氨基苯硼酸修饰的聚联乙炔囊泡对阳离子表面活性剂的显色检测

汤 杰,卢圣国,段许佳,罗 芳,韩毓旺,*

(1.南京工业大学理学院,江苏南京 210009;2.南京工业大学生物与制药工程学院,江苏南京 210009)

氨基苯硼酸修饰的聚联乙炔囊泡对阳离子表面活性剂的显色检测

汤 杰1,卢圣国2,段许佳2,罗 芳2,韩毓旺1,*

(1.南京工业大学理学院,江苏南京 210009;2.南京工业大学生物与制药工程学院,江苏南京 210009)

以氨基苯硼酸修饰的10,12-二十五碳二炔酸(PCDA)为单体,经囊泡组装、聚合制备了一种对阳离子表面活性剂特异性识别检测的聚联乙炔衍生物(APCDA-PBA)。采用傅里叶变换红外光谱(FT-IR)和扫描电子显微镜(SEM)对单体官能团和囊泡形貌进行了表征。结果表明:修饰后的聚联乙炔衍生物可特异性识别阳离子表面活性剂,不同种类的阳离子表面活性剂经刺激反应后显现不同的颜色,且A650处吸光值与阳离子表面活性剂的浓度变化具有良好的线性关系。因此在食品安全快速检测领域具有广阔的发展空间和应用前景。

10,12-二十五碳二炔酸,聚联乙炔,特定响应,阳离子表面活性剂

聚联乙炔(PDA)是一种常见的共轭聚合物,由联乙炔经紫外自发聚合形成,表现出肉眼可见的蓝色。当聚联乙炔在受到温度、pH、表面活性剂等外界刺激时,聚联乙炔囊泡(常用的聚联乙炔酸为双亲分子,分子中存在刚性结构,在水中可形成囊泡)会由蓝色变为红色,而单一的颜色变化也大大的限制了其应用范围。本文合成了一种氨基苯硼酸修饰的聚联乙炔衍生物,当其受到不同种类的阳离子表面活性剂刺激时,能够产生不同的颜色变化[1-3]。

阳离子表面活性剂在日常生活中的应用十分广泛,例如许多水处理中所用的杀菌剂、乳化剂、柔滑剂等均为阳离子表面活性剂。其大量使用后的残留物必然会在食品安全领域中造成巨大的污染[4]。因此对阳离子表面活性剂的检测变得十分重要。目前传统的检测主要包括以下几类:分光光度法、气相质谱法、示波极谱滴定法等[5-6],且这些传统方法都具有检测灵敏度高,选择性较好等优点。但这些检测方法较为复杂,需要借助精密仪器,检测时间漫长,结果易受干扰等缺点。

另一方面,苯硼酸衍生物能够与多元醇发生相互作用,可以特异性的识别和感知糖类。近年来苯硼酸常用来和荧光体结合,构建出一种荧光探针结构[7]。本文以10,12-二十五碳二炔酸为单体,通过对其改性,制备了一种氨基苯硼酸修饰的聚联乙炔衍生物,由于修饰后的聚联乙炔具有特殊的光学变色性质,当受到外界生物分子刺激时,会迅速的引起肉眼可见的变色响应,因此可以利用直接比色法以及荧光性质对阳离子表面活性剂特异性识别与检测,与传统的分光光度法等检测方法相比不需要借助精密的仪器且结果可靠等优点。在食品安全领域具有重要的意义。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

10,12-二十五碳二炔酸(PCDA),纯度97%(HPLC) 美国Sigma公司;三乙胺、N-羟基琥珀酰亚胺(NHS)、1-乙基-3(3-二甲基安丙基)-碳化二亚胺(EDC)、4-羧基苯硼酸,分析纯 上海安耐吉化学;乙二胺、四氢呋喃、亚硫酰氯,分析纯 上海凌峰化学试剂有限公司。

Avatar360傅立叶变换红外光谱仪 美国Nicolet公司;SpectraMaxM3微孔板检测系统 美谷分子仪器(上海)有限公司;Hitachi S-4800型扫描电镜 日本Hitachi公司;PHS-3精密pH计 上海雷磁仪器厂;752S紫外可见分光光度计 上海棱光技术有限公司;5804R台式冷冻离心机 德国Eppendorf公司;RE-2000旋转蒸发仪 上海勒顿实业有限公司;Avance-III 600核磁共振仪 德国Bruker公司;GA92-II超声波细胞粉碎仪 无锡上佳生物科技公司。

1.2 实验方法

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单口圆底烧瓶中,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,将混合溶液室温下避光搅拌(350 r/min)反应24 h。反应结束后,30 ℃旋转蒸干,固体用30 mL氯仿溶解,并用200 mL NaCl水溶液洗涤6次,合并有机相,用无水硫酸镁干燥12 h后,过滤除去无水硫酸镁,旋蒸得到固体并将其溶于60 mL氯仿中,然后逐滴加入乙二胺(4 mmol,10 mL二氯甲烷),用三乙胺调节pH至9.0,室温避光反应24h,转速为300 r/min[8]。待反应结束后,通过旋蒸获得粗品,经柱层析分离提纯(硅胶柱,V(氯仿)∶(甲醇)=5∶1),获得目标产物APCDA,产率为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)。具体合成路线如图1所示。

图1 APCDA的合成路线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二口圆底烧瓶中,加入150 mL亚硫酰氯和10 g烘干后的4-羧基苯硼酸,通入N2,在88 ℃下搅拌(350 r/min)回流24h。待反应结束后,将溶剂蒸干,剩余固体溶于60 mL 无水四氢呋喃中,冰浴,通N2,缓慢滴加APCDA(3 mmol,20 mL氯仿),反应30 min后,加入1滴DMF,室温反应20 h[9]。旋蒸收集目标产物APCDA-PBA的粗品,经柱层析分离提纯(硅胶柱,V(氯仿)∶(甲醇)=7∶1),最终产物收率为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)。具体合成路线如图2所示。

图2 APCDA-PBA的合成路线Fig.2 The synthetic route of APCDA-PBA

1.2.3 APCDA-PBA的自组装与紫外聚合 称取22.56 mg APCDA-PBA溶于4 mL的DMSO超声静置1 min,将溶液中少量的沉淀物经0.45 μm有机滤膜过滤。用HEPES(10 mmol/L pH7.4)定容至1 mmol/L,于80 ℃超声水合15 min。待冷却后于0 ℃保存过夜。单体在254 nm(1 mW/cm2)的紫外灯下自发聚合30 s。APCDA-PBA的紫外聚合示意图如图3所示[10]:

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

1.2.4 不同类型表面活性剂的结构如图4所示 选择不同烷基链长度的阳离子表面活性剂、阴离子表面活性剂、非离子表面活性剂、糖类,做对比实验[11]。分别取浓度为250 μmol/L的聚APCDA-PBA在HEPES(10 mmol/L pH7.4)的体系中观察对各种阳离子表面活性剂,阴离子表面活性剂,糖类,非离子性表面活性剂的显色反应。各取200 μmol/L的CTAC、DTAB、HDBAC、SDS、SDC、SDP、Triton X-100、蔗糖、乳糖、麦芽糖、葡萄糖、鼠李糖作为分析物。

图4 表面活性剂的结构Fig.4 Structures of the surfactants

1.2.5 APCDA,APCDA-PBA的红外表征 取少量的待测样品过夜烘干,以KBr做为背景,将KBr与待测样品以100∶1的比例混合研磨均匀,压片待用。使用Avatar360傅立叶变换红外光谱仪进行光谱扫描。

1.2.6 APCDA,APCDA-PBA的扫描电镜表征 各取70 μL APCDA,APCDA-PBA的水溶液分别滴至铜网上过夜烘干,使用Hitachi S-4800型扫描电镜分析其结构形貌。

2 结果与讨论

2.1 APCDA-PBA的红外光谱分析

如图5所示,分别是PCDA,APCDA,APCDA-PBA的红外谱图,从图中可以看出,2928 cm-1和2852 cm-1是联乙炔单体侧链烷基C-H的伸缩振动吸收峰,2349 cm-1归属于联乙炔单体不饱双键=C-H的伸缩振动吸收峰,以上共性特征都出现于三个不同联乙炔衍生物中。APCDA与PCDA对比发现在3324 cm-1处出现酰胺中N-H的伸缩振动吸收峰,同时C=O的吸收峰发生了由1697 cm-1到1632 cm-1的偏移,1697 cm-1处的振动峰对应于氢键作用的羧基中羰基的伸缩振动吸收峰,1632 cm-1处的振动峰对应于氢键作用的酰胺中羰基的伸缩振动峰,另外新产生的1070 cm-1归属于酰胺中的C-N键的伸缩振动吸收峰,以上说明乙二胺成功的偶联在了单体PCDA上[12]。与APCDA相比,1656 cm-1处对应的酰胺中羰基的伸缩振动峰更加宽、强。1810、860、1551 cm-1处出现新的吸收峰,分别归属于苯环内的不饱和键C=C、C-H和B-O键的特征峰。表明苯硼酸成功的偶联在了APCDA上[13]。

图5 PCDA,APCDA和APCDA-PBA的FTIR图谱Fig.5 FTIR spectra of PCDA,APCDA and APCDA-PBA

2.2 APCDA-PBA的SEM分析

聚联乙炔囊泡(Poly-PCDA)和氨基苯硼酸衍生物的聚联乙炔囊泡(poly-APCDA-PBA)的扫描电镜表征结果如图6所示。二者形成的囊泡形貌与结构存在显著差异,Poly-PCDA囊泡大部分呈球状,体型较大;poly-APCDA-PBA囊泡则呈杆状或方块状,体形明显比Poly-PCDA囊泡小。囊泡的形貌改变通常会影响囊泡的检测灵敏性和稳定性[14-15]。囊泡体形越小,产生颜色变化所需的囊泡表面结合点要求越少,所需的目标检测物也越少,因此检测灵敏度越高[16]。

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

2.3 对各种表面活性剂的显色变化分析

如表1所示:在众多分析物中仅仅阳离子表面活性剂发生显著的颜色变化,在众多分析物中仅仅阳离子表面活性剂发生显著的颜色变化,非离子表面活性剂呈现出微弱的颜色变化,阴离子表面活性剂(SDS、SDC、SDP)无任何颜色变化。CTAC改变为深红色,DTAB改变为暗橘色,HDBAC改变为暗紫色,Triton X-100改变为暗蓝色。如表2所示:对于各种糖类没有任何的颜色变化依然显现为蓝色,且不同浓度的阴离子表面活性剂、糖类均无任何颜色响应。进一步的证明氨基苯硼酸修饰的聚联乙炔囊泡仅仅能够识别阳离子表面活性剂。

表1 表面活性剂对APCDA-PBA的显色

表2 糖类对APCDA-PBA的显色

含有不同官能团以及烷基链长度的阳离子表面活性剂可以被APCDA-PBA通过显现不同的颜色识别出来,这是由于阳离子表面活性剂带正电的氨离子与APCDA-PBA中的带负电的硼酸基团之间电荷的相互作用所引起[17-19]。CTAC和DTAB含有相同的官能团但链长不同,而CTAC由蓝色变为深红色,DTAB由蓝色变为暗橘色。造成这种不同颜色变化的原因主要是由于不同链长的CTAC和DTAB对于聚合物烷基链的扰动程度不同所导致[20]。

虽然苯硼酸衍生物能与多元醇发生相互作用,但APCDA-PBA与糖类作用并没有产生任何颜色变化。这是由于APCDA-PBA中存在着B-OH分子间氢键、苯环中的π-π键、酰胺键几种合力,作用力较大,导致糖类无法插入APCDA-PBA中的侧链,因此无法引起烷基链骨架的变化[21],所以无法引起颜色的变化。

2.4 APCDA-PBA的紫外可见光(UV-vis)谱图与线性曲线图

如图7a、图7b所示:在HEPES缓冲液中(10 mmol/L,pH7.4)不同浓度梯度的CTAC,DTAB在APCDA-PBA中的紫外可见光谱图。当未添加阳离子表面活性剂时,APCDA-PBA在640 nm处有强烈的吸收峰,在590 nm处有一个肩峰。随着CTAC浓度的递增,APCDA-PBA在640 nm处的吸收值逐渐减弱,同时在520 nm处有新的吸收峰,体系的颜色也从蓝色逐渐变成深红色。DTAB有着同样变化。

图7 不同浓度梯度的CTAC,DTAB的紫外可见光谱图Fig.7 UV-is spectra ofdifferent amounts of CTAC,DTAB 注:a、b分别为不同浓度的CTAC、DTAB的紫外可见光谱图,c、d分别为CTAC、DTAB的吸光度与浓度的线性曲线。

为了精确定量聚联乙炔囊泡的变色程度与对应的阳离子表面活性剂的浓度之间的关系,在650 nm“蓝相特征吸收峰”处建立吸光度与阳离子表面活性剂浓度的线性曲线,如图7c,图7d所示:A650处的吸光值与CTAC和DTAB的浓度之间存在着较好的线性关系,二者检测最小浓度均为30 μmol/L。随着表面活性剂浓度的递增,吸光值呈线性递减的趋势。

3 结论

以10,12-二十五碳二炔酸为单体,合成出了一种氨基苯硼酸修饰化的聚联乙炔囊泡,修饰后的聚联乙炔囊泡在加入不同的阳离子表面活性剂时显现出明显的颜色变化。CTAC由蓝色变为深红色,DTAB由蓝色变为暗橘色,HDBAC由蓝色变为暗紫色。当加入阴离子表面活性剂和糖类时没有任何颜色变化,非离子表面活性剂表现出很弱的颜色变化,从而成功的实现了这种氨基苯硼酸修饰的聚联乙炔囊泡对阳离子表面活性剂的特异性选择,在食品安全领域中对阳离子表面活性剂的快速检测展现出了良好的应用前景。

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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

汤杰(1991-)，男，硕士研究生，研究方向:无机纳米发光材料的制备， E-mail:tjnjut@163.com。

*通讯作者:韩毓旺(1971-)，男，博士，教授，研究方向：纳米材料的合成与表征，E-mail:hanyw@njtech.edu.cn。

国家杰出青年科学基金(21225626)；国家自然科学基金(21406112)。

TS207.2

A

1002-0306(2015)15-0078-05

10.13386/j.issn1002-0306.2015.15.008