（上接第8期）

4 信息传感材料

4.1 pH传感

以细胞内环境为代表的生理微环境，pH值是一项重要的生理指标参数,它在细胞增殖与凋亡、离子传输、神经信号传导、肌肉收缩等组织活动中起到重要指示作用，因此监测细胞微环境的pH值变化对于医学研究具有重要的意义。近pH中性（6.8～7.4）的细胞器有细胞质，pH偏弱酸性（4.5～6.0）的细胞器有溶酶体，细胞pH环境异常往往导致癌症、阿尔茨海默病等病症。

对细胞环境的pH值的测量其测试方法主要有光谱法、滴定法、电学法和指示剂法等，而荧光光谱法是一种基于光学信号建立的检测方法,具有高灵敏性、高选择性、快速反应性以及可逆向进行等优点[12]。近些年有许多新型的荧光分子探针被报道，花菁类染料中的咪唑氮原子可以产生质子化-脱质子的作用,这种作用可以影响染料的共轭结构引起光谱的变化而被用于检测pH值,其激发和发射波长可设计至近红外区域，对细胞和组织的损害小，并可避免生物体自身荧光的干扰[13]。向德成等合成了一种引入多个氯原子取代的耐光漂白的碳菁型pH荧光探针(CyCl4),在pH 8.5环境中具有最高的荧光信号值,在pH＜8.1和＞9.8的条件下则荧光很弱，其耐光漂白性能强于一般染料型荧光探针，可在细胞膜表面的聚集，可将其该探针应用于前列腺癌活细胞荧光成像[14]。

4.2 粘度传感

粘度也是一个非常重要的生理参数。在生物体系中粘度变化与动脉硬化、细胞病变、高胆固醇血症、糖尿病等疾病相关。精确测定生物体微环境内的粘度对这些疾病的早期预警具有十分重要的意义。传统的粘度计不仅耗时，且不能用于检测微环境的粘度。

荧光分子探针法检测微环境粘度独有独特的优势。当荧光分子含有可自由旋转的单键且具有供体-受体特征和可以发生分子内电荷转移，通过发生分子内单键的旋转而导致探针的荧光性质对粘度和体积变化敏感，即探针中旋转的单元可引起激发态的非辐射去活，而粘度的升高可减缓这种旋转，从而导致荧光发射强度随粘度的增大而增强[15]。图11中的化合物为基于此原理测量粘度的分子转轮类荧光探针，这类分子不仅适合研究聚合反应体系粘度的变化，还适用于生物分子的组装过程、细胞膜内部粘度以及蛋白的构象转换的研究［16］。

图11 分子转轮类粘度探针Fig11 The flywheel-like molecule for measuring the viscosity

大连理工大学的彭孝军团队合成了中位醛基取代的五甲川菁染料（图12），发现这种染料对环境的粘度非常敏感，随着染料分子所处细胞微环境的粘度逐渐增加，其荧光强度明显增加，而且荧光强度与溶液粘度的关系满足Forster-Hoffmann关系式，该分子具有活细胞膜的穿透性，能跨膜进入活细胞内，使得该染料在检测活细胞内微环境粘度变化方面具有潜在的应用价值，甚至用于监测线粒体微环境参数响应[17]。

图12 中位醛基取代的菁染料粘度探针Fig12 The cyanine dye for measuring the viscosity

4.3 应力传感

英国剑桥大学杰里米?布隆伯格(Jeremy Baumberg)团队利用一种拥有较坚硬内核以及较柔软外层构成的直径200纳米左右的圆球，置于可拉伸的材料之中制造出了“可拉伸蛋白石”材料，模拟天然蛋白石（欧珀），但具有可拉伸性能。当拉伸这种材料，翻转或弯折它的时候它都会展现不同的色彩（图13）。随着微型小球之间的距离时近时远，这种材料的表面在光线面前会展示不同的性能，折射或反射不同波长的光线，从而改变材料的颜色，其颜色会逐次从橘色，黄色，绿色，再到蓝色的顺序转变[18]。另外，研究组使用一个连接电场的喷头，通过调整电压强度便可以实现小球颗粒之间间距的不同，这样也就可以相应表现出不同的颜色。这种可拉伸蛋白石材料是非常耐用的，你可以拉扯它，用凹凸印法，熨烫它，都没有问题。在一些安全领域，如安全带等方面，使用这种材料制作之后人们便可以很方便的通过其颜色来判断其所受的拉伸力有多大，另外还可以用这种材料制作难以被伪造的钱币。

图13 可拉伸变色蛋白石材料Fig13 The generating lithographically-defined tunable printed structural color

大连理工大学生物刘波团队及其合作者发展了基于荧光蛋白的荧光共振能量转移（FRET）技术，发现了细胞在外加机械力作用下发生迁移的直接动力，实现了细胞膜上的表面张力变化的可视化。该技术整合了基因工程、光学、力学及图像处理等多种技术，利用两条特制的“蛋白分子弹簧”将FRET探针铆定到细胞膜内表面上，通过特殊的荧光显微镜观察细胞的荧光颜色与光强变化，首次在活细胞内动态观察到定场层流的剪切应力作用下Src这一重要的信号蛋白呈现极性化的激活，其结果对于揭示细胞在收到应力等外界条件刺激下细胞的定向排列与迁移等行为发生的原因具有重要的研究意义[19]。

文章来源：《信息记录材料》 网址: http://www.xxjlcl.cn/qikandaodu/2021/0708/2121.html