforpolymerelectronics, ”。另一方面, 这一结果初步满足美国国防项目采办管理局 (DAPA) 对C.brite等公司关于高灵敏度、宽光谱响应聚合物光探测器件研究项目的要求。
2 存在问题
虽然基于窄带隙共轭聚合物光探测器件光谱响应范围已达到300～1 450nm, 探测率在常温下已达到1012～1013cm·Hz1/2/W左右, 但考虑到该器件光谱响应范围还没有完全覆盖硅基光探测器件和InGaAs器件的光谱响应, 因此基于该聚合物的光探测器件的光谱响应还不够宽。
另一方面, 要保证电子给体和受体之间能发生有效的光诱导电荷转移, 电子给体HOMO能级和受体LUMO能级差要大于或等于0.4eV, 而电子给体材料聚合物PDDTT的HOMO能级和电子受体材料PC61BM的LUMO能级差太小 (只有0.3V左右) 。
由于在聚合物光伏型光探测器件中, 使用合适能级的电子和空穴阻挡层, 能大幅降低器件的暗电流, 从而提高器件的灵敏度, 但如果电子和空穴阻挡层过厚, 则会大幅提高器件的内阻, 使器件的性能下降。因而电子和空穴阻挡层的厚度还有待进一步优化。
此外, 对于电子给体材料窄带隙共轭聚合物来说, 就要求窄带隙共轭聚合物的带隙小于或等于0.71eV。虽然近年来科学家已经合成出了一些带隙很窄的具有可溶性和溶液加工性能的共轭聚合物, 其中一些聚合物的带隙已经小于0.85eV, 但是本征带隙小于0.71eV且具有很好溶液加工性能的共轭聚合物到目前为止还鲜有报道。
3 前景展望
在前期高灵敏度、宽光谱响应聚合物光探测器研究的基础上, 如果设计并合成若干带隙更窄、光谱吸收更宽的共轭聚合物, 将聚合物光探测器件的响应光谱扩展到1 750nm或更长的波长 (达到或超过Si-InAsGa双色器件的光谱响应范围) 具有更大的应用潜力。
同时通过使用LUMO能级更低的电子受体材料、对器件中电子和空穴阻挡层材料和厚度以及聚合物和电子给体材料能级匹配性等进行优化, 制备出光谱响应更宽、灵敏度更高的聚合物光探测器件, 为聚合物光探测器件电子给体材料的设计与合成, 电子受体材料选择以及器件结构的设计与研究等提供更为详实有益的信息。因此, 基于高灵敏度、宽光谱响应窄带隙共轭聚合物的合成与光伏型光探测器件的研究将具有广阔的发展前景和应用价值。
摘要：基于高灵敏度、宽光谱响应的窄带隙共轭聚合物光探测器件的研究取得了突破性进展, 受到了学术界和产业界的高度重视, 成为了当前光探测器件研究的热点课题之一。本文概述了窄带隙共轭聚合物作为电子给体与电子受体PC61BM下光伏器件的研究进展及存在的问题。提出了带隙更窄、光谱响应更宽的共轭聚合物的合成与器件的优化研究将具有更大的发展前景。
大豆油乙氧基化合物的生物降解 第7篇
本工作采用振荡培养实验和活性污泥模拟实验对SOE进行生物降解研究,考察了不同生物降解方法对SOE初级生物降解度的影响。
1 实验部分
1.1 材料和仪器
SOE(编号分别为SOE-4,SOE-10,SOE-20,平均环氧乙烷加成数分别为4,10,20):质量分数大于99%,工业品,由中国日用化学工业研究院研制;活性污泥和二次排放水取自太原市河西北中部生活污水处理厂;其他试剂均为分析纯。
HQL150BⅡ型恒温冷冻摇床:中国科学院武汉科学仪器厂;UV1600型紫外-可见分光光度计:北京瑞利分析仪器公司;YJ03-43-4000型电动离心沉淀机:天津市医疗器械三厂;Zetasizer Nano ZS型激光粒度仪:英国Malvern公司。
1.2 实验方法
国际上模拟表面活性剂生物降解的方法很多,比较认同的方法有两种:振荡培养实验[4,5],主要用于研究表面活性剂的快速生物降解性;活性污泥模拟实验(非偶联装置模式)[6]主要用于模拟研究表面活性剂在污水处理厂的生物降解相关信息。
1.2.1 振荡培养实验
活性污泥的制备和驯化及培养基溶液的制备按GB/T 15818—2006《振荡培养实验》进行。将5.0 mL经两次驯化后的活性污泥加入到500mL含30.0 mg/L SOE的培养基溶液中,于200r/min、25℃的恒温冷冻摇床中振荡降解。测定初始降解液和不同降解时间的降解液中SOE的质量浓度,计算SOE的初级生物降解度。
1.2.2 活性污泥模拟实验
将10mL二次排放水一次性投入曝气槽中的人工污水(人工污水配制方法参见ISO 11733-2004《活性污泥模拟实验》)内,并以1 L/h的进料速度使含有15 mg/L SOE和营养物质的人工污水连续从进料储罐进入曝气罐中,启动空气升液器使整个体系内的混合液连续循环,通过测定进料和出料中的SOE质量浓度,计算SOE的初级生物降解度。进料储罐和出料收集罐容积均为24L,曝气罐内的液体体积控制在3L,稳定降解期内活性污泥浓度为2.5g/L,曝气罐内的DO为2 mg/L,实验温度为25℃。
1.3 分析方法
SOE含量采用GB/T 15818—2006《振荡培养实验》的硫氰酸钴法测定。
1.4 初级生物降解度的计算
初级生物降解度的计算公式为
式中,Fst为t时刻试样的初级生物降解度,%;Vsi为降解液中表面活性剂的初始质量浓度,mg/L;Vse为降解液中表面活性剂在t时刻的质量浓度,mg/L。
2 结果与讨论
2.1 振荡培养实验
SOE在振荡培养实验中的初级生物降解曲线见图1。由图1可见,SOE的初级生物降解度随平均环氧乙烷加成数的增加而略有下降,即初级生物降解度大小顺序为:SOE-4>SOE-10>SOE-20;SOE-4,SOE-10,SOE-20的初级生物降解度在第6天时分别为97.3%,91.1%,89.4%。由此可见,SOE在振荡培养实验中具有很好的初级生物降解性。
■SOE-4;●SOE-10;▲SOE-20
2.2 活性污泥模拟实验
SOE在活性污泥模拟实验中的初级生物降解曲线见图2。
■SOE-4;●SOE-10;▲SOE-20
从图2可见,第8～28天为降解稳定期,SOE的初级生物降解度随平均环氧乙烷加成数的增加而增加,即初级生物降解度的大小顺序为:SOE-20>SOE-10>SOE-4;SOE-20的降解速率最快,在第8天时的初级生物降解度已达100.0%,而SOE-10和SOE-4在第8天时的初级生物降解度分别为81.2%和29.0%。这可能是由于不同平均环氧乙烷加成数的SOE在实验中的水溶性有较大的差异所致。
2.3 影响因素的分析
由振荡培养实验和活性污泥模拟实验结果可知,SOE-4,SOE-10,SOE-20在振荡培养实验和活性污泥模拟实验中的生物降解度的顺序完全相反。为考察造成这种结果的原因,用激光粒度仪测量SOE-4,SOE-10,SOE-20水合物在静置0,12,24 h时的粒径分布及分散度,实验结果分别见图3～5(D表示粒径,nm)和表1。
静置时间/h:A 0;B 12;C 24
静置时间/h:A 0;B 12;C 24
从图3～5可见,随静置时间的延长,SOE-4水合物的平均粒径逐渐增大,且粒径分布较宽;SOE-10水合物的平均粒径变化趋势不明显,但粒径分布也较宽;SOE-20水合物的平均粒径基本不变,粒径分布均匀。
静置时间/h:A 0;B 12;C 24
从表1可见,随静置时间的延长,SOE-4,SOE-10水合物的分散度逐渐增加,分散性变差;SOE-20水合物的分散性变化相对稳定,且SOE水合物的分散性随平均环氧乙烷加成数的增多而增强。由此可见,采用以静置方式进料的活性污泥模拟实验时,随进料静置时间的延长,平均环氧乙烷加成数少的SOE水合物粒径有逐渐增大的趋势,且分散性或水溶性变差,易产生团聚,增大的粒径与微生物接触机会减少,导致初级生物降解度降低。因此,对水溶性或分散性较差的表面活性剂,建议以振荡培养实验研究其生物降解性较为恰当,可避免因表面活性剂水合物的团聚而导致其初级生物降解度的降低。
3 结论
采用振荡培养实验和活性污泥模拟实验对SOE进行了生物降解性研究。
a)振荡培养实验结果表明,SOE的初级生物降解度随平均环氧乙烷加成数的增多而略有下降,即初级生物降解度的大小顺序为:SOE-4>SOE-10>SOE-20;SOE-4,SOE-10,SOE-20的初级生物降解度在第6天时分别为97.3%,91.1%,89.4%。SOE在振荡培养实验中有很好的初级生物降解性。
b)活性污泥模拟实验结果表明,第8天～第28天为降解稳定期,SOE的初级生物降解度随平均环氧乙烷加成数的增多而增加,即初级生物降解度的大小顺序为:SOE-20>SOE-10>SOE-4;SOE-20的降解速率最快,在第8天时的初级生物降解度已达100.0%,而SOE-10和SOE-4在第8天时的初级生物降解度分别为81.2%和29.0%。
c)用激光粒度仪测量SOE-4,SOE-10,SOE-20水合物在静置0,12,24 h时的粒径分布及分散度结果表明,随进料静置时间的延长,平均环氧乙烷加成数少的SOE水合物粒径逐渐增大,且分散性或水溶性变差,易产生团聚,增大的粒径与微生物接触机会减少,导致初级生物降解度降低。对水溶性或分散性较差的表面活性剂,建议以振荡培养实验研究其生物降解性较为恰当,可避免因表面活性剂水合物的团聚而导致其初级生物降解度的降低。
摘要：采用振荡培养实验和活性污泥模拟实验对大豆油乙氧基化合物(SOE)进行了生物降解研究。实验结果表明，振荡培养实验中SOE的初级生物降解度随平均环氧乙烷加成数的增多而略有下降，且SOE-4，SOE-10，SOE-20的初级生物降解度在第6天时分别为97．3%，91．1%，89．4%；活性污泥模拟实验中SOE的初级生物降解度随平均环氧乙烷加成数的增多而增加，且SOE-4，SOE-10，SOE-20的初级生物降解度在第8天时分别为29．0%，81．2%，100．0%。用激光粒度仪测量SOE水合物在不同静置时间时的粒径分布及分散度结果表明，随静置时间的延长，平均环氧乙烷加成数少的SOE水合物粒径逐渐增大，且分散性或水溶性变差，易产生团聚导致初级生物降解度降低。对水溶性或分散性较差的表面活性剂，建议以振荡培养实验研究其生物降解性较为恰当。
关键词：大豆油乙氧基化合物,生物降解,振荡培养实验,活性污泥模拟实验
参考文献
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[5]赵郁梅，秦勇，张高勇．表面活性剂生物降解度的测定．日用化学工业，2002，32(6)：60～62
黄酮类化合物生物转化的研究进展 第8篇
1 微生物转化
王园园[3]等研究Streptomyces griseus ATCC13273对柚皮苷、橙皮苷、黄芩苷及木犀草素的生物转化, 得到柚皮素-7-O-葡萄糖苷、柚皮素、橙皮素、黄芩素、黄芩素-6-甲氧醚和柯伊利素, 另用灰色链霉菌对芦丁进行转化, 得到6个代谢产物;杨秀伟[4]等采用人肠内细菌与罗汉果中山奈苷共温孵培养的方法, 将山奈苷转化生成山奈酚3-O-α-L-吡喃鼠李糖苷、山奈酚7-O-α-L-吡喃鼠李糖苷、山奈酚和对羟基苯甲酸。Xu等利用黑曲霉将槐米中的芦丁转化为槲皮素, 从而提高了槐米中槲皮素的含量。Rao等以蜡状芽孢杆菌对槲皮素进行糖基化反应, 得到槲皮素-3-O-葡萄糖苷, 转化率为20%。Kim等以康宁木霉对水飞蓟素A和水飞蓟素B进行糖基化反应, 分别得到水飞蓟素A-7-O-β-D-葡萄糖苷、水飞蓟素A-3-O-β-D-葡萄糖苷、水飞蓟素B-7-O-β-D-葡萄糖苷和水飞蓟素B-3-O-β-D-葡萄糖苷。Jiang等以氧化微杆菌静息细胞生物转化葛根素, 得到7-O-葡萄糖苷葛根素和7-O-异麦芽糖苷葛根素。Sato等以野油菜黄单胞菌对儿茶素进行生物转化, 得到 (+) -儿茶素3'-O-α-D-葡萄糖苷。Ibrahim等以雅致小克银汉霉对5, 3'-二羟基-6, 7, 2', 4', 5'-五甲氧基黄酮及5, 3'-二羟基-7, 2', 4', 5'-四甲氧基黄酮进行糖基化反应, 得到两个糖基化产物。涂绍勇等通过黑曲霉A166转化沙棘黄酮苷生成苷元, 使得异鼠李素和槲皮素的含量明显提高。郑庆红[5]等研究发现经过球形红细菌转化可以增加槲寄生提取液中总黄酮类化合物的含量。黄慧学[6]等研究离体人肠道菌群在体外对芒果苷代谢转化得到芒果苷的苷元。
2 酶解转化
酶解转化具有专属性强, 反应条件温和, 对原物质的破坏较小等优点, 在黄酮的生物转化中最为常见。
Ko等以蜡状芽孢杆菌的糖基转移酶对木犀草素、芹菜素、山柰黄素、槲皮素、柚皮素和染料木素进行糖基化反应, 得到相应产物。Huang等以原玻璃蝇节杆菌的内-β-N-乙酰氨基葡糖苷酶对木犀草素-3', 7-二-O-葡糖苷、大豆苷、葛根素、黄豆黄苷进行糖基化反应, 得到其糖基化产物。Lim等以拟南芥的7种尿苷二磷酸葡萄糖糖基转移酶对槲皮素进行糖基化反应, 得到6种不同的糖基化产物。Hye等以蔗糖合成酶与糖基转移酶的融合蛋白对槲皮素进行糖基化反应, 得到槲皮素葡萄糖苷。Li等以对葛根素进行生物转化, 得到2种葛根素糖苷。Funayama等以环糊精葡萄糖转位酶对儿茶素
项目支持:黑龙江省卫生厅科研项目 (2011-449) 。进行生物转化, 得到 (+) -儿茶素3'-O-α-D-葡萄糖苷。Kitao等以明串珠菌的蔗糖磷酸化酶对儿茶素进行生物转化, 得到 (+) -儿茶素3'-O-α-D-葡萄糖苷, 转化率达81%。Meulenbeld等以变形链球菌的葡萄糖基转移酶对儿茶素进行生物转化, 得到3种儿茶素糖苷。Gao等分别以纤维素酶、α-葡萄糖苷酶、α-淀粉酶对儿茶素进行生物转化, 得到相应产物。Noguchi等以重组葡萄糖基转移酶对儿茶素进行生物转化, 得到 (+) -儿茶素4'-O-β-D-吡喃葡萄糖苷。Christian等以苹果属与梨属植物细胞的糖基转移酶对根皮素进行糖基化反应, 得到2个根皮素葡萄糖苷[7]。
伍毅等[8]采用β-葡萄糖苷酶水解银杏叶提取物, 使糖苷型黄酮转化为苷元型黄酮。金凤燮利用曲霉菌产生的诱导酶水解淫羊藿苷可制得低糖基淫羊藿苷或淫羊藿苷元。郑美瑜[9]等研究橙皮苷酶和柚皮苷酶2种糖苷酶对柑橘中柚皮苷结构中的糖苷键的酶解作用, 为酶法改性柚皮苷、提高其生物利用度提供理论基础。
3 植物细胞为载体的生物转化
Kren等以罂粟属的植物细胞对水飞蓟素A进行糖基化反应, 可得到水飞蓟素A-7-O-β-D-吡喃葡萄糖苷。Shimoda等在桉属植物细胞悬浮液中对大豆苷元进行生物转化, 得到大豆苷元7-O-[6-O- (β-吡喃葡萄糖基) ]-β-吡喃葡萄糖苷。
随着生物转化技术在天然产物中的不断应用, 其研究日益成熟, 利用上述方法, 黄酮的生物转化取得较好成绩, 为其新药的发展开辟新的研究空间, 但是关于植物细胞为载体和微生物转化研究相对较少, 需要对其研究方法和机制进行更深入研究。
参考文献
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生物聚合物 第9篇
1 具有除草活性的酰基硫脲类化合物
2004年,薛思佳等[1]采用活性基团拼接法设计合成了5个未见文献报道的化合物N’-(4,6-二取代嘧啶-2-基)-N-3-甲基-2-对氯苯基丁酰硫脲1a-e。采用平皿法测试了化合物的除草活性,结果表明:在浓度为10 mg/L时,化合物1a对单子叶植物稗草、高粱、马唐的地下部分抑制率分别为80%、90%、100%;对双子叶植物油菜、黄瓜、小藜的地下部分抑制率分别为95%、100%、90%。在浓度为50 mg/L时,化合物1a对稗草、黄瓜、小藜的地上部分抑制率分别为80%、95%、100%,地下部分抑制率均为100%;对高粱、马唐、油菜的地上部分抑制率分别为95%、95%、95%,地下部分抑制率均为100%。
2006年,王胜等[2]通过2-氨基-5,7-二甲基-1,2,4-三唑并[1,5-a]嘧啶同芳酰基异硫氰酸酯反应,合成了12个新的含杂环基的芳酰基硫脲2a-k。采用平皿法测试了化合物的除草活性,结果表明:在浓度为100 mg/L时,化合物2d、2e、2f、2l对双子叶植物油菜根的抑制率分别为72.5%、70.2%、90.7%、87.3%。
2006年,刘长春等[3]用2,6-二氟苯甲酸为原料,经氯化、酰化生成2,6-二氟苯甲酰基异硫氰酸酯后,与2-氨基-4,6-二甲氧基嘧啶进行加成反应得到2,6-二氟苯甲酰基硫脲化合物3。采用平皿法测试了化合物的除草活性,结果表明:2,6-二氟苯甲酰基硫脲化合物对6种靶标均表现出一定的除草活性。在浓度为100 mg/L时,2,6-二氟苯甲酰基硫脲化合物对小藜、高粱、黄瓜、稗草的抑制率为80%;在浓度为50 mg/L时,对黄瓜、小藜的抑制率仍为70%。
2006年,刘长春等[4]以3-氯-4-氟苯甲酸为原料,经氯化、酰化生成3-氯-4-氟苯甲酰基异硫氰酸酯后,与2-氨基-4,6-二甲氧基嘧啶进行加成反应得到了3-氯-4-氟苯甲酰基硫脲化合物4。经初步生物活性测试表明:在浓度为100 mg/L时,3-氯-4-氟苯甲酰基硫脲化合物对小藜、高粱、黄瓜、稗草的抑制率为80%。
2007年,彭浩等[5]以三氟羧草醚及其中间体为起始原料,设计合成了9个N-取代苯甲酰基-N’-取代芳基硫脲化合物5a-i。采用盘栽法对目标化合物5a-i进行了初步的除草活性测试,结果表明:在100 g/亩剂量下,化合物5b对双子叶杂草反枝苋的抑制率为86.4%;化合物5h对单子叶杂草马唐的抑制率为83.0%。
2 具有杀菌活性的酰基硫脲类化合物
2005年,吴玮琳等[6]用4-氨基安替比林与芳氧乙酰基异硫氰酸酯反应,合成了7个N-(4-氨基安替比林基)-N’-芳氧乙酰基硫脲6a-g。采用含毒介质法测定了化合物的抑菌活性,结果表明:在浓度为50 mg/L时,化合物6a、6c、6f对水稻纹枯病菌、黄瓜灰霉病菌的抑制率较高,其中化合物6c、6f对黄瓜灰霉病菌的抑制率为96.23%、94.34%。
2005年,李超等[7]利用活性拼接原理,引入具有杀虫、杀菌等生物活性的1,3,4-噁二唑,合成了12个4-甲基苯磺-2-氧-2-[3-(5-芳基[1,3,4]噁二唑-2-基)-硫脲]-乙基酯类化合物7a-l。由湖北省农药研究所生测室对合成的目标化合物,采用平皿法对棉花枯萎病菌(Fusarium oxysporium)、水稻稻瘟病菌(Pyricularia oryzae)、黄瓜灰霉病菌(Botrytis cinereapers)、小麦赤霉病菌(Gibberella zeae)、油菜菌核病菌(Sclerotinia sclerotiorum de Bary)五种真菌进行了抑菌活性测试。在浓度为50 mg/L时,测试结果表明:绝大部分化合物对黄瓜灰霉病菌、油菜菌核病抑制效果较好,特别是7j、7k对5种病菌抑制率均为100%,7b对5种病菌抑制率均在90%以上;7e对5种病菌抑制率也均在87%以上;7l对5种病菌抑制率均达到95%以上。
2006年,李秀文等[8]以对溴苯氧乙酸为基本原料,合成了10个新的的苯氧乙酰基硫脲类化合物8a-j。采用平皿法对棉花枯萎病菌(Fusarium oxysporium)、水稻纹枯病菌(Rhizatonia solani)、黄瓜灰霉病菌(Botrytis cinereapers)、小麦赤霉病菌(Gibberella zeae)、苹果轮纹病菌(Dochiorella gregaria) 、棉花炭疽病菌(Colletotrichum gossypii)六种真菌进行了抑菌活性测试。结果表明:在浓度为50 mg/L时,大部分化合物具有良好的抑菌活性,尤其对水稻纹枯病菌和黄瓜灰霉病菌的抑制率可达到85%以上,其中化合物8b、8f、8k对黄瓜灰霉病菌的抑制率可达到100%。
2006年,谭章兰等[9]合成了10个新的酰基硫脲类化合物9a-j。采用平皿法对棉花枯萎病菌(Fusarium oxysporium)、水稻纹枯病菌(Rhizatonia solani)、黄瓜灰霉病菌(Botrytis cinereapers)、小麦赤霉病菌(Gibberella zeae)、苹果轮纹病菌(Dochiorella gregaria) 、玉米小斑病菌(Biopolaris mayalis)六种真菌进行了抑菌活性测试。结果表明:在浓度为50 mg/L时,大部分化合物具有良好的抑菌效果,尤其对黄瓜灰霉病菌的抑制效果更好,其中化合物9e、9f、9g、9h对黄瓜灰霉病菌的抑制率分别为97.56%、95.12%、95.12%、97.56%。
2006年,孙晓红等[10]合成了3个取代嘧啶基硫代脲酸酯类化合物10a-c。对其进行了初步的生物活性测试,化合物10a、10b对烟草赤星病菌、番茄早疫病菌的EC50值和EC95值均小于对照药剂多菌灵,其中化合物10a、10c对小麦赤霉病菌的EC95值也小于对照药剂多菌灵。
2008年,苏桂发等[11]以歧化松香为起始原料,通过分离、提纯得到脱氢松香酸,以脱氢松香酸为基本原料,经过一系列反应,得到6个1-脱氢松香酰基-3-芳酰胺基硫脲11a-f。经初步生物活性测试表明,在浓度为100 mg/L时,化合物11c、11f、11f对枯草杆菌和大肠杆菌有一定的抑制活性。
3具有植物生长调节活性的酰基硫脲类化合物
2005年,吴玮琳等[12]用4-氨基安替比林与芳氧乙酰基异硫氰酸酯反应,合成了7个新的含安替比林基的芳氧乙酰基硫脲12a-g。采用小麦芽鞘法测定生长素(auxin)活性,对照药剂为β-吲哚乙酸。用黄瓜子叶扩张法测定细胞分裂素(cytokinin),对照药剂为6-呋喃甲基腺嘌呤(激动素),生测结果表明:在浓度为10 mg/L时,目标化合物12a、12g具有良好的细胞分裂素活性,尤其是芳氧乙酰基的苯环邻位上连有硝基的化合物12g的细胞分裂素活性显著,非常接近激动素的活性。
2005年,王子云等[13]通过2-氨基-5-(1-邻基苯氧乙基)-1,3,4-噻二唑与芳氧乙酰基异硫氰酸酯反应,合成了13个新的芳氧乙酰基硫脲类化合物13a-m。采用小麦芽鞘法测定生长素(auxin)活性,对照药剂为β-吲哚乙酸,生测结果表明:部分目标化合物具有良好的植物生长调节活性,在浓度为10 mg/L时,其中化合物13c的生长素活性为29.5%,接近对照药剂β-吲哚乙酸(30.2%),化合物13d和13e的生长素活性为32.7%和33.1%,略高于对照药剂β-吲哚乙酸(30.2%)。
2005年,陈传兵等[14]通过2-氨基-5-三氟甲基-1,3,4-噻二唑与芳氧乙酰基异硫氰酸酯反应,合成了9个新的芳氧乙酰基硫脲类化合物14a-i。采用小麦芽鞘法测定生长素(auxin)活性,对照药剂为β-吲哚乙酸。用黄瓜子叶扩张法测定细胞分裂素(cytokinin),对照药剂为6-呋喃甲基腺嘌呤(激动素),生测结果表明:部分目标化合物具有良好的植物生长调节活性。在浓度为10 mg/L时,其中化合物14b和14c的生长素活性为28.5%和28.8%,接近对照药剂β-吲哚乙酸(29.5%),化合物14e和14i的生长素活性为30.7%和32.5%,略高于对照药剂β-吲哚乙酸(29.5%),化合物14d和14e细胞分裂素为47.3%和43.2%,低于激动素(52.4%)。
2006年,龚银香等[15]通过2-氨基-5-对三氟甲基苯基-1,3,4-噻二唑与芳氧乙酰基异硫氰酸酯反应,合成了10个新的芳氧乙酰基硫脲类化合物15a-j。采用小麦芽鞘法测定生长素(auxin)活性,对照药剂为β-吲哚乙酸。用黄瓜子叶扩张法测定细胞分裂素(cytokinin),对照药剂为6-呋喃甲基腺嘌呤(激动素),生测结果表明:在浓度为10 mg/L时,多数化合物具有较好生长素活性,尤其是芳环上含有氯原子的15b、15c和15d,其生长素活性已接近β-吲哚乙酸,而化合物15a-j的细胞分裂素活性均偏低。
2006年,龚银香等[16]用5-氨基-1,3,4-噻二唑-2-羧酸与芳酰基异硫氰酸酯反应合成出了一系列的芳酰基硫脲16a-j。采用小麦芽鞘法测定生长素(auxin)活性,对照药剂为β-吲哚乙酸,生测结果表明:在浓度为10 mg/L时,其中化合物16c和16d的生长素活性为30.2%和31.0%,略高于对照药剂β-吲哚乙酸(29.3%)。
2009年,杨曼丽等[17]合成了9个对苯二甲酰基硫脲类化合物17a-i。采用小麦芽鞘法测定生长素(auxin)活性,对照药剂为β-吲哚乙酸。用黄瓜子叶扩张法测定细胞分裂素(cytokinin),对照药剂为6-呋喃甲基腺嘌呤(激动素),生测结果表明:在浓度为10 mg/L时,部分目标化合物具有良好的生长素活性,而细胞分裂素活性则相对较低。其中化合物17a、17e、17f、17h、17i的生长素活性分别为30.2%、74.4%、32.5%、27.9%、44.2%,均高于对照药剂β-吲哚乙酸(25.6%)。
4 结 语
综上所述,当酰基硫脲类化合物N’-取代基含有嘧啶基团时,化合物表现出了良好的除草活性;当酰基硫脲化合物N’-取代基含有1,3,4-噁二唑基团时,化合物表现出了较好的杀菌活性;当酰基硫脲类化合物N’-取代基含有1,3,4-噻二唑基团时,化合物表现出了良好的植物生长调节活性。特别是近几年,随着许多单杂环、稠杂环的活性结构部分引入到酰基硫脲结构中,极大的拓宽了酰基硫脲类化合物的发展空间。酰基硫脲类化合物表现出的残留低、药害小及广泛的生物活性,使其具有很好的研究前景。随着人们的研究不断深入,我们相信会发现越来越多具有高活性的酰基硫脲类化合物。
摘要：酰基硫脲类化合物具有广泛的生物活性,可作为除草剂、杀菌剂及植物生长调节剂等。本文简要综述了近年来该类化合物生物活性的研究近况。