光譜法研究八元瓜環(huán)與硫堇及多菌靈的主客體相互作用

席蕓蕓，唐 青，黃 英*，陶 朱，薛賽鳳，祝黔江

1. 貴州大學(xué)西南藥用生物資源教育部工程研究中心，貴州 貴陽 550025 2. 貴州大學(xué)大環(huán)化學(xué)及超分子化學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，貴州 貴陽 550025

光譜法研究八元瓜環(huán)與硫堇及多菌靈的主客體相互作用

席蕓蕓1,2，唐 青1，黃 英1,2*，陶 朱2，薛賽鳳2，祝黔江2

1. 貴州大學(xué)西南藥用生物資源教育部工程研究中心，貴州 貴陽 550025 2. 貴州大學(xué)大環(huán)化學(xué)及超分子化學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，貴州 貴陽 550025

利用紫外-可見吸收光譜法及熒光光譜法研究了八元瓜環(huán)與三環(huán)堿性染料硫堇及常用殺菌劑多菌靈的超分子相互作用，探討了主客體相互作用的機(jī)制及光譜變化，并對其分析檢測性能進(jìn)行了研究。結(jié)果表明： 在0.01 mol·L-1的鹽酸溶液中，八元瓜環(huán)與硫堇形成了摩爾比為1∶2主客體復(fù)合物，且八元瓜環(huán)能使硫堇的熒光發(fā)生猝滅； 在八元瓜環(huán)/硫堇體系中加入多菌靈后，多菌靈能使體系的熒光增強(qiáng)，從而形成了熒光的“開-關(guān)”效應(yīng)，其原因可能是由于八元瓜環(huán)與硫堇及多菌靈形成了主客體配合物而引起的。此外，測試了超分子體系的線性范圍及檢出限，并對酸度、共存物質(zhì)對體系的影響進(jìn)行了測試。結(jié)果表明多菌靈的濃度在0～3.5 μmol·L-1范圍內(nèi)與體系熒光強(qiáng)度呈線性關(guān)系，線性方程為If=0.45c+32.24，相關(guān)系數(shù)為0.999，檢出限為9.39×10-8mol·L-1。選擇了常見離子及結(jié)構(gòu)類似的苯并咪唑類殺菌劑對體系進(jìn)行干擾測定，結(jié)果表明在一定濃度時，常見離子及結(jié)構(gòu)類似的苯并咪唑類殺菌劑對多菌靈的檢測不造成干擾。該結(jié)果為超分子配合物在農(nóng)藥殘留檢測方面的應(yīng)用提供理論依據(jù)。

八元瓜環(huán)； 硫堇； 多菌靈； 熒光“開-關(guān)”

引 言

瓜環(huán)是一類由苷脲單元通過亞甲基橋聯(lián)起來的大環(huán)籠狀化合物。瓜環(huán)兩端口分別分布著與其結(jié)構(gòu)單元數(shù)相同的羰基氧原子，具有特殊的疏水性籠體和親水性端口結(jié)構(gòu)[1-2]。瓜環(huán)具有剛性結(jié)構(gòu)，與客體之間的相互作用由瓜環(huán)的空腔尺寸和分子的種類、大小、所帶基團(tuán)等共同決定[3-4]?？腕w分子與瓜環(huán)形成超分子自組裝體系后，其理化性質(zhì)及光學(xué)性質(zhì)等發(fā)生了不同程度的改變[5-7]。通過改變溫度，酸堿度，介質(zhì)條件從而實(shí)現(xiàn)分子開關(guān)的研究發(fā)展迅猛，熒光開關(guān)在光學(xué)顯示、信息存儲、熒光成像、生物傳感等領(lǐng)域的潛在應(yīng)用，激發(fā)了眾多學(xué)者的研究熱情。

硫堇(TH)為三環(huán)堿性染料，常用作生物染色劑，能與八元瓜環(huán)(Q[8])形成主客體配合物[8-11]，多菌靈(CBZ)為常見的苯并咪唑類殺菌劑(圖1)[12-13]。選擇染料硫堇及農(nóng)藥多菌靈為研究對象，研究八元瓜環(huán)與硫堇及多菌靈之間的主客體相互作用，嘗試構(gòu)建瓜環(huán)-染料-農(nóng)藥三者形成的超分子熒光“開-關(guān)”體系，為農(nóng)藥殘留檢測提供理論依據(jù)。

圖1 瓜環(huán)、硫堇及多菌靈分子結(jié)構(gòu)

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

Agilent 8453型紫外-可見分光光度計(Agilent, America), Cary Eclipse熒光光譜儀(Agilent, America)，八元瓜環(huán)由實(shí)驗(yàn)室按文獻(xiàn)[14-15]制備，硫堇，多菌靈，麥穗寧，噻菌靈，購自阿拉丁試劑有限公司，水為二次蒸餾水。

1.2 紫外吸收光譜及熒光發(fā)射光譜測定

TH，CBZ配成1.00×10-3mol·L-1母液，Q[8]配成1.00×10-4mol·L-1母液備用。以鹽酸調(diào)節(jié)體系pH 2，固定客體TH的濃度為1×10-5mol·L-1，采用摩爾比法改變瓜環(huán)的濃度(0～8)×10-6mol·L-1分別配制一系列不同物質(zhì)的量之比的溶液； 測定Q[8]與TH在溶液中的紫外可見吸收光譜，并以激發(fā)波長為600 nm，激發(fā)狹縫為5 nm，發(fā)射狹縫為5 nm測定體系的熒光發(fā)射光譜。此后，固定Q[8]/TH體系濃度為5.00×10-6mol·L-1，加入多菌靈，分別以上述相同條件測定三者紫外可見吸收光譜與熒光發(fā)射光譜。

1.3 分析檢測性能研究

在pH 1.0～13.0范圍內(nèi)，測定體系酸度對多菌靈增強(qiáng)Q[8]/TH體系熒光強(qiáng)度的影響。取常見金屬離子Fe3+，Mg2+，Ca2+及苯并咪唑類殺菌劑噻菌靈及麥穗寧，按熒光強(qiáng)度改變值相對誤差不超過5%，測定干擾物質(zhì)對體系熒光強(qiáng)度的影響。固定Q[8]/TH體系濃度，改變多菌靈濃度(0～3.5 μmol·L-1)測定體系校正曲線，依照IUPAC規(guī)定 (Inczédy et al., 1998)，計算得到檢出限。

2 結(jié)果與討論

2.1 八元瓜環(huán)與硫堇的主客體相互作用研究

TH為三環(huán)堿性染料，其酸堿離解平衡常數(shù)pKα=11.2±0.3，在酸性溶液中為質(zhì)子化狀態(tài)[9]。在0.01 mol·L-1的鹽酸溶液中，TH在λ=599 nm處有最大可見吸收峰，而Q[8]在此波長處無吸收，當(dāng)在TH中加入Q[8]后，體系的可見吸收強(qiáng)度隨著Q[8]濃度的增加而降低，且最大吸收波長從599 nm位移到558 nm，藍(lán)移41 nm[圖2(a)]。由等摩爾連續(xù)變化法可知，當(dāng)NTH/NTH+Q[8]≈0.66時主客體達(dá)到平衡，表明Q[8]與TH形成了1∶2的主客體配合物[圖2(a)插圖]，其平衡常數(shù)為： (4.09±0.67)×1012L2·mol-2。圖2(b)為Q[8]/TH作用體系的熒光光譜圖，TH的最大熒光發(fā)射波長為625 nm，當(dāng)在TH中加入Q[8]后，體系的熒光強(qiáng)度隨著Q[8]濃度的增加而降低，且藍(lán)移了20 nm，同理，由等摩爾連續(xù)變化法可知Q[8]與TH形成了1∶2的主客體配合物[圖2(b)插圖]，其平衡常數(shù)為： (4.71±1.37)×1012L2·mol-2。

2.2 八元瓜環(huán)與多菌靈的主客體相互作用研究

多菌靈為常見的苯并咪唑類殺菌劑，其酸堿電離平衡常數(shù)pKα=4.5[13]。在0.01 mol·L-1的鹽酸溶液中，多菌靈為質(zhì)子化狀態(tài)，當(dāng)在CBZ中加入Q[8]后，體系在波長275及281 nm處的紫外吸收強(qiáng)度隨著Q[8]濃度的增加而降低，且在283 nm處有等吸收點(diǎn)(圖3)，由等摩爾連續(xù)變化法可知，當(dāng)NCBZ/NCBZ+Q[8]≈0.66時主客體達(dá)到平衡，表明Q[8]與CBZ形成了1∶2的主客體配合物[圖3插圖]，其平衡常數(shù)為： (1.59±0.59)×1012L2·mol-2。

圖2 Q[8]與TH的紫外可見吸收光譜圖(a)及ΔA～NTH/NTH+NQ[8]曲線(插圖)，熒光光譜圖(b)及ΔF～NTH/NTH+NQ[8]曲線(插圖)

Fig.2 (a) Absorption spectra for TH (1×10-5mol·L-1) with increasing the amount of Q[8] from 0 to 8 μmol·L-1. Inset: ΔA～NTH/NTH+NQ[8]curve; (b) fluorescence for TH (1×10-5mol·L-1) with increasing the amount of Q[8] from 0 to 8 μmol·L-1. Inset: ΔF～NTH/NTH+NQ[8]curve

圖3 CBZ與Q[8]的紫外可見吸收光譜圖及 ΔA～NCBZ/NCBZ+NQ[8]曲線(插圖)

Fig.3 Absorption spectra for CBZ (2×10-5mol·L-1) when increasing the amount of Q[8] from 0 to 20 μmol·L-1. Inset: ΔA～NCBZ/NCBZ+NQ[8]curve

2.3 八元瓜環(huán)與硫堇及多菌靈的相互作用研究

在0.01 mol·L-1的鹽酸溶液中，在Q[8]/TH(1∶2)體系中逐漸滴加CBZ時(如圖4所示)，體系在558 nm處的可見吸收強(qiáng)度逐漸減小，而在599 nm處的可見吸收強(qiáng)度逐漸增加，表明Q[8]/TH與CBZ形成了主客體復(fù)合物； 相應(yīng)地，隨著CBZ濃度的增加，Q[8]/TH(1∶2)體系在625 nm處的熒光發(fā)射強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)，當(dāng)NCBZ/NQ[8]/TH≈1時其強(qiáng)度不再發(fā)生改變[圖4(a)所示]，熒光光譜的變化也表明了Q[8]/TH(1∶2)體系與CBZ形成了主客體復(fù)合物。此外，當(dāng)把TH，Q[8]/TH(1∶2)與Q[8]/TH/CBZ(1∶2∶1)溶液置于自然光下，其顏色分別呈現(xiàn)出淡藍(lán)色、淡粉色及淡紫色[如圖4(b)插圖所示]，也可看出瓜環(huán)與硫堇及多菌靈形成了超分子配合物。

圖4 Q[8]/TH2與CBZ的紫外可見吸收光譜圖(a), 熒光光譜圖(b)及自然光下顏色變化(插圖)

Fig.4 (a) Absorption spectra for Q[8]/TH (1∶2) system with increasing the amount of CBZ from 0 to 30 μmol·L-1； (b) Fluorescence for Q[8]/TH (1∶2) system with increasing the amount of CBZ from 0 to 30 μmol·L-1. Inset: Photograph of (1) TH, (2) Q[8]/TH (1∶2) and (3) Q[8]/TH/CBZ

由以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果推測當(dāng)在Q[8]/TH(1∶2)體系中加入CBZ時，CBZ與染料競爭著與Q[8]結(jié)合，從而導(dǎo)致Q[8]/TH體系中的一個硫堇分子被擠出Q[8]的空腔，硫堇分子與CBZ協(xié)同進(jìn)入Q[8]空腔形成Q[8]-TH-CBZ超分子配合物，從而導(dǎo)致熒光光譜的“開-關(guān)”效應(yīng)，其可能作用模式如圖5所示。這種瓜環(huán)-染料-農(nóng)藥三者形成的超分子熒光“開-關(guān)”體系，為農(nóng)藥殘留檢測提供了實(shí)驗(yàn)及理論依據(jù)。

圖5 八元瓜環(huán)與硫堇及多菌靈三者形成的熒光“開-關(guān)”

2.4 分析檢測性能研究

為了考察上述瓜環(huán)-染料-農(nóng)藥三者形成的超分子熒光“開-關(guān)”體系對農(nóng)藥的檢測性能，測試了體系酸度對多菌靈增強(qiáng)Q[8]/TH體系熒光強(qiáng)度的影響。結(jié)果表明： 以0.01 mol·L-1的HCl(pH 2.0)作為體系的介質(zhì)，效果最好。

在上述實(shí)驗(yàn)條件下，多菌靈濃度在0～3.5 μmol·L-1范圍與體系熒光發(fā)射的增強(qiáng)呈良好線性關(guān)系，線性方程為If=0.45c+32.24，相關(guān)系數(shù)為0.999。本方法的檢出限為9.39×10-8mol·L-1。

由于環(huán)境水體中可能有農(nóng)藥殘留，因此選擇了常見離子及結(jié)構(gòu)類似的苯并咪唑類殺菌劑對Q[8]/TH/CBZ體系進(jìn)行干擾測定。當(dāng)相對誤差在±5%范圍內(nèi)時，共存物質(zhì)的最大允許量為(以倍數(shù)計)： Fe3+(300), Mg2+(300), Ca2+(300)，麥穗寧(0.01)，噻菌靈(0.01)。

3 結(jié) 論

利用紫外-可見吸收光譜及熒光光譜法證實(shí)了Q[8]與硫堇及多菌靈之間存在相互作用，Q[8]與TH及Q[8]與多菌靈均形成了1∶2的的主客體配合物，Q[8]可使TH的熒光發(fā)生猝滅，在Q[8]-TH配合物中加入CBZ后，熒光又得到恢復(fù)，從而形成了熒光的“開-關(guān)”效應(yīng)。此外，測試了超分子體系的線性范圍及檢出限，并對酸度、共存物質(zhì)對體系的影響進(jìn)行了測試。研究結(jié)果表明瓜環(huán)-染料-農(nóng)藥三者形成的超分子熒光“開-關(guān)”體系呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系及較低的檢出限，為超分子配合物在農(nóng)藥殘留檢測方面的應(yīng)用提供理論依據(jù)。

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(Received May 27, 2015; accepted Sep. 1, 2015)

*Corresponding author

The Interaction of Cucurbit[8]uril with Thionine and Carbendazim with Spectroscopic Method

XI Yun-yun1, 2, TANG Qing1, HUANG Ying1, 2*, TAO Zhu2, XUE Sai-feng2, ZHU Qian-jiang2

1. The Engineering and Research Center for Southwest Bio-Pharmaceutical Resources Ministry of Education of Guizhou University, Guiyang 550025, China 2. Key Laboratory of Macrocyclic and Supramolecular Chemistry of Guizhou University, Guiyang 550025, China

In this paper, the interaction of cucurbit [8]uril(Q[8]) with thionine (TH) and carbendazim (CBZ) were investigated with fluorescence and UV-Vis spectroscopy. The experimental results showed that the inclusion complex between Q[8] and TH informed was at molar ratios of 1∶2 in 0.01 mol·L-1hydrochloric acid solution. The fluorescence intensity of the Q[8]/TH complexes quenched when Q[8] was added to TH solution, but fluorescence increasing of the Q[8]/TH complex with the addition of CBZ was observed. The fluorescence increasing values show a good linear relationship with the CBZ concentration within 0～3.5 μmol·L-1. The linear regression equation relating fluorescence intensity (If) to CBZ concentration (c) isIf=0.45c+32.24 (r=0.999). The detection limit was 9.39×10-8mol·L-1. Forthemore, the influence of foreign species on the analytical signal of the Q[8]/TH complex in the presence of carbendazim was established. No interference was observed from commonly used foreign species such as metal ions (Fe3+, Mg2+, Ca2+). In particular, benzimidazole compounds thiabendazole and fuberidazole do not interfere with CBZ determination at a specific concentration. The results revealed that complexation of Q[8] and TH with CBZ offers a fluorescent switching “on-off” effect which will supply a potential application in pesticide residues test.

Cucurbit[8]uril; Thionine; Carbendazim; Fluorescence switching “on-off” effect

2015-05-27，

2015-09-01

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(NSFC21202026)，貴州省科學(xué)技術(shù)基金項(xiàng)目(黔科合JZ字[2014]2005號)，貴州省英才培育項(xiàng)目(2012154)資助

席蕓蕓，1990年生，貴州大學(xué)大環(huán)化學(xué)與超分子重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究生 e-mail: 13984081994@163.com *通訊聯(lián)系人 e-mail： yinghung128@163.com

S436.429

A

10.3964/j.issn.1000-0593(2016)06-1809-04