分子印跡光子晶體傳感芯片的制備及對鄰苯二甲酸酯類化合物的檢測

蘭小波等

摘 要 將光子晶體與分子印跡技術(shù)相結(jié)合，制備了一種反蛋白石結(jié)構(gòu)的分子印跡光子晶體傳感芯片，并將其應(yīng)用于4種鄰苯二甲酸酯類化合物的檢測效果研究。分子印跡光子晶體傳感芯片的制備過程包含3個(gè)步驟。首先，通過垂直沉降自組裝方法制備SiO2蛋白石結(jié)構(gòu)模版；隨后，向蛋白石結(jié)構(gòu)模板空隙中填充含有印跡分子鄰苯二甲酸二異壬酯（DINP）的預(yù)聚液，引發(fā)光聚合；最后，移除SiO2結(jié)構(gòu)模版及印跡分子，得到對鄰苯二甲酸酯類化合物具有特異性識別功能的分子印跡光子晶體傳感芯片。結(jié)果表明，傳感芯片對待測物分子的識別過程可通過布拉格方程轉(zhuǎn)換為可讀的光學(xué)信號，當(dāng)4種待測物濃度從1×10 5 mol/L增大到1 mol/L時(shí)，最大衍射峰位置發(fā)生20～40 nm的紅移，且檢測過程僅需6 min。檢測芯片高度交聯(lián)的聚合物結(jié)構(gòu)令其具有較高的穩(wěn)定性和重復(fù)利用性，5次檢測后，芯片仍保持較好的傳感性能。

關(guān)鍵詞 光子晶體； 分子印跡； 鄰苯二甲酸酯類物質(zhì)； 布拉格衍射

1 引 言

近年來，由鄰苯二甲酸酯類化合物引起的公共健康問題備受關(guān)注。鄰苯二甲酸酯類物質(zhì)主要作為塑化劑廣泛應(yīng)用于塑料、橡膠等包裝材料及藥丸和營養(yǎng)品的腸衣中[1，2]。在這些材料中，鄰苯二甲酸酯類化合物分子并不是以共價(jià)鍵與包裝材料相結(jié)合，而是呈游離態(tài)，這增加了其從包裝材料中脫落而進(jìn)入食物和飲料當(dāng)中的可能性[3]。對于鄰苯二甲酸酯類化合物的毒理學(xué)研究表明，分子量較小的物質(zhì)，如鄰苯二甲酸二乙酯（DEP）、鄰苯二甲酸二丁酯（DNP）等會刺激眼鼻喉，引起不適感；分子量較大的種類，如鄰苯二甲酸二異辛酯（DIOP）、鄰苯二甲酸丁芐酯（BBP）、鄰苯二甲酸二辛酯（DOP）等可能擾亂生物體內(nèi)激素的正常分泌、損害人體的生殖系統(tǒng)與免疫系統(tǒng)，還可能誘發(fā)癌癥，對肝臟、腎臟造成嚴(yán)重傷害[4，5]。目前，用于檢測鄰苯二甲酸酯類物質(zhì)的方法主要有高效液相色譜質(zhì)譜聯(lián)用分析法[6～8]，固相萃取液相色譜聯(lián)用分析法[9，10]，固相微萃取分析法[11～13]，固相微萃取氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用分析法[14～16]。

光子晶體[17，18]是一種新型的納米結(jié)構(gòu)材料，其特征是不同介電常數(shù)的介質(zhì)材料在空間呈現(xiàn)周期性變化，這導(dǎo)致某些波段的光在其中傳播時(shí)產(chǎn)生光子帶隙，由此便在可見光范圍內(nèi)產(chǎn)生新的光學(xué)特性[19，20]，這一特點(diǎn)使光子晶體成為理想的光學(xué)傳感檢測材料，已在化學(xué)和生物傳感檢測領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用前景[21，22]。分子印跡是一種用于制備具有特殊識別功能的分子印跡聚合物的方法[23～28]。將嵌入到聚合物骨架中的印跡分子洗脫后得到的分子印跡空穴，可以高選擇性地識別印跡分子及其類似化合物。

將光子晶體所具有的獨(dú)特光學(xué)特性與分子印跡聚合物所具有的分子識別特性相結(jié)合，制備得到的分子印跡光子晶體傳感芯片，可對目標(biāo)化合物進(jìn)行特異性地識別與檢測。利用此方法，可分別實(shí)現(xiàn)對葡萄糖[29]、香草醛[30]、煙酰胺[31]的檢測。制備這類檢測芯片，需要滿足兩個(gè)基本條件：第一，目標(biāo)檢測物分子能夠被特異性吸收；第二，吸收檢測物分子后，光子晶體所產(chǎn)生的光信號會發(fā)生相應(yīng)的改變，即對檢測物質(zhì)產(chǎn)生響應(yīng)。

本研究以多類鄰苯二甲酸酯類化合物（圖1）為目標(biāo)檢測物，利用經(jīng)典的Stber法[32]制備粒徑均一、球形度好的單分散SiO2微球，隨后通過垂直沉降自組裝SiO2微球的方法獲得蛋白石結(jié)構(gòu)模版，并選擇鄰苯二甲酸二異壬酯（DINP）作為印跡分子，丙烯酰胺（AM）與甲基丙烯酸（MAA）作為共聚單體，乙二醇二甲基丙烯酸酯（EGDMA）作為交聯(lián)劑，溶于甲醇中制得預(yù)聚液，經(jīng)紫外光照射引發(fā)光聚合，再利用HF將二氧化硅蛋白石模版充分刻蝕，最終制備得到具有反蛋白石結(jié)構(gòu)的分子印跡光子晶體傳感芯片。在已有文獻(xiàn)中，利用類似方法進(jìn)行檢測的對象如離子強(qiáng)度、葡萄糖、香草醛、煙酰胺等均是水溶性物質(zhì)，而本研究所檢測的鄰苯二甲酸酯類物質(zhì)是非水溶性的有機(jī)溶劑體系。本研究對傳感芯片的制備條件進(jìn)行了優(yōu)化，并對該芯片的識別特性、靈敏度、重復(fù)利用性等進(jìn)行了考察。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 儀器與試劑

光纖光譜儀（Ocean Optics DH2000BAL，美國），DF101S型集熱式恒溫加熱磁力攪拌器（山東鄄城華魯電熱儀器有限公司），KQ250E型超聲波清洗器（昆山市超聲波儀器有限公司），SIGMA 318K型臺式冷凍離心機(jī)（SIGMA，德國），CHAIST冷凍干燥機(jī)（北京五洲東方科技發(fā)展有限公司），S4800場發(fā)射掃描電子顯微鏡（日本日立公司），Nano ZS型納米粒度及Zata電位儀（英國馬爾文公司）。

氨水（天津市光復(fù)科技發(fā)展有限公司）；甲醇（色譜純）、乙醇（天津市康科德科技有限公司）；正硅酸四乙酯（TEOS，天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司）；丙烯酰胺（AM）、甲基丙烯酸（MAA）、鄰苯二甲酸二丁酯（DBP）、鄰苯二甲酸二乙酯（DEP）、鄰苯二甲酸二異丁酯（DIBP）、鄰苯二甲酸芐基丁基酯（BBP）、鄰苯二甲酸二異壬酯（DINP）、2羥基2甲基1苯基1丙酮（HMPP，Sigma Aldrich）；乙二醇二甲基丙烯酸酯（EGDMA，Aladdin）。除特別說明，所用試劑均未進(jìn)行進(jìn)一步處理。將76.2 mm×25.4 mm的載玻片浸泡在H2SO4H2O2（7∶3， V/V）混合液中12 h，再用去離子水超聲洗滌3次并吹干。厚度約為1 mm的聚甲基丙烯酸甲酯（PMAA）樹脂玻璃裁剪成75 mm× 25 mm，用無水乙醇超聲洗滌3次并吹干。

2.2 單分散二氧化硅微球的制備

利用Stber法[32]制備單分散SiO2微球。在250 mL潔凈的圓底燒瓶中加入180 mL無水乙醇，在600 r/min的磁力攪拌下，加入4.69 mL TEOS。隨后，將7.7 mL氨水與2.23 mL純凈水混合均勻，緩慢滴加入圓底燒瓶中?；旌弦涸?8 ℃恒溫水浴中反應(yīng)12 h 后，得到乳白色懸濁液。將其在7000 r/min轉(zhuǎn)速下離心分離，并用乙醇和純凈水分別洗滌3次后，冷凍干燥。

2.3 分子印跡光子晶體傳感芯片的制備

垂直沉降自組裝的方法制備SiO2三維蛋白石結(jié)構(gòu)模板。首先，配制10 mL 3% （w/w） SiO2納米微球乙醇懸浮液。隨后，將載玻片垂直插入懸浮液，并將其放入真空干燥箱（36 ℃，抽真空）。同時(shí)，將一小杯蒸餾水放入真空干燥箱，以維持其中的濕度。待乙醇完全蒸發(fā)，便在載玻片上得到規(guī)整排列的SiO2蛋白石模版。隨后，將一定比例的單體AM、MAA和交聯(lián)劑EGDMA及印跡分子DINP溶于0.5 mL甲醇中， 配制成預(yù)聚液， 4 ℃放置過夜，使其充分混合。然后，向預(yù)聚液中加入適量光引發(fā)劑HMPP，超聲10 min，并通入10 min氮?dú)庖耘疟M氧氣。取SiO2蛋白石模版，在表面覆蓋一層75 mm×25 mm樹脂玻璃，兩端由兩個(gè)夾子小心固定，形成下層為載玻片，中層為SiO2蛋白石模版，上層為PMAA樹脂玻璃的三明治結(jié)構(gòu)。用移液器將預(yù)聚液灌入三明治結(jié)構(gòu)，待充滿后置于紫外光（UV=365 nm）下照射80 s，引發(fā)預(yù)聚液進(jìn)行光聚合。將聚合后的三明治結(jié)構(gòu)浸入5%HF中2 h，使二氧化硅蛋白石模版及載玻片被充分刻蝕，即在PMMA片上得到三維反蛋白石結(jié)構(gòu)。最后，將其浸入10 mL甲醇冰乙酸（9∶1， V/V）混合液中，反復(fù)振蕩洗滌6次，每次10 min，以充分洗去印跡分子DINP。至此，便在PMMA片上得到了分子印跡的光子晶體薄膜（MIPC）。為了進(jìn)行對照實(shí)驗(yàn)，還制備了非分子印跡的光子晶體薄膜（NIPC），其制備方法與MIPC的方法相同，但沒有向預(yù)聚液中加入印跡分子DINP。

4 結(jié) 論

本研究以DINP為印跡分子，通過垂直沉降自組裝、填充聚合、去除模板三步驟，制備得到了分子印跡光子晶體傳感芯片，并成功用于鄰苯二甲酸二丁酯、鄰苯二甲酸二乙酯、鄰苯二甲酸二異丁酯、鄰苯二甲酸芐基丁基酯四種鄰苯二甲酸酯類化合物的檢測。結(jié)果表明，該傳感芯片對4種檢測物均表現(xiàn)出明顯的光學(xué)響應(yīng)特性，響應(yīng)速度快，芯片穩(wěn)定性強(qiáng)，重復(fù)利用性好。此分子印跡光子晶體傳感芯片能夠把對待測物的特異性識別過程轉(zhuǎn)換為可讀的光學(xué)信號，較傳統(tǒng)分析方法更為簡便、快速、高效。

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