檢測維生素C 的囊泡熒光傳感器的制備

李廣全,李國文

(1.中國石油蘭州化工研究中心,甘肅蘭州730060; 2.吉林大學(xué)超分子材料與結(jié)構(gòu)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,吉林長春130012)

檢測維生素C 的囊泡熒光傳感器的制備

李廣全1＊,李國文2

(1.中國石油蘭州化工研究中心,甘肅蘭州730060; 2.吉林大學(xué)超分子材料與結(jié)構(gòu)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,吉林長春130012)

利用合成的含有識(shí)別基團(tuán)苯硼酸和熒光讀出基團(tuán)萘的新型雙親化合物(DNMPBA)在THF/水選擇性溶劑中自組織成囊泡,囊泡的相變溫度為56.8℃;當(dāng)向囊泡體系加維生素C時(shí),DNMPBA囊泡中的萘生色基在345 nm的熒光峰強(qiáng)度急劇減弱.熒光強(qiáng)度減弱歸于所形成的硼酸酯增強(qiáng)了DNMPBA雙親化合物中一個(gè)氧原子孤對電子對萘生色基的淬滅作用.DNMPBA囊泡與維生素C的相互作用而導(dǎo)致體系熒光強(qiáng)度變化,使該體系有可能應(yīng)用于檢測生物物質(zhì)如維生素C的化學(xué)傳感器.

雙親化合物;傳感器;囊泡;熒光光譜;維生素C

近年來,設(shè)計(jì)、合成用于檢測生物物質(zhì)的有效的熒光化學(xué)傳感器已成為超分子化學(xué)領(lǐng)域極為活躍的研究課題[1].維生素C是維持生命活動(dòng)的重要物質(zhì),研制新型檢測維生素C濃度的方法,受到人們的廣泛關(guān)注.目前,檢測維生素C的方法有分光光度法、經(jīng)典碘量法、催化動(dòng)力學(xué)光度法、色譜分析法、導(dǎo)數(shù)光譜法、2,4-二硝基苯肼比色法、電化學(xué)法和流動(dòng)注射光度法等多種方法.這些方法大多數(shù)具有明顯的缺陷.如經(jīng)典碘量法所用到的三氧化二砷是一種劇毒物質(zhì),并且操作過程復(fù)雜.2,4-二硝基苯肼比色法操作也很復(fù)雜,易受共存物的影響,而且活性炭對維生素C的氧化作用是基于表面吸附氧進(jìn)行的界面反應(yīng),加入量直接影響到測試結(jié)果的準(zhǔn)確性.流動(dòng)注射光度法對于所用儀器的工作狀態(tài)和測試時(shí)的工作條件都會(huì)對測試結(jié)果產(chǎn)生影響,并且這種方法要求被測物維生素C的濃度也要在一定的范圍之內(nèi).因此尋求一種靈敏度高,操作簡便,重復(fù)性好的檢測維生素C的方法很有必要.目前尚未見用囊泡熒光傳感器檢測維生素C的方法的報(bào)道.

根據(jù)Czarnik[2]和后來Shinkai[3]等人的工作,硼酸衍生物已被廣泛用于識(shí)別含鄰二醇結(jié)構(gòu)的碳水化合物和鄰苯二酚,并涌現(xiàn)了許多成功的范例[4].已知苯硼酸(PBA)基團(tuán)與1,2-和1,3-二羥基化合物形成可逆硼酸酯,這種緊密結(jié)合使硼酸可以用作構(gòu)建聯(lián)二醇類傳感器識(shí)別的功能基團(tuán).由于苯硼酸化合物不能發(fā)熒光,所以根據(jù)內(nèi)在的光譜性質(zhì)變化來測定識(shí)別過程的光學(xué)變化是很困難的.James and Wang B等研究小組研發(fā)了多種含有苯硼酸和各種生色基組成的有機(jī)化合物作為糖的傳感器[5],通過熒光強(qiáng)度的變化高效的檢測了糖的濃度.維生素C在結(jié)構(gòu)上和糖非常相似,也是含有鄰二醇結(jié)構(gòu)的環(huán)狀化合物,但是也存在著明顯的不同,即維生素C的環(huán)狀結(jié)構(gòu)中有電子云密度較高的雙鍵存在.因此利用硼酸類化合物作為維生素C的檢測器時(shí),其作用機(jī)理也存在著明顯的差異.以往的研究中多是利用糖與硼酸形成硼酸脂后糖環(huán)的吸電子作用削弱檢測器分子的PET效應(yīng)而使檢測器分子的熒光強(qiáng)度得到恢復(fù),而維生素C由于雙鍵結(jié)構(gòu)的存在不但不能削弱PET效應(yīng),反而進(jìn)一步加強(qiáng)了這種作用,因此檢測器的熒光強(qiáng)度進(jìn)一步降低.

為了發(fā)展基于連續(xù)檢測的化學(xué)傳感器器件,人們需要進(jìn)行進(jìn)一步的探索.如果將識(shí)別基團(tuán)苯硼酸和熒光生色基同時(shí)引入雙親分子中,通過自組織作用,制備囊泡傳感器,這種囊泡傳感器不但有利于提高檢測的靈敏度還有可能實(shí)現(xiàn)制備可進(jìn)入生物體內(nèi)的連續(xù)檢測傳感器.因此我們對具有較高的選擇性和適度的親合性熒光囊泡傳感器非常感興趣[6].為此,我們利用合成的含有苯硼酸識(shí)別基團(tuán)和熒光讀出基團(tuán)的對-((5-十二烷氧基-1-氧基)萘)甲基苯硼酸雙親化合物,在稀水溶液中自組織成雙分子層排列的囊泡,通過囊泡在識(shí)別維生素C前后的生色基的熒光強(qiáng)度的變化,檢測維生素C的濃度,制備了囊泡傳感器,為制備連續(xù)檢測維生素C濃度的生物傳感器提供了有益的信息.

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

所有的藥品和溶劑均為分析純,購于天泰化學(xué)試劑公司.水為二次去離子水.

囊泡形態(tài)用JSM-6700F型場掃描電鏡觀測,熒光光譜用日本島津RF-5301PC熒光光譜儀測定,囊泡的相變用Netzsch DSC 204差示掃描量熱儀測定.

1.2 實(shí)驗(yàn)過程

化合物對-((5-十二烷氧基-1-氧基)萘)甲基苯硼酸(DNMPBA)按照文獻(xiàn)[7]制備.

1.3 DNMPBA囊泡的制備[8]

在10 mL容量瓶內(nèi),將0.0462 g的雙親化合物DNMPBA溶于色譜級的氯仿,用高純氮?dú)獯蹈扇軇┖笥谜婵毡贸檎婵?.5 h.使其在容器壁上形成薄膜.加入含有混合磷酸鹽緩沖劑的去離子水與四氫呋喃的混合溶劑(φ=0.6),p H=6.86.濃度為1×10-4mol·L-1,用超聲波超聲震蕩4 h,此時(shí)溶液的溫度可達(dá)到50℃,將裝有DNMPBA的容量瓶放入冰水中冷卻0.5 h后,放置室溫中.樣品滴加在硅片上,真空干燥,待測掃描電鏡.

2 結(jié)果與討論

DNMPBA囊泡的形態(tài)由掃描電鏡觀測,典型的SEM([DNMPBA]=1×10-4mol·L-1)如圖1所示.由圖1得出囊泡的直徑約70～500 nm.差示掃描量熱(DSC)測得凝膠態(tài)到液晶態(tài)的相變溫度56.8℃,如圖2所示.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,DNMPBA雙親化合物在 THF/水選擇性溶液中形成了囊泡[8-9].

熒光光譜的測定:把維生素C的磷酸緩沖溶液(p H=6.86)用可調(diào)微量進(jìn)樣器滴加到DNMPBA囊泡THF/水選擇性磷酸緩沖溶液(p H=6.86)中,用干凈的注射器將溶液混勻后靜置10 s.用295 nm光激發(fā),囊泡溶液與各種不同濃度的維生素C體系的熒光光譜如圖3所示.

從圖3可用看出,DNMPBA囊泡溶液在345 nm的熒光峰的強(qiáng)度隨維生素C濃度從0到1×10-2mol·L-1的增大而急劇減弱,表明DNMPBA囊泡中DNMPBA雙親化合物上的苯硼酸與維生素C形成了硼酸酯,硼酸酯的形成導(dǎo)致萘生色基的熒光強(qiáng)度減弱[10].以加入維生素C時(shí)的熒光強(qiáng)度 I與不含維生素C時(shí)溶液的熒光強(qiáng)度 I0的比值與維生素C加入量的關(guān)系作圖得到圖4.

圖1 DNMPBA囊泡的電鏡照片F(xiàn)ig.1 SEM images of DNMPBA vesicles

圖2 DNMPBA囊泡的DSC掃描曲線Fig.2 DSC thermogram of the DNMPBA vesiculer solution

圖3 DNMPBA囊泡溶液中加入維生素C(0～1×10-1 mol·L-1)的熒光光譜變化曲線;激發(fā)波長為295 nmFig.3 Fluorescence spectral changes of DNMPBA vesicular solution at different concentrations of vitamin C(0～1×10-1mol·L-1);λex=295 nm

圖4 DNMPBA囊泡溶液中加入不同濃度的維生素C時(shí)熒光光譜中 I/I0隨維生素C濃度變化曲線(激發(fā)波長為295 nm)Fig.4 Fluorescence intensity changes(I/I0)of DNMPBA(1×10-4mol·L-1)as a function of vitamin C concentration in 0.1 mol·L-1 phosphate buffer at p H 6.86;λex=295 nm

從圖4可以看出,溶液中的維生素C濃度為1×10-5mol·L-1時(shí)溶液的熒光光譜未發(fā)生顯著變化,當(dāng)溶液中的維生素C濃度為1×10-4mol·L-1時(shí)溶液的熒光光譜強(qiáng)度開始有明顯的下降,當(dāng)溶液中的維生素C濃度達(dá)到1×10-2mol·L-1時(shí)這種變化達(dá)到最大.通過圖4可知,DNMPBA囊泡傳感器對于維生素C的最低檢出濃度可達(dá)1×10-4mol·L-1,是一種非常靈敏的檢測方法.

利用硼酸與二醇共價(jià)鍵結(jié)合,為人們提供了識(shí)別含二醇結(jié)構(gòu)化合物傳感器的潛在功能.在DNMPBA雙親化合物中,O原子是連接在其他基團(tuán)的對位,在DNMPBA囊泡體系中,囊泡中萘的熒光強(qiáng)度隨維生素C濃度的增加而減弱,這可能是由于DNMPBA雙親化合物中與萘相連的氧原子的孤對電子,通過光電子轉(zhuǎn)移淬滅了萘的熒光,而硼酸酯的形成則進(jìn)一步加強(qiáng)了氧原子的孤對電子的淬滅作用(圖5),從而導(dǎo)致熒光強(qiáng)度降低.

3 結(jié)論

含有苯硼酸和萘生色基分別作為識(shí)別基團(tuán)和熒光讀出基團(tuán)的新型雙親化合物,對-((5-十二烷氧基-1-氧基)萘)甲基苯硼酸(DNMPBA)在 THF/水選擇性溶劑中自組織成囊泡,囊泡的相變溫度為56.8℃.當(dāng)向囊泡體系加入維生素C時(shí),DNMPBA囊泡中的萘生色基在345 nm的熒光峰的強(qiáng)度急劇減弱.熒光強(qiáng)度減弱可能是由于所形成的硼酸酯增強(qiáng)了DNMPBA雙親化合物中與萘環(huán)相連的一個(gè)氧原子孤對電子對萘生色基的淬滅作用所致.DNMPBA囊泡與維生素C相互作用而導(dǎo)致體系熒光強(qiáng)度變化,使該體系有可能被用來制備檢測生物物質(zhì)如維生素C的化學(xué)傳感器.

圖5 DNMPBA與維生素C作用形成硼酸脂時(shí)引起體系的熒光強(qiáng)度變化的示意圖Fig.5 Illustrative molecular recognition process of the DNMPBA and vitamin C as well as schematic binding of the proposed interaction mode for DNMPBA/vitamin C molecules on the surface of the vesicles

[1]Sessler J L,Camioolo S,Gale P A.Pyrrolic and polypyrrolic anion binding agents[J].Coord Chem Rev,2003,240:17-55.

[2]Yoon J,Czarnik A W.Fluorescent chemosensors of carbohydrates.A means of chemically communicating the binding of polyols in water based on chelation-enhanced quenching[J].J A m Chem Soc,1992,114:5874-5875.

[3]James T D,Shinkai S,Sadanay K.Chiral discrination of monosaccharides using a fluorescent molecular sensor[J].N ature,1995,374:345-347.

[4]Robertson A,Shinkai S.Cooperative binding in selective sensors,catalysts and actuators[J].Coord Chem Rev,2000,205:157-199.

[5]a.Zhao J Z,Fyles T M,James T D.Chiral binol-bisboronicacid as fluorescence sensor for sugar acids[J].A ngew Chem Int Ed,2004,43:3461-3464;b.Springsteen G,Wang B H.A detailed examination of boronic acid-diol complexation[J].Tetrahedron,2002,58:5291-5300;c.Yang W,Gao X,Wang B.Boronic acid compounds as potential pharmaceutical agents[J].Medicinal Res Rev,2003,23:346-368.

[6]Wang Q S,Li G Q,Li G W,et al.Glucose-responsive vesicular sensor based on boronic acid glucose recognition in the ARS/PBA/DBBTAB covesicles[J].Sensors and Actuators B,2006,119:695-700.

[7]李廣全,張瑀健,李國文,等.新型含苯硼酸和萘雙親化合物的合成與囊泡熒光傳感器的制備 [J].高等學(xué)?；瘜W(xué)學(xué)報(bào),2009,30(9):1809-1813.

[8]Moss R A,Okumura Y.Surface-differentiated model phospholipid bilayers[J].J A m Chem Soc,1992,114:1750-1756.

[9]Kunnitake T,Okahata Y.Formation of stable bilayer assemblies in dilute aqueous solution from ammonium amphiphiles with the diphenylazomethine segment[J].J A m Chem Soc,1980,102:549-553.

[10]a.James T D,Samankumara K R A,Iguchi R,et al.Novel saccharide-photoinduced electron transfer sensors based on the interaction of boronic acid and amine[J].J A m Chem Soc,1995,117,8982-8987;b.Gao S,Wang W,Wang B.Building fluorescent sensors for carbohydrates using template-directed polymerizations[J].Bioorg Chem,2001,29:308-320.

Preparation of Fluorescent V esicular Sensor for Determination of Vitamin C

LI Guang-quan,LI Guo-wen
(1.L anzhou Petrochemical Research Center,L anzhou730060,Gansu,China;2.State Key L aboratory of Supramolecular Structure and Materials,Jilin University,Changchun130012,Jilin,China)

A novel amphiphile containing two functional groups of both naphthalene and phenylboronic acid,p-((5-dodecyloxy-1-oxy)naphthalene)methyl-phenylboronic acid(DNMPBA)was synthesized.The amphiphile has self-organized into vesicles in the selective solution of THF/water(φ=0.6)buffered at p H 6.86.TheTcof the vesicles from crystal to liquid crystal is 56.8℃.Addition of vitamin C to the vesicular solution,the fluorescent intensities of naphthalene in DNMPBA vesicles centred at 345 nm weakened dramatically with increasing concentration of vitamin C.The decreace of fluorescence intensity is ascribed to boronic ester formation which might largen the photoinduced electron transfer(PET)progress.The vesicular sensor through the interactions between boronic acid and vitamin C displayed at a biomimetic membrane interface can be detected by means of fluorescence intensities.The results suggest that the fluorescent vesicles might be used as biosensors to determine vitamin C.

amphiphile;sensor;vesicles;fluorescence spectrum;vitamin C

O 629.4

A

1008-1011(2010)05-0068-04

2010-05-20.

李廣全(1981-),男,工程師,博士,研究方向:生物檢測器及樹脂加工研究.＊

,E-mail:liguangquan@petrochina.com.cn.