熒光探針技術在水溶液兩親分子有序組合體研究中的應用

趙 莉 閻 云 黃建濱

(北京大學化學與分子工程學院,分子動態與穩態結構國家重點實驗室,北京 100871)

熒光探針技術在水溶液兩親分子有序組合體研究中的應用

趙 莉 閻 云*黃建濱*

(北京大學化學與分子工程學院,分子動態與穩態結構國家重點實驗室,北京 100871)

總結了熒光探針技術在兩親分子有序組合體研究中的應用.在兩親分子有序組合體研究中,熒光技術的應用非常廣泛.尤其是熒光探針技術的應用,為兩親分子有序組合體微觀信息的獲取提供了一個簡單便利的渠道.根據熒光探針分子的熒光光譜,如最大發射波長、熒光強度及熒光壽命等參數,可以得到臨界聚集濃度、微粘度、微極性等信息;根據探針的熒光猝滅,尤其是時間分辨熒光猝滅技術,可探測有序組合體的聚集數、聚集數變化相應的聚集體轉化及表面電荷等信息.近年來發展起來的含熒光基團的兩親分子因其可以對聚集體微環境進行原位檢測而引起了了廣泛的關注.本文對上述幾個方面的相關工作分別作了介紹.

熒光探針;猝滅;有序組合體;兩親分子;聚集體轉變;表面活性劑

近年來,溶液中兩親分子有序組合體的研究正成為物理、化學、生物三大基礎學科共同矚目的領域.由于兩親分子具有既親水又親油的特點,在水溶液中可以通過疏水相互作用自組裝形成膠束、囊泡、液晶、微乳等多種有序結構[1].在這些有序組合結構中,兩親分子的疏水基團聚集形成疏水微區,而其親水基團則與周圍水環境直接接觸.由于體系中存在親水、疏水兩種環境,在合適的條件下,親水、疏水物質可以增溶在分子有序組合體的不同位置,而溶解在兩親分子有序組合體中的物質往往表現出與其在宏觀體系中迥異的性質.因此系統研究兩親分子有序組合體微環境的性質對于更好地了解及利用兩親分子有序組合體非常重要.然而,由于兩親分子有序組合體的尺寸通常在幾到幾十納米之間,且與大量的溶劑共存,常規手段對這些納米尺度的粒子的環境特性研究顯得無能為力.熒光探針方法就是在這種背景下出現的.經過近30年的發展,熒光探針技術的理論與技術的不斷進步,在分子有序組合體的微觀環境研究方面得到了廣泛的應用.本文結合本課題組的一些工作簡要回顧這一領域的研究進展.

1 熒光探針技術概述

熒光探針分子是一類含有平面共軛結構的有機分子,在紫外或可見光激發下能夠發射熒光.圖1給出了幾種常見的熒光探針分子的結構簡式.這些分子的熒光性質對其所處環境非常敏感,因此可以根據熒光參數的變化探測兩親分子有序組合體微觀環境的變化.

運用熒光探針技術,一般是向待測兩親分子體系中加入極少量的探針分子,使探針的含量遠遠低于兩親分子,保證探針的加入不顯著影響聚集體的性質.根據探針分子在分子有序組合體中表現出的穩態和瞬態發光性質及猝滅情況,可以分別得到分子有序組合體中分子排列的緊密程度、相轉變以及分子有序組合體大小、形貌轉變等信息.近年來發展起來的原位熒光探針技術通過把熒光基團引入兩親分子結構的不同位置中,則能夠更加準確地獲得分子有序組合體不同區域的環境信息.

此外,熒光猝滅(fluorescence quenching)技術在熒光探針方法的發展和應用中有著舉足輕重的作用.基態熒光分子與猝滅劑通過弱的結合生成復合物,從而使熒光強度降低的現象稱為靜態猝滅(static quenching).激發態熒光分子與猝滅劑碰撞使其熒光猝滅則稱為動態猝滅(dynamic quenching).通過分析探針分子的熒光衰減曲線,可以得到分子有序組合體大小及類別等結構信息[2].

總之,熒光探針技術因具有靈敏度高、擾動小、無破壞性、可測量參數豐富等優點[2-4],在各種分子有序組合體研究方面有著廣泛的應用.下面結合熒光探針技術的服務目的介紹幾種主要的熒光技術在兩親分子有序組合體研究中的應用.

2 分子有序組合體臨界聚集濃度、微極性及微粘度的測定

2.1 臨界聚集濃度及微極性的測定

圖1 幾種常見的熒光分子結構簡式Fig.1 Molecular structures of several fluorescence probes

圖2 Prodan的未發生電荷分離激發態(LE state)和發生電荷分離激發態(ICT state)的結構簡式[25]Fig.2 Local excited(LE)and intra-molecular charge transfer(ICT)structures of prodan[25]

許多熒光探針分子的熒光發射光譜對所處環境的極性非常敏感,檢測探針分子的最大發射波長(λmax)、熒光壽命、熒光強度等的變化,可以得到聚集體內探針加溶位置的微極性(micropolarity)[5-7].常用的探針有pyrene(芘)、PCA、ANS(圖1)等,其中pyrene的第一和第三振動帶峰強度比值(I1/I3)是最常用的一個參量[8-16].Pyrene的熒光光譜具有特征的五峰結構,在不同極性的微環境中各熒光發射峰的相對強弱不同[17].其中,第一振動帶I(373 nm)和第三振動帶III(384 nm)峰強度的比值I1/I3對環境變化最為敏感[18](隨極性降低而減小).將pyrene在分子有序組合體中的I1/I3值與其在不同極性有機溶劑中的數值進行比較,就可以估計出其加溶位置處的極性與哪種有機溶劑類似[19].此外,測定I1/I3值隨兩親分子濃度的變化,突變點即可認為是該兩親分子的臨界聚集濃度(critical aggregate concentration,cac)[9-16,19].具體工作中可以通過選擇不同的探針,使其加溶在聚集體的不同位置,得到相應位置微極性的信息[19].另外,熒光壽命也可以進行微極性測定[19].

分子內電荷轉移(intra-molecular charge transfer, ICT)化合物的溶致變色效應也可以用來測定微極性[20].探針分子本身帶有一強吸電子基團和給電子基團[21-24].在不同極性的溶劑中,由于溶劑分子的偶極作用,處于激發態的ICT化合物分子內發生不同程度的電荷分離.因此,ICT分子被激發后,熒光發射光譜表現為未發生電荷分離的激發態(local excited state,LE state)和發生電荷分離的激發態(ICT state)的共同發射,表現出其發射最大波長隨溶劑極性發生改變(圖2)[25].一般來講,極化程度越高,ICT態的熒光發射越紅移.因此,ICT化合物的最大發射波長對其所在環境的極性極為敏感,熒光壽命和量子產率也可用于探測所在環境的極性[26].常用ICT熒光探針有prodan[25,27]、nile red[28-29]、coumarin153[30]、dansyl[31]、TNS[32]及ANS[33]等.

2.2 微粘度測定

對于給定的熒光分子,其“吸收躍遷矩(absorption transition moment,MA)”和“發射躍遷矩(emission transition moment,ME)”具有固定的取向并取決于電子躍遷的本質,即取決于分子的結構.均相溶液中,所有熒光分子的基態都是隨機取向的.若用偏振光照射熒光物種,具有平行于入射光電子矢量的MA會被優先激發.因此,激發態熒光物種的取向不再具有隨機性,其發射光也具有偏振性.偏振的程度取決于分子的擴散運動,即分子在溶液中的旋轉難易程度,這與熒光分子所在環境的粘度、熒光分子自身的尺寸和形狀有關[34].因此,對于給定的熒光物種,其偏振的程度主要取決于所在環境的粘度.因此利用熒光探針可以來測定介質的微粘度.選用合適的熒光探針,測定其熒光各向異性值(r)和熒光壽命(τ),通過公式(1)

就可以計算出探針分子所在環境的微粘度(microviscosity,ηm).其中,r0為探針分子的固有各向異性(intrinsic anisotropy),kB是Boltzmann常數,T是絕對溫度,V表示探針的有效分子體積.多數情況下,可以直接應用各向異性值來表示環境的微粘度[20].一般來講,熒光各向異性值越大,其微環境的粘度越大.DPH(見圖1)是最常用的探針[35-36].

早期的工作中[37-38],我們發現SDe/DeTAB(十酸鈉/十烷基三甲基溴化銨)等量混合體系自發形成膠束,超聲處理后轉變為囊泡.Pyrene的I1/I3測定發現超聲前后微極性相同.這是因為探針都處在由碳氫鏈組成的非極性環境中,無法通過測定微極性來區別膠束和囊泡.但是,囊泡中表面活性劑分子排列更加緊密,探針分子的自由轉動受限,表現出更大的微粘度,因而借助微粘度的測量對二者加以區分.對多個體系進行測定,結果如表1所示[37].對于超聲后膠束轉變為囊泡的SDe/DeTAB體系,微粘度發生了顯著的變化;而超聲前后均形成囊泡的SL/ OTAB(月桂酸鈉/八烷基三甲基溴化銨)體系的微粘度沒有變化;超聲前后均形成膠束的SDS(十二烷基硫酸鈉)體系的微粘度也沒有發生顯著的變化.

表1 20℃時幾種表面活性劑溶液的微粘度(ηm)[37]Table 1 Microviscosity(ηm)of surfactant solutions at 20℃[37]

我們還設計合成了熒光探針2-[2-(4-二甲氨苯基)乙烯基]-2-苯基丙二腈(結構簡式如圖3所示),該探針的熒光最大發射波長、熒光強度與環境的粘度存在定量關系[38],可以用來研究SDe/DeTAB等表面活性劑混合體系中不同有序組合體的轉變.

微粘度的測定也可以通過激基締合物(excimer)的形成來完成.激基締合物是指一個處于激發態的熒光分子和另外一個基態分子相互作用,形成所謂“三明治”結構的復合物,在熒光光譜上表現為一個無精細結構的“饅頭峰”.激基締合物的形成需要合適的分子構象,熒光發射強度依賴于構象改變的速率,即探針分子所處微環境對其分子運動的阻力.因此,激基締合物與單體(monomer)發射強度的比值(IE/IM)對其所處微環境的粘度敏感(值越大,微粘度越小)[39].

利用IE/IM值也可以監測表面活性劑溶液中預膠束及膠束的形成[38,40-41].我們分別測定了 SDe/ DeTAB以及SL/OTAB等量混合體系的IE/IM隨濃度的變化(圖4),檢測表面活性劑溶液中預膠束及膠束的形成[38].從圖4中可以看出存在一個極大值,這是因為濃度增大至預膠束形成時,由于pyrene的疏水性,出現多個探針增溶于一個預膠束的情況,激發態締合物的發射最強.隨著膠束數目的增加,多個探針加溶于同一膠束內的幾率下降,所以激發態締合物的發射強度減弱.因此出現了先增大后減小,存在極大值(對應于臨界膠束濃度(cmc))的情況.

圖3 2-[2-(4-二甲氨苯基)乙烯基]-2-苯基丙二腈的結構簡式[38]Fig.3 Molecular structure of p-N,N-dimethylaminostyrylphenylmalononitrile[38]

圖4 三種體系的IE/IM值隨濃度的變化[38]Fig.4 Variation of IE/IMvalues with concentration in three systems[38](a)SDe/DeTAB system;(b)SL/OTAB system;(c)octanol solution

在激發光譜的吸收范圍內,逐漸紅移激發波長,熒光物種的最大發射波長也隨之紅移的現象稱為紅移激發漂移(red edge excitation shift,REES).具有REES現象的典型熒光物種是NBD(見圖1)及其衍生物[42].當極性熒光物種處于限域(介質),如粘度很高的體系中時,熒光分子的重取向很慢,使得溶劑的偶極馳豫時間相當于或大于熒光物種本身的熒光壽命,因此此類熒光物種的REES程度(改變激發波長,觀察到的最大發射波長的改變量)可以反映其所處微環境的粘度[43].

3 分子有序組合體聚集數的測量

利用熒光探針猝滅技術可以測定表面活性劑的聚集數.當表面活性劑溶液中某一種特定分子有序組合體,如膠束的數目符合泊松分布(Poisson distribution)時,猝滅只發生在同時含有探針和猝滅劑的膠束中.這樣,每個膠束中含有的平均猝滅劑分子數n(平均占有數)可表示為膠束中猝滅劑的濃度與總膠束濃度的比值.

3.1 靜態熒光猝滅技術

運用靜態熒光猝滅(static fluorescence quenching)技術,熒光強度的降低反映了同時含有探針和猝滅劑分子的膠束的數目.在一定表面活性劑濃度[S]及較小探針濃度下,逐步增加猝滅劑的濃度[Q],運用公式

其中I0是無猝滅劑時的熒光強度,I是加入猝滅劑后的熒光強度,cmc為臨界膠束濃度.利用ln(I0/I)對 [Q]作圖,由斜率即可確定聚集數(Nagg).

靜態熒光猝滅法具有簡單快捷的優點,而且測定的數據與聚集體之間的相互作用無關,因此可以測定不同濃度聚集體的聚集數[44-49].運用靜態熒光猝滅應滿足以下前提條件:探針和猝滅劑在水中的溶解度可以忽略不計;膠束的聚集數不大(一般小于100).

近年來,隨著對表面活性劑混合體系了解的深入,人們發現這類體系中經常存在尺寸和聚集數較大的聚集體[50-60].例如,陰陽離子表面活性劑混合體系中的膠束基本都是較大的棒狀或蠕蟲狀膠束,同時還有尺寸更大的囊泡等高級有序組合體[51-55,57-58,61].參照運用光散射技術測定高分子質均分子量的方法,將兩親分子聚集體看作一個“高分子”,求出其“分子量”.再除以單體分子的分子量,即可得到聚集體的聚集數.該方法用于混合表面活性劑體系時會引入較大誤差,一般認為光散射不能用來測定混合體系的聚集數.因此,要準確地深入了解這些有序組合體的性質,就需要采用動態的時間分辨熒光技術進行研究.

3.2 時間分辨熒光猝滅技術

時間分辨熒光猝滅(time-resolved fluorescence quenching,TRFQ)技術是通過測定探針的熒光衰減曲線,選用合適的動力學模型進行數據分析,可得到較為準確的膠束聚集數和尺寸的信息.時間分辨熒光猝滅是唯一能夠直接對聚集數進行測量的方法[62],已廣泛應用于測定水溶液、油/水及微乳液中表面活性劑聚集體的聚集數和尺寸[19,63-64].

在膠束等小聚集體的單分散體系中,熒光衰減來自同時含有一個探針分子和猝滅劑分子的膠束,用Infelta-Tachiya方程[65-67]來表示熒光的衰減:

其中A2和A4是與猝滅劑濃度無關的常數,A3表示為下式:

其中cm代表膠束化的表面活性劑濃度,由總濃度(ctotal)減去臨界聚集濃度(cac)值得到.A3由熒光衰減曲線擬合得到,利用式(4)計算出聚集數Nagg.

利用時間分辨熒光技術可以測量具有豐富有序組合體結構的陰陽離子表面活性劑混合體系的聚集數,對于了解有序組合體的性質具有十分重要的意義.在我們早期的工作中,利用TRFQ測得SDe/ DeTAB等摩爾混合形成的膠束聚集數約為798[37].顯然,這個數字對于球型膠束而言是過大的,結合光散射的測量結果(體系中質點的水合半徑為20 nm),可以推測體系中形成的是棒狀膠束.后來,我們在SDS/DEAB(十二烷基硫酸鈉/十二烷基三乙基溴化銨)(73∶27)混合體系中采用類似的方法對體系中不對稱膠束進行了研究[68].利用TRFQ測量了該體系總濃度120 mmol·L-1時的膠束聚集數Nagg=400±10,并結合流變和動態光散射的結果推測出膠束的形狀是不對稱的短棒狀[69].

囊泡或其它較大的單分散聚集體內,每個探針分子在其激發態壽命內遭遇到的猝滅劑的平均數目是等同的,這種情況用Stern-Volmer公式[66,70-73]來表示:

其中A5、A6都依賴于猝滅劑的濃度,A5為Stern-Volmer相關參數,A6被定義為“擴散損耗項”.對于單一較大聚集體,熒光強度對猝滅劑濃度呈現單指數衰減.

在兩親分子有序組合體的單分散體系中,可以直接利用公式(3)和(5)進行聚集數的測定.然而,很多情況下,尤其是在陰陽離子表面活性劑混合體系,往往同時存在多種有序結構,如聚集數較小的膠束和聚集數較大的囊泡,并且在某些外界條件如溫度、添加劑等改變時會發生聚集體的相互轉變[56-61,74-75].不同有序組合體之間的轉化具有重要的意義,由于透射電鏡對于了解囊泡的數密度定量準確度較差,因此相關表征較為困難.巧妙利用時間分辨熒光猝滅技術可以為我們解決這個難題.

在多分散體系中,如囊泡和膠束共存的情況,熒光衰減為不同尺寸聚集體的貢獻之和.此時熒光猝滅情況由Infelta-Tachiya方程和Stern-Volmer方程的線性組合來表示.但是由于參數較多,很難用來進行定量分析.如果強行用方程(3)來擬合熒光衰減曲線, A4值就表現出對猝滅劑濃度和囊泡占聚集體總數的比例的依賴[76].A4對猝滅劑濃度作圖,斜率越正,囊泡所占比例就越大[77].所以,據此可以定性和半定量地確定囊泡在體系中所有聚集體的比例,深入了解多種有序組合共存體系中聚集體形態的變化[70-71,76].

圖5 不同辛烷濃度時A4/A4,1隨猝滅劑濃度與表面活性劑濃度比值[DBA]/[SAa]的變化曲線[70]Fig.5 Variation of A4/A4,1as a function of quencher concentration for different octane concentrations[70] [DBA]:concentration of the quencher dibutylaniline; [SAa]:total concentration of SL/DTAB system; A4,1is the value of A4when[DBA]/[SAa]=0.005.

圖6 不同辛醇含量時A4/A4,1隨猝滅劑與總濃度比值η(η=[Q]/ctotal)變化的歸一化曲線[71]Fig.6 Normalized value of the parameter A4/A4,1as a function of η(η=[Q]/ctotal)with various concentrations of the added octanol[71]A4,1is the value of A4when η=0.002 for the system SDS/DEAB (ctotal=10 mmol·L-1,xDEAB=0.25).

我們在SL/DTAB(月桂酸鈉/十二烷基三甲基溴化銨)和SL/DPCl(月桂酸鈉/十二烷基氯化吡啶)雙水相體系中加入辛烷,發現隨著加入量的增加,A4隨猝滅劑濃度的增加的變化幅度變小(圖5),表明辛烷的介入使得體系中囊泡/膠束的比例降低,說明體系中發生了囊泡向膠束的轉變[70].結合流變的結果最終確定體系中發生了由囊泡經不對稱膠束(棒狀)到對稱膠束(球形)的轉變過程.采用類似的組合表征手段,還證明了辛醇的加入可以在SDS/DEAB體系中實現膠束向囊泡的轉化(圖6)[71].上述工作是時間分辨熒光技術在表面活性劑混合體系研究中的一個重要應用,也是對陰陽離子混合體系有序組合體研究的一個突破.

4 聚集體表面電荷密度的測定

在膠體化學領域,通常用zeta電勢來表征膠體粒子表面帶電的電性和電量.對滿足一定條件的兩親分子有序組合體也同樣適用,定性和半定量地確定聚集體表面的電性和電量.樣品濃度較大、聚集體間相互作用不可忽略的體系不適合用zeta電位儀進行測定.

目前常用的另一種測定聚集體表面電荷的方法是通過熒光猝滅效率的高低來反映聚集體表面電荷性質.向含探針分子的有序組合體體系中,加入親水性帶電猝滅劑分子.通過測定熒光強度的變化,可以定性考察聚集體表面帶電荷的情況(電荷密度和電性)[78-80].這種方法受反離子濃度、聚集體大小和形狀影響較小,適用范圍更廣.我們用pyrene為探針, S2O2-3作為帶負電的水溶性猝滅劑,通過熒光猝滅法研究陰離子對囊泡聚集的影響[78].當聚集體表面帶正電時,S2O2-

3可以有效地對pyrene進行猝滅.然而當聚集體帶負電時,pyrene的熒光不被猝滅. n(SMA,苯乙烯-馬來酸酐共聚物)∶n(DEAB)=4∶6, ctotal=2.5 mmol·L-1體系中的猝滅情況如圖7b中曲線所示,帶負電的猝滅劑不能有效地接近囊泡表面,因而陰離子不能誘導囊泡聚集.

另外,我們向正負混合表面活性劑SDS/DEAB體系中加入β-環糊精(β-CD),實現了聚集體由球狀膠束向蠕蟲狀膠束再到囊泡的轉變[79].選擇pyrene作為探針,分別向SDS過剩、DEAB過剩的體系中加入Cs+和S2O2-3作為猝滅劑,發現猝滅效率隨著β-CD的加入都明顯降低(圖8),說明兩種猝滅劑都不能有效地接近聚集體表面.這證明β-CD可以選擇性地結合過剩的表面活性劑,使聚集體的組成趨向于等比例、電中性.由臨界排列參數(p=V/a0lc,其中V為疏水基體積;a0為分子平均頭基面積;lc為疏水基碳氫鏈長度)可知,當正負混合表面活性劑體系趨于電中性時,由于靜電相互作用,a0減小,p參數變大,傾向于形成較大的聚集體.同樣,我們選擇SL/ C12C6C12(Et)(月桂酸鈉/六亞甲基-1,2-二(十二烷基二乙基溴化銨))(3∶7)復配體系,加入10 mmol·L-1硼砂恒定pH為9.2.當加入1%甘油時,甘油和硼砂發生反應,生成了大量H+,使聚集體表面正電荷密度增高.于是,就出現了隨甘油含量的增加,Cs+的猝滅效率基本不變、的效率明顯提高的現象(表2)[80].

5 原位熒光表面活性劑探針

圖7 S2O2-3對不同表面電荷聚集體中pyrene的熒光猝滅作用[78]Fig.7 Fluorescence quenching of pyrene located in different charged aggregates by S2O2-3[78](a)in DEAB and in SL systems;(b)in SMA/DEAB system

圖8 SDS/DEAB體系β-CD含量與猝滅效率的關系曲線[79]Fig.8 Variations of quenching efficiency(I0/Iq)with the addition of β-CD to SDS/DEAB system[79] (a)xSDS=0.8,ctotal=10 mmol·L-1,(b)xSDS=0.1,ctotal=10 mmol·L-1

表2 SL/C12C6C12(Et)體系加入1%甘油熒光猝滅效率(I0/Iq)的變化[80]Table 2 Variation of quenching efficiency(I0/Iq)with addition of 1%glycerol to the SL/C12C6C12(Et)system[80]

傳統熒光探針,如pyrene和DPH等,在探測兩親分子有序組合體微觀信息方面扮演著十分重要的角色.但是,它們在提供許多重要熒光信息的同時,仍存在很多的局限.例如,經驗表明,這些熒光探針經常加溶在兩親分子的極性頭基附近的柵欄層,因此,不能夠準確反映分子有序組合體深處疏水區域的環境變化.因此,如果在兩親分子結構中特別是靠近疏水鏈尾部引入一個合適的熒光基團,使其能夠參與聚集體的形成,這樣就能夠固定熒光基團在聚集體中的位置,從而更為準確地反映聚集體內部的微環境信息.我們針對這種情況設計合成了尾端含有丹磺酰基團的陰離子表面活性劑12-DAN-ADA (圖9)[81].

圖9 含丹磺酰基團的陰離子表面活性劑12-DAN-ADA結構簡式Fig.9 Molecular structure of anionic surfactant 12-DAN-ADA containing dansyl

丹磺酰是一種典型的ICT化合物,其發射光譜的形貌和最大發射波長與所處環境的極性關系極其密切.極性增加,最大發射波長紅移.另外,其各向異性值也對環境的粘度較為敏感.將少量這樣的分子加入到不同鏈長的表面活性劑體系中,探針所處位置可由探針分子與表面活性劑分子的相對長度確定,即可以固定探針在聚集體中的位置,從而保證熒光信號的變化來自于聚集體的變化.如圖10所示,當發生膠束/囊泡轉變時,12-DAN-ADA探針的熒光各向異性r、最大發射波長λmax均發生顯著突變,而傳統探針DPH和pyrene則不能提供具有顯著差別的熒光結果.所以與傳統探針DPH和pyrene相比,12-DANADA作為熒光探針對微環境的變化更為靈敏.

圖10 SDS/DEAB體系中,DPH和12-DAN-ADA的r(a)和12-DAN-ADA的λmax和pyrene的I1/I3值(b)[81]Fig.10 Fluorescence anisotropy of DPH and 12-DAN-ADA(a)and emission maxima of 12-DAN-ADA and I1/I3of pyrene(b)in the SDS/DEAB system[81]

6 其它熒光探針技術

6.1 熒光共振能量轉移

熒光共振能量轉移(fluorescence resonance energy transfer,FRET)是一種非輻射能量轉移,來源于處于激發態的能量給體(donor)和處于基態的能量受體(accepter)之間發生的偶極-偶極相互作用[82],使能量從激發態的給體轉移給基態受體.FRET的發生要求能量給體的發射光譜同能量受體的吸收光譜有部分重疊.重疊程度越大,FRET發生的效率越高.當給體被激發時,通過分子偶極間的相互作用,將能量傳遞給受體,在光譜上表現為受體的發射光譜.

我們利用疏水修飾的NBD和羅丹明B作為D-A對,利用FRET研究了囊泡的聚集和分散過程(圖11)[83].圖11a中I589/I535=0.84,該熒光能量轉移來自于加溶于同一囊泡內的給體和受體分子之間.加入Ca2+后(圖11b),熒光能量轉移的增加來自于給體和受體的距離的減小,說明聚集體之間的距離減小,發生了囊泡的聚集.而加入EDTA后(圖11c),由于EDTA與Ca2+的配位,聚集的囊泡又回到分散狀態.

圖11 HSMA/C12Et3(1∶1)體系的熒光共振能量轉移結果[83]Fig.11 Fluorescence resonance energy transfer results of the system of HSMA/C12Et3(1∶1)system[83]ctatal=3 mmol·L-1,pH=9.2,T=25℃;(a)without additive;(b)after adding 0.4 mmol·L-1Ca2+;(c)after adding 0.4 mmol·L-1Ca2+and 0.8 mmol·L-1EDTA;HSMA:hydrolyzed styrene-maleic anhydride copolymer;C12Et3:dodecyltriethylammonium bromide

6.2 激發態質子轉移

激發態質子轉移(excited-state proton transfer, ESPT)指處于激發態的熒光物種自身或者同溶劑之間發生質子轉移的過程.一般來講,有激發態分子內質子轉移(ESIPT)和溶劑介入激發態質子轉移(SMESPT)兩種.探針代表有2PBI、萘醇、芘醇及其衍生物[84-86].

ESIPT指熒光物種自身具有質子給體和質子受體,探針分子受光激發后,激發態分子內部緊鄰的質子給體和質子受體之間發生質子轉移反應[87-89].探針代表有羥基黃酮(HF)及其衍生物等.SMESPT是指探針分子一般有質子給體,探針分子受光激發后,激發態分子和溶劑分子發生質子轉移.表現在探針分子的光譜上,一般為未發生ESPT的正常態發射和ESPT態的發射.ESPT類的探針分子發射光譜的形貌與其所處的環境的微極性息息相關.因此,該類探針在各種表面活性劑自組裝體系中均有應用,例如反膠束、表面活性劑與聚合物、蛋白質等混合體系[85,90-97].

7 結 語

經過30多年的發展,熒光探針技術已經發展為一種在兩親分子有序組合體領域廣泛適用的研究手段.熒光探針技術具有方法簡單、可測參數多、應用廣泛等眾多優點.盡管熒光方法的應用具有一些前提條件,在一些體系中會影響到結果的準確度,綜合來說,熒光探針技術還是一類很好的方法,在許多有序組合體微觀信息測量方面是目前唯一的或最好的方法.相信熒光探針技術在兩親分子有序組合體調控研究領域會得到越來越多的應用,并能夠不斷改進現有的實驗方法,得到更準確、更接近真實情況的結果,為水溶液中兩親分子有序組合體,尤其是表面活性劑有序組合體在科研、生產等領域的應用起到積極的推動作用.

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November 17,2009;Revised:January 4,2010;Published on Web:March 5,2010.

Application of Fluorescent Probe Technology in Self-Assembly Systems of Amphiphile Aqueous Solutions

ZHAO Li YAN Yun*HUANG Jian-Bin*
(State Key Laboratory for Structural Chemistry of Unstable and Stable Species,College of Chemistry and Molecular Engineering, Peking University,Beijing 100871,P.R.China)

In this paper,we review the application of fluorescent probe technology in self-assembly systems of amphiphile aqueous solutions.Fluorescence technology,especially fluorescence probe technology has been extensively employed to explore local information about various molecular assemblies.The following contents are covered:(1)The critical aggregate concentration,microviscosity,and micropolarity may be obtained from fluorescence parameters such as emission maxima,fluorescence intensity,and lifetime etc.(2)Probe quenching,especially,timeresolved fluorescence quenching(TRFQ)can give information about aggregation number and surface charge density which can be used as the indication on aggregate transition.(3)Fluorophore-labeled amphiphiles which can take part in the formation of aggregates reveal more precise information,so that an in situ investigation of local environments is possible.Moreover,fluorescence resonance energy transfer(FRET)and excited state proton transfer(ESPT)are also useful in this field.Therefore,fluorescence probe technology provides us with a simple and effective method to study organized amphiphiles systems.

Fluorescent probe; Quenching; Organized assembly;Amphiphile;Aggregate transition; Surfactant

O648

*Corresponding authors.Email:jbhuang@pku.edu.cn;Tel:+86-10-62753557.

The project was supported by the National Natural Science Foundation of China(20873001,20633010,50821061).

國家自然科學基金(20873001,20633010,50821061)資助項目