基于表面等離子體共振技術(shù)檢測(cè)水楊酸的新方法

韋天新， 丁永紅

(北京理工大學(xué) 原子分子簇科學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100081)

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基于表面等離子體共振技術(shù)檢測(cè)水楊酸的新方法

韋天新， 丁永紅

(北京理工大學(xué) 原子分子簇科學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100081)

水楊酸是一種廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥、香料、染料和農(nóng)藥等方面的重要的有機(jī)化工原料，但使用不當(dāng)會(huì)對(duì)人體造成傷害. 為了對(duì)其進(jìn)行快速靈敏的檢測(cè)，采用分子印跡技術(shù)，以甲基丙烯酸為單體，乙二醇二甲基丙烯酸酯作交聯(lián)劑，通過(guò)光接枝的方法制備了對(duì)水楊酸有特異性吸附的分子印跡聚合物；基于表面等離子體共振檢測(cè)技術(shù)研究了此聚合物對(duì)不同濃度水楊酸的吸附行為. 結(jié)果表明所制備的聚合物靈敏度高，對(duì)目標(biāo)分子有較高的識(shí)別特性，在10-11～10-6mol/L濃度范圍內(nèi)對(duì)水楊酸的吸附有良好的線性關(guān)系，為水楊酸的快速檢測(cè)提供了一種高靈敏度的新方法.

水楊酸；分子印跡技術(shù)；光接枝；表面等離子體共振

分子印跡技術(shù)(MIT)是一種制備對(duì)模板分子具有特異性識(shí)別能力的聚合物的過(guò)程. 模板分子在致孔劑的存在下與功能單體通過(guò)弱的相互作用力連接在一起形成主客體配合物，加入交聯(lián)劑、引發(fā)劑后，通過(guò)光或熱等引發(fā)單體聚合，生成分子印跡聚合物(MIP)；之后，采用一定的方法將模板分子從聚合物中洗脫，留下對(duì)模板分子具有特定“記憶”功能的三維孔穴，此孔穴可以與模板分子特異性結(jié)合，即對(duì)模板具有專一性識(shí)別作用. 分子印跡技術(shù)因具有構(gòu)效預(yù)定性、特異識(shí)別性和廣泛實(shí)用性三大特性，在環(huán)境分析、免疫分析、生物傳感器、藥物手性分離、催化劑等諸多領(lǐng)域[1-5]具有廣闊的應(yīng)用前景.

水楊酸，學(xué)名鄰羥基苯甲酸，是在常溫下比較穩(wěn)定的白色針狀晶體，廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥和化妝品中，也常作為食品防腐劑和牙膏防腐劑. 水楊酸具有腐蝕作用，濃度過(guò)高會(huì)對(duì)人體造成危害；長(zhǎng)期使用也會(huì)產(chǎn)生水楊酸中毒效應(yīng)，出現(xiàn)耳鳴、暈眩、倦怠、惡心和電解質(zhì)失調(diào)等情形. 目前已報(bào)道的用于檢測(cè)水楊酸的方法[6]有偶聯(lián)終點(diǎn)比色法、分光光度法、色譜法和電化學(xué)法等. 但這些方法在某種程度上都具有一定的缺陷性，比如：選擇性差、耗時(shí)、樣品制備繁瑣、需要專業(yè)人員操作、成本相對(duì)較高等，因此非常有必要建立一種簡(jiǎn)便快捷、應(yīng)用范圍廣、靈敏度高、檢出限低的水楊酸檢測(cè)技術(shù).

表面等離子體共振(surface plasmon resona-nce， SPR)，又稱表面等離子體子共振，是一種物理光學(xué)現(xiàn)象. 光在棱鏡與金屬膜界面上發(fā)生全反射現(xiàn)象時(shí)，會(huì)形成消逝波進(jìn)入到光疏介質(zhì)中，而在金屬介質(zhì)中又存在一定的等離子波，當(dāng)兩波相遇時(shí)會(huì)發(fā)生共振，能量從光子轉(zhuǎn)移到表面等離子，入射光的大部分能量被表面等離子波吸收，使得反射光的能量急劇減少. 由此，在反射光強(qiáng)的響應(yīng)曲線上會(huì)得到SPR角. 金屬表面的任何變化都會(huì)引起折射率的變化，而表面等離子體共振對(duì)折射率的變化非常敏感，因此可以快速、靈敏的檢測(cè)分子之間的相互作用，而且不需要標(biāo)記及純化，耗樣量很少，已經(jīng)是當(dāng)前國(guó)際傳感器領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一[7].

本文通過(guò)光接枝的方法應(yīng)用分子印跡技術(shù)在SPR傳感芯片上制備了對(duì)水楊酸具有特異性識(shí)別能力的介孔聚合物，研究了此芯片在乙腈中對(duì)水楊酸的吸附行為，并對(duì)制備聚合物的選擇性進(jìn)行了表征.

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

水楊酸(分析純，質(zhì)量分?jǐn)?shù)≥99.5%)購(gòu)于天津市光復(fù)精細(xì)化工研究所；二苯甲酮(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為99%)購(gòu)于Acros Organics公司；乙二醇二甲基丙烯酸酯(分析純，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為98%)購(gòu)于Aladdin Regent 公司；α-甲基丙烯酸(分析純，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為99%)和1-十二烷基硫醇(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為98%)購(gòu)于J & K Scientific Ltd.(China)；香草醛(分析純，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為99%)和對(duì)羥基苯甲酸(分析純，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為99%)購(gòu)于北京華威銳科化工有限公司；乙醇、乙酸、乙腈均為分析純，購(gòu)于北京通廣精化學(xué)公司；甲基丙烯酸和乙二醇二甲基丙烯酸酯經(jīng)減壓蒸餾后使用，其余試劑均未經(jīng)任何純化直接使用.

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

實(shí)驗(yàn)所用的設(shè)備為自行搭建的Kretschmann構(gòu)型的表面等離子體共振儀，如圖1所示. 光源是λ=632.8 nm的He-Ne二極管激光，激發(fā)的光透過(guò)偏振片形成偏振光束，與LASFN 9玻璃棱鏡(90°，np=1.845)耦合共振，棱鏡底部通過(guò)匹配油與制備的SPR芯片相匹配，反射的光信號(hào)由檢測(cè)器接收，并通過(guò)Winspall軟件對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析.

1.3 水楊酸分子印跡聚合物膜的制備1.3.1 制備前預(yù)處理

以LASFN 9玻璃為基片，采用真空蒸鍍的方法鍍一層45 nm厚的金膜，然后置于1 mmol/L正十二烷基硫醇中自組裝24 h[8]，取出浸泡在純?nèi)軇┲忻芊鈧溆? 利用接觸角儀對(duì)自組裝前后金膜表面的潤(rùn)濕性進(jìn)行表征，結(jié)果如圖2所示，基片與水的接觸角由86.75°增加到102.5°，表明金膜表面形成烷基硫醇自組裝膜后疏水性明顯增加，金膜表面形成了致密的烷基硫醇自組裝膜.

1.3.2 預(yù)反應(yīng)溶液的配制

準(zhǔn)確稱取0.013 8 g的水楊酸溶于5 mL乙腈中，加入34 μL的α-甲基丙烯酸，超聲振蕩10 min后，室溫下放置10 h，完成預(yù)聚合反應(yīng)，預(yù)聚合的目的是使功能單體與模板分子的結(jié)合位點(diǎn)進(jìn)行有效結(jié)合；隨后，加入57 μL的乙二醇二甲基丙烯酸酯和0.025 g的二苯甲酮，超聲振蕩5 min；最后，通N2除氧10 min得到預(yù)反應(yīng)溶液.

1.3.3 聚合物膜的現(xiàn)場(chǎng)制備

預(yù)反應(yīng)溶液以0.5 mL/min的流速通入自制的流通池(0.5 cm3)里與自組裝后的基片相接觸，待溶液充滿流通池后停止泵入溶液；以紫外點(diǎn)光源照射至光強(qiáng)降至最低處時(shí)撤去光源，即得到水楊酸的分子印跡聚合物膜；隨后，以乙腈：乙酸=9∶1的混合溶液洗去模板分子. 采用同樣的方法制備非印跡聚合物(NIP)作為對(duì)照實(shí)驗(yàn).

2 結(jié)果與討論

2.1 聚合物對(duì)水楊酸的結(jié)合動(dòng)力

為了考察MIP對(duì)水楊酸的結(jié)合行為，準(zhǔn)確配制10-7mol/L水楊酸的乙腈溶液以0.25 mL/min的流速泵入流通池20 min后，通入純?nèi)軇?，觀察折射率的變化，結(jié)果如圖3所示.

從圖3可見，在前10 min內(nèi)吸附速率很快，而后趨向緩慢. 這主要是因?yàn)镸IP是具有立體孔穴結(jié)構(gòu)的高分子聚合物，可能會(huì)存在深孔和淺孔. 開始階段，由于是淺孔對(duì)模板分子吸附，所以速率較快，淺層的孔穴飽和后，模板分子向深孔傳質(zhì)有一定的位阻，以致結(jié)合速率下降[9].

2.2 聚合物對(duì)水楊酸的吸附行為

準(zhǔn)確配制濃度為10-11～10-6mol/L的水楊酸溶液，取所需濃度的溶液以0.25 mL/min的流速泵入流通池30 min后，通入純?nèi)軇?，以SPR原位檢測(cè)反射光強(qiáng)，待反射光強(qiáng)顯示不變時(shí)，對(duì)其按角度進(jìn)行掃描，得到吸附曲線如圖4(a)所示，從圖4(a)可見，隨著聚合物對(duì)水楊酸的吸附共振角逐漸增大. 對(duì)所得數(shù)據(jù)線性擬合得圖4(b)，其中Y=0.006 49X-0.034 3，R2=99.5%(n=6)；由此圖可知制備的聚合物在10-11～10-6mol/L濃度范圍內(nèi)對(duì)水楊酸的吸附有良好的線性關(guān)系.

2.3 聚合物對(duì)水楊酸的選擇性研究

為判斷MIP對(duì)水楊酸的選擇性，取10-6mol/L的結(jié)構(gòu)相似的對(duì)羥基苯甲酸和香草醛以同樣的方法進(jìn)行吸附檢測(cè)，并用NIP對(duì)10-6mol/L的水楊酸進(jìn)行檢測(cè). 得到角度變化柱狀圖，如圖5所示. 由圖可知，對(duì)相同濃度的溶液，MIP吸附水楊酸引起的角度變化為0.325 7°，吸附對(duì)羥基苯甲酸和香草醛引起的變化卻分別為0.060 8°和0.094 5°，相對(duì)于水楊酸來(lái)說(shuō)變化非常?。欢鳱IP吸附相同濃度水楊酸角度僅增加了0.035 2°，與MIP引起的變化相差了約10倍. 以上數(shù)據(jù)說(shuō)明分子印跡聚合物對(duì)水楊酸具有高選擇性和良好的識(shí)別性能.

3 結(jié) 論

基于分子印跡技術(shù)以甲基丙烯酸為單體、乙二醇二甲基丙烯酸酯為交聯(lián)劑，通過(guò)光聚合制備了水楊酸的分子印跡聚合物膜[10]，采用表面等離子體共振技術(shù)對(duì)其檢測(cè)，結(jié)果表明該聚合物對(duì)10-11～10-6mol/L濃度范圍內(nèi)的水楊酸有良好的線性吸附，相對(duì)于結(jié)構(gòu)類似的對(duì)羥基苯甲酸和香草醛有較好的選擇性. 這一方法成本低、選擇性好、靈敏度高且樣品制備簡(jiǎn)單，為水楊酸的檢測(cè)提供了一種新的途徑.

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(責(zé)任編輯：李兵)

A New Method for the Detection of Salicylic Acid Based on Surface Plasmon Resonance Technology

WEI Tian-xin， DING Yong-hong

(Key Laboratory of Cluster Science of Ministry of Education， Beijing Institute of Technology， Beijing 100081， China)

Salicylic acid is a kind of important organic raw material， which is widely used in many fields (medicine， spices， dyes and pesticides etc.). However its improper usage can cause serious harm to human body. A rapid and sensitive detection method of salicylic acid was developed in this paper， based on molecularly imprinted technology， methacrylic acid as monomer， ethyleneglycol dimethacrylate as crosslinking agent. The molecularly imprinted polymer film was prepared by photografting method. Surface plasmon resonance technology was used to study the adsorption behavior of the polymer films at different concentrations of salicylic acid. Results show that the prepared polymer film has a high recognition ability to target molecules. For the concentration range from 10-11to 10-6mol/L， a good linear relationship between the coupling angle shifts and the concentrations of salicylic acid indicates that this is a new potential method for the quick detection of salicylic acid.

salicylic acid; molecular imprinting technique; photografting; surface plasmon resonance

2014-11-26

韋天新(1969—)，男，博士，副教授，E-mail:txwei@bit.edu.cn.

丁永紅(1990—)，女，碩士生，E-mail:973134378@qq.com.

O 064

A

1001-0645(2016)06-0647-04

10.15918/j.tbit1001-0645.2016.06.018