分子印跡的SiO2熒光探針制備及對兒茶酚的探測

孫文潭，程 燕，張 潁

(1 安徽皖欣環(huán)境科技有限公司,安徽 合肥 230000；2 合肥市環(huán)境監(jiān)測中心站,安徽 合肥 230000)

兒茶酚常被用作染發(fā)劑、硬化劑、皮膚殺菌、電鍍添加劑和照相顯影劑等，是化工、醫(yī)藥和農(nóng)藥的中間體[1-2]。兒茶酚對人體呼吸道具有強(qiáng)烈的刺激性及致癌性，已被列入致癌物清單，因此，迫切需要尋求對兒茶酚的高選擇性識別和高敏感探測的方法。目前檢測兒茶酚的方法主要有高效液相色譜法、電化學(xué)法、固相萃取-高效液相色譜聯(lián)用法及毛細(xì)管電泳-化學(xué)發(fā)光法[3-6]，盡管這些方法可以實現(xiàn)對兒茶酚的檢測，但仍存在步驟繁瑣、成本高昂、重現(xiàn)性差等缺點。傳統(tǒng)分子印跡聚合物有著制備簡單、穩(wěn)定性好、可重復(fù)使用，且具有特異識別性、構(gòu)效預(yù)定性和廣泛實用性等優(yōu)點[7]，但是缺點是有效識別位點少，結(jié)合量小，吸附速率慢，進(jìn)入識別位點的目標(biāo)分析物自身無信號輸出。納米材料表面印跡和識別位點功能化修飾可以解決傳統(tǒng)分子印跡的缺點，已成為近年研究熱點[8-12]。

本文將納米合成、分子印跡技術(shù)與光誘導(dǎo)電子轉(zhuǎn)移機(jī)理相結(jié)合，在SiO2納米粒子的表面構(gòu)建了熒光標(biāo)記兒茶酚分子印跡的識別位點的探針，對其等溫吸附量及選擇性探討，進(jìn)一步利用其熒光特性與兒茶酚濃度關(guān)系作為信號輸出實現(xiàn)了對兒茶酚高選擇性識別和高敏感探測。

1 實 驗

1.1 納米二氧化硅的制備

首先將TEOS和適量的乙醇混合加入到500 mL帶有磨口塞的三口圓底燒瓶中，用磁力攪拌器以固定轉(zhuǎn)速500 rpm攪拌3 min，使TEOS與乙醇充分混合，然后將氨水迅速加入到上述反應(yīng)液中，以750 rpm攪拌3 min后，再次將轉(zhuǎn)速降至500 rpm，持續(xù)攪拌18～24 h，制得二氧化硅凝膠溶液。

1.2 二氧化硅納米粒子表面兒茶酚分子的印跡

避光下，將2 mg NBD和1 mL APTS加入到15 mL無水乙醇中，超聲分散5 min，放入振蕩器中在室溫下振蕩20 h。將上述制備好的NBD-APTS溶液與上述制備的納米SiO2凝膠溶液混合，避光條件下用磁力攪拌器以500 rpm攪拌24 h，得到NBD-APTS和氨丙基修飾的SiO2納米粒子，將修飾后的SiO2納米粒子平均分裝在四支50 mL的離心管中，進(jìn)行離心分離和溶劑的置換。分別用95%的乙醇和無水乙醇溶液依次離心、分散和置換3次。取上述10 mL NBD-NH2-SiO2納米粒子溶液放入磨口的100 mL錐形瓶中，加入50 mL乙醇稀釋，超聲分散5 min后，加入30 mg兒茶酚、1 mL APTS、1.5 mL的TEOS和10 mg CTAB繼續(xù)超聲5 min，在磁力攪拌器上以350 rpm的轉(zhuǎn)速反應(yīng)10 h。非印跡的SiO2納米粒子的制備與上述過程相同，僅未加兒茶酚。

1.3 洗脫處理

水解聚合反應(yīng)后，離心分離印跡SiO2納米粒子，用乙醇反復(fù)洗滌三次以去除溶脹劑及殘余的有機(jī)單體等有機(jī)物，所得的印跡SiO2納米粒子反復(fù)在體積比為8:1:1(甲醇/乙酸/乙腈)的混合液中回流以提取兒茶酚模板分子，直到提取液在278.5 nm左右無紫外吸收峰為止，再用乙醇洗滌去除殘留的乙酸，然后在丙酮溶液中浸泡過夜，最后常溫真空干燥至恒重，得到對兒茶酚特異性識別的NBD-NH2-SiO2納米粒子熒光探針。

2 結(jié)果與討論

圖1 SiO2納米粒子表面NBD標(biāo)記的兒茶酚分子印跡識別位點的熒光探針的制備過程示意圖Fig.1 Schematic illustration of a preparation process for the fluorescence probe of catechol molecules imprinted forming recognition sites labeled by NBD fluorescein on the SiO2 nanoparticle surface

圖1說明具有高選擇性識別和敏感探測的熒光標(biāo)記兒茶酚分子印跡的納米粒子的制備過程。1-2：NBD-APTS復(fù)合物、過量的硅烷化試劑APTS在SiO2的表面與羥基水解縮合反應(yīng)，使得SiO2表面修飾上氨基和熒光殘基基團(tuán)(NBD-NH2-)；2-3：模板分子兒茶酚、功能單體APTS和交聯(lián)劑TEOS通過水解縮合反應(yīng)制備得到了在SiO2納米粒子表面NBD標(biāo)記的兒茶酚分子印跡識別位點的熒光探針，3-4：NBD熒光標(biāo)記的兒茶酚分子印跡SiO2納米通過洗脫模板分子兒茶酚后(熒光閉)與再結(jié)合(熒光開)，實現(xiàn)對目標(biāo)分析物兒茶酚分子選擇性識別和敏感性探測的過程。洗脫了在識別位點中的模板分子兒茶酚后，SiO2熒光探針的熒光強(qiáng)度變?nèi)酰划?dāng)目標(biāo)分子兒茶酚再次進(jìn)入到識別位點后，探針的熒光強(qiáng)度增強(qiáng)，通過熒光強(qiáng)度的增強(qiáng)，實現(xiàn)對兒茶酚分子的選擇性識別和敏感性探測。

圖2說明的是用乙醇作為參比溶液，測得NBD、APTS和NBD-APTS的紫外可見吸收光譜。a，b和c線分別表示的是NBD、NBD-APTS和APTS紫外-可見吸收光譜。APTS和NBD反應(yīng)后在可見區(qū)460 nm處出現(xiàn)了新的吸收峰，表明NBD-APTS復(fù)合物的生成。

圖2 3種化合物在乙醇溶液中的紫外-可見吸收光譜圖a，b和c線分別表示的是NBD、NBD-APTS和APTS紫外-可見吸收光譜Fig.2 UV-Vis absorption spectra of the three compounds in ethanol solution.The curve lines for a,b and c represent the UV-Vis absorption spectra of NBD,NBD-APTS and APTS,respectively

圖3 熒光標(biāo)記兒茶酚分子印跡的NBD-NH2-SiO2納米粒子掃描電鏡圖Fig.3 SEM image of NBD-NH2-SiO2 nanoparticles imprinted with catechol molecules

圖3是熒光標(biāo)記兒茶酚分子印跡的NBD-NH2-SiO2納米粒子的掃描電鏡，所制備的SiO2納米粒子表面修飾和兒茶酚印跡后仍為單分散球形納米粒子，且表面較為光滑，粒徑分布均勻，大小約200 nm。

圖4 印跡材料對兒茶酚(a)和對苯二酚(b)，以及非印跡材料對兒茶酚(c)的吸附等溫線Fig.4 The adsorption isotherm of imprinted materials to catechol (a)and hydroquinone(b)and non-imprinted materials to catechol(c),respectively

圖4中印跡材料對兒茶酚的(a)和結(jié)構(gòu)類似物對苯二酚等溫吸附線(b)，以及非印跡材料對兒茶酚的等溫吸附線(c)。選取與兒茶酚結(jié)構(gòu)類似物的對苯二酚驗證印跡材料的選擇性。

從圖4中可以看出兒茶酚在印跡聚合物微球上的最大平衡吸附量(約60.3 mg·g-1)為非印跡聚合物納米粒子最大平衡吸附量(約26.8 mg·g-1)的2.26倍，是結(jié)構(gòu)類似物的對苯二酚的2倍，說明兒茶酚印跡的聚合物納米粒子對兒茶酚有較好的識別能力，這是因為制備兒茶酚印跡聚合物納米粒子表面殼層中形成了與兒茶酚分子形狀相匹配、大小合適和能相互作用的功能基團(tuán)及空間骨架結(jié)構(gòu)，從而使兒茶酚分子能夠很好的進(jìn)入結(jié)合位點，由于納米殼層具有超薄的特點，使得兒茶酚目標(biāo)分子更容易擴(kuò)散到納米殼層表面的印跡位點，因此，兒茶酚分子印跡材料擁有高的結(jié)合量。印跡材料對對苯二酚的最大平衡吸附量約為30.5 mg·g-1，其結(jié)合量是兒茶酚結(jié)合量的0.5倍，結(jié)果證實了印跡材料具有很高的選擇性識別能力。

分別對圖4中的印跡兒茶酚的納米粒子對兒茶酚、結(jié)構(gòu)類似物對苯二酚以及非印跡納米粒子對兒茶酚實驗熱力學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到的結(jié)果如圖5和表1所示。

圖5 Langmuir(A)和Freundlich(B)模型熱力學(xué)等溫吸附擬合線：其中a和b線分別為印跡材料對兒茶酚和對苯二酚的等溫吸附擬合線；c為非印跡材料對兒茶酚的等溫吸附擬合線Fig.5 Fitting curves for thermodynamics isothermal adsorption of Langmuir and Freundlich model(A):a and b are the isothermal adsorption fitting curves of imprinted materials to catechol and hydroquinone,respectively,and c is the isothermal adsorption fitting curve of non-imprinted material to catechol

表1 熱力學(xué)等溫吸附模型擬合結(jié)果Table 1 Fitting results of thermodynamics isothermal adsorption model

從擬合結(jié)果來看，所制備的NBD-NH2-SiO2納米粒子對兒茶酚、對苯二酚的等溫吸附符合Langmuir模型，而非印跡NBD-NH2-SiO2納米粒子對兒茶酚等溫吸附也滿足Langmuir模型，并且a、b、c在Langmuir模型中的R2分別為0.988、0.997及0.993，符合程度較高，屬于單分子層吸附過程。

3 結(jié) 論

(1)利用光誘導(dǎo)電子轉(zhuǎn)移機(jī)理制備出了兒茶酚印跡的NBD-NH2-SiO2納米粒子熒光探針，該熒光探針的識別位點能夠?qū)崿F(xiàn)對兒茶酚產(chǎn)生特異性識別，進(jìn)入識別位點的兒茶酚分子，使得NBD標(biāo)記熒光基團(tuán)的熒光強(qiáng)度的增強(qiáng)，從而實現(xiàn)了對兒茶酚的高敏感性檢測。

(2)采用溶膠凝膠法成功的合成二氧化硅納米粒子，其作為組裝納米結(jié)構(gòu)分子印跡和熒光探針的支撐體；其次，二氧化硅納米粒子表面后功能化，使其表面具有功能單體的誘導(dǎo)目標(biāo)分析物富集作用，同時通過非共價鍵分子自組裝印跡技術(shù)合成高選擇性、高分散性的兒茶酚分子印跡聚合物納米殼層。

(3)修飾在SiO2納米粒子表面的氨基作為功能單體，兒茶酚為目標(biāo)分析物，NBD作為熒光標(biāo)記物，制備出了兼有分子識別和熒光信號輸出的NBD-NH2-SiO2納米粒子熒光探針。

(4)對制備的分子識別材料進(jìn)行了熱力學(xué)擬合，結(jié)果顯示其符合Langmuir熱力學(xué)吸附模型。