非共价作用对金属卟啉光学稳定性的影响

柴志华， 陈 波，王彦霞

(华北科技学院 环境工程学院，北京 东燕郊 101601)

0 引言

卟啉和金属卟啉化合物在自然环境和生命体中广泛存在，如作为光合作用的核心部分叶绿素，参与有氧呼吸的血红蛋白等都是金属卟啉配合物。作为生命体中重要的功能分子，金属卟啉在生命科学、医药学等领域也有着重要应用[1]。但由于其自身的结构特点，导致金属卟啉非常不稳定，比如在持续光照下容易分解失去活性，从而限制了其功能性的进一步发挥[2]。

因此，人们利用多种载体来增强金属卟啉的光学稳定性。Tetsuji等[3]利用介孔硅增强叶绿素的光稳定性，他们发现介孔硅产生的疏水环境与光合作用中的蛋白质环境相类似，可以提高叶绿素的稳定性和光学活性。Surat等[4]用金纳米颗粒来增强四苯基镁卟啉和叶绿素的光学稳定性。尽管这些材料利用疏水作用和配位作用都提高了金属卟啉光学稳定性，但是与光合作用中的功能单元叶绿素蛋白质复合体相比，其稳定性和光学活性仍然较差。该功能单元由叶绿素与蛋白质通过静电和配位等多种非共价作用组装而成，叶绿素在其中具有很好的稳定性，从而保证光合作用在极高的效率下进行。而如果从叶子中提纯出游离的叶绿素，由于缺少了蛋白质的多重保护，自身的稳定性和光学活性都比较差。因此研究非共价作用对于金属卟啉稳定性的影响，有助于阐明自然界中光合作用高效吸收利用太阳能的机理，为设计出更为稳定而高效的人工光合作用体系奠定一定的理论基础。

我们以前的研究主要是通过复合胶束来增强金属卟啉的光学稳定性[5]，增强作用来自于疏水环境与非共价作用的共同结果，而单独非共价作用对金属卟啉光学稳定性的影响机理并不明确。因此，本文设计两种功能复合体，由静电作用组装的CTAB/ZnTPPS复合体，配位作用组装的PEG-b-P4VP/ZnTPPS复合体，研究静电作用和配位作用对ZnTPPS的光学稳定性影响。

1 实验

1.1 主要原料与设备

4-乙烯基吡啶(分析纯，百灵威)；单羟基聚乙二醇(Mn = 5000，PDI=1.05，Fluka)；四-(4-对苯基磺酸基)-卟啉(98%，TCL)；无水乙醇、无水甲醇、无水乙醚、三乙胺、丁酮、异丙醇(天津化学试剂一厂)，以上试剂均为分析纯。

1.2 嵌段共聚物PEG-b-P4VP的制备

采用原子转移自由基聚合(ATRP)方法，合成嵌段共聚物[6]。以 PEG-Br 为引发剂，以丁酮/异丙醇(7:3)为溶剂， CuCl/Me6Tren 为催化体系，引发4-乙烯基吡啶聚合，合成PEG-b-P4VP。嵌段聚合物 PEG-b-P4VP 的数均分子量和分散指数通过核磁共振(1H NMR)和凝胶渗透色谱(GPC)进行测定，P4VP嵌段聚合度为80，数均分子量为14000，分散指数为1.21。

1.3 ZnTPPS 的合成

取一定量的 H2TPPS 和其十倍摩尔比的醋酸锌固体，加入到100 mL甲醇中，超声溶解，然后在52 ℃水浴下反应 3 h。待反应结束后，加入三倍于剩余醋酸锌物质的量的NaOH，搅拌24 h，剩余的醋酸锌会通过反应生成微溶于水的氢氧化锌，再静置过夜。再通过0.45 μm 的亲水性Millipore 滤膜，除去氢氧化锌沉淀。滤液通过旋蒸浓缩至完全干燥，加一定量超纯水定容， ZnTPPS 的浓度通过紫外-可见分光光度计在λ=421 nm 处测得( ε421=6.8×105M-1cm-1)。

1.4 功能复合体的制备

PEG-b-P4VP/ZnTPPS复合体的制备：首先将一定量的PEG-b-P4VP溶解在pH=2的水溶液中，放置24 h 以上，保证嵌段聚合物充分溶解。然后，向聚合物溶液中快速加入稀的NaOH溶液，调节溶液的pH值至中性，此时，P4VP链段发生去质子化，最终形成以疏水P4VP为核，PEG为壳的胶束。然后在磁力搅拌下，加入一定量的ZnTPPS水溶液。嵌段共聚物浓度依分别为1 mg/mL, 0.1 mg/mL，ZnTPPS浓度均为4 μmol/L。

CTAB/ZnTPPS复合体的制备：称取一定质量的CTAB于干净的玻璃瓶中，加入一定量的超纯水进行溶解。然后在强力电磁搅拌条件下，逐滴加入一定量的ZnTPPS水溶液。CTAB浓度依次分别为1 mg/mL, 0.1 mg/mL，ZnTPPS浓度均为 4 μmol/L。

1.5 ZnTPPS光学稳定性的测定

取4 mL不同浓度复合体溶液放入透明的玻璃瓶中，在不断搅拌下，用150 W的氙灯光照(用滤波片过滤掉360 nm以下的紫外光)，分别记录在不同光照时间下的溶液的紫外-可见光谱变化。光照后ZnTPPS在复合胶束内含量用Ax/A0表示，其中A0和Ax分别表示光照开始前和光照不同时间后ZnTPPS的Soret 带紫外-可见光谱吸收峰强度。

1.6 仪器及测试

Varian UNITY-plus 400核磁共振波谱仪(1H NMR)(美国)，以CDCl3作剂；Waters 600凝胶渗透色谱仪(GPC)(美国)，以DMF为流动相，流速1 mL/min，柱温 25℃，以单分散性聚苯乙烯为标准样；动态光散射仪(DLS)，美国 Brookhaven公司 BI-9000AT 相关仪，美国 Coherent公司 BI-200SM光度计，He-Ne激光发生器，激光波长为636 nm；透射电子显微镜(TEM)， TecnaiG220 S-TWIN 电子显微镜(由荷兰 FEI 公司制造)，加速电压为 200 kV，此设备配备有Model 794 CCD相机(512×512)(由英国Gatan 公司制造)；UV-2550 紫外-可见分光光度计(Shimadzu, Japan)；F-4600荧光光度计(Hitachi, Japan)

2 结果与讨论

2.1 复合体的结构表征

嵌段共聚物PEG-b-P4VP在中性条件下将形成以疏水P4VP为核，亲水的PEG为壳的胶束。由于P4VP中吡啶基团与ZnTPPS中间金属锌离子存在配位作用，所以金属卟啉分子将吸附到胶束核的表面。首先对PEG-b-P4VP/ZnTPPS复合体的形态进行表征。用动态光散射测定溶液中胶束的粒径和粒径分布情况，粒径大小如图1所示。在聚合物PEG-b-P4VP浓度为1 mg/mL时，PEG-b-P4VP/ZnTPPS复合体的平均粒径为70 nm。插图为该复合体的透射电镜照片，从图中可以看到，该胶束具有规整的球状形态，平均粒径为35 nm。由于透射电镜的样品是在干态下测定的，胶束溶液发生了很大的收缩，而 DLS 测定的样品是在溶液状态下测量的，在此条件下，胶束的可溶性链处于溶胀或伸展状态，因此与透射电镜所得数据相比，DLS测得复合胶束的粒径都比较大。由于CTAB的浓度很小，一般不能通过DLS和透射电镜测定粒径大小，所以本实验未能给出CTAB/ZnTPPS复合体的形态特征。

图1 PEG-b-P4VP / ZnTPPS复合体的粒径分布图，插图为其TEM照片

2.2 复合体的光学性质表征

为了验证配位作用以及静电相互作用对金属卟啉光学性质的影响，分别用紫外-可见分光光度计和荧光光度计对两种复合体进行了表征。中性条件下，ZnTPPS 放入水溶液时，在紫外-可见光谱中显示出其特征吸收峰：在421 nm波长处吸收峰为ZnTPPS的Soret带的吸收，在555 nm和595 nm波长处的吸收峰为其Q带的吸收[7]。形成PEG-b-P4VP/ZnTPPS复合体后，ZnTPPS在Soret带特征吸收峰红移至433 nm处，这是因为吡啶基团与金属卟啉发生配位作用所导致。插图中为相应的荧光发射光谱的变化，ZnTPPS在607 nm和656 nm波长处的吸收峰为其特征的发射峰，而与嵌段共聚物配位复合后，荧光发射峰红移至611 nm和660 nm波长处，从而证明了嵌段共聚物PEG-b-P4VP已与ZnTPPS发生复合。

图2 PEG-b-P4VP/ZnTPPS复合体的紫外-可见光谱，插图为相应荧光发射光谱变化曲线

当ZnTPPS与CTAB发生静电相互作用后，其ZnTPPS的光谱学性质同样发生了变化。图3表示CTAB/ZnTPPS复合体在不同CTAB浓度下的紫外-可见光谱图。ZnTPPS在复合体中Soret带特征吸收峰红移至426 nm处，这是因为CTAB中带正电的氨基与金属卟啉中带负电的磺酸基团发生静电相互作用所致，从而证明了该复合体的形成。从金属卟啉在Soret带吸收峰红移程度看，静电相互作用使ZnTPPS红移了5 nm，而配位作用导致ZnTPPS红移了12 nm，这说明静电相互作用对金属卟啉的光学性质影响较小。而从相应的荧光发射光谱来看(图3插图所示)，ZnTPPS在607 nm和656 nm波长处的特征发射峰并没有移动，同样证明了静电作用对于金属卟啉的光学性质影响较弱。从荧光峰强度来看，0.1 mg/mL CTAB的浓度下，其荧光峰强度最低。根据文献的结果，这是因为ZnTPPS在CTAB的表面有一定程度的J-聚集，导致了荧光淬灭，从而使其荧光强度下降[8]。而当CTAB的浓度的提高到1 mg/mL时，溶液中存在更多的CTAB的胶束，相对每个胶束表面的ZnTPPS的量较少，减少了ZnTPPS的聚集，从而使得荧光强度上升。

图3 CTAB/ZnTPPS复合体的紫外-可见光谱，插图为相应的荧光发射光谱变化曲线

2.3 复合体光学稳定性的表征

作为金属卟啉的代表，ZnTPPS在水溶液中表现了高光化学活性和低光稳定性。当ZnTPPS样品储存在黑暗处时，每个峰的吸收强度保持不变。然而，当ZnTPPS暴露在氙灯光源下时(λ>360 nm)，ZnTPPS会发生光降解反应。图4表明了在光照情况下，ZnTPPS紫外-可见光谱随时间变化图。在30分钟内，ZnTPPS在421 nm处的典型吸收峰强度急剧下降，说明了金属卟啉吡咯大环发生了不可逆变化，造成了ZnTPPS的光降解，从而使其失去活性。

图4 ZnTPPS在不同光照时间下紫外-可见光谱变化曲线

当ZnTPPS与嵌段共聚物形成复合体后，其光学稳定性得到了极大的提高。图5表示在1 mg/mL的PEG-b-P4VP聚合物浓度下，ZnTPPS在不同光照时间内的紫外-可见光谱变化曲线。光照一段时间后，其在433 nm波长处的吸收峰强度下降幅度要远远低于单纯ZnTPPS在相同时间的下降幅度，从而充分说明了配位作用对于ZnTPPS光学稳定性的提高。插图为ZnTPPS在不同聚合物浓度下的光降解动力学曲线。其中A0和Ax分别表示了光照前和光照不同时间后ZnTPPS的Soret带吸收峰强度。Ax/A0的比值意味着剩余ZnTPPS的百分含量。分析表明，在1 mg/mL的嵌段共聚物浓度下，ZnTPPS降解了13%，显示出较好的光学稳定性。这是因为聚合物浓度越高，有更多的吡啶基团与ZnTPPS发生配位作用，从而使其具有更高的光学稳定性。

图5 PEG-b-P4VP/ ZnTPPS复合体随光照时间紫外—可见光谱变化曲线，插图为剩余ZnTPPS在复合体中的百分含量

以静电相互作用形成的CTAB/ ZnTPPS复合体中，ZnTPPS的光学稳定性同样得到了一定程度的提高。图6表示在1 mg/mL的CTAB浓度下，ZnTPPS在不同光照时间内的紫外-可见光谱变化曲线。在相同条件下，光照一段时间后， ZnTPPS在复合体中的吸收峰下降幅度同样低于单纯ZnTPPS的下降幅度，这充分说明静电作用对于ZnTPPS 的光学稳定性的提高。值得注意的是，在0.1 mg/mL的CTAB浓度下，ZnTPPS降解了15%，而在1 mg/mL的CTAB浓度下，降解了25%(插图所示)。这是因为在较低的CTAB浓度下，ZnTPPS发生了J-聚集，该聚集不仅导致荧光淬灭，同样使其产生单线态的氧的能力下降，而单线态氧的攻击导致了ZnTPPS光学降解，这与CTAB/ZnTPPS在荧光发射光谱变化一致。在较高的CTAB浓度下，ZnTPPS在胶束表面的聚集较少，产生单线态氧能力较强，光学稳定性较差。通过对比可以看到，ZnTPPS在PEG-b-P4VP/ZnTPPS复合体具有更好的光学稳定性，从而说明与静电作用相比，配位作用在提高金属卟啉的光学稳定性方面发挥着更大的作用。

图6 CTAB/ ZnTPPS复合体随光照时间紫外—可见光谱变化曲线，插图为剩余ZnTPPS在复合体中的百分含量

3 结论

表面活性剂CTAB和嵌段共聚物PEG-b-P4VP分别与金属卟啉ZnTPPS通过非共价作用组装形成了两种功能复合体，详细研究了两种复合体内ZnTPPS光学稳定性的情况。在CTAB/ZnTPPS复合体中，增加CTAB的浓度，减少了ZnTPPS在复合体表面的聚集，从而降低了ZnTPPS的光学稳定性；在PEG-b-P4VP/ ZnTPPS复合体中，增加聚合物的浓度，提高了ZnTPPS与复合体配位能力，从而增强了ZnTPPS的光学稳定性。相比而言，配位作用在提高金属卟啉的光学稳定性方面发挥了更大的作用。

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