鑭系Eu3+/PMMA 聚合物雜化探針的制備及其對(duì)唾液酸的傳感檢測(cè)應(yīng)用

閔 華，劉 麗，夏繼績，徐 陳，唐思祎，李 穎*

（1.上海理工大學(xué)科技發(fā)展研究院 技術(shù)轉(zhuǎn)移中心，上海 200093；2.上海理工大學(xué) 材料與化學(xué)學(xué)院，上海 200093）

1 引言

唾液酸（SA），又稱N-乙酰神經(jīng)氨酸，是一種通常存在于人體血清中的生物標(biāo)志物，因其在腫瘤細(xì)胞表面過度表達(dá)，SA 也被認(rèn)為是一種腫瘤標(biāo)志物，SA 濃度的變化與卵巢癌的發(fā)生高度相關(guān)[1-3]。因此，血清中釋放的SA 的濃度可能表明卵巢的健康狀況。到目前為止，科研人員們已經(jīng)研究出了一些用來檢測(cè)SA 的方法，例如等離子體共振法[4]、比色法[5-6]和光電化學(xué)法[7]等，但是這些診斷和治療方法不夠靈敏且成本高昂，可能導(dǎo)致診斷延誤。因此，迫切需要開發(fā)出一種操作簡單、價(jià)格低廉且靈敏度高的SA 檢測(cè)方法。熒光檢測(cè)分析法因其設(shè)計(jì)能力強(qiáng)、響應(yīng)時(shí)間短、靈敏度高以及成本低等優(yōu)勢(shì)而倍受關(guān)注[8-11]。

稀土離子由于具有獨(dú)特的電子結(jié)構(gòu)和對(duì)環(huán)境的高度敏感性，常被用作分析生物材料的熒光探針成分[12-14]。稀土Eu3+離子具有豐富的能級(jí)，因其f→f 躍遷產(chǎn)生的發(fā)射光譜窄、發(fā)光色純度高等優(yōu)勢(shì)，常被用作熒光探針中的活性發(fā)光離子。Eu3+與有機(jī)配體進(jìn)行配位得到稀土配合物后，有機(jī)配體可以通過天線效應(yīng)將能量傳遞給Eu3+，從而提高其發(fā)光效率[15-16]。然而，SA 與有機(jī)配體之間存在對(duì)光的競(jìng)爭(zhēng)吸收，使配體吸收能量的過程遭到抑制，進(jìn)而使配體和Eu3+之間的能量傳遞過程受到影響，導(dǎo)致Eu3+的熒光發(fā)生猝滅。Eu3+功能化的聚合物熒光探針同時(shí)結(jié)合了聚合物良好的穩(wěn)定性和稀土元素優(yōu)異的光學(xué)性能[17]，這為其進(jìn)行生物標(biāo)志物SA 的檢測(cè)提供了可能機(jī)制。

本文設(shè)計(jì)了一種Eu3+功能化的稀土聚合物熒光探針Eu（BFA）3@PMMA,并將其用于對(duì)SA 的傳感檢測(cè)應(yīng)用研究。

2 實(shí) 驗(yàn)

2.1 Eu（BFA）3@PMMA 聚合物的制備

稱取0.648 g 4,4,4-三氟-1-苯基-1,3-丁二酮（BFA）放入三口燒瓶中，加入20 mL 乙醇超聲分散均勻；然后稱取0.12 g NaOH 放入燒杯中，隨后加入5 mL 乙醇將其溶解后倒入上述三口燒瓶內(nèi)，在65 ℃油浴下反應(yīng)4 h；繼續(xù)加入0.366 g EuCl3·6H2O 并且磁力攪拌2 h；反應(yīng)結(jié)束后，將該混合溶液靜置2 h，倒去上清液，并且在干燥箱內(nèi)干燥15 h 后得到稀土配合物Eu（BFA）3白色粉末。

稱取0.03 g Eu（BFA）3、0.012 g AIBN、0.3 g MMA 放入25 mL 圓底燒瓶內(nèi)，再加入15 mL 丙酮，將該混合溶液放于65 ℃油浴鍋中磁力攪拌2 h，之后通過旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)操作除去溶劑丙酮，最后將得到的產(chǎn)物干燥12 h 后得到Eu（BFA）3@PMMA 黃色粉末[18-19]。

2.2 樣品表征

傅立葉變換紅外光譜（FT-IR）采用美國Nexus 912 AO446 光譜儀分析測(cè)定；熒光強(qiáng)度由日本RF-5301PC 分光光度計(jì)測(cè)定，以氙燈作為激發(fā)光源；所有儀器測(cè)試均在室溫下進(jìn)行。利用Eu-（BFA）3@PMMA 探針分子優(yōu)異的熒光特性進(jìn)一步研究其對(duì)SA 的傳感性能。

在同一條件下制備了兩份濃度相同的Eu-（BFA）3@PMMA 水溶液。然后，往其中一份加入一定量的SA，并且超聲處理10 min，使SA 均勻溶解于溶液中。最后，通過熒光光譜儀測(cè)試樣品添加與不添加SA 時(shí)溶液的熒光強(qiáng)度來檢測(cè)Eu-（BFA）3@PMMA 對(duì)SA 的熒光傳感響應(yīng)。

3 結(jié)果與討論

3.1 Eu（BFA）3 和Eu（BFA）3@PMMA 的結(jié)構(gòu)表征

圖1 為Eu（BFA）3和Eu（BFA）3@PMMA 的紅外光譜。從圖中可以觀察到，位于2 346 cm-1和2 343 cm-1處的吸收峰是由于苯環(huán)上C—H 鍵的伸縮振動(dòng)導(dǎo)致的。其中，位于3 579 cm-1處出現(xiàn)的吸收峰歸因于與羰基連接的亞甲基的伸縮振動(dòng)。此外，從圖中可以觀察到位于3 060 cm-1處的吸收峰移動(dòng)到了2 996 cm-1處，這表明與羰基連接的O—H 鍵發(fā)生了變化；同時(shí)，位于1 959 cm-1和2 021 cm-1處的吸收峰可歸因于C=O 雙鍵的伸縮振動(dòng)，該吸收峰的位置也發(fā)生了變化。這些結(jié)果都表明了Eu（BFA）3@PMMA 已成功制備。

圖1 Eu（BFA）3和Eu（BFA）3@PMMA 的紅外光譜Fig.1 FT-IR spectra of Eu（BFA）3 and Eu（BFA）3@PMMA

3.2 Eu（BFA）3@PMMA 雜化探針的熒光性

在不同激發(fā)波長下的Eu（BFA）3@PMMA 的熒光發(fā)射光譜如圖2 所示。從圖中可以看出，當(dāng)依次用305，315，325，335，345，355 nm 的波長進(jìn)行激發(fā)時(shí)，Eu（BFA）3@PMMA 的發(fā)光強(qiáng)度呈現(xiàn)出先上升后下降的趨勢(shì)。當(dāng)激發(fā)波長為325 nm 時(shí)，Eu（BFA）3@PMMA 的發(fā)光強(qiáng)度最強(qiáng)，這說明雜化材料Eu（BFA）3@PMMA 的最佳激發(fā)波長為325 nm。因此，本文進(jìn)一步研究了Eu（BFA）3@PMMA在最佳激發(fā)波長條件下對(duì)SA 的傳感性能。在同一條件下制備了兩份濃度相同的Eu（BFA）3@PMMA 水溶液，向其中一份添加一定量的SA，并且超聲處理10 min，使SA 均勻溶解于溶液中。通過熒光光譜儀測(cè)試樣品在接觸SA 前后溶液的熒光強(qiáng)度，熒光發(fā)射譜如圖3 所示。結(jié)果表明，當(dāng)加入SA 后，Eu（BFA）3@PMMA 的熒光強(qiáng)度明顯降低，產(chǎn)生了熒光猝滅。

圖2 Eu（BFA）3@PMMA 在不同激發(fā)波長下的熒光發(fā)射光譜Fig.2 The emission spectra of Eu（BFA）3@PMMA at different excitation wavelengths

3.3 Eu（BFA）3@PMMA 對(duì)SA 的熒光傳感性能

稱取一定量Eu（BFA）3@PMMA 樣品配制成相同濃度的水溶液，隨后加入不同干擾物質(zhì)（包括NaHCO3、L-半胱氨酸（L-Cysteine）、肌酸（Creatine）、KCl 和SA），考察了Eu（BFA）3@PMMA 對(duì)它們的熒光響應(yīng)效果，如圖4 所示，在Eu（BFA）3@PMMA 樣品水溶液中添加不同化學(xué)物質(zhì)后，在激發(fā)波長為325 nm 下，Eu3+的5D0→7F2的特征紅色發(fā)射峰逐漸減弱。值得注意的是，SA 的加入可以顯著降低Eu（BFA）3@PMMA 的熒光強(qiáng)度，表現(xiàn)出明顯的熒光猝滅效果。

圖4 Eu（BFA）3@PMMA 對(duì)不同化學(xué)物質(zhì)的熒光響應(yīng)Fig.4 The fluorescence response of Eu（BFA）3@PMMA to different chemicals

為了進(jìn)一步探討SA 濃度對(duì)于探針分子Eu-（BFA）3@PMMA 的熒光猝滅效果，測(cè)試了SA 濃度分別為0，5，10，15，20，25 μmol/L 的Eu（BFA）3@PMMA+SA 的熒光發(fā)射強(qiáng)度。如圖5（a）所示，隨著SA 的濃度從0 μmol/L 增加到25 μmol/L，Eu-（BFA）3@PMMA 的熒光強(qiáng)度逐漸降低。圖5（b）為I0/I與SA 濃度之間的線性關(guān)系擬合曲線（R2=0.969），當(dāng)SA 水溶液的濃度在0～25 μmol/L 范圍內(nèi)時(shí)，Eu（BFA）3@PMMA 中Eu3+的發(fā)光強(qiáng)度與SA的濃度之間的線性關(guān)系十分理想，由此計(jì)算得到KSV為0.173，表明SA 對(duì)Eu（BFA）3@PMMA 具有良好的熒光猝滅效果。根據(jù)IUPAC 3σ標(biāo)準(zhǔn)（D=3σk-1，D為檢測(cè)限，σ表示進(jìn)行多次空白實(shí)驗(yàn)得到的標(biāo)準(zhǔn)偏差，k為線性曲線的斜率），計(jì)算出SA 在Eu（BFA）3@PMMA 水溶液中的檢測(cè)限D(zhuǎn)=0.027μmol/L。

圖5 （a）Eu（BFA）3@PMMA 浸入不同濃度SA 水溶液中的發(fā)射光譜（λex=325 nm）；（b）I0/I 與SA 濃度的擬合曲線。Fig.5 （a）Emission spectra of Eu（BFA）3@PMMA immersed in aqueous SA solutions with different concentrations（λex=325 nm）.（b）Fitted curves of I0/I vs.SA concentration.

3.4 Eu（BFA）3@PMMA 的熒光穩(wěn)定性

同時(shí)，為了研究Eu（BFA）3@PMMA 在水溶液中的酸堿穩(wěn)定性和光致發(fā)光穩(wěn)定性，我們稱取等量的Eu（BFA）3@PMMA 樣品依次加入到pH 值為4.0～8.0 的水溶液中，將其超聲分散均勻后通過熒光光譜儀測(cè)量這些不同pH 溶液的熒光光譜，以此探討Eu（BFA）3@PMMA 在模擬pH 環(huán)境內(nèi)的穩(wěn)定性。如圖6 所示，結(jié)果表明，在不同的pH 環(huán)境下，Eu-（BFA）3@PMMA復(fù)合材料均具有較為穩(wěn)定的熒光性能，Eu（BFA）3@PMMA的熒光強(qiáng)度變化也極小。

圖6 Eu（BFA）3@PMMA 在不同pH 環(huán)境下的熒光強(qiáng)度Fig.6 Fluorescence intensity of Eu（BFA）3@PMMA in different pH environments

4 結(jié)論

本文通過配位反應(yīng)合成稀土配合物Eu（BFA）3，然后將其與單體MMA 進(jìn)行聚合制備得到Eu-（BFA）3@PMMA 雜化熒光探針。所制備的Eu-（BFA）3@PMMA 不僅具有良好的穩(wěn)定性和熒光性能，還對(duì)SA 表現(xiàn)出高靈敏度和優(yōu)異的選擇性,檢測(cè)限低至0.027 μmol/L。因此，Eu（BFA）3@PMMA可以作為一種檢測(cè)SA 的潛在傳感器，有望用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中對(duì)腫瘤的早期診斷。

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