短肽荧光水凝胶的合成应用研究进展

郭锦周，郑仁林

(1 西南科技大学生命科学与工程学院，四川 达州 635000；2 西南科技大学生命科学与工程学院，四川 绵阳 621000)

荧光水凝胶是一种特殊的高分子凝胶，因其特殊的发光性质而受到了许多研究者的关注[1]。荧光水凝胶是荧光剂和水凝胶的结合体，不仅具有水凝胶的优点，还具有荧光剂的优异性能。Su等[2]研究发现，荧光水凝胶通过调节发色团和激发态环境，来改变荧光水凝胶的状态及其发射光谱的变化。肽分子具有的分子间疏水作用力可以促使自身自组装[3]。其分子结构中的疏水基排列在内侧，而外侧的亲水基以互补的离子形式相互连接且呈现横向交替排布，促使肽分子聚合成具有稳定结构的短肽或多肽等[4]，最终与荧光水凝胶结合，再经凝胶化得到了短肽荧光水凝胶[5-6]。

1 制备原理

荧光水凝胶按其制备方法的不同大致可分为三类，有自组装、聚合、交联等[2]。其中，自组装是指在没有人为干预的情况下，小结构单元自发排列形成有序结构的过程，存在于自然和非自然系统中[7]。短肽荧光水凝胶就属于自组装水凝胶，其以疏水作用力、氢键和静电作用力等作为肽自组装的自组装驱动力。在短肽的合成过程程中，肽分子首先通过肽键连接成一条肽链，然后在经过外力的作用形成二级结构(图1)[8]，二级结构进一步在分子作用力的条件下进行自组装，最终形成稳定性较好的凝胶。Seow等[9]在自己制备的短肽水凝胶中发现，肽在溶液中堆积，从随机线圈演变成a螺旋，最后随着浓度的增加并到达临界凝胶化浓度，构成了b-转构象[10]。经研究发现，短肽荧光水凝胶的含水量也发挥着重要的作用。它不仅影响水凝胶的稳定性和溶解性，还对凝胶中的荧光强度有影响。当水凝胶中的水分较少时，分子被固定在一定位置，分子间的碰撞受到分子链的限制，氢键数目增多，从而实现荧光增强。

图1 肽分子自组装二级结构Fig.1 Self-assembled secondary structure of peptide molecules

2 短肽荧光水凝胶

2.1 Fmoc-D-丙氨酰基二肽荧光水凝胶

9-芴甲氧基(Fmoc)是合成短肽过程中的一种重要的保护基，使其顺利合成短肽。其中Fmoc中的9-芴甲氧羰基保护基(图2)可以保护氨基酸的氨基不被破坏[11]，且还具有被生物体内酶溶解和一定的生物学活性[12]，因此用于合成Fmoc-D-丙氨酰基二肽。Ma等[13]先将Fmoc-D-丙氨酸的羧基进行缩合，然后再用羧基活化剂将其活化，再以混合的有机溶剂作溶剂，在弱碱性条件下合成了Fmoc-D-丙氨酰基二肽(图3)。之后将所制得的Fmoc-D-丙氨酰基二肽与荧光剂依次加入液态水凝胶中，冷却后就得到了Fmoc-D-丙氨酰基二肽荧光水凝胶。其进一步检测温度和酸碱度对该凝胶的影响，酸根阴离子因带有电子，且该二肽也带有电子，两者不易连接成键，所以对这种水凝胶形成的影响不显著；再对温度研究，由于肽键不耐高温，导致该凝胶在高温时结构被破坏，所以温度对这种水凝胶形成的影响较为显著。

图2 9-芴甲氧羰基保护基Fig.2 9-fluorene methoxycarbonyl protective group

图3 Fmoc-D-丙氨酰基二肽合成途径Fig.3 Synthesis pathway of Fmoc-D- alanyl dipeptide

2.2 谷氨酰胺转氨酶荧光水凝胶

谷氨酰胺转氨酶(Transglutaminase，TGase)是生物界内一种重要的蛋白酶，其主要的运用是催化不同蛋白分子之间谷氨酰胺残基与伯氨基的交联反应，从而形成异肽键实现组分蛋白间的交联[14-15]。Zhang等[16]利用固相合成方法合成了四种短肽分子Ac-I2～4QGK-NH2和Ac-F2QGK-NH2(见图4)，再加入TGase和荧光剂，利用其酶促反应(见图5)制备成水凝胶。制备成功后，通过质谱法、高效液相色谱法等的测定发现，对于加入TGase和荧光剂的水凝胶体系，荧光强度随着其浓度的增加而增加。这是由于电子的跃迁，促使了荧光的发射，当电子从最低激发态跃迁到基态时发射出光子即产生了荧光。

图4 Ac-I2～4QGK-NH2和Ac-F2QGK-NH2系列短肽Fig.4 Short peptides of AC-I2～4QGK-NH2 and AC-F2QGK-NH2 series

图5 谷氨酰胺转氨酶酶促反应Fig.5 Glutamine transaminase enzymatic reaction

2.3 Zn卟啉芳香基短肽水凝胶

随着短肽水凝胶的发展，越来越多的研究表明，短肽类自组装材料有一定的光电性质，甚至超过了传统半导体光电材料[17]。研究发现通过对芳香基短肽合成条件的控制[17-18]，可以控制其结构的形貌，进而使其具有光电特性[19](见图6)。Feng等[20]将色素分子Zn卟啉掺杂进芳香基短肽水凝胶中，其合成了具有光电特性的凝胶材料，且凝胶中的肽骨架结构接受着光电子，促进电荷的分离和光电子的产生。经过FTIR和CD谱测试表明该凝胶中的肽纤维具有b折叠的二级结构；光电子测试证明了该凝胶具有显著的光响应特性。因此，这种杂化水凝胶在太阳能转化方面具有极大的应用潜力。

图6 Zn卟啉芳香基短肽光电子产生原理Fig.6 Photoelectron generation principle of Zn porphyrin aromatic short peptide

3 应用研究

3.1 药物输送

氨基酸和短肽是人体内必不可少的一类物质，它与人体的生理活动和疾病治疗有着密不可分的关系。使用合适的给药系统可以保证较高的药物利用度，并能长时间发挥药效，减少药物的给予量和对身体的危害。荧光凝胶具有良好的发光性质，能通过荧光强度来观察药物的运输状况，且无毒副作用，成为一种适合药物运输的材料[21-22]。例如Te荧光水凝胶[23]就是通过检测相关部位荧光的分布，然后Te-巯基-二硫键在细胞内断裂，导致纳米材料3D网络的破坏，进而精准释放药物。

3.2 重金属离子检测

重金属离子污染已经成为危害生态环境和人类健康的全球性问题[24]。荧光水凝胶具有优异的含水量和独特的发光性能。它可以进一步改造，用于检测重金属和其他环境污染物[25]。因荧光水凝胶中含有荧光物质，所以将其做成检测金属离子的荧光探针。并且对于重金属离子的检测，纯脂肪族的荧光材料比传统的芳香族荧光材料更容易被接受，因为它们在产生荧光时不容易光降解和老化[26-27]，所以可以把短肽荧光水凝胶中的短肽换成含脂肪族的短肽，这样就能提高荧光的强度，达到检测重金属离子的效果。

3.3 传感器

基于荧光的传感器已经被常规用于生物学、生理学、药理学和环境科学。由于其生理相容性，荧光凝胶传感器引起了医学界的广泛关注。传感器具有独特的光谱特性，对荧光强度的变化感知较为灵敏。而其中的短肽主要起稳固水凝胶的作用。例如，Weng等[28]报道了基于Eu-亚氨基二乙酸酯(Eu-IDA dynamic)配位的短肽荧光水凝胶，该凝胶适合制备成传感器，因为其在pH、温度、金属离子、超声波处理以及各种力刺激下可以动态断裂和键合，并且可以切换光器件和溶胶与凝胶的转换。这些优点使其成为传感器后能更好的检测疾病的发生与治疗。

4 结 论

短肽的荧光水凝胶是一种生物相容性和生态友好的高分子物质。这种肽由蛋白质氨基酸残基组成，其合成过程是一种绿色化学方法。目前，荧光水凝胶已广泛应用于传感器、生物成像探针、组织修复和环境监测等领域。然而，荧光水凝胶也有一定的缺陷。例如，通过非共价相互作用制备的凝胶由于凝胶之间的弱相互作用而其机械稳定性较差。

综上所述，基于荧光水凝胶的良好前景，现阶段的短肽荧光水凝胶仍需要进一步改进研究，加速完善短肽荧光水凝胶缺陷，制备更好的短肽荧光水凝胶显得尤为重要。使其具有更多的生物学功能，推动了化工技术、生物技术的进步，从而服务于人类的疾病治疗。