具有不同取代基比例的咪唑型聚离子液体的荧光和抗菌性能研究

具有不同取代基比例的咪唑型聚离子液体的荧光和抗菌性能研究

丁延俊，郭鸣明

西南大学，400700

1.1 引言

社会和科学技术的进步促使个人追求更健康的生活环境[1]。此外，病毒和细菌等病原微生物是全球公共卫生的主要威胁，已导致全球数百万人死亡。抗生素已被广泛用于治疗各种细菌感染[2]。

此外，荧光染料可用于细胞和生物分子的检测，方便快速、方便地跟踪抗菌过程。最常用的荧光染料是基于ACQ（聚集诱导猝灭）或AIE（聚集诱导发光）特性。值得注意的是，具有ACQ和AIE效应的染料可能由于其固有的毒性而不适合某些应用，从而限制了它们的继续发展和利用[3]。一些非传统发光机制的发光剂由于其水溶性和低毒性等特点，具有很好的应用前景。

我们研究了含有咪唑阳离子基的抗菌聚合物，并设计和合成了一系列不同取代基比的高分子抗菌材料。该材料具有双重功能，即细菌成像和杀菌作用。我们考察了不同取代基配比对聚合物抗菌和荧光性能的影响。值得注意的是，合成的聚合物显示出605 nm的发射波长，这在以前的研究中很少报道。此外，本研究开发的材料具有低细胞毒性和低溶血率，促进伤口愈合，在生物医学和其他领域具有广阔的应用前景。

2.2 实验试剂与仪器

2.2.1 实验仪器

表2-1为本实验过程中所使用到的仪器。

表2-1实验仪器

2.2.2 实验试剂

表2-2为本实验过程中使用的化学试剂。所有试剂都是分析纯且没有经过进一步纯化。

表2-2实验试剂

2.3 材料的合成

2.3.1 材料的制备

首先在100 mL圆底烧瓶中加入13.57 mL（0.15 mol）的1-乙烯基咪唑，并加入22 mL的1,4-二氧六环混合均匀；将130 mg（1wt.%）的引发剂偶氮二异丁氰（AIBN）加入其中并超声使其完全溶解；紧接着除去反应瓶内的氧气，在氮气氛围并在60 ℃油浴下充分反应24 h。通过两步法得到不同基团比例取代的PVIm，再通过分别加入1-溴己烷和衣康酸酐得到最终产物。

2.3结果与讨论

2.3.1 PVIm-ITAx-C61-x的结构表征

通过1H NMR和ATR-FTIR来表征不同基团比例取代聚合物的结构。1H NMR (500 MHz D2O): δ = 0.6 – 1.05 (3H) 烷基支链中末端的甲基氢；1.10 – 1.40 (6H) 烷基支链中的部分亚甲基氢；1.45 - 1.80 (2H) 烷基支链中与N相连的附近一个亚甲基氢；1.85 – 2.05 (3H) ITA开环重排后的甲基氢；2.10 – 2.70 (2H) 主链中的亚甲基氢；3.20 – 4.30 (3H) 主链上的次甲基氢和烷基链与N相连的亚甲基氢；6.40 – 7.70 (3H) 咪唑环上的氢。谱图中所有的质子峰都和设计的分子结构相对应，并且通过对质子峰的面积进行积分，可以得到ITA取代部分（A）和C6-Br取代部分（B）之间的大致比例。

通过凝胶渗透色谱法（GPC）测定了PVIm的分子量和分子量分布（PDI）为39750 g/mol和1.64，表明合成的物质是具有高分子特性的。通过计算可以得到PVIm的聚合物为423，因此可以通过取代基的比例来计算出PVIm-ITAx-C61-x（x= 0.1，0.2，0.3，…，0.9）的分子量。

通过FT-IR光谱分析进一步表征PVIm-ITAx-C61-x的分子结构。3105 cm-1处的特征吸收带归因于咪唑基团的C-H伸缩振动，而3000 cm-1和2850 cm-1处的特征吸收带是甲基和亚甲基的伸缩振动，而且随着烷基链比例的增加，其峰强度逐渐增大。同时红外光谱分析表明在1763 cm-1和1718 cm-1处观察到的吸收峰对应于-C(O)-N+-结构的存在。

2.3.2 PVIm-ITAx-C61-x的光物理性能

为了研究其荧光发射行为，对PVIm-ITAx-C61-x的三维荧光发射光谱和最大发射光谱进行了测试。看到在同一浓度下，随着x的增大，发光中心从最开始（x=0.1）的三个变为最后（x=0.9）的一个，最强发射中心也随之变化，向长波长方向延伸，最强激发波长从开始的480 nm变为575 nm，呈现明显的红移变化，荧光强度逐渐增强。这是因为随着聚合物中两性离子（柠康酸部分）的增加，富电子部分在强的离子键作用下，产生了更大的空间共轭结构的发射团簇，其电子离域和能隙的降低，能量转移过程更轻松，有利于产生红移发射。

2.3

.3PVIm-ITAx-C61-x的体外抗菌性能

采用平板计数法来评估PVIm-ITAx-C61-x对金黄色葡萄球菌（S. aureus）和大肠杆菌（E. coli）的抑菌性能。本工作中所有合成的聚合物对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌都表现出明显的抗菌功效。除了在宏观上探究聚合物的抗菌性能，我们还对样品作用后细菌的微观结构进行研究。分别将S.aureus和E.coli在PVIm-ITAx-C61-x（x=0.1、0.2、…、0.9）溶液中（浓度为2 mg/mL）孵育4小时，在只加入磷酸缓冲液（PBS）（A和a作为对照）的情况下培养的细菌表面是光滑且完整的，没有明显缺陷（金色葡萄球菌呈球状，大肠杆菌呈棒状），与聚合物溶液共培育的细菌都有一定扭曲和塌陷，这说明了细菌的生理状态受到了损伤。另外，随着聚合物样品中烷基链的比例的增加，金色葡萄球菌和大肠杆菌表面的褶皱逐渐增多，直至出现破裂。

2.3.4 细胞毒性和相容性

我们采用人结肠癌细胞HT-29来衡量得到的9种聚合物的细胞毒性，并通过CCK-8法确定其细胞毒性。实验中采用1 mg/mL的浓度对细胞进行处理， HT-29细胞的活力始终在81.3 %以上，因此，我们的测得的所有不同比例的聚合物材料其溶血活性可以看到溶血比率均低于5 %，证明合成的PVIm-ITAx-C61-x是具有良好的生物相容性的。

2.4本章小结

本章主要探究通过调节聚合物链上不同取代基团的比例，获得一系列具有可控抗菌和荧光成像性能的咪唑型荧光抗菌聚合物。结合这两个方面，我们可以通过其荧光特性可视化聚合物的抗菌行为，为抗菌过程提供可视化指导。。

2.5 参考文献

[1]张倩倩. 细菌感染和病毒感染的区别 [J]. 农村新技术, 2024, (02): 74.

[2]王莹,蔡大川. 生物标志物对肝衰竭合并细菌感染诊断的研究进展 [J]. 肝脏, 2024, 29 (01): 133-137.

[3]樊利. 生物质荧光材料的合成及其在食品环境分析中的应用研究[D]. 中南大学, 2022.