柴志華， 陳 波，王彥霞

(華北科技學(xué)院 環(huán)境工程學(xué)院，北京 東燕郊 101601)

0 引言

卟啉和金屬卟啉化合物在自然環(huán)境和生命體中廣泛存在，如作為光合作用的核心部分葉綠素，參與有氧呼吸的血紅蛋白等都是金屬卟啉配合物。作為生命體中重要的功能分子，金屬卟啉在生命科學(xué)、醫(yī)藥學(xué)等領(lǐng)域也有著重要應(yīng)用[1]。但由于其自身的結(jié)構(gòu)特點，導(dǎo)致金屬卟啉非常不穩(wěn)定，比如在持續(xù)光照下容易分解失去活性，從而限制了其功能性的進一步發(fā)揮[2]。

因此，人們利用多種載體來增強金屬卟啉的光學(xué)穩(wěn)定性。Tetsuji等[3]利用介孔硅增強葉綠素的光穩(wěn)定性，他們發(fā)現(xiàn)介孔硅產(chǎn)生的疏水環(huán)境與光合作用中的蛋白質(zhì)環(huán)境相類似，可以提高葉綠素的穩(wěn)定性和光學(xué)活性。Surat等[4]用金納米顆粒來增強四苯基鎂卟啉和葉綠素的光學(xué)穩(wěn)定性。盡管這些材料利用疏水作用和配位作用都提高了金屬卟啉光學(xué)穩(wěn)定性，但是與光合作用中的功能單元葉綠素蛋白質(zhì)復(fù)合體相比，其穩(wěn)定性和光學(xué)活性仍然較差。該功能單元由葉綠素與蛋白質(zhì)通過靜電和配位等多種非共價作用組裝而成，葉綠素在其中具有很好的穩(wěn)定性，從而保證光合作用在極高的效率下進行。而如果從葉子中提純出游離的葉綠素，由于缺少了蛋白質(zhì)的多重保護，自身的穩(wěn)定性和光學(xué)活性都比較差。因此研究非共價作用對于金屬卟啉穩(wěn)定性的影響，有助于闡明自然界中光合作用高效吸收利用太陽能的機理，為設(shè)計出更為穩(wěn)定而高效的人工光合作用體系奠定一定的理論基礎(chǔ)。

我們以前的研究主要是通過復(fù)合膠束來增強金屬卟啉的光學(xué)穩(wěn)定性[5]，增強作用來自于疏水環(huán)境與非共價作用的共同結(jié)果，而單獨非共價作用對金屬卟啉光學(xué)穩(wěn)定性的影響機理并不明確。因此，本文設(shè)計兩種功能復(fù)合體，由靜電作用組裝的CTAB/ZnTPPS復(fù)合體，配位作用組裝的PEG-b-P4VP/ZnTPPS復(fù)合體，研究靜電作用和配位作用對ZnTPPS的光學(xué)穩(wěn)定性影響。

1 實驗

1.1 主要原料與設(shè)備

4-乙烯基吡啶(分析純，百靈威)；單羥基聚乙二醇(Mn = 5000，PDI=1.05，F(xiàn)luka)；四-(4-對苯基磺酸基)-卟啉(98%，TCL)；無水乙醇、無水甲醇、無水乙醚、三乙胺、丁酮、異丙醇(天津化學(xué)試劑一廠)，以上試劑均為分析純。

1.2 嵌段共聚物PEG-b-P4VP的制備

采用原子轉(zhuǎn)移自由基聚合(ATRP)方法，合成嵌段共聚物[6]。以 PEG-Br 為引發(fā)劑，以丁酮/異丙醇(7:3)為溶劑， CuCl/Me6Tren 為催化體系，引發(fā)4-乙烯基吡啶聚合，合成PEG-b-P4VP。嵌段聚合物 PEG-b-P4VP 的數(shù)均分子量和分散指數(shù)通過核磁共振(1H NMR)和凝膠滲透色譜(GPC)進行測定，P4VP嵌段聚合度為80，數(shù)均分子量為14000，分散指數(shù)為1.21。

1.3 ZnTPPS 的合成

取一定量的 H2TPPS 和其十倍摩爾比的醋酸鋅固體，加入到100 mL甲醇中，超聲溶解，然后在52 ℃水浴下反應(yīng) 3 h。待反應(yīng)結(jié)束后，加入三倍于剩余醋酸鋅物質(zhì)的量的NaOH，攪拌24 h，剩余的醋酸鋅會通過反應(yīng)生成微溶于水的氫氧化鋅，再靜置過夜。再通過0.45 μm 的親水性Millipore 濾膜，除去氫氧化鋅沉淀。濾液通過旋蒸濃縮至完全干燥，加一定量超純水定容， ZnTPPS 的濃度通過紫外-可見分光光度計在λ=421 nm 處測得( ε421=6.8×105M-1cm-1)。

1.4 功能復(fù)合體的制備

PEG-b-P4VP/ZnTPPS復(fù)合體的制備：首先將一定量的PEG-b-P4VP溶解在pH=2的水溶液中，放置24 h 以上，保證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，調(diào)節(jié)溶液的pH值至中性，此時，P4VP鏈段發(fā)生去質(zhì)子化，最終形成以疏水P4VP為核，PEG為殼的膠束。然后在磁力攪拌下，加入一定量的ZnTPPS水溶液。嵌段共聚物濃度依分別為1 mg/mL, 0.1 mg/mL，ZnTPPS濃度均為4 μmol/L。

CTAB/ZnTPPS復(fù)合體的制備：稱取一定質(zhì)量的CTAB于干凈的玻璃瓶中，加入一定量的超純水進行溶解。然后在強力電磁攪拌條件下，逐滴加入一定量的ZnTPPS水溶液。CTAB濃度依次分別為1 mg/mL, 0.1 mg/mL，ZnTPPS濃度均為 4 μmol/L。

1.5 ZnTPPS光學(xué)穩(wěn)定性的測定

取4 mL不同濃度復(fù)合體溶液放入透明的玻璃瓶中，在不斷攪拌下，用150 W的氙燈光照(用濾波片過濾掉360 nm以下的紫外光)，分別記錄在不同光照時間下的溶液的紫外-可見光譜變化。光照后ZnTPPS在復(fù)合膠束內(nèi)含量用Ax/A0表示，其中A0和Ax分別表示光照開始前和光照不同時間后ZnTPPS的Soret 帶紫外-可見光譜吸收峰強度。

1.6 儀器及測試

Varian UNITY-plus 400核磁共振波譜儀(1H NMR)(美國)，以CDCl3作劑；Waters 600凝膠滲透色譜儀(GPC)(美國)，以DMF為流動相，流速1 mL/min，柱溫 25℃，以單分散性聚苯乙烯為標準樣；動態(tài)光散射儀(DLS)，美國 Brookhaven公司 BI-9000AT 相關(guān)儀，美國 Coherent公司 BI-200SM光度計，He-Ne激光發(fā)生器，激光波長為636 nm；透射電子顯微鏡(TEM)， TecnaiG220 S-TWIN 電子顯微鏡(由荷蘭 FEI 公司制造)，加速電壓為 200 kV，此設(shè)備配備有Model 794 CCD相機(512×512)(由英國Gatan 公司制造)；UV-2550 紫外-可見分光光度計(Shimadzu, Japan)；F-4600熒光光度計(Hitachi, Japan)

2 結(jié)果與討論

2.1 復(fù)合體的結(jié)構(gòu)表征

嵌段共聚物PEG-b-P4VP在中性條件下將形成以疏水P4VP為核，親水的PEG為殼的膠束。由于P4VP中吡啶基團與ZnTPPS中間金屬鋅離子存在配位作用，所以金屬卟啉分子將吸附到膠束核的表面。首先對PEG-b-P4VP/ZnTPPS復(fù)合體的形態(tài)進行表征。用動態(tài)光散射測定溶液中膠束的粒徑和粒徑分布情況，粒徑大小如圖1所示。在聚合物PEG-b-P4VP濃度為1 mg/mL時，PEG-b-P4VP/ZnTPPS復(fù)合體的平均粒徑為70 nm。插圖為該復(fù)合體的透射電鏡照片，從圖中可以看到，該膠束具有規(guī)整的球狀形態(tài)，平均粒徑為35 nm。由于透射電鏡的樣品是在干態(tài)下測定的，膠束溶液發(fā)生了很大的收縮，而 DLS 測定的樣品是在溶液狀態(tài)下測量的，在此條件下，膠束的可溶性鏈處于溶脹或伸展狀態(tài)，因此與透射電鏡所得數(shù)據(jù)相比，DLS測得復(fù)合膠束的粒徑都比較大。由于CTAB的濃度很小，一般不能通過DLS和透射電鏡測定粒徑大小，所以本實驗未能給出CTAB/ZnTPPS復(fù)合體的形態(tài)特征。

圖1 PEG-b-P4VP / ZnTPPS復(fù)合體的粒徑分布圖，插圖為其TEM照片

2.2 復(fù)合體的光學(xué)性質(zhì)表征

為了驗證配位作用以及靜電相互作用對金屬卟啉光學(xué)性質(zhì)的影響，分別用紫外-可見分光光度計和熒光光度計對兩種復(fù)合體進行了表征。中性條件下，ZnTPPS 放入水溶液時，在紫外-可見光譜中顯示出其特征吸收峰：在421 nm波長處吸收峰為ZnTPPS的Soret帶的吸收，在555 nm和595 nm波長處的吸收峰為其Q帶的吸收[7]。形成PEG-b-P4VP/ZnTPPS復(fù)合體后，ZnTPPS在Soret帶特征吸收峰紅移至433 nm處，這是因為吡啶基團與金屬卟啉發(fā)生配位作用所導(dǎo)致。插圖中為相應(yīng)的熒光發(fā)射光譜的變化，ZnTPPS在607 nm和656 nm波長處的吸收峰為其特征的發(fā)射峰，而與嵌段共聚物配位復(fù)合后，熒光發(fā)射峰紅移至611 nm和660 nm波長處，從而證明了嵌段共聚物PEG-b-P4VP已與ZnTPPS發(fā)生復(fù)合。

圖2 PEG-b-P4VP/ZnTPPS復(fù)合體的紫外-可見光譜，插圖為相應(yīng)熒光發(fā)射光譜變化曲線

當ZnTPPS與CTAB發(fā)生靜電相互作用后，其ZnTPPS的光譜學(xué)性質(zhì)同樣發(fā)生了變化。圖3表示CTAB/ZnTPPS復(fù)合體在不同CTAB濃度下的紫外-可見光譜圖。ZnTPPS在復(fù)合體中Soret帶特征吸收峰紅移至426 nm處，這是因為CTAB中帶正電的氨基與金屬卟啉中帶負電的磺酸基團發(fā)生靜電相互作用所致，從而證明了該復(fù)合體的形成。從金屬卟啉在Soret帶吸收峰紅移程度看，靜電相互作用使ZnTPPS紅移了5 nm，而配位作用導(dǎo)致ZnTPPS紅移了12 nm，這說明靜電相互作用對金屬卟啉的光學(xué)性質(zhì)影響較小。而從相應(yīng)的熒光發(fā)射光譜來看(圖3插圖所示)，ZnTPPS在607 nm和656 nm波長處的特征發(fā)射峰并沒有移動，同樣證明了靜電作用對于金屬卟啉的光學(xué)性質(zhì)影響較弱。從熒光峰強度來看，0.1 mg/mL CTAB的濃度下，其熒光峰強度最低。根據(jù)文獻的結(jié)果，這是因為ZnTPPS在CTAB的表面有一定程度的J-聚集，導(dǎo)致了熒光淬滅，從而使其熒光強度下降[8]。而當CTAB的濃度的提高到1 mg/mL時，溶液中存在更多的CTAB的膠束，相對每個膠束表面的ZnTPPS的量較少，減少了ZnTPPS的聚集，從而使得熒光強度上升。

圖3 CTAB/ZnTPPS復(fù)合體的紫外-可見光譜，插圖為相應(yīng)的熒光發(fā)射光譜變化曲線

2.3 復(fù)合體光學(xué)穩(wěn)定性的表征

作為金屬卟啉的代表，ZnTPPS在水溶液中表現(xiàn)了高光化學(xué)活性和低光穩(wěn)定性。當ZnTPPS樣品儲存在黑暗處時，每個峰的吸收強度保持不變。然而，當ZnTPPS暴露在氙燈光源下時(λ>360 nm)，ZnTPPS會發(fā)生光降解反應(yīng)。圖4表明了在光照情況下，ZnTPPS紫外-可見光譜隨時間變化圖。在30分鐘內(nèi)，ZnTPPS在421 nm處的典型吸收峰強度急劇下降，說明了金屬卟啉吡咯大環(huán)發(fā)生了不可逆變化，造成了ZnTPPS的光降解，從而使其失去活性。

圖4 ZnTPPS在不同光照時間下紫外-可見光譜變化曲線

當ZnTPPS與嵌段共聚物形成復(fù)合體后，其光學(xué)穩(wěn)定性得到了極大的提高。圖5表示在1 mg/mL的PEG-b-P4VP聚合物濃度下，ZnTPPS在不同光照時間內(nèi)的紫外-可見光譜變化曲線。光照一段時間后，其在433 nm波長處的吸收峰強度下降幅度要遠遠低于單純ZnTPPS在相同時間的下降幅度，從而充分說明了配位作用對于ZnTPPS光學(xué)穩(wěn)定性的提高。插圖為ZnTPPS在不同聚合物濃度下的光降解動力學(xué)曲線。其中A0和Ax分別表示了光照前和光照不同時間后ZnTPPS的Soret帶吸收峰強度。Ax/A0的比值意味著剩余ZnTPPS的百分含量。分析表明，在1 mg/mL的嵌段共聚物濃度下，ZnTPPS降解了13%，顯示出較好的光學(xué)穩(wěn)定性。這是因為聚合物濃度越高，有更多的吡啶基團與ZnTPPS發(fā)生配位作用，從而使其具有更高的光學(xué)穩(wěn)定性。

圖5 PEG-b-P4VP/ ZnTPPS復(fù)合體隨光照時間紫外—可見光譜變化曲線，插圖為剩余ZnTPPS在復(fù)合體中的百分含量

以靜電相互作用形成的CTAB/ ZnTPPS復(fù)合體中，ZnTPPS的光學(xué)穩(wěn)定性同樣得到了一定程度的提高。圖6表示在1 mg/mL的CTAB濃度下，ZnTPPS在不同光照時間內(nèi)的紫外-可見光譜變化曲線。在相同條件下，光照一段時間后， ZnTPPS在復(fù)合體中的吸收峰下降幅度同樣低于單純ZnTPPS的下降幅度，這充分說明靜電作用對于ZnTPPS 的光學(xué)穩(wěn)定性的提高。值得注意的是，在0.1 mg/mL的CTAB濃度下，ZnTPPS降解了15%，而在1 mg/mL的CTAB濃度下，降解了25%(插圖所示)。這是因為在較低的CTAB濃度下，ZnTPPS發(fā)生了J-聚集，該聚集不僅導(dǎo)致熒光淬滅，同樣使其產(chǎn)生單線態(tài)的氧的能力下降，而單線態(tài)氧的攻擊導(dǎo)致了ZnTPPS光學(xué)降解，這與CTAB/ZnTPPS在熒光發(fā)射光譜變化一致。在較高的CTAB濃度下，ZnTPPS在膠束表面的聚集較少，產(chǎn)生單線態(tài)氧能力較強，光學(xué)穩(wěn)定性較差。通過對比可以看到，ZnTPPS在PEG-b-P4VP/ZnTPPS復(fù)合體具有更好的光學(xué)穩(wěn)定性，從而說明與靜電作用相比，配位作用在提高金屬卟啉的光學(xué)穩(wěn)定性方面發(fā)揮著更大的作用。

圖6 CTAB/ ZnTPPS復(fù)合體隨光照時間紫外—可見光譜變化曲線，插圖為剩余ZnTPPS在復(fù)合體中的百分含量

3 結(jié)論

表面活性劑CTAB和嵌段共聚物PEG-b-P4VP分別與金屬卟啉ZnTPPS通過非共價作用組裝形成了兩種功能復(fù)合體，詳細研究了兩種復(fù)合體內(nèi)ZnTPPS光學(xué)穩(wěn)定性的情況。在CTAB/ZnTPPS復(fù)合體中，增加CTAB的濃度，減少了ZnTPPS在復(fù)合體表面的聚集，從而降低了ZnTPPS的光學(xué)穩(wěn)定性；在PEG-b-P4VP/ ZnTPPS復(fù)合體中，增加聚合物的濃度，提高了ZnTPPS與復(fù)合體配位能力，從而增強了ZnTPPS的光學(xué)穩(wěn)定性。相比而言，配位作用在提高金屬卟啉的光學(xué)穩(wěn)定性方面發(fā)揮了更大的作用。

[1] 楊再文，楊進，黃曉卷，等. 金屬卟啉類超分子催化劑[J].化學(xué)進展，21，4:588-599.

[2] Huszank R, Horvath O. A heme-like, water-soluble iron(ii) porphyrin: thermal and photoinduced properties, evidence for sittingatop structure [J]. Chem. Commun., 2005, 2:224-226.

[3] Itoh T, Yano K, Inada Y, et al. Photostabilized Chlorophyll a in Mesoporous Silica: Adsorption Properties and Photoreduction Activity of Chlorophyll a [J]. J. Am. Chem. Soc., 2002, 124(45):13437-13441.

[4] Bekale L, Barazzouk S, Hotchandani S. Beneficial role of gold nanoparticles as photoprotector of magnesium tetraphenylporphyrin [J]. J. Mater. Chem., 2012, 22:2943-2951.

[5] Chai Z, Gao H, Ren J, et al. MgTPPS/block copolymers complexes for enhanced stability and photoactivity [J]. RSC Adv., 2013, 3:18351-18358.

[6] Zhang W, Shi L, Ma R, et al. Micellization of thermo- and ph-responsive triblock copolymer of poly(ethylene glycol)-b-poly(4-vinylpyridine)- b-poly(N-isopropylacrylamide) [J]. Macromolecules, 2005, 38:8850-8852.

[7] Wang X, Chai Z, Ma R, et al. Enhancement of the photostability and photoactivity of metallomeso-5,10,15,20-tetrakis-(4-sulfonatophenyl)porphyrins by polymeric micelles [J]. J. Colloid. Interface. Sci., 2012, 388:80-85.

[8] Gon?alves P J, Corrêa D S, Franzen P L, et al. Effect of interaction with micelles on the excited-state optical properties of zinc porphyrins and J-aggregates formation [J]. Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy, 2013, 112:309-317.