孫禮林　李佳眉

摘要：折線型水溶性熒光共軛聚合物聚（1-丙氧磺酸基-3，5-苯撐-乙炔撐-9，10-蒽撐），m-PPEASO₃Na，其主鏈骨架在水中及低濃度非離子表面活性劑的水溶液中以螺旋形構(gòu)象存在，因而在630 nm處表現(xiàn)出很弱的熒光發(fā)射。然而一旦水溶液中非離子表面活性劑的濃度增大達到臨界膠束濃度以上，熒光發(fā)射急劇增強同時有較大的藍移，這直接指示了表面活性劑膠束的形成過程，提供了測定一些常見的非離子表面活性劑如Brij-35、曲通、吐溫臨界膠束濃度的簡便熒光分析方法。尤其是Brij-35，熒光發(fā)射峰藍移最大達到85 nm，且在紫外燈下裸眼可見明亮的黃綠色熒光。m-PPEASO₃Na和表面活性劑膠束之間強烈的疏水相互作用導(dǎo)致聚合物主鏈螺旋形構(gòu)象向伸展的無規(guī)線團構(gòu)象轉(zhuǎn)變，作為其結(jié)果，聚合物的熒光發(fā)射有極大的增強且發(fā)射峰藍移。

關(guān)鍵詞：m-PPEASO₃Na；熒光檢測；非離子表面活性劑；臨界膠束濃度

中圖分類號：O657.3文獻標志碼： A文章編號：1001-2443（2023）02-0131-07

引言

近幾十年來，熒光共軛聚合物由于其獨特的性質(zhì)吸引了許多研究者的廣泛關(guān)注。許多基于熒光共軛聚合物的化學(xué)和生物傳感器已被廣泛應(yīng)用于金屬離子、蛋白質(zhì)和酶等物質(zhì)的檢測［1］。目前研究和報道的熒光共軛聚合物其主鏈大多具有直線型的鏈狀結(jié)構(gòu)，在熒光傳感等領(lǐng)域里各種直線型的水溶性熒光共軛聚合物的合成和應(yīng)用已被人們進行了充分的探討［2］，而主鏈為折線型的水溶性共軛聚合物的研究報道還相對欠缺。2004 年Tan等人報道了一種折線型的水溶性聚苯撐乙炔撐（PPE）共軛聚電解質(zhì)，并研究了其光學(xué)性質(zhì)和構(gòu)象變化［3］。他們發(fā)現(xiàn)折線型水溶性聚合物存在著溶劑誘導(dǎo)的自組裝現(xiàn)象，在水溶液中聚合物疏水性主鏈發(fā)生內(nèi)折疊形成螺旋形構(gòu)象以避開水相，而在良溶劑中聚合物主鏈是伸展的，呈無規(guī)線團構(gòu)象。這兩種構(gòu)象在水和良溶劑構(gòu)成的混合溶劑中隨溶劑組成的變化和溶液 pH 值的變化而相互轉(zhuǎn)變，進而影響聚合物的紫外吸收和熒光發(fā)射等光學(xué)性質(zhì)。螺旋形的主鏈有效地減少了水溶液中聚合物疏水主鏈之間的鏈間聚集，表現(xiàn)出比無規(guī)線團構(gòu)象的聚合物更大的熒光淬滅效應(yīng)，可望進一步提高聚合物的熒光傳感性能［3-5］。由此可見，合成各種新的折線型水溶性熒光共軛聚合物對其進行熒光傳感等方面應(yīng)用的深入研究是很有價值的。

基于這樣的認識，我們在前期工作中制備了一種新的折線型水溶性共軛聚合物m-PPEASO₃Na，即聚（1-丙氧磺酸基-3， 5-苯撐-乙炔撐-9， 10-蒽撐）［poly1-（propyloxysulfonate-3， 5-phenylene-ethynylene-9， 10-anthrylene），結(jié)構(gòu)與合成見有關(guān)文獻［6］］。希望既保留鏈節(jié)有相似組成的直線型水溶性共軛聚合物低背景干擾、長波激發(fā)和近紅外發(fā)射的優(yōu)點［7-8］，又利用折線型主鏈的螺旋形構(gòu)象減小聚合物鏈間聚集，研究其構(gòu)象轉(zhuǎn)化對熒光性質(zhì)的影響，進一步提高熒光傳感性能。利用Cu²⁺對m-PPEASO₃Na 的熒光淬滅效應(yīng)，建立了一種靈敏的近紅外熒光檢測 Cu2+ 的方法，并取得了較好的效果［9］。

我們進一步考察了一些常見的非離子表面活性劑（Brij-35、曲通和吐溫）在水溶液中和m-PPEASO₃Na的相互作用及其對聚合物主鏈不同構(gòu)象之間的變化和熒光性質(zhì)的影響。結(jié)果表明， m-PPEASO₃Na是指示這些非離子表面活性劑膠束形成過程和測定其臨界膠束濃度（CMC）的簡便而理想的熒光探針。表面活性劑的兩親性使得它們在達到一定濃度（即臨界膠束濃度CMC）時，在極性溶劑如水［10］中可以發(fā)生自締合組裝形成膠束。CMC是表征表面活性劑的表面活性大小的重要參數(shù)。當表面活性劑濃度達到CMC時，其表面張力、粘度、光散射強度、滲透壓、電導(dǎo)率等物理性質(zhì)往往發(fā)生急劇變化。常用的CMC測定方法有表面張力法、電導(dǎo)法、光散射法、熒光法等［11］。不同方法的靈敏度不同，CMC的實測值也不完全相同。使用表面活性劑來調(diào)節(jié)熒光共軛聚合物的熒光性質(zhì)或使用熒光共軛聚合物測定表面活性劑濃度等已被人們廣泛研究［12-17］，然而利用折線型水溶性熒光共軛聚合物構(gòu)象轉(zhuǎn)變和熒光性質(zhì)的變化測定表面活性劑的CMC目前尚未見報道。本文提出的利用折線型水溶性熒光共軛聚合物作為熒光探針的CMC簡易測定方法具有一定的新穎性和實用性，并可為拓寬這一類折線型聚合物的應(yīng)用范圍提供參考和借鑒。

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

儀器：FS5全功能穩(wěn)態(tài)熒光光譜儀（英國愛丁堡公司）；UV-3010紫外-可見分光光度計（日本Hitachi公司）；PHS-3C酸度計（上海偉業(yè)儀器廠）。

試劑：Brij-35、吐溫-20（Tween-20）、吐溫-40（Tween-40）、吐溫-60（Tween-60）、吐溫-80（Tween-80）購于Alfa Aesar公司。曲通X-100（TX-100）購于上海國藥集團化學(xué)試劑有限公司。其它化學(xué)試劑均為商業(yè)購買的分析純試劑，使用時未進一步純化。所有溶液用二次水配制。聚合物 m-PPEASO₃Na參照文獻［6］合成。

1.2 實驗方法

濃度為0.54 mM（按聚合物重復(fù)結(jié)構(gòu)單元計算）的m-PPEASO₃Na溶液用二次水配制。將適量的表面活性劑溶液及0.05 mL pH 6.64的 Tris-HCl 緩沖溶液加到到2 mL刻度離心管中，用二次水稀釋至刻度，然后加入300 μL 0.54 mM m-PPEASO₃Na溶液，充分混合均勻。在460 nm的激發(fā)波長下測定m-PPEASO₃Na在表面活性劑存在和不存在時的熒光強度。

2 結(jié)果與討論

2.1 實驗條件優(yōu)化

在Tris-HCl （pH 4.93， 5.87， 6.64， 7.1， 8.0， 8.8）、Na₂CO₃-NaHCO₃（pH 9.9， 10.53）兩種緩沖體系中研究了pH對m-PPEASO3Na熒光性質(zhì)的影響，測量了在表面活性劑Brij-35（其分子結(jié)構(gòu)見圖1）缺失（F₀）和存在（F）時的聚合物的熒光強度。從圖2中可見，當pH為6.64時，熒光強度差異（F-F₀）最大。此外在此pH值時，當Brij-35的濃度達到CMC時，熒光發(fā)射的藍移更大。因此，以下測量都在pH 6.64的Tris-HCl緩沖介質(zhì)中進行。

在CMC測定中，需要得到熒光行為的突變。實驗表明，當m-PPEASO₃Na濃度過低時，CMC的熒光發(fā)射太弱，在紫外燈下難以觀察。但當m-PPEASO₃Na濃度過高時，表面活性劑引起的熒光發(fā)射光譜的藍移不夠明顯。因此從熒光行為有較大變化的角度考慮，最終選擇m-PPEASO₃Na工作溶液的濃度為0.08 mM。

2.2 Brij-35等非離子表面活性劑對m-PPEASO3Na光學(xué)性質(zhì)的影響

圖3反映了非離子表面活性劑Brij-35對m-PPEASO₃Na熒光性質(zhì)的影響。在低濃度的表面活性劑水溶液中，聚合物在～ 630 nm處有較弱且較寬的熒光發(fā)射峰。隨著Brij-35的不斷加入，由于微環(huán)境的變化，m-PPEASO₃Na的熒光強度逐漸增強（圖3A），紫外燈下可見明亮的黃綠色熒光（圖3A插圖）。一旦Brij-35在水溶液的濃度達到其CMC時，熒光急劇增強近20倍，同時，熒光發(fā)射波長從580 nm大幅藍移到545 nm（圖3B）。其他非離子表面活性劑（TX-100，Tween-20，Tween-40 Tween-60）在濃度達到CMC時也有類似的熒光發(fā)射強度及發(fā)射波長的急劇變化（圖4）。這是利用m-PPEASO₃Na簡便快速測定表面活性劑CMC值的基礎(chǔ)。

2.3 m-PPEASO₃Na與非離子表面活性劑的相互作用

熒光共軛聚合物的構(gòu)象和熒光性質(zhì)對它所處的微環(huán)境的變化非常敏感。折線型水溶性m-PPEASO₃Na的聚合物主鏈在水溶液中傾向于形成螺旋形構(gòu)象，疏水主鏈與水分子的接觸最小，而帶電荷的離子側(cè)鏈位于螺旋的外側(cè)，并向水中延伸，以保持其水溶性。聚合物疏水主鏈在水溶液中的疏水相互作用和螺旋中的π-π堆砌作用是穩(wěn)定其主鏈螺旋構(gòu)象的兩個主要因素。螺旋形構(gòu)象不僅導(dǎo)致聚合物紫外-可見吸收的吸收強度減小和波長紅移，而且也使聚合物的熒光發(fā)射強度變?nèi)?，發(fā)射峰變寬，最大發(fā)射波長紅移。

當水溶液中加入低濃度（

當Brij-35等在水溶液中的濃度達到或超過CMC時，表面活性劑開始大量形成疏水性的膠束，膠束的內(nèi)核（如同一些良溶劑THF、DMSO等那樣）將為聚合物構(gòu)象進一步的轉(zhuǎn)變提供更為適宜的微環(huán)境。膠束內(nèi)核中的疏水效應(yīng)應(yīng)該遠遠大于聚合物-表面活性劑復(fù)合物的疏水效應(yīng)，并足以抵消整個聚合物螺旋主鏈中的疏水作用和π-π堆砌作用，從而極大地破壞了聚合物在水溶液中的螺旋形構(gòu)象［15-16］。聚合物的主鏈迅速地完全地轉(zhuǎn)變?yōu)樯煺沟臒o規(guī)線團構(gòu)象，使得聚合物熒光發(fā)射迅速增強和光譜藍移更加明顯［3-4］。如果表面活性劑濃度繼續(xù)增加（>CMC），則發(fā)射波長基本維持不變，熒光強度增加趨緩。聚合物熒光發(fā)射波長隨表面活性劑濃度變化的曲線會出現(xiàn)一個急劇變化的拐點，而拐點對應(yīng)的濃度即為表面活性劑的臨界膠束濃度CMC，這使得聚合物m-PPEASO₃Na作為熒光探針測定非離子表面活性劑的CMC的數(shù)值成為可能。

值得注意的是，Tween-80濃度達到其CMC時，聚合物水溶液的熒光性質(zhì)卻沒有發(fā)生突變（見圖4I、J）。這種現(xiàn)象可能是由于Tween-80的CMC值過低造成的。常見的非離子表面活性劑CMC值由大到小依次為TX-100 > Brij-35 > Tween-20 > Tween-40 > Tween-60 > Tween-80。在m-PPEASO₃Na水溶液中加入Tween-80只能觀察到熒光發(fā)射波長由長到短的持續(xù)漸變，沒有明顯的突變拐點。這很可能是因為Tween-80和Tween-60雖有相似的分子量和分子尺寸，但其CMC值遠小于Tween-60，當其濃度達到CMC時，其在水溶液中的實際濃度仍然較低。因此，Tween-80形成的膠束不管是數(shù)量還是體積都太小，無法提供一個迅速破壞m-PPEASO₃Na螺旋構(gòu)象的微環(huán)境。因此，聚合物的構(gòu)象和光學(xué)性質(zhì)的變化不夠迅速，在Tween-80的濃度達到CMC時無法觀察到聚合物熒光發(fā)射行為的突變。

2.4 利用m-PPEASO₃Na測定一些常見非離子表面活性劑的CMC

實驗中通過明顯的熒光發(fā)射波長的變化或熒光顏色變化，由聚合物發(fā)射波長隨表面活性劑濃度變化曲線的拐點所對應(yīng)的濃度可以方便地得到被測表面活性劑的CMC值。表1給出了利用m-PPEASO₃Na借助本方法測定的Brij-35及其它一些非離子表面活性劑的CMC數(shù)值。這些數(shù)值與文獻中給出的用其它方法測出的CMC數(shù)值一致性很好，但本方法無疑更加簡單，m-PPEASO₃Na是用于測定非離子表面活性劑CMC值的理想探針。

3 結(jié)論

研究了Brij-35、曲通、吐溫等常見非離子表面活性劑對折線型水溶性熒光共軛聚合物m-PPEASO₃Na構(gòu)象轉(zhuǎn)化和熒光性質(zhì)的影響。實驗表明，m-PPEASO₃Na可以作為測定這些非離子表面活性劑CMC數(shù)值的理想探針。水溶液中這些非離子表面活性劑的濃度超過CMC時可以觀察到聚合物熒光發(fā)射的顯著增強，特別是發(fā)射峰波長較大的藍移以及發(fā)光顏色的顯著變化。在水中和低濃度（3Na由于其聚合物主鏈的螺旋構(gòu)象，在630 nm處表現(xiàn)出微弱的熒光發(fā)射。然而，當表面活性劑的濃度一旦達到CMC時，由于大量表面活性劑膠束的形成，改變了聚合物所處的微環(huán)境，使其由螺旋形構(gòu)象迅速向伸展的無規(guī)線團構(gòu)象轉(zhuǎn)變。構(gòu)象的變化導(dǎo)致聚合物光學(xué)性質(zhì)的顯著改變，熒光發(fā)射強度急劇增加，同時發(fā)射峰有較大的藍移（>10 nm）。特別是Brij-35的發(fā)射峰藍移可達85 nm，在紫外燈下用肉眼也能夠直接觀察到明亮的黃綠色熒光，這樣就直接指示了表面活性劑膠束形成的過程，為測定非離子表面活性劑的CMC數(shù)值提供了一種簡便實用的熒光檢測方法。由于熒光強度的急劇增強和波長變化所導(dǎo)致的熒光顏色的改變都可以在紫外燈下直接用肉眼觀察，因而本方法也具有“可視化”的特點。Tween-80的CMC測定結(jié)果不夠理想說明本實驗的測定方法仍具有局限性，另外其他結(jié)構(gòu)類型的非離子表面活性劑能否用本實驗方法較好地測定其CMC有待進一步深入研究才能得出比較明確的結(jié)論。

在不同濃度的表面活性劑中m-PPEASO₃Na的構(gòu)象變化可能對其的熒光行為的改變起到了關(guān)鍵的作用。通過主鏈為折線型的水溶性熒光共軛聚合物構(gòu)象及光學(xué)性質(zhì)的變化作為熒光探針來檢測表面活性劑的CMC值迄今尚未見報道。折線型水溶性熒光共軛聚合物的合成和研究可以大大拓寬各種結(jié)構(gòu)類型的熒光共軛聚合物在熒光傳感等領(lǐng)域中的進一步應(yīng)用。

參考文獻：

［1］ THOMAS III S W， JOLY G D， SWAGER T M. Chemical sensors based on amplifying fluorescent conjugated polymers［J］. Chemical Reviews， 2007， 107（4）： 1339-1386.

［2］ ZHANG T， FAN H L， ZHOU J G， et al. Fluorescent conjugated polymer PPESO₃：A novel synthetic route and the application for sensing protease activities［J］. Macromolecules， 2006， 39（23）： 7839-7843.

［3］ TAN C， PINTO M R， KOSE M E， et al. Solvent-induced self-assembly of a meta-linked conjugated polyelectrolyte. Helix formation， guest intercalation， and amplified quenching［J］. Advanced Materials， 2004， 16（14）： 1208-1212.

［4］ ZHAO X Y， SCHANZE K S. Meta-linked poly（phenylene ethynylene） conjugated polyelectrolyte featuring a chiral side group： Helical folding and guest binding［J］. Langmuir， 2006， 22（10）： 4856-4862.

［5］ 黃艷琴. 陽離子型水溶性聚芳撐乙炔的合成， 表征與光物理性質(zhì)研究［D］. 上海： 復(fù)旦大學(xué)， 2006： 1-104.

［6］ 李佳眉， 孫禮林. 折線型水溶性熒光共軛聚合物m-PPEASO₃Na的合成及其光學(xué)性質(zhì)［J］. 安徽師范大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版）， 2021， 44（5）： 441-447.

［7］ 孫禮林. 熒光共軛聚合物的制備及其在發(fā)光分析中的應(yīng)用［D］. 蕪湖： 安徽師范大學(xué)， 2012： 1-112.

［8］ SUN L L， HAO D， SHEN W L， et al. Highly sensitive fluorescent sensor for copper （II） based on amplified fluorescence quenching of a water-soluble NIR emitting conjugated polymer［J］. Microchimca Acta， 2012， 177（3-4）： 357-364.

［9］ 孫禮林， 李佳眉. 折線型水溶性共軛聚合物m-PPEASO₃Na熒光檢測銅離子［J］. 安徽師范大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版）， 2021， 44（3）： 238-243.

［10］ SCHWARTZ A M， PERRY J W. Surface Active Agents—Their Chemistry and Technology［M］. New York： Interscience Publishers Inc， 1949：1-110.

［11］ 趙喆， 王齊放. 表面活性劑臨界膠束濃度測定方法的研究進展［J］. 實用藥物與臨床， 2010， 13（2）： 140-144.

［12］ CHEN L H， XU S， MCBRANCH D， et al. Tuning the properties of conjugated polyelectrolytes through surfactant complexation［J］. Journal of the American Chemical Society， 2000， 122（38）： 9302-9303.

［13］ DALVI-MALHOTRA J， CHEN L H. Enhanced conjugated polymer fluorescence quenching by dipyridinium- based quenchers in the presence of surfactant［J］. The Journal of Physical Chemistry B， 2005， 109： 3873-3878.

［14］ TREGER J S， MA V Y， GAO Y， et al. Tuning the optical properties of a water-soluble cationic poly（p-phenylenevinylene）：? Surfactant complexation with a conjugated polyelectrolyte［J］. The Journal of Physical Chemistry B， 2008， 112： 760-763.

［15］ LAVIGNE J J， BROUGHTON D L， WILSON J N， et al. “Surfactochromic” conjugated polymers：Surfactant effects on sugar-substituted PPEs［J］. Macromolecules， 2003， 36（20）： 7409-7412.

［16］ CHEN X Q， LEE J， JOU M J， et al. Colorimetric and fluorometric detection of cationic surfactants based on conjugated polydiacetylene supramolecules［J］. Chemical Communications， 2009， 45， 3434-3436.

［17］ MIGUEL M G， BURROWS H D， FORMOSINHO S J， et al. Fluorescence studies of polymer-surfactant association［J］. Journal of Molecular Structure， 2001， 563-564： 89-98.

［18］ AL ATTAR H A， MONKMAN A P. Effect of surfactant on water-soluble conjugated polymer used in biosensor［J］. The Journal of Physical Chemistry B， 2007， 111： 12418-12426.

［19］ HINZE W L， RIEHL T E， SINGH H N， et al. Micelle-enhanced chemiluminescence and application to the determination of biological reductants using lucigenin［J］. Analytical Chemistry， 1984， 56（12）： 2180-2191.

［20］ YEOM I T， GHOSH M M， COX C D， et al. Micellar solubilization of polynuclear aromatic hydrocarbons in coal tar-contaminated soils［J］. Environmental Science and Technology， 1995， 29： 3015-3021.

［21］ HINZE W L， SINGH H N， BABA Y， et al. Micellar enhanced analytical fluorimetry［J］. Trends in Analytical Chemistry， 1984， 3：193-199.

［22］ BECHER P. Nonionic Surfactants［M］. New York： Marcel Dekker Inc， 1967： 478–515.

［23］ ACHARYA K R， BHATTACHARYA S C， MOULIK S P. Effects of urea and thiourea on the absorption and fluorescence behaviours of the dye safranine T in micellar medium［J］. Journal of Molecular Liquids， 2000， 87（1）： 85-96.

Fluorescence Detection of Critical Micelle Concentration of Nonionic Surfactants by the Meta-Linked Conjugated Polymer m-PPEASO₃Na

SUN Li-lin， LI Jia-mei

（College of Chemistry and Materials Science， Anhui Normal University， Wuhu 241000， China）

Abstract： It was found that m-PPEASO₃Na exhibited a weak fluorescence emission maximum at 630 nm due to its helix conformation in water and in aqueous solution containing a low concentration of nonionic surfactants below their critical micelle concentration （CMC）. However， a dramatic fluorescence enhancement simultaneously with a large emission blue-shift was found once the concentration of nonionic surfactants reached the CMC. Especially for Brij-35， the blue-shift is up to 85 nm， and a bright yellow-green fluorescence was observed even with naked-eyes under UV-lamp， which gave a direct indication for the micelle forming process and provided a simple method for the CMC determination of some common nonionic surfactants （such as Brij-35， Triton， Tween）. The dramatic emission change observed could be ascribed to the intensive hydrophobic interaction between m-PPEASO₃Na and surfactants micelle， which greatly disrupts the helix conformation of the polymer chain and causes the main chain of polymer to appear as an extended random-coil conformation. As a result， the fluorescence emission of the polymer was greatly enhanced and blue shifted.

Keywords： m-PPEASO₃Na; fluorescence detection; nonionic surfactant; critical micelle concentration

（責任編輯：王海燕）