陳 琛,李 娜

(1.西安交通大學(xué) 醫(yī)學(xué)部，陜西 西安 710061;2.西安交通大學(xué) 化工學(xué)院, 陜西 西安 710049)

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·化學(xué)與化學(xué)工程·

快速響應(yīng)葡萄糖敏感水凝膠的合成及性能

陳 琛1,李 娜2

(1.西安交通大學(xué) 醫(yī)學(xué)部，陜西 西安 710061;2.西安交通大學(xué) 化工學(xué)院, 陜西 西安 710049)

以苯硼酸(PBA)為識別元素,合成了含茜素紅(ARS)的葡萄糖敏感水凝膠ARS-P(AAPBA-DMAA-AM),通過IR和SEM表征了其組成和結(jié)構(gòu),考察了水凝膠對葡萄糖的響應(yīng)性能。結(jié)果表明,含ARS水凝膠的溶脹度隨著葡萄糖濃度的增加不斷增大,在生理條件下ARS-P(AAPBA-DMAA-AM)與不含ARS的水凝膠P(AAPBA-DMAA-AM)相比,響應(yīng)時間縮短了50%。ARS的加入提高了水凝膠對葡萄糖的響應(yīng)性。

葡萄糖敏感水凝膠,茜素紅,苯硼酸,快速響應(yīng)

基于響應(yīng)型水凝膠是精密儀器的發(fā)展趨勢，作為分子識別元件的葡萄糖敏感水凝膠研究成為生物傳感器制備的核心問題之一,可以采用葡萄糖氧化酶(GOD)、伴刀豆球蛋白(ConA)、苯硼酸(PBA)作為識別元素[1-3]。由于GOD，ConA在體內(nèi)會引起免疫反應(yīng),并在傳感器使用和放置中產(chǎn)生不良作用。PBA及其衍生物可與具有鄰位順式二醇結(jié)構(gòu)的糖類可逆結(jié)合形成PBA鹽,引起凝膠溶脹[4]。PBA的pKa值為8.6,在此條件下PBA是中性和帶電狀態(tài)共存,帶電荷的PBA可以與葡萄糖通過可逆共價鍵形成相對穩(wěn)定的絡(luò)合物,表現(xiàn)出明顯的糖敏感性,而在低pH 介質(zhì)中(pH=7.4)PBA以不帶電荷狀態(tài)存在,因此在生理條件下對外界刺激響應(yīng)時間長、吸水速率慢,使應(yīng)用受到限制。

合成了含茜素紅(ARS)的快速響應(yīng)PBA共聚物水凝膠,由于染料ARS在生理條件下(pH=7.4)可以與PBA形成帶電荷的PBA鹽,增加離子狀態(tài)PBA的量,因此,提高了PBA凝膠對葡萄糖的響應(yīng)能力。

1 實驗部分

1.1 試劑和儀器

PBA,98%(質(zhì)量分數(shù)),Sigma公司;丙烯酰胺(Am),AR,中國醫(yī)藥公司北京采購供應(yīng)站;過硫酸銨(APS),AR,天津市瑞金特化學(xué)品有限公司;四甲基乙二胺(TEMED),AR,天津市光復(fù)精細化工研究所;N,N-二甲基丙烯酰胺(DMAA),AR,Sigma公司;ARS,AR,佳惠天新精細化工開發(fā)中心;N,N`-亞甲基雙(2-丙烯酰胺)(MBA),CP,國藥集團化學(xué)試劑有限公司;氮氣,高純(≥99.999%，體積分數(shù)),西安西化化工公司；1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳化二亞胺鹽酸鹽(EDAC),AR,Sigma公司；丙烯酸(AA),AR,天津市福晨化學(xué)試劑廠。

AL104型電子分析天平,瑞士METTLER-TOLEDO公司;PB-10型數(shù)顯酸度計,德國sartorious公司;RE-52AA型旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器,中國上海亞榮生化儀器廠。

1.2 3-丙烯酰胺基苯硼酸(AAPBA)的制備

將一定量AA和PBA分別溶于蒸餾水中,用NaOH溶液調(diào)節(jié)pH至5,置于冰水浴中。將適量EDAC加入到PBA溶液中快速攪拌并通N2,緩慢滴加AA溶液,反應(yīng)12h。反應(yīng)完,用乙醚萃取多次,將乙醚相真空干燥得粗產(chǎn)物,用蒸餾水重結(jié)晶,得白色晶體,產(chǎn)率為47.6%。

采用美國Varian Mercury Vx300核磁共振儀對得到的產(chǎn)品核磁檢測,1H NMR (DMSO):δ=5.8(1H, CH2dCH), 6.3(1H, CH2dCH), 6.4(1H, CH2dCH), 7.3(1H,phenyl),7.5(1H,phenyl),7.8(1H,phenyl),7.9(1H,phenyl), 8.1(2H, B(OH)2),10.1(1H,NH),證明合成出的白色晶體為AAPBA。

1.3 含AAPBA水凝膠的制備

按比例分別稱取AAPBA，AM及MBA,加入蒸餾水溶解,移取DMAA，TEMED,混合均勻。加入APS溶液(40mg/mL),混合后迅速移取適量加到反應(yīng)器中,整個過程通N2保護,最后得到薄膜狀凝膠。將制備好的凝膠膜,恒溫放在蒸餾水中48h,每隔6h更換一次蒸餾水,然后將凝膠膜放入0.1mol/L磷酸緩沖溶液中48h,定時更換溶液,最后將凝膠真空干燥備用。

1.4 含ARS凝膠的制備

將制備的干凝膠置于1mmol/L的ARS溶液中,每隔一定時間測定溶液的吸光度,直至溶液吸光度不變,認為ARS負載完全。將含ARS凝膠用蒸餾水將外表面沖洗干凈,冷凍干燥。

1.5 水凝膠的FTIR表征

采用EQUINOX-55型FTIR對聚合物進行測定。

1.6 水凝膠的SEM表征

采用日立S-570型掃描電子顯微鏡對水凝膠形貌進行表征。將水凝膠放入磷酸緩沖液(PBS)或葡萄糖溶液中至平衡,然后在液氮中淬冷,冷凍干燥。

1.7 水凝膠的葡萄糖敏感性測定

將恒重后的凝膠膜片浸入葡萄糖溶液中,30min稱量一次凝膠重量,根據(jù)溶脹度公式來計算凝膠的溶脹度。

式中：W1表示溶脹后凝膠的質(zhì)量,即將凝膠從所浸入溶液中取出,吸干表面水分后稱量的質(zhì)量;W0表示干凝膠的質(zhì)量,即凝膠在真空干燥箱中至恒重。

1.8 水凝膠重復(fù)性能測定

將干凝膠中放入40mmol/L pH=8.5的葡萄糖溶液溶脹至恒重,再放入PBS中消溶脹至恒重,再放入同濃度葡萄糖溶液溶脹,再次放入PBS中消溶脹,反復(fù)交替,每30min稱量一次凝膠重量。

2 結(jié)果與討論

2.1 含ARS水凝膠的FTIR表征

PBA與AA在EDAC作用下,發(fā)生脫水縮合得到AAPBA,反應(yīng)式如下:

產(chǎn)物的紅外譜圖如圖1所示,3 424.96cm-1和1 623.77cm-1處的吸收峰分別是酰胺基團NH—和CO的伸縮振動吸收峰。在1 640cm-1-1 680cm-1沒有出現(xiàn)雙鍵吸收峰,表明雙鍵斷裂發(fā)生了聚合。在2 931.27cm-1和1 405.85cm-1處有強的C—H的吸收峰,表明存在較長的碳鏈。1 145.51cm-1和1 054.87cm-1為ARS的磺酸基團的伸縮振動吸收峰。1 251cm-1處為—OH的面內(nèi)變形振動形成的吸收峰,也就是硼酸基團(—B(OH)2)在此處的特征吸收峰?！狟(OH)2基團的紅外吸收峰原在1 344cm-1處,由于絡(luò)合的ARS是給電子基,使吸收峰向短波數(shù)移動,所以在1 251cm-1處有吸收。結(jié)果表明,制備出了含ARS的ARS-P(AAPBA-DMAA-AM)水凝膠。

圖1 ARS-P(AAPBA-DMAA-AM)的FTIR圖Fig.1 The FTIR spectrum of the ARS-P(AAPBA-DMAA-AM)

2.2 含ARS水凝膠的SEM表征

圖2的a是水凝膠在PBS溶液中浸泡后的內(nèi)部結(jié)構(gòu)SEM圖。b是水凝膠在葡萄糖溶液中溶脹平衡后的內(nèi)部結(jié)構(gòu)SEM圖。從圖2可看出,含ARS水凝膠在葡萄糖溶液中的網(wǎng)絡(luò)孔徑明顯大于在PBS溶液中的孔徑,表明在葡萄糖溶液中水凝膠溶脹度變大,有顯著的糖響應(yīng)性。

圖2 ARS-P(AAPBA-DMAA-AM)水凝膠的形態(tài)Fig.2 The SEM of ARS-P(AAPBA-DMAA-AM) hydrpgels

2.3 水凝膠在不同葡萄糖濃度下的響應(yīng)速度

A: ARS-P(AAPBA-DMAA-AM)水凝膠;B:P(AAPBA-DMAA-AM)水凝膠圖3 水凝膠在不同濃度葡萄糖溶液中的響應(yīng)時間Fig.3 The SD of the hydrogel in various glucose concentrations

圖3是水凝膠在pH=8.5的不同葡萄糖溶液中的響應(yīng)時間曲線。可以看出,含ARS凝膠的溶脹度隨著葡萄糖濃度的增加不斷增大,達到最大溶脹度的響應(yīng)時間為120min,相比P(AAPBA-DMAA-AM)的最大響應(yīng)時間360min(10mmol/L)及540min(40mmol/L),縮短了50%以上。由于凝膠分子鏈的PBA配基與凝膠網(wǎng)絡(luò)中的ARS結(jié)合形成PBA鹽,帶負電荷的PBA鹽易與葡萄糖成鍵,增加了水凝膠的葡萄糖敏感性。

2.4 水凝膠在不同pH7.3溶液中的溶脹度對比

對比ARS-P(AAPBA-DMAA-AM)和P(AAPBA-DMAA-AM)水凝膠在pH=7.3的濃度為8mmol/L的葡萄糖溶液中的溶脹度,結(jié)果如圖4。

圖4 ARS-P(AAPBA-DMAA-AM)與P(AAPBA-DMAA-AM)水凝膠在葡萄糖溶液中(8mM)的溶脹度Fig.4 The SDs of ARS-P(AAPBA-DMAA-AM) and P(AAPBA-DMAA-AM) hydrogels in glucose solutions(8mM)

將ARS-P(AAPBA-DMAA-AM)水凝膠在pH=7.3的8mmol/L葡萄糖溶液中的溶脹度有較明顯的變化,且達到溶脹平衡的時間縮短約為120min,P(AAPBA-DMAA-AM)水凝膠在相同條件下沒有明顯的溶脹,ARS-P(AAPBA-DMAA-AM)凝膠在pH=7.3時較低葡萄糖濃度下溶脹度發(fā)生了變化?？梢钥闯?，在凝膠的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中加入ARS后,ARS-P(AAPBA-DMAA-AM)凝膠對葡萄糖表現(xiàn)出更強的敏感性。

PBA在高pH 介質(zhì)中(pH=8.6)以帶電荷狀態(tài)存在,而在低pH 介質(zhì)中(pH=7.4)以不帶電荷狀態(tài)存在。帶電荷的PBA鹽可以與葡萄糖通過可逆的共價鍵形成相對穩(wěn)定的絡(luò)合物,表現(xiàn)出明顯的糖敏感性。ARS在生理條件下(pH=7.4)可以與PBA配基形成帶電荷的PBA鹽[5],增加離子狀態(tài)PBA的量,提高PBA對葡萄糖的響應(yīng)能力。

2.5 水凝膠的使用重復(fù)性

將ARS-P(AAPBA-DMAA-AM)水凝膠進行溶脹、消溶脹實驗，如圖5所示。水凝膠重復(fù)使用多次,葡萄糖敏感性沒有變化。凝膠中的PBA配基與葡萄糖的二醇形成可逆硼酸鹽,當(dāng)周圍葡萄糖濃度降低,凝膠網(wǎng)絡(luò)中的葡萄糖分子解離下來,PBA配基重新生成。

圖5 ARS-P(AAPBA-DMAA-AM)水凝膠在PBS和葡萄糖溶液重復(fù)性Fig.5 The repeatability behaviors of ARS-P(AAPBA-DMAA-AM) hydrogels

3 結(jié) 論

1)制備了含ARS的快速響應(yīng)水凝膠ARS-P(AAPBA-DMAA-AM),與P(AAPBA-DMAA-AM)水凝膠在不同葡萄糖濃度下的溶脹度相比,響應(yīng)時間縮短約50%,響應(yīng)強度也明顯提高。在pH=7.3,含ARS凝膠的葡萄糖敏感性有很大的提升。

2) ARS在生理條件下(pH=7.4)可以與PBA配基形成帶電荷的PBA鹽,增加離子狀態(tài)PBA鹽的量,提高PBA對葡萄糖的響應(yīng)能力。

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(編 輯 陳鐿文)

Synthesis and properties of fast-response glucose-sensitive hydrogels containing immobilized phenylboronic acid

CHEN Chen1， LI Na2

(1.Health Science Center, Xi′an Jiaotong University, Xi′an 710061, China;2.School of Chemical Engineering and Technology, Xi′an Jiaotong University, Xi′an 710049， China)

The ARS-containing glucose-sensitive ARS-P(AAPBA-DMAA-AM) hydrogel was synthesized with phenylboronic acid as recognition element, and characterized by means of IR, and SEM. Under the conditions of different glucose concentrations, the response properties of ARS-P(AAPBA-DMAA-AM) hydrogel towards glucose were studied. The results showed the swelling degree of the ARS-P(AAPBA-DMAA-AM) hydrogel increased with the increase of the glucose concentrations. Compared with P(AAPBA-DMAA-AM) hydrogel, the response time of ARS-P(AAPBA-DMAA-AM) hydrogel to concentration of glucose decreased by about 50%. ARS increased the sensitivity of the hydrogels towards glucose at the physiological pH.

glucose-sensitive hydrogels； Alizarin Red S; phenylboronic acid；fast-response

2016-04-11

國家級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃基金資助項目(201510698076)；國家自然科學(xué)基金資助項目(51176154)

陳琛，女，陜西西安人，從事醫(yī)用高分子材料研究。

李娜，女，陜西西安人，教授，博士，從事化工新材料研究。

TQ316.4

A

10.16152/j.cnki.xdxbzr.2016-05-013