二維光子晶體水凝膠傳感器檢測鄰苯二甲醛

關鍵詞 二維光子晶體；水凝膠；傳感器；鄰苯二甲醛；消毒劑

鄰苯二甲醛（OPA）是一種重要的醫藥化工中間體，現作為一種新型化學消毒劑在醫療機構中廣泛使用[1-2]。OPA 消毒液具有殺菌能力強、殺菌范圍廣、使用濃度低、滅菌時間短、毒性低、揮發性小、腐蝕性弱以及性質穩定等優點[3-5]，可用于不耐熱內窺鏡等器械的高水平消毒，殺滅腸道性致病菌和化膿性球菌和枯草桿菌黑色變種芽胞等[6-8]。為保證OPA 消毒劑的有效性和安全性，采用的消毒濃度應在合理范圍內。因此，對其濃度的檢測至關重要。在臨床環境中， OPA 的最低有效濃度為0.3%[9]，通常采用商用指示條進行驗證[10-11]。然而，指示條只可進行半定量分析，其準確性受有時間限制的測試步驟、溫度及濕度等存儲條件的影響。高效液相色譜法[12]、熒光分析法[13]、氣相色譜-質譜（GC-MS）法[14]和電化學法[15]均可精確測定OPA 濃度，但需要昂貴的儀器，并且檢測成本高、實驗復雜和缺乏便攜性等限制了其臨床適用性。因此，需要開發一種更精確且便攜的OPA 定量檢測傳感器，用于臨床消毒過程中OPA濃度的檢測和有效性的判斷。

近年來，刺激響應型光子晶體水凝膠已廣泛應用于生物醫學診斷[16-18]、環境監測[19-21]和食品安全分析[22-24]等領域。與三維光子晶體水凝膠[25]相比，使用二維光子晶體（2DPC）的水凝膠傳感器方便且易制備[26-27]。通過修飾以及不同的識別劑功能化的光子晶體水凝膠，可與目標分析物相互作用，水凝膠的體積發生相變，即收縮或膨脹，從而改變每個水凝膠中嵌入的光子晶體的粒子間距[18，28-29]。Cai 等[28]制備了2DPC水凝膠傳感器，水凝膠化學功能化后，可與特定化學物質選擇性響應，發生體積相變，使其膨脹或收縮，從而改變其2DPC 陣列間距并改變其衍射波長。Holtz 等[29]報道了一種智能水凝膠傳感器，可與特定分析物響應而溶脹，水凝膠的溶脹改變了2DPC 的周期性，從而導致衍射波長偏移。因此，目標粒子間距的變化改變了光衍射，據此可對其進行監測以確定分析物的濃度。目前，尚未見2DPC 用于OPA 檢測的研究報道。

本研究制備了一種乙二胺（EDA）功能化的2DPC 水凝膠傳感器，用于臨床消毒劑中OPA 的檢測。EDA 功能化的水凝膠網絡中的氨基可與OPA 中的醛基發生反應[30-33]，隨著OPA 濃度增加，水凝膠的交聯密度增大，導致其體積發生相變，即收縮。水凝膠收縮減小了2DPC 的微球間距，德拜衍射環直徑增大。實驗機理如圖1所示。本研究開發的2DPC 水凝膠傳感器為OPA 的檢測提供了一種簡便的新方法，對臨床檢測和應用具有重要的意義。

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

Supra55 場發射掃描電子顯微鏡（SEM，德國Zeiss 公司）；BSA224S-CW 電子天平（賽多利斯科學儀器（北京）有限公司）；DF-101S集熱式恒溫加熱磁力攪拌器（上海力晨邦西儀器科技有限公司）；KQ5200B型超聲波清洗器（昆山市超聲儀器有限公司）；THZ-82A 水浴恒溫振蕩器（江蘇盛藍儀器制造有限公司）。

苯乙烯（St，分析純，天津市大茂化學試劑廠）；丙烯酰胺（AM）和N，N-亞甲基雙丙烯酰胺（BIS）（分析純，天津市科密歐化學試劑有限公司）；2-羥基-2-甲基-1-[4-（2-羥基乙氧基）苯基]-1-丙酮（I2959，分析純）、1-乙基-（3-二甲基氨基丙基）碳二亞胺鹽酸鹽（EDC， 98%）、偶氮二異丁腈（AIBN， 98%）、苯乙烯磺酸鈉（NaSS，分析純）、EDA（分析純）和丙烯酸（AAc， GC）（上海阿拉丁生化科技股份有限公司）；N-羥基磺?；牾啺封c鹽（NHS，98%）和OPA（99%）（北京百靈威科技有限公司）；OPA消毒液（山東利爾康醫療科技股份有限公司）；甲醇和二甲基亞砜（DMSO，分析純，天津市致遠化學試劑有限公司）。實驗用水為超純水（18.2 MΩ·cm）。

1.2 實驗方法

1.2.1 聚苯乙烯微球和二維光子晶體陣列的制備

采用分散聚合法[34]合成直徑為1000 nm 的單分散聚苯乙烯（PS）顆粒。按照文獻[35]中的“針尖端流法”制備2DPC陣列。用1mL 注射器吸取適量PS-正丙醇（3∶1，V/V）的混合乳液，然后用注射器緩慢注射到空氣-水界面，由于正丙醇和PS 乳液之間存在表面張力差，微球能夠在水面快速向外擴散，并自組裝成緊密排列的六邊形2DPC 陣列。最后，用玻璃片緩慢提拉，將水面上的2DPC陣列轉移到玻璃表面，置于空氣中晾干，即得到2DPC 陣列。

1.2.2 二維光子晶體水凝膠膜的制備

分別稱取0.35 g AAc、0.03 g BIS 和0.8 g AM，加入8.82g超純水溶解，得到溶液A。稱取0.165g光引發劑I₂₉₅₉ 溶于0.5 mL DMSO（33%，m/V），得到溶液B。取1mL溶液A 與20 μL 溶液B 混合均勻，得到溶液C，作為制備2DPC 水凝膠的前驅液。

采用“三明治”法[36]制備2DPC 水凝膠。用移液槍吸取110 μL 前驅液，緩慢連續滴加在2DPC 陣列表面，并采用干凈的蓋玻片輕輕覆蓋，靜置；待前驅液充分滲透到光子晶體的縫隙中，將其平穩放置于365 nm 的紫外燈下光聚合0.5 h，再置入純水中浸泡過夜。將制得的2DPC 水凝膠薄膜從玻璃基底上剝離下來，并用超純水浸洗3 次，每次30 min， 除去未反應的單體分子，得到2DPC 水凝膠薄膜。將薄膜裁切成約1.0 cm×1.0 cm 大小， 于超純水中保存，備用。

1.2.3 氨基功能化二維光子晶體水凝膠的制備

稱取0.15g EDC 和0.03g NHS 溶于10 mL 水中，取切割成塊的水凝膠薄膜浸入其中1 h，活化水凝膠鏈上的羧基[37]。再將薄膜浸入10 mL 一定濃度的EDA 溶液中過夜，取出后置于超純水中浸洗3次，每次30 min，除去未反應的EDA、EDC 和NHS 等，制得EDA修飾的2DPC 水凝膠薄膜。

1.2.4 二維光子晶體水凝膠德拜衍射環直徑的測量

當激光垂直照射2DPC 陣列時，在陣列下方會產生德拜衍射環，如圖3所示，滿足布拉格衍射公式：

圖2為2DPC 陣列的德拜環示意圖和實物圖。本實驗中，波長λ=532nm，h固定在60 mm。對于微球間距的測定，每個濃度的樣品使用3個2DPC水凝膠薄膜，每個水凝膠薄膜測量3個不同的D值，取其平均值，并計算出d 的平均值和標準差。

2 結果與討論

2.1 二維光子晶體水凝膠薄膜的表征結果與分析

采用掃描電子顯微鏡（SEM）表征了制備的2DPC 和2DPC 水凝膠的表面形貌（圖3）。如圖3A 所示，2DPC 陣列的微球規則且緊密地排列在一起；如圖3B 所示， 2DPC 水凝膠也同樣規則地排列在一起，但微球間距明顯增大。當被白光照射時， 2DPC 陣列和2DPC 水凝膠根據波長對光線進行不同角度的衍射，產生鮮艷的彩虹色（圖3插圖）。

2.2 二維光子晶體水凝膠的優化及鄰苯二甲醛的檢測

2.2.1 二維光子晶體水凝膠制備條件的優化

為了制備對OPA 響應最靈敏的2DPC 水凝膠，通過調節交聯劑、AAc 以及EDA 的濃度，制備了不同的水凝膠薄膜，在室溫下與10 mmol/L OPA 溶液反應1.0 h，檢測響應前后的德拜衍射環直徑，考察其響應性能。由圖4可知，在交聯劑含量為0.3%、AAc 含量為1%和EDA濃度為20 mmol/L條件下，制備的2DPC水凝膠與OPA 反應40 min 時微球間距變化最大。因此，后續實驗在此最優條件下制備2DPC水凝膠。

2.2.2 靈敏度和檢出限

在相同的實驗條件下制備多個EDA （20 mmol/L）修飾的2DPC 水凝膠薄膜，分別與2 mL 濃度為0、10¹、10²、10³、10⁴、10⁵ 和10⁶ nmol/L的OPA 溶液作用40 min 后，測試德拜環的大小，再由公式（2）計算出2DPC的微球間距。由圖5 可知，在10¹～10⁶nmol/L 范圍內， 2DPC 水凝膠微球間距與OPA 濃度的對數值呈良好的線性關系，線性方程為y=37.75–40.82lgx（R²=0.9925）。檢測后的2DPC水凝膠薄膜不可重復使用，對OPA 的檢出限（LOD=3σ/k）為0.21nmol/L。將本方法與其它OPA測定方法的性能進行比較（表1），其它方法都需要精密的設備，而本方法只需要激光指針和標尺，大大簡化了分析過程。

2.2.3 選擇性

在常溫下，將2DPC 水凝膠儲存于水溶液中1～2 個月，測試傳感器的穩定性。陳化水凝膠和新制備水凝膠與OPA 反應后顆粒間距的變化結果基本一致，表明2DPC 水凝膠傳感器的穩定性較好?？疾炝?0 mmol/L 的甲醛、乙醛、乙二醛、戊醛、苯甲醛、戊二醛、對苯二甲醛和間苯二甲醛對氨基功能化2DPC 水凝膠薄膜微球間距的影響。由圖6 可知，醛類物質雖都有一定的響應變化，但在臨床實際應用中， OPA 消毒液成分簡單，雜質較少，干擾也較少，因此，本傳感器可用于臨床消毒劑中OPA 的檢測。

2.3 實際樣品分析

采用此2DPC 傳感薄膜測定了臨床消毒液中OPA 的含量。分別收集使用2 d 后的OPA 消毒液和OPA 消毒液原液（濃度為5.0～6.0 g/L，即37.2～44.7 mmol/L）（由延安大學附屬醫院消化內科提供）。臨床消毒所采用的OPA 消毒液為復方消毒液，含有少量添加劑（季銨鹽和螯合劑等）。采用標準加入法向2 mL 稀釋10000 倍后的實際樣品中加入等體積已知濃度的OPA 標準溶液，并測定加標后樣品中OPA 的濃度，結果見表2，回收率為100%～103%，相對標準偏差（RSD）為1.82%～5.48%，表明此傳感薄膜檢測OPA 具有良好的準確性和可靠性。在臨床實踐中每天使用OPA 消毒液約10次，一般10d后就會用OPA 消毒液濃度測試卡（利爾康）粗略地測試OPA 有效成分占比是否低于0.3%。此方法雖然簡便，但屬于半定量分析，檢測靈敏度低。本方法靈敏度高、檢出限低、線性范圍寬，可實時準確地監測消毒液中的OPA 濃度，提高臨床使用效率以及安全性。

3 結論

基于2DPC 水凝膠傳感器構建了一種用于臨床消毒劑中OPA 的快速、靈敏和準確的定量檢測方法。此水凝膠傳感器利用氨基和醛基的親核加成反應，使水凝膠發生收縮，引起微球間距變化，通過簡單的2DPC 德拜衍射測量進行監測。結果表明，在10¹～10⁶ nmol/L 范圍內， OPA 濃度的對數與微球間距大小呈良好的線性關系，可用于臨床消毒劑中OPA 的檢測，檢出限為0.21 nmol/L，靈敏度高，樣品用量少。本方法優于臨床上采用的OPA 消毒液濃度測試卡，靈敏度更高且更準確，可以檢測低濃度的OPA。本研究開發的檢測OPA 的新型2DPC 水凝膠傳感器制備成本低，讀取結果簡單，只需一個激光筆和直尺即可完成檢測。在資源有限的環境中，此2DPC 水凝膠具有重要的臨床應用價值。