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几乎所有实体肿瘤都存在乏氧微环境，乏氧与肿瘤的侵袭转移和放化疗抗性直接相关，因此肿瘤内氧含量的检测对于肿瘤早期诊断、中期治疗和预后评估都具有极其重要的意义。光学氧传感技术因其具有非侵入性、响应迅速、灵敏度高等特性，在肿瘤乏氧检测方面展现出很好的发展前景。荧光氧气纳米传感器具有较高生物相容性，因而在体内循环时间长，由于其粒径较小，故可以通过高渗透长滞留效应被动富集到肿瘤组织中，而纳米结构易于进行表面修饰，可用于改善其靶向性和特异性，这些特性使纳米传感器尤其适合用于肿瘤中氧含量的荧光检测和乏氧成像。然而由于浓度猝灭的存在，目前荧光纳米传感器中常用的氧探针分子比如Pt、Pd卟啉和Ir配合物等在纳米结构中只能以极少的比例掺杂，导致探针荧光性能大打折扣。此外，虽然Pt、Pd卟啉和Ir配合物对氧非常敏感，但是其稳定性差，不利于实际应用中长时间荧光观察，其在光学氧传感中的应用也因此受限。而钌配合物作为一种经典的氧探针分子，不仅具有优异的光物理性质和氧传感性能，而且其在纳米结构中不会产生浓度猝灭，为我们构建具有优异荧光性能的氧气纳米传感器提供了一种思路。
为此，我们基于钌联吡啶配合物合成了一系列新型含钌(Ⅱ)金属聚合物，并将其制备成为纳米传感器，研究了这种含钌(Ⅱ)金属聚合物基纳米传感器在氧传感方面的应用潜力，具体研究内容和结果如下：
(1)将Ru(bpy)2Cl2与支链含联吡啶基团的疏水性聚合物PS-PMA-bpy通过配位作用形成金属聚合物Ru-1，利用1HNMR、GPC及光谱表征对其结构进行确认。随后使用再沉淀法引入PS-PEG-COOH及PS将其制备成为水溶性纳米粒子Ru1-NPs，其粒径约为80nm，Zeta电位为负值，在460nm激发下发出603nm的红光，通过荧光光谱表征未发现明显浓度猝灭。接着对纳米粒子表面活性羧基功能化修饰，使其能够靶向线粒体，并且在溶液中对纳米传感器氧气敏感性能进行了探究。结果表明该纳米传感器在水溶液中氧气猝灭率达到75%，与小分子Ru(bpy)3在水溶液中猝灭率接近，在纯氮气和纯氧气平衡环境下荧光强度比达到3.9，荧光寿命也从501ns(纯氮气平衡环境)缩短至158ns(纯氧气平衡环境)，猝灭明显，同时基于荧光强度和荧光寿命的Stern-Volmer曲线线性拟合结果良好(R2＞0.999)，说明Ru1-NPs具有优异的氧传感性能。
(2)HepG2细胞与商用线粒体荧光染料Mito-TrackerGreen和线粒体靶向型荧光氧气纳米传感器Mito-NPs共培养一段时间后，使用共聚焦显微镜对染料和纳米粒子共定位情况进行分析，在488nm波长激发下，MTG发绿光，而Mito-NPs发红光，从共聚焦红、绿通道荧光照片可以看到几乎所有红色发光都与绿色发光重叠呈现出黄色，随后通过定量分析得出Mito-NPs与线粒体染料MTG的皮尔逊系数约为0.43，说明Mito-NPs可以有效靶向到线粒体。随后利用FCCP和Rotenone刺激细胞线粒体，进而调节细胞内氧合状态，细胞有氧化和脱氧过程得以进行实时荧光成像观察。由此证明这种基于含钌(Ⅱ)金属聚合物的荧光纳米氧传感器不仅具有较高的光稳定性和优异的氧传感性能，而且通过进一步功能化修饰，在细胞及细胞器水平的溶氧含量检测和乏氧成像方面具有极大应用潜力。
(3)在以上工作的基础上，选择了具有更大π共轭程度的联吡啶类配体phen和dpp，合成了新型金属聚合物Ru-2和Ru-3，通过1HNMR、GPC及光谱表征等方法研究了他们的结构和光物理性质。紫外-可见吸收光谱表明随着主配体π共轭程度的增大，形成的金属聚合物3MLCT最大发射波长红移，发光增强，Ru-3最明显其发射波长可达到617nm，荧光量子产率增加到8.8%，荧光寿命延长至607ns。利用再沉淀法将其制备成水溶性纳米粒子，通过Zeta电位表征和光谱分析我们推测在该纳米粒子中，氧敏剂钌配合物分子并不是常规地被包裹在聚合物疏水核心中，而是更倾向于均匀地分布在纳米结构表面，这种独特的探针分布和纳米结构为其优异的氧传感性能提供了保障。其中，Ru3-NPs猝灭率增大至81.9%，在纯氮气和纯氧气平衡环境下荧光强度比达高到5.9，Stern-Volmer曲线线性拟合结果良好(R2＞0.998)，体现出更加优异的氧传感性能。
(4)利用超低吸附表面法培养了3D多细胞肿瘤球，使用Ru2-NPs和Ru3-NPs对肿瘤球乏氧成像进行了详细研究。结果表明由于表面PEG链的保护和较小的粒径，纳米传感器均能够快速被肿瘤球细胞摄取，并且在肿瘤球内保留较长时间而不被代谢掉。通过对共聚焦Z-Stack照片分析，可以区分出肿瘤球外围荧光信号较弱，处于常氧状态，而肿瘤球内部中心红光信号较强，处于乏氧状态。同时，细胞球内氧气梯度可以通过纳米传感器的荧光信号变化做一个简单的半定量分析，为其在活体内的应用奠定了基础。
总之，本论文主要设计合成了一系列含钌(Ⅱ)金属聚合物，并通过再沉淀法将其制备成为水溶性纳米传感器，对其光学性能和氧敏感性能进行了系统研究，并在单层细胞和3D肿瘤球水平对其氧传感和乏氧成像应用进行了探究，这一研究为利用光学氧传感方法对实体肿瘤进行乏氧成像提供了一定借鉴意义。
为此，我们基于钌联吡啶配合物合成了一系列新型含钌(Ⅱ)金属聚合物，并将其制备成为纳米传感器，研究了这种含钌(Ⅱ)金属聚合物基纳米传感器在氧传感方面的应用潜力，具体研究内容和结果如下：
(1)将Ru(bpy)2Cl2与支链含联吡啶基团的疏水性聚合物PS-PMA-bpy通过配位作用形成金属聚合物Ru-1，利用1HNMR、GPC及光谱表征对其结构进行确认。随后使用再沉淀法引入PS-PEG-COOH及PS将其制备成为水溶性纳米粒子Ru1-NPs，其粒径约为80nm，Zeta电位为负值，在460nm激发下发出603nm的红光，通过荧光光谱表征未发现明显浓度猝灭。接着对纳米粒子表面活性羧基功能化修饰，使其能够靶向线粒体，并且在溶液中对纳米传感器氧气敏感性能进行了探究。结果表明该纳米传感器在水溶液中氧气猝灭率达到75%，与小分子Ru(bpy)3在水溶液中猝灭率接近，在纯氮气和纯氧气平衡环境下荧光强度比达到3.9，荧光寿命也从501ns(纯氮气平衡环境)缩短至158ns(纯氧气平衡环境)，猝灭明显，同时基于荧光强度和荧光寿命的Stern-Volmer曲线线性拟合结果良好(R2＞0.999)，说明Ru1-NPs具有优异的氧传感性能。
(2)HepG2细胞与商用线粒体荧光染料Mito-TrackerGreen和线粒体靶向型荧光氧气纳米传感器Mito-NPs共培养一段时间后，使用共聚焦显微镜对染料和纳米粒子共定位情况进行分析，在488nm波长激发下，MTG发绿光，而Mito-NPs发红光，从共聚焦红、绿通道荧光照片可以看到几乎所有红色发光都与绿色发光重叠呈现出黄色，随后通过定量分析得出Mito-NPs与线粒体染料MTG的皮尔逊系数约为0.43，说明Mito-NPs可以有效靶向到线粒体。随后利用FCCP和Rotenone刺激细胞线粒体，进而调节细胞内氧合状态，细胞有氧化和脱氧过程得以进行实时荧光成像观察。由此证明这种基于含钌(Ⅱ)金属聚合物的荧光纳米氧传感器不仅具有较高的光稳定性和优异的氧传感性能，而且通过进一步功能化修饰，在细胞及细胞器水平的溶氧含量检测和乏氧成像方面具有极大应用潜力。
(3)在以上工作的基础上，选择了具有更大π共轭程度的联吡啶类配体phen和dpp，合成了新型金属聚合物Ru-2和Ru-3，通过1HNMR、GPC及光谱表征等方法研究了他们的结构和光物理性质。紫外-可见吸收光谱表明随着主配体π共轭程度的增大，形成的金属聚合物3MLCT最大发射波长红移，发光增强，Ru-3最明显其发射波长可达到617nm，荧光量子产率增加到8.8%，荧光寿命延长至607ns。利用再沉淀法将其制备成水溶性纳米粒子，通过Zeta电位表征和光谱分析我们推测在该纳米粒子中，氧敏剂钌配合物分子并不是常规地被包裹在聚合物疏水核心中，而是更倾向于均匀地分布在纳米结构表面，这种独特的探针分布和纳米结构为其优异的氧传感性能提供了保障。其中，Ru3-NPs猝灭率增大至81.9%，在纯氮气和纯氧气平衡环境下荧光强度比达高到5.9，Stern-Volmer曲线线性拟合结果良好(R2＞0.998)，体现出更加优异的氧传感性能。
(4)利用超低吸附表面法培养了3D多细胞肿瘤球，使用Ru2-NPs和Ru3-NPs对肿瘤球乏氧成像进行了详细研究。结果表明由于表面PEG链的保护和较小的粒径，纳米传感器均能够快速被肿瘤球细胞摄取，并且在肿瘤球内保留较长时间而不被代谢掉。通过对共聚焦Z-Stack照片分析，可以区分出肿瘤球外围荧光信号较弱，处于常氧状态，而肿瘤球内部中心红光信号较强，处于乏氧状态。同时，细胞球内氧气梯度可以通过纳米传感器的荧光信号变化做一个简单的半定量分析，为其在活体内的应用奠定了基础。
总之，本论文主要设计合成了一系列含钌(Ⅱ)金属聚合物，并通过再沉淀法将其制备成为水溶性纳米传感器，对其光学性能和氧敏感性能进行了系统研究，并在单层细胞和3D肿瘤球水平对其氧传感和乏氧成像应用进行了探究，这一研究为利用光学氧传感方法对实体肿瘤进行乏氧成像提供了一定借鉴意义。