共價固定芘衍生物熒光載體制備呋喃妥因傳感器

焦晨旭， 韓媛媛， 邢寶研

(中北大學 理學院 山西 太原 030051)

0 引言

芳香稠環化合物芘及其衍生物是一類性能特異的電子學材料，對它們的發光性質及其他物理性質的研究是一個異常活躍的課題[1-5].芘及其衍生物在激光染料、生物熒光探針分子、液晶顯示材料及電致發光器件等方面已有廣泛應用.同時,芘的穩定性好、量子產率高，適合于用作熒光載體制備光化學傳感器.在制作光化學傳感器過程中，將氨基芘分子中引入一個端基雙鍵，此雙鍵能使此熒光分子聚合在硅烷化修飾過的玻片上.氨基芘與甲基丙烯酰氯反應生成甲基丙烯酰胺基芘(methylacryloylamidepyrene, MAAP)，并將它與甲基丙烯酸羥丙酯在紫外光照射下共聚在硅烷化處理過的玻片上.實驗發現光極膜的熒光能被一化合物猝滅，此猝滅可以用來測定相應的化合物.

呋喃妥因(nitrofurantoin, NFN)，是一種用于治療泌尿系統感染的藥物，口服后約40%～50%隨尿排出.測定NFN的方法有HPLC法[6-8]、極譜法[9]和伏安法[10]等.郭炬亮等[11]在醋酸纖維素中包埋芘丁酸制成一種NFN光纖傳感器，除熒光載體可能流失外，也沒有提供此傳感器詳細的分析特性.作者制得的基于MAAP的熒光傳感器可用于NFN的測定，并得到滿意的結果.

1 實驗部分

1.1 儀器和試劑

Hitachi F-4500熒光分光光度計(日本日立公司), PHS-3C型精密pH計(上海精密科學儀器有限公司).

氨基芘和3-(三甲氧基硅烷基)甲基丙烯酸丙酯(TSPM)購自百靈威公司.不同pH 值的B-R緩沖溶液由濃度分別為0.04 mol/L的磷酸、乙酸、硼酸混合液與不同體積的0.2 mol/L氫氧化鈉溶液混合得到.NFN(山東濟南制藥廠)用DMF配制成2.0×10-2mol/L儲備液，NFN工作液由B-R緩沖液(pH為7.0)稀釋制得.其他試劑均為分析純，未經純化，實驗用水均為二次蒸餾水.

1.2 甲基丙烯酰胺基芘(MAAP)的合成

MAAP的合成路線如圖1所示.

圖1 甲基丙烯酰胺基芘的合成路線示意圖Fig.1 Synthesis scheme of methylacryloylamidepyrene (MAAP)

具體合成步驟如下：稱取1.0 g氨基芘，溶于15 mL無水DMF中，加入0.60 mL三乙胺.在劇烈攪拌下滴加0.40 mL甲基丙烯酰氯，滴完后，在室溫下繼續攪拌反應4 h.反應結束后過濾除去生成的沉淀，收集濾液，減壓除去溶劑，得到灰褐色固體MAAP 1.10 g，產率為 72.6%，M+=285.

1.3 玻片的修飾

為了將MAAP通過共價鍵固定在玻片表面，在傳感器載體玻片上應引入一個末端雙鍵.通過文獻[12]所述的硅烷化方法來修飾玻片，硅烷化步驟如下:將玻片依次浸入鉻酸洗液中3 h，3%(體積分數)HF和10%(體積分數)H2O2中各20 min，用二次蒸餾水沖洗干凈.在0.2 mL TSPM和2 mL 0.2 mol/L HAc-NaAc(pH為3.6)的緩沖溶液中，加入8 mL水并攪拌5 min，制成TSPM溶液.將玻片浸入此溶液3 h，再用二次蒸餾水沖洗，室溫干燥備用.

1.4 光極膜的制備

MAAP光極膜的制備過程如下：將甲基丙烯酸羥丙酯(2.9 mL)、MAAP(10 mg)、安息香乙醚(400 mg)、丙烯酰胺(90 mg)、二苯甲酮(60 mg)和三乙醇胺(0.2 mL)在50 mL燒杯中混勻，用膠頭滴管移取少量滴于干凈的聚四氟乙烯板上.用硅烷化后的玻片蓋于其上，紫外燈照射5 h后，分別用水和甲醇沖洗直至觀察不到敏感物質的流失為止.

1.5 熒光測量

熒光測量在Hitachi F-4500熒光計上進行.光源為150 W氙燈，檢測器為R918F紅外敏感光電倍增管.激發和發射光譜狹縫均為2.5 nm.將制好的敏感膜放置在檢測池中，用注射器將樣品溶液注入檢測池中，記錄膜與樣品溶液達到平衡時的熒光強度.每次測量后，用注射器注入空白溶液清洗MAAP光極膜，使它的熒光強度恢復到初始值，以備下一次測量.

2 結果與討論

2.1 光譜特征

圖2顯示MAAP聚合膜與不同濃度(從上往下濃度依次為0， 4.0×10-5， 6.0×10-5， 8.0×10-5， 1.0×10-4，2.0×10-4mol/L)的NFN溶液(pH為7.0)接觸時的熒光光譜.其發射光譜是將激發波長固定在366 nm處得到的.NFN能強烈猝滅MAAP聚合膜的熒光.用注射器將不同濃度的NFN溶液注入檢測池中，記錄膜與樣品溶液達到平衡時的熒光強度.

2.2 猝滅機理和測量原理

若MAAP聚合物中的熒光載體與NFN形成n∶m型化合物，則有如下平衡：

mA (aq)+nB (membrane)=AmBn(membrane)，

(1)

式中：A和B分別代表NFN和MAAP聚合物中的熒光載體.平衡常數表達式為

(2)

式中：K是復合物的表觀形成常數.

由物料平衡可得：[B]0=[B]+n[AmBn] ，即

(3)

式中：[B]和[B]0分別是膜相中MAAP的游離濃度和總濃度.相對熒光強度比率(α)可定義為MAAP的游離濃度與總濃度的比值.實驗中通過測量光極膜的相對熒光強度可測定α值，即

(4)

式中：F0是膜與空白液接觸時的熒光強度；Fs是膜中MAAP完全被NFN絡合時的熒光強度；F是膜與不同濃度的NFN接觸時的相對熒光強度.

根據(2)～(4)式，K可表示為

(5)

α與樣品溶液中NFN濃度的關系可表示為

(6)

(6)式可通過擬合曲線來估計復合物中MAAP和NFN的復合比.通過改變m∶n的比值和調整表觀平衡常數K可使實驗數據與擬合曲線相符合，擬合結果如圖3中的曲線2所示.由圖3可知，生成的NFN與MAAP光極膜應當形成了1∶1型復合物，即m=1，n=1，表觀復合常數K值為1.1×104.

圖2 MAAP膜傳感器與不同濃度的NFN溶液接觸時的發射光譜Fig.2 Fluorescence emission spectra of the MAAP sensor upon exposing to NFN solutions of different concentrations

圖3 相對熒光強度比率與lg cNFN的關系Fig.3 Relative fluorescence intensity ratio as a function of lg cNFN

圖4 酸度對光極膜熒光強度的影響Fig.4 Effect of pH on F0/F values

2.3 酸度影響

圖4顯示了酸度對光極膜熒光強度的影響.MAAP光極膜的熒光分子中含有羰基和亞氨基,易于極化且對酸性溶液敏感.為了使溶液的酸堿性對NFN的測定影響最小，實驗選擇pH為7的B-R 緩沖溶液為測試底液.

2.4 重現性、可逆性和響應時間

通過注射器注入1.0×10-5， 4.0×10-5，1.0×10-4mol/L的NFN溶液及空白B-R緩沖溶液，并記錄其熒光強度來評估傳感器的重現性與可逆性.對1.0×10-5，4.0×10-5，1.0×10-4mol/L的NFN溶液重復測定7次，熒光強度分別為270.6±0.5，227.1±0.6和162.2±0.4,空白溶液熒光強度為299.8±0.3(n=22,P=0.95)，重現性和可逆性令人滿意.洗回時間與濃度大小關系不大，無論濃度從低到高或從高到低變化，洗回恢復時間基本一樣，約為60 s.由此可知，復合物的形成與離解是可逆的且無明顯的滯后現象.

2.5 傳感器的短期穩定性和壽命

為了研究此傳感器的穩定性，將1.0×10-5mol/L的NFN溶液(pH為7)連續10 h通過傳感器.每隔30 min記錄一次光極膜的熒光強度，相對標準偏差為1.5%.光極膜的使用壽命可達2個月，活性組分共價固定在共聚物基質上能有效阻止其流失并延長傳感器的壽命.

2.6 選擇性

固定NFN濃度為1.0×10-5mol/L，加入0.001 mol/L各種無機物及有機物來研究干擾物對NFN熒光測定的影響，實驗結果見表1.可以看出，一般的有機物和藥物及無機鹽所導致的熒光強度的相對偏差小于5%，但是當樣品中存在硝基苯類化合物時，會在一定程度上猝滅光極膜的熒光信號而干擾測定.由于苦味酸和硝基苯類化合物一般不可能與NFN作為一種醫用品在同一體系中共存，因此，此傳感膜對NFN的測定有一定的選擇性.

表1 干擾物對光極膜相對熒光強度的影響Tab.1 Effect of different interferents on the relative fluorescence intensity of the optode

2.7 定量基礎和檢測限

由于鍵合在光極膜上的MAAP與NFN之間形成的是1∶1型復合物，猝滅效率可通過Stern-Volmer方程得到：

(7)

式中：F0和F分別是光極膜與空白溶液、NFN溶液接觸時的熒光強度.將實驗數據代入式(7)，當NFN濃度在

表2 NFN在水樣中的回收率Tab.2 The recovery test for NFN in water samples

8.0×10-7～1.0×10-4mol/L時，其校正方程為：F0/F=1.007+8 142.200cNFN(r=0.996 9)，這可以作為傳感器測定NFN的定量關系.用3倍于12次測定空白溶液的標準偏差來計算檢測限，檢測限約為6.0×10-7mol/L.NFN在水樣中的回收率結果見表2，回收率為96.0%～104.0%，表明該傳感器可用于水樣中NFN的直接測定.

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