席芸芸，唐 青，黄 英*，陶 朱，薛赛凤，祝黔江

1. 贵州大学西南药用生物资源教育部工程研究中心，贵州 贵阳 550025 2. 贵州大学大环化学及超分子化学重点实验室，贵州 贵阳 550025

光谱法研究八元瓜环与硫堇及多菌灵的主客体相互作用

席芸芸1,2，唐 青1，黄 英1,2*，陶 朱2，薛赛凤2，祝黔江2

1. 贵州大学西南药用生物资源教育部工程研究中心，贵州 贵阳 550025 2. 贵州大学大环化学及超分子化学重点实验室，贵州 贵阳 550025

利用紫外-可见吸收光谱法及荧光光谱法研究了八元瓜环与三环碱性染料硫堇及常用杀菌剂多菌灵的超分子相互作用，探讨了主客体相互作用的机制及光谱变化，并对其分析检测性能进行了研究。结果表明： 在0.01 mol·L-1的盐酸溶液中，八元瓜环与硫堇形成了摩尔比为1∶2主客体复合物，且八元瓜环能使硫堇的荧光发生猝灭； 在八元瓜环/硫堇体系中加入多菌灵后，多菌灵能使体系的荧光增强，从而形成了荧光的“开-关”效应，其原因可能是由于八元瓜环与硫堇及多菌灵形成了主客体配合物而引起的。此外，测试了超分子体系的线性范围及检出限，并对酸度、共存物质对体系的影响进行了测试。结果表明多菌灵的浓度在0～3.5 μmol·L-1范围内与体系荧光强度呈线性关系，线性方程为If=0.45c+32.24，相关系数为0.999，检出限为9.39×10-8mol·L-1。选择了常见离子及结构类似的苯并咪唑类杀菌剂对体系进行干扰测定，结果表明在一定浓度时，常见离子及结构类似的苯并咪唑类杀菌剂对多菌灵的检测不造成干扰。该结果为超分子配合物在农药残留检测方面的应用提供理论依据。

八元瓜环； 硫堇； 多菌灵； 荧光“开-关”

引 言

瓜环是一类由苷脲单元通过亚甲基桥联起来的大环笼状化合物。瓜环两端口分别分布着与其结构单元数相同的羰基氧原子，具有特殊的疏水性笼体和亲水性端口结构[1-2]。瓜环具有刚性结构，与客体之间的相互作用由瓜环的空腔尺寸和分子的种类、大小、所带基团等共同决定[3-4]。客体分子与瓜环形成超分子自组装体系后，其理化性质及光学性质等发生了不同程度的改变[5-7]。通过改变温度，酸碱度，介质条件从而实现分子开关的研究发展迅猛，荧光开关在光学显示、信息存储、荧光成像、生物传感等领域的潜在应用，激发了众多学者的研究热情。

硫堇(TH)为三环碱性染料，常用作生物染色剂，能与八元瓜环(Q[8])形成主客体配合物[8-11]，多菌灵(CBZ)为常见的苯并咪唑类杀菌剂(图1)[12-13]。选择染料硫堇及农药多菌灵为研究对象，研究八元瓜环与硫堇及多菌灵之间的主客体相互作用，尝试构建瓜环-染料-农药三者形成的超分子荧光“开-关”体系，为农药残留检测提供理论依据。

图1 瓜环、硫堇及多菌灵分子结构

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

Agilent 8453型紫外-可见分光光度计(Agilent, America), Cary Eclipse荧光光谱仪(Agilent, America)，八元瓜环由实验室按文献[14-15]制备，硫堇，多菌灵，麦穗宁，噻菌灵，购自阿拉丁试剂有限公司，水为二次蒸馏水。

1.2 紫外吸收光谱及荧光发射光谱测定

TH，CBZ配成1.00×10-3mol·L-1母液，Q[8]配成1.00×10-4mol·L-1母液备用。以盐酸调节体系pH 2，固定客体TH的浓度为1×10-5mol·L-1，采用摩尔比法改变瓜环的浓度(0～8)×10-6mol·L-1分别配制一系列不同物质的量之比的溶液； 测定Q[8]与TH在溶液中的紫外可见吸收光谱，并以激发波长为600 nm，激发狭缝为5 nm，发射狭缝为5 nm测定体系的荧光发射光谱。此后，固定Q[8]/TH体系浓度为5.00×10-6mol·L-1，加入多菌灵，分别以上述相同条件测定三者紫外可见吸收光谱与荧光发射光谱。

1.3 分析检测性能研究

在pH 1.0～13.0范围内，测定体系酸度对多菌灵增强Q[8]/TH体系荧光强度的影响。取常见金属离子Fe3+，Mg2+，Ca2+及苯并咪唑类杀菌剂噻菌灵及麦穗宁，按荧光强度改变值相对误差不超过5%，测定干扰物质对体系荧光强度的影响。固定Q[8]/TH体系浓度，改变多菌灵浓度(0～3.5 μmol·L-1)测定体系校正曲线，依照IUPAC规定 (Inczédy et al., 1998)，计算得到检出限。

2 结果与讨论

2.1 八元瓜环与硫堇的主客体相互作用研究

TH为三环碱性染料，其酸碱离解平衡常数pKα=11.2±0.3，在酸性溶液中为质子化状态[9]。在0.01 mol·L-1的盐酸溶液中，TH在λ=599 nm处有最大可见吸收峰，而Q[8]在此波长处无吸收，当在TH中加入Q[8]后，体系的可见吸收强度随着Q[8]浓度的增加而降低，且最大吸收波长从599 nm位移到558 nm，蓝移41 nm[图2(a)]。由等摩尔连续变化法可知，当NTH/NTH+Q[8]≈0.66时主客体达到平衡，表明Q[8]与TH形成了1∶2的主客体配合物[图2(a)插图]，其平衡常数为： (4.09±0.67)×1012L2·mol-2。图2(b)为Q[8]/TH作用体系的荧光光谱图，TH的最大荧光发射波长为625 nm，当在TH中加入Q[8]后，体系的荧光强度随着Q[8]浓度的增加而降低，且蓝移了20 nm，同理，由等摩尔连续变化法可知Q[8]与TH形成了1∶2的主客体配合物[图2(b)插图]，其平衡常数为： (4.71±1.37)×1012L2·mol-2。

2.2 八元瓜环与多菌灵的主客体相互作用研究

多菌灵为常见的苯并咪唑类杀菌剂，其酸碱电离平衡常数pKα=4.5[13]。在0.01 mol·L-1的盐酸溶液中，多菌灵为质子化状态，当在CBZ中加入Q[8]后，体系在波长275及281 nm处的紫外吸收强度随着Q[8]浓度的增加而降低，且在283 nm处有等吸收点(图3)，由等摩尔连续变化法可知，当NCBZ/NCBZ+Q[8]≈0.66时主客体达到平衡，表明Q[8]与CBZ形成了1∶2的主客体配合物[图3插图]，其平衡常数为： (1.59±0.59)×1012L2·mol-2。

图2 Q[8]与TH的紫外可见吸收光谱图(a)及ΔA～NTH/NTH+NQ[8]曲线(插图)，荧光光谱图(b)及ΔF～NTH/NTH+NQ[8]曲线(插图)

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

图3 CBZ与Q[8]的紫外可见吸收光谱图及 ΔA～NCBZ/NCBZ+NQ[8]曲线(插图)

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 八元瓜环与硫堇及多菌灵的相互作用研究

在0.01 mol·L-1的盐酸溶液中，在Q[8]/TH(1∶2)体系中逐渐滴加CBZ时(如图4所示)，体系在558 nm处的可见吸收强度逐渐减小，而在599 nm处的可见吸收强度逐渐增加，表明Q[8]/TH与CBZ形成了主客体复合物； 相应地，随着CBZ浓度的增加，Q[8]/TH(1∶2)体系在625 nm处的荧光发射强度逐渐增强，当NCBZ/NQ[8]/TH≈1时其强度不再发生改变[图4(a)所示]，荧光光谱的变化也表明了Q[8]/TH(1∶2)体系与CBZ形成了主客体复合物。此外，当把TH，Q[8]/TH(1∶2)与Q[8]/TH/CBZ(1∶2∶1)溶液置于自然光下，其颜色分别呈现出淡蓝色、淡粉色及淡紫色[如图4(b)插图所示]，也可看出瓜环与硫堇及多菌灵形成了超分子配合物。

图4 Q[8]/TH2与CBZ的紫外可见吸收光谱图(a), 荧光光谱图(b)及自然光下颜色变化(插图)

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

由以上实验结果推测当在Q[8]/TH(1∶2)体系中加入CBZ时，CBZ与染料竞争着与Q[8]结合，从而导致Q[8]/TH体系中的一个硫堇分子被挤出Q[8]的空腔，硫堇分子与CBZ协同进入Q[8]空腔形成Q[8]-TH-CBZ超分子配合物，从而导致荧光光谱的“开-关”效应，其可能作用模式如图5所示。这种瓜环-染料-农药三者形成的超分子荧光“开-关”体系，为农药残留检测提供了实验及理论依据。

图5 八元瓜环与硫堇及多菌灵三者形成的荧光“开-关”

2.4 分析检测性能研究

为了考察上述瓜环-染料-农药三者形成的超分子荧光“开-关”体系对农药的检测性能，测试了体系酸度对多菌灵增强Q[8]/TH体系荧光强度的影响。结果表明： 以0.01 mol·L-1的HCl(pH 2.0)作为体系的介质，效果最好。

在上述实验条件下，多菌灵浓度在0～3.5 μmol·L-1范围与体系荧光发射的增强呈良好线性关系，线性方程为If=0.45c+32.24，相关系数为0.999。本方法的检出限为9.39×10-8mol·L-1。

由于环境水体中可能有农药残留，因此选择了常见离子及结构类似的苯并咪唑类杀菌剂对Q[8]/TH/CBZ体系进行干扰测定。当相对误差在±5%范围内时，共存物质的最大允许量为(以倍数计)： Fe3+(300), Mg2+(300), Ca2+(300)，麦穗宁(0.01)，噻菌灵(0.01)。

3 结 论

利用紫外-可见吸收光谱及荧光光谱法证实了Q[8]与硫堇及多菌灵之间存在相互作用，Q[8]与TH及Q[8]与多菌灵均形成了1∶2的的主客体配合物，Q[8]可使TH的荧光发生猝灭，在Q[8]-TH配合物中加入CBZ后，荧光又得到恢复，从而形成了荧光的“开-关”效应。此外，测试了超分子体系的线性范围及检出限，并对酸度、共存物质对体系的影响进行了测试。研究结果表明瓜环-染料-农药三者形成的超分子荧光“开-关”体系呈现良好的线性关系及较低的检出限，为超分子配合物在农药残留检测方面的应用提供理论依据。

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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

国家自然科学基金项目(NSFC21202026)，贵州省科学技术基金项目(黔科合JZ字[2014]2005号)，贵州省英才培育项目(2012154)资助

席芸芸，1990年生，贵州大学大环化学与超分子重点实验室研究生 e-mail: 13984081994@163.com *通讯联系人 e-mail： yinghung128@163.com

S436.429

A

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