氨基苯硼酸修飾的聚聯乙炔囊泡對陽離子表面活性劑的顯色檢測

湯 杰,盧圣國,段許佳,羅 芳,韓毓旺,*

(1.南京工業大學理學院,江蘇南京 210009;2.南京工業大學生物與制藥工程學院,江蘇南京 210009)

氨基苯硼酸修飾的聚聯乙炔囊泡對陽離子表面活性劑的顯色檢測

湯 杰1,盧圣國2,段許佳2,羅 芳2,韓毓旺1,*

(1.南京工業大學理學院,江蘇南京 210009;2.南京工業大學生物與制藥工程學院,江蘇南京 210009)

以氨基苯硼酸修飾的10,12-二十五碳二炔酸(PCDA)為單體,經囊泡組裝、聚合制備了一種對陽離子表面活性劑特異性識別檢測的聚聯乙炔衍生物(APCDA-PBA)。采用傅里葉變換紅外光譜(FT-IR)和掃描電子顯微鏡(SEM)對單體官能團和囊泡形貌進行了表征。結果表明:修飾后的聚聯乙炔衍生物可特異性識別陽離子表面活性劑,不同種類的陽離子表面活性劑經刺激反應后顯現不同的顏色,且A650處吸光值與陽離子表面活性劑的濃度變化具有良好的線性關系。因此在食品安全快速檢測領域具有廣闊的發展空間和應用前景。

10,12-二十五碳二炔酸,聚聯乙炔,特定響應,陽離子表面活性劑

聚聯乙炔(PDA)是一種常見的共軛聚合物,由聯乙炔經紫外自發聚合形成,表現出肉眼可見的藍色。當聚聯乙炔在受到溫度、pH、表面活性劑等外界刺激時,聚聯乙炔囊泡(常用的聚聯乙炔酸為雙親分子,分子中存在剛性結構,在水中可形成囊泡)會由藍色變為紅色,而單一的顏色變化也大大的限制了其應用范圍。本文合成了一種氨基苯硼酸修飾的聚聯乙炔衍生物,當其受到不同種類的陽離子表面活性劑刺激時,能夠產生不同的顏色變化[1-3]。

陽離子表面活性劑在日常生活中的應用十分廣泛,例如許多水處理中所用的殺菌劑、乳化劑、柔滑劑等均為陽離子表面活性劑。其大量使用后的殘留物必然會在食品安全領域中造成巨大的污染[4]。因此對陽離子表面活性劑的檢測變得十分重要。目前傳統的檢測主要包括以下幾類:分光光度法、氣相質譜法、示波極譜滴定法等[5-6],且這些傳統方法都具有檢測靈敏度高,選擇性較好等優點。但這些檢測方法較為復雜,需要借助精密儀器,檢測時間漫長,結果易受干擾等缺點。

另一方面,苯硼酸衍生物能夠與多元醇發生相互作用,可以特異性的識別和感知糖類。近年來苯硼酸常用來和熒光體結合,構建出一種熒光探針結構[7]。本文以10,12-二十五碳二炔酸為單體,通過對其改性,制備了一種氨基苯硼酸修飾的聚聯乙炔衍生物,由于修飾后的聚聯乙炔具有特殊的光學變色性質,當受到外界生物分子刺激時,會迅速的引起肉眼可見的變色響應,因此可以利用直接比色法以及熒光性質對陽離子表面活性劑特異性識別與檢測,與傳統的分光光度法等檢測方法相比不需要借助精密的儀器且結果可靠等優點。在食品安全領域具有重要的意義。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

10,12-二十五碳二炔酸(PCDA),純度97%(HPLC) 美國Sigma公司;三乙胺、N-羥基琥珀酰亞胺(NHS)、1-乙基-3(3-二甲基安丙基)-碳化二亞胺(EDC)、4-羧基苯硼酸,分析純 上海安耐吉化學;乙二胺、四氫呋喃、亞硫酰氯,分析純 上海凌峰化學試劑有限公司。

Avatar360傅立葉變換紅外光譜儀 美國Nicolet公司;SpectraMaxM3微孔板檢測系統 美谷分子儀器(上海)有限公司;Hitachi S-4800型掃描電鏡 日本Hitachi公司;PHS-3精密pH計 上海雷磁儀器廠;752S紫外可見分光光度計 上海棱光技術有限公司;5804R臺式冷凍離心機 德國Eppendorf公司;RE-2000旋轉蒸發儀 上海勒頓實業有限公司;Avance-III 600核磁共振儀 德國Bruker公司;GA92-II超聲波細胞粉碎儀 無錫上佳生物科技公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 10,12-二十五烷基二炔酸2-氨基乙基酰胺(APCDA)的合成 在100 mL單口圓底燒瓶中,加入20 mL二氯甲烷和2.45 mmol PCDA,待PCDA完全溶解后,再依次加入2.4 mmol NHS和2.45 mmol EDC,將混合溶液室溫下避光攪拌(350 r/min)反應24 h。反應結束后,30 ℃旋轉蒸干,固體用30 mL氯仿溶解,并用200 mL NaCl水溶液洗滌6次,合并有機相,用無水硫酸鎂干燥12 h后,過濾除去無水硫酸鎂,旋蒸得到固體并將其溶于60 mL氯仿中,然后逐滴加入乙二胺(4 mmol,10 mL二氯甲烷),用三乙胺調節pH至9.0,室溫避光反應24h,轉速為300 r/min[8]。待反應結束后,通過旋蒸獲得粗品,經柱層析分離提純(硅膠柱,V(氯仿)∶(甲醇)=5∶1),獲得目標產物APCDA,產率為83%～94%。1H NMR(300 MHz,CDCl3)δ:7.19(brs,1H),3.34(dd,2H),2.27(t,2H),2.16(t,3H),1.11-1.85(m,36H),0.81(t,3H)。具體合成路線如圖1所示。

圖1 APCDA的合成路線Fig.1 The synthetic route of APCDA

1.2.2 L-N-(10,12-二十五烷基二炔基羰基)-氨基-苯硼酸(APCDA-PBA)的合成 在250 mL二口圓底燒瓶中,加入150 mL亞硫酰氯和10 g烘干后的4-羧基苯硼酸,通入N2,在88 ℃下攪拌(350 r/min)回流24h。待反應結束后,將溶劑蒸干,剩余固體溶于60 mL 無水四氫呋喃中,冰浴,通N2,緩慢滴加APCDA(3 mmol,20 mL氯仿),反應30 min后,加入1滴DMF,室溫反應20 h[9]。旋蒸收集目標產物APCDA-PBA的粗品,經柱層析分離提純(硅膠柱,V(氯仿)∶(甲醇)=7∶1),最終產物收率為91%～94%。1H NMR(300 MHz,CDCl3)δ:7.19(brs,2H),7.05-7.65(m,4H),2.94(s,1H),2.87(s,1H),2.37(t,2H),2.17(t,4H),0.81(t,3H),1.18-1.58(m,36H)。具體合成路線如圖2所示。

圖2 APCDA-PBA的合成路線Fig.2 The synthetic route of APCDA-PBA

1.2.3 APCDA-PBA的自組裝與紫外聚合 稱取22.56 mg APCDA-PBA溶于4 mL的DMSO超聲靜置1 min,將溶液中少量的沉淀物經0.45 μm有機濾膜過濾。用HEPES(10 mmol/L pH7.4)定容至1 mmol/L,于80 ℃超聲水合15 min。待冷卻后于0 ℃保存過夜。單體在254 nm(1 mW/cm2)的紫外燈下自發聚合30 s。APCDA-PBA的紫外聚合示意圖如圖3所示[10]:

圖3 APCDA-PBA的紫外聚合Fig.3 UV polymerization of APCDA-PBA

1.2.4 不同類型表面活性劑的結構如圖4所示 選擇不同烷基鏈長度的陽離子表面活性劑、陰離子表面活性劑、非離子表面活性劑、糖類,做對比實驗[11]。分別取濃度為250 μmol/L的聚APCDA-PBA在HEPES(10 mmol/L pH7.4)的體系中觀察對各種陽離子表面活性劑,陰離子表面活性劑,糖類,非離子性表面活性劑的顯色反應。各取200 μmol/L的CTAC、DTAB、HDBAC、SDS、SDC、SDP、Triton X-100、蔗糖、乳糖、麥芽糖、葡萄糖、鼠李糖作為分析物。

圖4 表面活性劑的結構Fig.4 Structures of the surfactants

1.2.5 APCDA,APCDA-PBA的紅外表征 取少量的待測樣品過夜烘干,以KBr做為背景,將KBr與待測樣品以100∶1的比例混合研磨均勻,壓片待用。使用Avatar360傅立葉變換紅外光譜儀進行光譜掃描。

1.2.6 APCDA,APCDA-PBA的掃描電鏡表征 各取70 μL APCDA,APCDA-PBA的水溶液分別滴至銅網上過夜烘干,使用Hitachi S-4800型掃描電鏡分析其結構形貌。

2 結果與討論

2.1 APCDA-PBA的紅外光譜分析

如圖5所示,分別是PCDA,APCDA,APCDA-PBA的紅外譜圖,從圖中可以看出,2928 cm-1和2852 cm-1是聯乙炔單體側鏈烷基C-H的伸縮振動吸收峰,2349 cm-1歸屬于聯乙炔單體不飽雙鍵=C-H的伸縮振動吸收峰,以上共性特征都出現于三個不同聯乙炔衍生物中。APCDA與PCDA對比發現在3324 cm-1處出現酰胺中N-H的伸縮振動吸收峰,同時C=O的吸收峰發生了由1697 cm-1到1632 cm-1的偏移,1697 cm-1處的振動峰對應于氫鍵作用的羧基中羰基的伸縮振動吸收峰,1632 cm-1處的振動峰對應于氫鍵作用的酰胺中羰基的伸縮振動峰,另外新產生的1070 cm-1歸屬于酰胺中的C-N鍵的伸縮振動吸收峰,以上說明乙二胺成功的偶聯在了單體PCDA上[12]。與APCDA相比,1656 cm-1處對應的酰胺中羰基的伸縮振動峰更加寬、強。1810、860、1551 cm-1處出現新的吸收峰,分別歸屬于苯環內的不飽和鍵C=C、C-H和B-O鍵的特征峰。表明苯硼酸成功的偶聯在了APCDA上[13]。

圖5 PCDA,APCDA和APCDA-PBA的FTIR圖譜Fig.5 FTIR spectra of PCDA,APCDA and APCDA-PBA

2.2 APCDA-PBA的SEM分析

聚聯乙炔囊泡(Poly-PCDA)和氨基苯硼酸衍生物的聚聯乙炔囊泡(poly-APCDA-PBA)的掃描電鏡表征結果如圖6所示。二者形成的囊泡形貌與結構存在顯著差異,Poly-PCDA囊泡大部分呈球狀,體型較大;poly-APCDA-PBA囊泡則呈桿狀或方塊狀,體形明顯比Poly-PCDA囊泡小。囊泡的形貌改變通常會影響囊泡的檢測靈敏性和穩定性[14-15]。囊泡體形越小,產生顏色變化所需的囊泡表面結合點要求越少,所需的目標檢測物也越少,因此檢測靈敏度越高[16]。

圖6 poly-PCDA囊泡和poly-APCDA-PBA的SEM圖片Fig.6 SEM images of poly-PCDA vesicles andpoly-APCDA-PBA vesicles

2.3 對各種表面活性劑的顯色變化分析

如表1所示:在眾多分析物中僅僅陽離子表面活性劑發生顯著的顏色變化,在眾多分析物中僅僅陽離子表面活性劑發生顯著的顏色變化,非離子表面活性劑呈現出微弱的顏色變化,陰離子表面活性劑(SDS、SDC、SDP)無任何顏色變化。CTAC改變為深紅色,DTAB改變為暗橘色,HDBAC改變為暗紫色,Triton X-100改變為暗藍色。如表2所示:對于各種糖類沒有任何的顏色變化依然顯現為藍色,且不同濃度的陰離子表面活性劑、糖類均無任何顏色響應。進一步的證明氨基苯硼酸修飾的聚聯乙炔囊泡僅僅能夠識別陽離子表面活性劑。

表1 表面活性劑對APCDA-PBA的顯色

表2 糖類對APCDA-PBA的顯色

含有不同官能團以及烷基鏈長度的陽離子表面活性劑可以被APCDA-PBA通過顯現不同的顏色識別出來,這是由于陽離子表面活性劑帶正電的氨離子與APCDA-PBA中的帶負電的硼酸基團之間電荷的相互作用所引起[17-19]。CTAC和DTAB含有相同的官能團但鏈長不同,而CTAC由藍色變為深紅色,DTAB由藍色變為暗橘色。造成這種不同顏色變化的原因主要是由于不同鏈長的CTAC和DTAB對于聚合物烷基鏈的擾動程度不同所導致[20]。

雖然苯硼酸衍生物能與多元醇發生相互作用,但APCDA-PBA與糖類作用并沒有產生任何顏色變化。這是由于APCDA-PBA中存在著B-OH分子間氫鍵、苯環中的π-π鍵、酰胺鍵幾種合力,作用力較大,導致糖類無法插入APCDA-PBA中的側鏈,因此無法引起烷基鏈骨架的變化[21],所以無法引起顏色的變化。

2.4 APCDA-PBA的紫外可見光(UV-vis)譜圖與線性曲線圖

如圖7a、圖7b所示:在HEPES緩沖液中(10 mmol/L,pH7.4)不同濃度梯度的CTAC,DTAB在APCDA-PBA中的紫外可見光譜圖。當未添加陽離子表面活性劑時,APCDA-PBA在640 nm處有強烈的吸收峰,在590 nm處有一個肩峰。隨著CTAC濃度的遞增,APCDA-PBA在640 nm處的吸收值逐漸減弱,同時在520 nm處有新的吸收峰,體系的顏色也從藍色逐漸變成深紅色。DTAB有著同樣變化。

圖7 不同濃度梯度的CTAC,DTAB的紫外可見光譜圖Fig.7 UV-is spectra ofdifferent amounts of CTAC,DTAB 注:a、b分別為不同濃度的CTAC、DTAB的紫外可見光譜圖,c、d分別為CTAC、DTAB的吸光度與濃度的線性曲線。

為了精確定量聚聯乙炔囊泡的變色程度與對應的陽離子表面活性劑的濃度之間的關系,在650 nm“藍相特征吸收峰”處建立吸光度與陽離子表面活性劑濃度的線性曲線,如圖7c,圖7d所示:A650處的吸光值與CTAC和DTAB的濃度之間存在著較好的線性關系,二者檢測最小濃度均為30 μmol/L。隨著表面活性劑濃度的遞增,吸光值呈線性遞減的趨勢。

3 結論

以10,12-二十五碳二炔酸為單體,合成出了一種氨基苯硼酸修飾化的聚聯乙炔囊泡,修飾后的聚聯乙炔囊泡在加入不同的陽離子表面活性劑時顯現出明顯的顏色變化。CTAC由藍色變為深紅色,DTAB由藍色變為暗橘色,HDBAC由藍色變為暗紫色。當加入陰離子表面活性劑和糖類時沒有任何顏色變化,非離子表面活性劑表現出很弱的顏色變化,從而成功的實現了這種氨基苯硼酸修飾的聚聯乙炔囊泡對陽離子表面活性劑的特異性選擇,在食品安全領域中對陽離子表面活性劑的快速檢測展現出了良好的應用前景。

[1]Ryu S,Yoo I,Song S,et al. A thermoresponsive fluorogenic conjugated polymer for a temperature sensor in microfluidic devices[J]. Journal of the American Chemical Society,2009,131(11):3800-3801.

[2]Sun X M,Chen T,Huang S Q,et al. Chromatic polydiacetylene with novel sensitivity[J]. Chemical Society Reviews,2010,39(11):4244-4257.

[3]Chen X Q,Zhou G D,Peng X J,et al. Biosensors and chemosensors based on the optical responses of polydiacetylenes[J]. Chemical Society Reviews,2012,41(13):4610-4630.

[4]張玉新,高希青. 表面活性劑在食品工業中的應用[J]. 食品工業科技,1985(2):29-34

[5]李濤,魏福祥. 水體中陽離子表面活性劑測定方法的研究進展[J]. 河北工業科技,2006,23(5):321-324.

[6]郭訊枝,何剪太,張陽德,等. 聚丁二炔納米粒對大腸埃希氏菌的免疫檢測[J]. 中國組織工程研究,2011,38(15):7105-7108.

[7]安媛媛,徐祖順,吳水林. 苯硼酸類糖敏感材料的研究進展[J]. 高分子通報,2012(3):98-106

[8]Gill I,Blleeteros A. Immunoglobulin-polydiacetylene sol-gel nanocomposites as solid-state chromatic biosensors[J]. Angewandte Chemie-International Edition,2003,42(28):3264-3267.

[9]Torchilin V P,Weissig V. In Liposomes:A practical approach. Second Edition[M]. 2003:1-396

[10]Cheng Q,Yamamoto M,Stevens R C. Amino acid terminated polydiacetylene lipid microstructures:Morphology and chromatic transition[J]. Langmuir,2000,16(12):5333-5342.

[11]Lee S,Lee K M,Lee M. Polydiacetylenes bearing boronic acid groups as colorimetric and fluorescence sensors for cationic surfactants[J]. ACS applied materials & interfaces,2013,5(11):4521-4526.

[12]Ahn D J,Chae E H,Lee G S. Colorimetric reversibility of polydiacetylene supramolecules having enhanced hydrogen-bonding under thermal and pH stimuli[J]. Journal of the American Chemical Society,2003,125(30):8976-8977.

[13]Zhang H Y,Yao G P,Deng C H,et al. Facile Synthesis of Boronic Acid-Functionalized Magnetic Mesoporous Silica Nanocomposites for Highly Specific Enrichment of Glycopeptides[J]. Chinese Journal of Chemistry,2011,29(4):835-839.

[14]Lee J,Jeong E J,Kim J. Selective and sensitive detection of melamine by intra/inter liposomal interaction of polydiacetylene liposomes[J]. Chemical Communications,2011,47(1):358-360.

[15]Guo C X,Boullanger P,Liu T,et al. Size effect of polydiacetylene vesicles functionalized with glycolipids on their colorimetric detection ability[J]. The Journal of Physical Chemistry B,2005,109(40):18765-18771.

[16]Cheng X Q,Kang S,Kim M J,et al. Thin-film formation of imidazolium-based conjugated polydiacetylenes and their application for sensing anionic surfactants[J]. Angewandte Chemie International Edition,2010,49(8):1422-1425.

[17]Won S H,Lee J U,Sim S J. Fluorogenic pH-Sensitive polydiacetylene(PDA)liposomes as a drug carrier[J]. Journal of nanoscience and nanotechnology,2013,13(6):3792-3800.

[18]Pan X J,Wang Y L,Jiang H,et al. Benzo-15-crown-5 functionalized polydiacetylene-based colorimetric self-assembled vesicular receptors for lead ion recognition[J]. Journal of Materials Chemistry,2011,21(11):3604-3610.

[19]Babcock L,Pizer R. Dynamics of boron acid complexation reactions. Formation of 1∶1 boron acid-ligand complexes[J]. Inorganic Chemistry,1980,19(1):56-61.

[20]Reppy M A,Pindzola B A. Biosensing with polydiacetylene materials:structures,optical properties and applications[J]. Chemical Communications,2007(42):4317-4338.

[21]Jelinek R,Kolusheva S. Biomolecular sensing with colorimetric vesicles[M].Springer Berlin Heidelberg,2007:155-180.

Vesicles prepared with amino-phenylboronic acid modified diacetylenes and it’s uses as colorimetric sensors for cationic surfactants detection

TANG Jie1,LU Sheng-guo2,DUAN Xu-jia2,LUO Fang2,HAN Yu-wang1，*

(1.College of Sciences,Nanjing Tech University,Nanjing 210009,China;2.College of Life Science and Pharmacy,Nanjing Tech University,Nanjing 210009,China)

The monomer of a new polydiacetylene derivative bearing Amino-Phenylboronic Acid groups(APCDA-PBA)was prepared for sensing Cationic Surfactants by Vesicles assembly and polymerization. The functional groups and surface morphology of Vesicles were characterized by Fourier Transform infrared spectroscopy(FT-IR)and scanning electron microscope(SEM). Results indicated that the modified Polydiacetylenes could recognize Cationic Surfactants and showed diverse colorimetric changes for different kinds of Cationic Surfactants. Anionic surfactants and saccharides did not show any color change,and better linear relationship between absorbance of A650and the concentration of Cationic Surfactants. So it had wide space for development and future prospects in the field of rapid detection for food security.

10,12-pentacosadiynoic acid;polydiacetylene;specific response;cationic surfactants

2014-09-09

湯杰(1991-)，男，碩士研究生，研究方向:無機納米發光材料的制備， E-mail:tjnjut@163.com。

*通訊作者:韓毓旺(1971-)，男，博士，教授，研究方向：納米材料的合成與表征，E-mail:hanyw@njtech.edu.cn。

國家杰出青年科學基金(21225626)；國家自然科學基金(21406112)。

TS207.2

A

1002-0306(2015)15-0078-05

10.13386/j.issn1002-0306.2015.15.008