一种新型聚合物颗粒的制备及其在氨基乙酸测定中的应用

湛雪辉¹，谭淑珍¹，李革新²，李  飞¹，周随安¹

(1. 长沙理工大学 化学与生物工程学院，湖南 长沙，410114；

2. 湖南理工学院 南湖学院，湖南 岳阳，414000)

摘  要：设计一种基于荧光增强原理检测伯胺的新方法。利用邻苯二甲醛与烯丙基硫醇、乙二醇二甲基丙烯酸酯(EDMA)在偶氮二异丁腈(AIBN)引发下热聚合制得了一种新型聚合物颗粒。该聚合物颗粒本身的荧光很弱，但可与伯胺作用，形成具有强荧光的异吲哚类化合物。利用聚合物颗粒的这一性质测定氨基乙酸。实验结果表明：在pH值为8.0的磷酸盐缓冲溶液/乙醇(体积比4?1)混合介质中，控制聚合物颗粒质量浓度为1.5 g/L，聚合物颗粒与氨基乙酸反应3 h以上，反应可进行完全，混合悬浮液的荧光强度可达到稳定值。聚合物颗粒悬浮液的相对荧光强度对氨基乙酸的浓度为5.0×10^-6~7.0×10^-5 mol/L时有线性响应，线性相关系数为0.997 3，检测限为1.4×10^-6 mol/L，回收率为98.1%~103.3%。此聚合物颗粒也可以用于其他伯胺化合物的测定。

关键词：荧光分析；荧光增强；聚合物颗粒；异吲哚类化合物；氨基乙酸

中图分类号：O657.3          文献标识码：A         文章编号：1672-7207(2009)03-0587-05

Preparation of a kind of new polymer particles and its application in determination of aminoacetic acid

Zhan Xue-hui¹, TAN Shu-zhen¹, LI Ge-xin², LI Fei¹, ZHOU Sui-an¹

(1. School of Chemical and Biological Engineering, Changsha University of Science and Technology,

 Changsha 410114, China;

2. School of South Lake, Hunan Institute of Science and Technology, Yueyang 414000, China)

Abstract: A new method based on fluorescence enhancement was designed for determination of primary amine. The polymer particles were prepared by copolymerization of phthalic aldehyde, allyl mercaptan and ethylene glycol dimethacrylate (EDMA) after heating. The fluorescence intensity of the polymer particles was very weak. A compound, which had isoindole unit in its molecule with strong fluorescence intensity, would form when the polymer particles were reacted with primary amine. This property of the polymer particles was used to assay aminoacetic acid. The experimental results show that the fluorescence intensity reaches a stable value after the polymer particles (1.5 mg/mL) reacted with aminoacetic acid for 3 h in a mixed medium of pH=8.0 phosphate buffer/ethanol (volume ratio of 4?1). The polymer particles have linear response to aminoacetic acid from 5.0×10^-6 to 7.0×10^-5 mol/L with a correlation coefficient of 0.997 3, a detection limit of 1.4×10^-6 mol/L and a recovery ratio in the range of 98.1%-103.3%. The polymer particles can be used to determine other primary amines.

Key words: fluorescence analysis; fluorescence enhancement; polymer particles; compounds with isoindole unit; aminoacetic acid

荧光分析法是基于荧光化合物的荧光性能进行分析检测的。荧光化合物大多数为结构上具有大的共轭体系的有机芳族化合物或它们与金属离子形成的配合物，例如由稀土金属离子与适当配位剂形成的配合  物^[1]。荧光分析法具有灵敏度高、选择性好、适合远距离测量等优点，成为分析化学领域的前沿研究方向之一。近几年来，研究的重点是荧光化学与生物传感器、荧光微米或纳米颗粒的制备与应用。荧光传感器一般是通过物理或化学方法将荧光化合物固定于惰性基质上制备而成，主要是基于荧光猝灭原理来检测样品^[2-7]。荧光微米或纳米颗粒一般是通过微乳液法将荧光化合物包裹于惰性基质上制备而成，主要用于生物样品的荧光标记或生物成像分析^[8-14]，或基于荧光猝灭原理直接进行某些样品的检测^[15-16]。目前，基于荧光增强原理来进行分析检测的荧光传感器、荧光微米或纳米颗粒的研究很少^[17-19]。邻苯二甲醛与硫醇和伯胺共同作用，可形成具有异吲哚结构单元的化合物，该类化合物具有强荧光^[20-21]。本文作者提出一种基于荧光增强原理来检测伯胺的新方法。采用邻苯二甲醛与烯丙基硫醇、乙二醇二甲基丙烯酸酯(EDMA)在偶氮二异丁腈(AIBN)引发下热聚合制得一种聚合物颗粒。该聚合物颗粒本身的荧光很弱，但可与伯胺作用，形成具有强荧光的异吲哚衍生物。利用所制得的聚合物颗粒对氨基乙酸进行检测。

1  实  验

1.1  仪器与试剂

所有的荧光测定在Hitachi F-4500荧光光度计上进行，激发/发射狭缝设置为5.0/5.0 nm，激发/发射波长采用338/442 nm。溶液酸度用Mettler toledo delta 320 pH计测定。

烯丙基硫醇(70%)购于Alfa Aesar Johnson Matthey，乙二醇二甲基丙烯酸酯(EDMA)购于Acros Organics，邻苯二甲醛(化学纯)购于上海化学试剂公司，偶氮二异丁腈(AIBN)、氨基乙酸、N，N-二甲基甲酰胺(DMF)及其他试剂购于长沙化玻公司，均为分析纯。实验过程中所使用的水均为二次蒸馏水。

pH值为5.0~9.0的缓冲溶液由0.033 mol/L磷酸二氢钠和0.033 mol/L磷酸氢二钠按适当的比例混合而成。不同浓度的氨基乙酸标准溶液是将适量的氨基乙酸溶于缓冲溶液中得到。

1.2  聚合物颗粒的制备

将0.27 g的邻苯二甲醛溶于20 mL N，N-二甲基甲酰胺中，再加入4.0 mL EDMA和0.3 mL烯丙基硫醇。待混合均匀后，开始通氮气，约0.5 h后，加入0.2 g偶氮二异丁腈。在强搅拌、通氮及回流条件下，升温至75~80 ℃，保温反应2 h。

将上述制得的混合物进行抽滤，得到的固体进行如下处理：用DMF浸泡0.5 h后再抽滤，重复3次，然后，用乙醇淋洗固体3次，再将固体于45 ℃真空干燥3 h。最后，将固体研成极细的粉末，即得到一种新的反应性聚合物颗粒，该聚合物颗粒可用于伯胺的检测。利用该聚合物颗粒对氨基乙酸进行测定。

2  结果与讨论

2.1  聚合物颗粒的合成及测定伯胺的原理

聚合物颗粒通过自由基聚合方法制得，其中，利用烯丙基硫醇中的双键与交联剂EDMA在引发剂AIBN的引发下形成聚合物，同时，烯丙基硫醇中巯基与邻苯二甲醛中的醛基作用形成硫代半缩醛，反应方程式为：

将所制得的聚合物颗粒分散在pH值为8.0磷酸盐缓冲溶液/乙醇(体积比为4?1)的混合介质中，控制聚合物颗粒的质量浓度为1.5 g/L，测定其荧光强度；然后，加入氨基乙酸溶液(最终浓度为3.0×10^-5 mol/L)，反应4 h后测定混合悬浮液的荧光强度，结果如图1所示。从图1可看出，聚合物颗粒与氨基乙酸反应后荧光强度明显增大，反应方程式为：

a₁，a₂—加入氨基乙酸3.0×10^-5 mol/L；b₁，b₂—未加入氨基乙酸(激发峰在338 nm处，发射峰在442 nm处)

图1  聚合物颗粒悬浮液(1.5 g/L)在加入氨基乙酸前后的激发与发射光谱图

Fig.1  Fluorescent spectra of suspension of polymer particles (1.5 g/L) before and after adding aminoacetic acid

2.2  介质pH值对聚合物颗粒与氨基乙酸混合悬浮液荧光强度的影响

在pH值为8.0磷酸盐缓冲溶液/乙醇(体积比为4?1)的混合介质中，控制聚合物颗粒的质量浓度为1.5 g/L，氨基乙酸的浓度为3.0×10^-5 mol/L，聚合物颗粒与氨基乙酸反应4 h，改变介质的pH值，观察悬浮液的荧光强度的变化。实验结果如图2所示，其中，F₀为不含氨基乙酸时的荧光发射强度；F₁为含有3.0×10^-5 mol/L氨基乙酸时的荧光发射强度。从图2可看出，当介质的pH值达到8.0以后，悬浮液的荧光强度几乎不变。这是因为只有氨基才能与聚合物颗粒反应，形成具有强荧光的异吲哚结构单元。当介质的pH值较低时，氨基乙酸中的部分氨基被质子化，不能与聚合物颗粒反应；而当介质的pH值达到8.0以后，氨基乙酸中的氨基几乎都能与聚合物颗粒发生反应，若反应时间足够，悬浮液的荧光强度会达到一个稳定值。在以后的实验中，均选择混合介质的pH值为8.0。

图2  442 nm处pH值对聚合物颗粒与氨基乙酸混合悬浮液的荧光强度的影响

Fig.2  Effect of pH value on fluorescence intensity of suspension of polymer particles and aminoacetic acid at 442 nm

2.3  反应时间对聚合物颗粒和氨基乙酸混合悬浮液荧光强度的影响

在pH值为8.0的磷酸盐缓冲溶液/乙醇(体积比为4?1)混合介质中，控制聚合物颗粒的质量浓度为    1.5 g/L，氨基乙酸的浓度为3.0×10^-5 mol/L，改变反应时间，观察混合悬浮液在波长为442 nm处的荧光强度变化情况，实验结果如图3所示。由图3可知，聚合物颗粒与氨基乙酸的反应速度较慢，需要3 h后荧光强度才能达到稳定值。所以，反应最佳时间为3 h。

图3  442 nm处反应时间对聚合物颗粒和氨基乙酸混合悬浮液荧光强度的影响

Fig.3  Effect of reactive time on fluorescence intensity of suspension of polymer particles and aminoacetic acid at 442 nm

2.4  氨基乙酸的定量测定

在pH值为8.0的磷酸盐缓冲溶液/乙醇(体积比为4?1)混合介质中，控制聚合物颗粒的质量浓度为    1.5 g/L，改变氨基乙酸的浓度，聚合物颗粒与氨基乙酸反应3 h，然后，进行荧光测定，所得发射光谱图如图4所示(激发波长选择为338 nm)。

由图4可以看出，随着氨基乙酸浓度的增加，混合悬浮液的荧光强度增大。取各悬浮液在波长为   442 nm处的相对荧光强度F/F₀(相对于未加氨基乙酸时的荧光发射强度)对氨基乙酸浓度c作图(图5)，可以看出，当氨基乙酸浓度为5.0×10^-6~7.0×10^-5 mol/L时，相对荧光强度对氨基乙酸浓度呈线性响应关系，线性方程如下：

，相关系数r = 0.997 3。     (3)

ρ(氨基乙酸)/(mol?L^-1): (a) 0; (b) 5.0×10^-6; (c) 1.0×10^-5; (d) 3.0×10^-5; (e) 5.0×10^-5; (f) 7.0×10^-5

图4  聚合物颗粒悬浮液(1.5 g/L)对不同浓度的氨基乙酸的响应光谱(激发波长设为338 nm)

Fig.4  Fluorescent spectra of the suspension of polymer particles (1.5 g/L) exposed to different concentrations of aminoacetic acid at excitation wavelength 338 nm

图5  442 nm处F/F₀的实验值对氨基乙酸浓度c的关系曲线

Fig.5  Relationship between experimental values of F/F₀ and concentration of aminoacetic acid at 442 nm

若将检测限定义为：当加入氨基乙酸后引起的荧光强度变化值等于测定空白聚合物颗粒悬浮液荧光强度标准偏差(n=10)的3倍时，所对应的氨基乙酸的浓度，则用此聚合物颗粒测定氨基乙酸的检测下限为1.4×10^-6 mol/L。从图5还可以看出，当氨基乙酸浓度达到8.0×10^-5 mol/L以上时，混合悬浮液的荧光强度趋于饱和值，说明此时聚合物颗粒已反应完全。

2.5 氨基乙酸的回收试验

为了检验所制得的聚合物颗粒用于测定氨基乙酸的可行性，在pH值为8.0的磷酸盐缓冲溶液/乙醇(体积比为4?1)混合介质中，加入不同量的氨基乙酸，然后，用该聚合物颗粒进行测定。结果发现回收率为98.1%~103.3%(见表1)，这表明用此聚合物颗粒检测氨基乙酸是可行的。

表1  回收实验结果

Table 1  Results of recovery experiments

3  结  论

a. 通过邻苯二甲醛与烯丙基硫醇、EDMA在AIBN引发下热聚合而制得一种反应性聚合物颗粒。该聚合物颗粒本身的荧光很弱，但可与伯胺化合物作用，形成具有异吲哚结构单元的化合物，此类化合物具有很强的荧光。

b. 将上述聚合物颗粒与氨基乙酸作用，形成具有强荧光的异吲哚类化合物。聚合物颗粒的这一性质可以用于测定氨基乙酸。

c. 测定氨基乙酸的最佳条件为：在pH值为8.0磷酸盐缓冲溶液/乙醇(体积比为4?1)混合介质中，控制聚合物颗粒质量浓度为1.5 g/L，让聚合物颗粒与氨基乙酸反应3 h以上，反应可进行完全，混合悬浮液的荧光强度可达到稳定值。聚合物颗粒悬浮液的相对荧光强度对氨基乙酸的浓度为5.0×10^-6~7.0×10^-5 mol/L时有线性响应，线性相关系数为0.997 3，检测限为1.4×10^-6 mol/L。运用此方法测定氨基乙酸的回收率为98.1%~103.3%。

d. 上述聚合物颗粒也可以用于其他伯胺化合物的测定。

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收稿日期：2008-06-10；修回日期：2008-09-24

基金项目：国家自然科学基金资助项目(50774016)；教育部科学技术研究重点资助项目(208095)；湖南省教育厅重点科研基金资助项目(07A006)

通信作者：湛雪辉(1972-)，男，湖南汨罗人，博士，副教授，从事精细化工等研究和开发；电话：0731-2309232；E-mail: zhanxueh@163.com