第十一卷 第十期 - 2009年十二月十八日 PDF
Counter
由鋅原紫質合成聚鋅原紫質-甲基丙烯酸-二甲基丙烯酸乙二酯對膽紅素分子行模印性及選擇性之鍵結
周仕凱、許梅娟*

國立成功大學工學院化學工程學系
syumei.bioeng@gmail.com

Biomaterials 30 (2009) 1255–1262

 
字體放大
鋅原紫質-甲基丙烯酸-二甲基丙烯酸乙二酯 (poly(ZnPP-MAA-EGDMA)) 和 α 型膽紅素模印後因為鋅原紫質之金屬離子和膽紅素之配位,造成在光學波長及吸收強度上之變化。這個螢光性模版高分子材料能與 α 型膽紅素進行選擇性鍵結。和它相對應之模版高分子塊料的合成是使用甲基丙烯酸為功能性單體,以鋅原紫質為螢光單體。實驗顯示藉由共同使用鋅原紫質和甲基丙烯酸兩種單體可使得模版高分子同時具有螢光及功能性效果,因此可製備出具高度選擇性孔洞之高分子材料。經由實驗所得之模印因子 (imprinting factor) 是 3.069,乃是藉由比較模版 (MIP) 及非模版 (NIP,non-imprinted polymer) 螢光高分子的吸附結果而得。由膽紅素/膽綠素混合液之吸附實驗而得之模印因子由於膽綠素的存在而降低到 2.111。由膽紅素/膽綠素混合液之實驗則對膽紅素的吸附選擇性可以達到 2.269。

膽紅素存在動物體內且富含於血漿中,是由膽綠素氧化而來。在代謝路徑中只有少部分的膽紅素是以自由分子 (直接膽紅素) 的形式存在血液中,其他則與白蛋白形成複合物 (albumin complex) (非直接膽紅素)。非直接膽紅素被輸往肝臟後,釋出白蛋白和直接膽紅素。直接膽紅素可與葡萄糖醛酸 (glucuronic acid) 結合,最後分泌到膽管。因此血清中膽紅素的濃度可作為肝功能的指標。正常成人血清中之膽紅素濃度介於 0.1~1.2 mg/dl (10-5 M~10-6 M)。臨床上於膽紅素濃度過高時,可能是患有內臟硬化 (cirrhosis) 或肝炎 (hepatitis)、黃疸 (jaundice)、腦損傷 (brain damage) 或甚至新生兒死亡。除此之外,血清中膽紅素濃度過低與鐵質缺乏 (iron deficiency) 及胼胝體冠狀動脈 (coronary artery) 疾病有關。有鑑於此,勢必要發展出能快速且精準檢測膽紅素的方法。

分子模印 (Molecular imprinting) 的觀念是源自於 Pauling 於 1940 年提出之“抗體的形成”。專家將分子模印定義為“建造具有配體選擇性 (ligand-selective) 辨識位置的合成高分子”,其中添加模版 (template) 來輔助聚合或聚縮合 (poly-condensation) 過程共價團塊相 (bulk phase) 辨識性位置之形成;藉模版之移除使具有辨識特定分子的空間空出。功能性單體和模版分子混合,使之間可以行共價式或非共價式之鍵結。在本研究中使用甲基丙烯酸和二甲基丙烯酸乙二酯用於分子模版高分子複合物之製備;而鋅原紫質則是另一種功能性單體可用來產生螢光效果。對超分子光化學而言,適當的分子成份組裝 (超分子系統,supramolecular systems) 可設計用於合成典型的生物系統或在分子層次上組裝人造電子裝置。當金屬紫質 (metalloporphyrin) 被當成受體 (receptor),在紫質分子中央的金屬離子可以當作路易士酸位置去鍵結路易士鹼。因此,鋅原紫質 (zinc(II) protoporphyrin) 乃於本研究中被使用,金屬離子可以藉由模版分子之特殊官能基提供電子與金屬未填滿電子之外層軌道進行配位鍵結。金屬紫質錯合物同時亦可以提供氫建作用力和分子模版形成辨識性的結合。

近幾年來,本研究室主要是以分子模印技術與對膽紅素之特定鍵結及感測為目的。本文的工作乃是基於鋅原紫質 (ZnPP) 能對膽紅素進行特異性辨識之性質,進而以 ZnPP 為主要單體,發展出螢光式分子模版高分子,其製備圖如圖一所示。合成製備而成之模印聚(鋅原紫質-甲基丙烯酸-二甲基丙烯酸乙二酯) 對膽紅素確實具有較佳之鍵結及模印效果。此外,波峰的波長位移和吸收強度的變化均可做為鑑別膽紅素和模印孔洞中之受體形成配位之情形。預聚合液 (Pre-polymerization solution) 中配位複合之形成則是進一步用錯合物滴定法予以確認。
圖一  膽紅素模印聚(鋅原紫質-甲基丙烯酸-二甲基丙烯酸乙二酯)之製備圖

原紫質 (Protoporphyrin IX, PP) 結構中含有四個比咯環 (tetrapyrrole) 和膽紅素結構非常相似。原紫質結構中的四個比咯環能與膽紅素的四個比咯環可形成 π-π 堆疊作用力;而鋅原紫質 (ZnPP) 結構中的鋅可以進一步以配位作用在分子模版高分子中形成更堅固的辨識位址。因含有鋅原紫質之模版高分子所形成的辨識性孔洞在形狀和互補性作用力上與模版高分子辨識孔洞主要是由原紫質形成的,應該可維持得更穩固。因此,含有鋅原紫質之模版高分子鍵結膽紅素的能力可較含原紫質之模版高分子來得強。結合使用兩種功能性單體 (ZnPP, MAA) 製備之版高分子已經經由實驗顯示在高分子基質中之紫質和羧基對膽紅素分子之模印有增強的效果,而這是使用單一種單體的模版高分子所產生的模印效果所不及的。因此於本研究中主要是針對分子模版的聚(鋅原紫質-甲基丙烯酸-二甲基丙烯酸乙二酯)進行探討。

圖二  分子模版高分子在二甲亞楓 (DMSO) 溶液和含 50 mM 之氫氧化鈉水溶液的紫外光-可見光吸收光譜
鋅原紫質之金屬和膽紅素形成錯合的證據可以藉由鋅原紫質錯合滴定未含膽紅素之預聚合液而觀察出來。膽紅素和鋅原紫質的作用關係可以藉可見光光譜儀之吸收譜帶的量測而加以審視。分子模版高分子在二甲亞楓 (DMSO) 溶液和含 50 mM 之氫氧化鈉水溶液的紫外光-可見光吸收光譜如圖二所見。在分子模版高分子/DMSO 的曲線顯示一個位在 416 nm 附近的 Soret 譜帶 (S0/S2 轉換) 及分別在 543 nm 和 579 nm 附近的 Q-譜帶 (S0/S1 轉換);另一條曲線則是將模版高分子顆粒均勻分散在含 50 mM 氫氧化鈉水溶液中  (pH 12) 而得到的。觀察到 Soret 譜帶是在 412 nm 附近,Q-譜帶則是在 542 和 578 nm 附近。這兩條曲線非常相似。在 Soret 區域,氫氧化鈉水溶液之 412 nm 的相對強度比 DMSO 在  416 nm 的強度弱很多;然而與模版高分子在 DMSO 溶劑中較尖的譜峰比較下,模版高分子在氫氧化鈉水溶液中所展示的譜峰較寬闊,顯示較強或更多物種在水溶液中與模版高分子行鍵結。可以判斷的是,氫氧化鈉水溶液含有離子可與模版高分子結合;而在 DMSO 中只有很低的機會會發生這種情形。模印高分子基質中之鋅原紫質的軸向配體在 DMSO 和氫氧化鈉水溶液中發生去質子化,使得可見光吸收譜帶產生些微紅位移現象。圖二中,模版高分子在 DMSO 和氫氧化鈉水溶液中之 Soret 譜帶的半高寬 (Δλ1/2) 分別是 26 nm 和 24 nm,因此對兩種溶劑而言,Δλ1/2 幾乎是一樣的。

鋅原紫質在模版高分子製備時及吸附鍵結時可以透過金屬和膽紅素分子形成配位,這個現象可以由光譜曲線揭露。紫質由於配位可以造成紫外光-可見光吸收光譜產生紅位移。當分子模版中之鋅原紫質和其他化學物質鍵結時,吸收譜帶會變寬,這個現象顯示分子模版高分子之鋅原紫質在氫氧化鈉水溶液中可以鍵結更多膽紅素分子或和膽紅素分子鍵結更堅固。此外,藉由這些鍵結所造成之可見光譜紅位移可以穩定這個系統。模版高分子分散在膽紅素樣本 (濃度範圍由10-5~10 mM) 之可見光數據中,Soret-譜帶和所有的 Q-譜帶之譜峰值之改變量如圖三(a),(b)。膽紅素能完全溶於酸鹼值大於 11 的水溶液中,然而酸鹼值愈高會使膽紅素愈不穩定。本研究用來溶解膽紅素之氫氧化鈉水溶液的濃度是 50 mM。分別溶在氫氧化鈉水溶液與 DMSO 之膽紅素的紫外光-可見光譜一起進行比較,由可見光吸收光譜結果顯示當膽紅素濃度增加時有顯著的紅位移現象。可以由圖三(a),(b) 中的小圖觀察到 (即波峰所在之波長對膽紅素濃度作圖)。吸收譜帶隨著膽紅素濃度增加而有紅位移發生,可以由模版高分子在 DMSO 和氫氧化鈉溶液兩者中的情形檢視到。儘管分子模版高分子顆粒在這些溶劑中會顯示紫外光-可見光譜的位移,位移的程度在膽紅素/氫氧化鈉系統中明顯的大很多,即使是在低濃度膽紅素情況下。另一方面在膽紅素/DMSO系統中,當膽紅素濃度小於 1 mM 則未發生紅位移的現象。因此可以進一步建議:除了螢光式感測,模版高分子在氫氧化鈉環境下,其可見光區吸收譜帶之波峰波長會產生紅位移,也可以是一種感測膽紅素的替代方式。
圖三  膽紅素模印的受體在和膽紅素錯合後不同極大波峰 (λmax) 產生位移的情形 (a) in DMSO; (b) in 50 mM NaOH solution. (●) Soret 譜帶; (○) Q1 譜帶; (▲) Q2 譜帶

圖四  膽紅素滴定鋅原紫質/DMSO 溶液的光譜圖
將膽紅素加到含有鋅原紫質的 DMSO 溶液中,鋅原紫質在可見光區 (約在 548 nm 及 586 nm) 的特性 Q-譜帶即產生改變,如圖四所示。此外藉由金屬和其它的化學物質如紫質或鋅原紫質形成錯合體,也會同時造成吸收譜帶的變寬及紫外光-可見光譜紅位移。當膽紅素濃度增加時,鋅原紫質之吸收譜帶變的越來越寬,因此可以以定量方式確認鋅原紫質和膽紅素的錯合。

膽綠素在化學結構上與膽紅素相似,它是膽紅素的相似物,因此可被用來探討分子模版高分子的選擇性,選擇性分析的結果如表一。從表中檢示可知分子模版高分子在膽紅素溶液中的鍵結能力是 1.052 ± 0.102 mg/g,比分子模版高分子在膽綠素溶液中的 0.735 ± 0.055 mg/g 相對而言高出許多。分子模版高分子吸附膽綠素是以非特異性之作用力,這乃是分子模版高分子沒有產生膽綠素的特異性孔洞。此模版高分子對膽紅素的吸附能力比對膽綠素來得強,因此高分子對膽紅素的模印影響是有意義的。分子模版高分子和非分子模版高分子在混合液中對膽紅素的吸附能力分別是 1.483 ± 0.050 和 0.770 ± 0.17 mg/g,都比在膽紅素溶液中的吸附能力強。事實上分子模版高分子和非分子模版高分子在混合液中對膽紅素的吸附能力增強了是因為同時有膽綠素的存在。然而單看膽紅素吸附而言,模印效果在混合液中進行之吸附,確實比在膽紅素溶液中進行之吸附來得差。相反地,膽綠素在混合液中的鍵結能力,與在膽綠素溶液中相比是降低了,且在混合液中之膽綠素模印效果些微上升了。不過實驗顯示即便存在膽綠素,模印高分子仍能區別膽紅素和膽綠素分子。

以鋅原紫質當作螢光性單體,甲基丙烯酸是另一種單體,為的是增加與膽紅素模版分子間功能性辨識用。聚合過程中加入交聯劑二甲基丙烯酸乙二酯 (EGDMA),並以 AIBN 當起始劑,在 60 ℃ 下反應 6 小時。模印值可以達到 3.069,這個螢光性高分子在膽紅素/膽綠素混合液中對膽紅素分子的選擇性是 2.269。光學式滴定膽紅素到鋅原紫質溶液中造成譜帶形狀改變的討論可以由前述知道。螢光性分子模版高分子分別均勻分散在 DMSO 及氫氧化鈉水溶液造成吸收譜帶在譜峰波長位置產生紅位移現象也已經討論過。使用鋅原紫質來製備具模印及選擇性鍵結膽紅素之螢光性高分子的可行性也已分析了,最後也確認是可行的。
表一  膽綠素存在對膽紅素特異性鍵結的影響
< 上一篇
下一篇 >
Copyright National Cheng Kung University