鑭系Eu3+/PMMA 聚合物雜化探針的制備及其對唾液酸的傳感檢測應用

閔 華，劉 麗，夏繼績，徐 陳，唐思祎，李 穎*

（1.上海理工大學科技發(fā)展研究院 技術轉移中心，上海 200093；2.上海理工大學 材料與化學學院，上海 200093）

1 引言

唾液酸（SA），又稱N-乙酰神經氨酸，是一種通常存在于人體血清中的生物標志物，因其在腫瘤細胞表面過度表達，SA 也被認為是一種腫瘤標志物，SA 濃度的變化與卵巢癌的發(fā)生高度相關[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，科研人員們已經研究出了一些用來檢測SA 的方法，例如等離子體共振法[4]、比色法[5-6]和光電化學法[7]等，但是這些診斷和治療方法不夠靈敏且成本高昂，可能導致診斷延誤。因此，迫切需要開發(fā)出一種操作簡單、價格低廉且靈敏度高的SA 檢測方法。熒光檢測分析法因其設計能力強、響應時間短、靈敏度高以及成本低等優(yōu)勢而倍受關注[8-11]。

稀土離子由于具有獨特的電子結構和對環(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，因其f→f 躍遷產生的發(fā)射光譜窄、發(fā)光色純度高等優(yōu)勢，常被用作熒光探針中的活性發(fā)光離子。Eu3+與有機配體進行配位得到稀土配合物后，有機配體可以通過天線效應將能量傳遞給Eu3+，從而提高其發(fā)光效率[15-16]。然而，SA 與有機配體之間存在對光的競爭吸收，使配體吸收能量的過程遭到抑制，進而使配體和Eu3+之間的能量傳遞過程受到影響，導致Eu3+的熒光發(fā)生猝滅。Eu3+功能化的聚合物熒光探針同時結合了聚合物良好的穩(wěn)定性和稀土元素優(yōu)異的光學性能[17]，這為其進行生物標志物SA 的檢測提供了可能機制。

本文設計了一種Eu3+功能化的稀土聚合物熒光探針Eu（BFA）3@PMMA,并將其用于對SA 的傳感檢測應用研究。

2 實 驗

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，在65 ℃油浴下反應4 h；繼續(xù)加入0.366 g EuCl3·6H2O 并且磁力攪拌2 h；反應結束后，將該混合溶液靜置2 h，倒去上清液，并且在干燥箱內干燥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，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，之后通過旋轉蒸發(fā)操作除去溶劑丙酮，最后將得到的產物干燥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 光譜儀分析測定；熒光強度由日本RF-5301PC 分光光度計測定，以氙燈作為激發(fā)光源；所有儀器測試均在室溫下進行。利用Eu-（BFA）3@PMMA 探針分子優(yōu)異的熒光特性進一步研究其對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，通過熒光光譜儀測試樣品添加與不添加SA 時溶液的熒光強度來檢測Eu-（BFA）3@PMMA 對SA 的熒光傳感響應。

3 結果與討論

3.1 Eu（BFA）3 和Eu（BFA）3@PMMA 的結構表征

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 鍵的伸縮振動導致的。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。此外，從圖中可以觀察到位于3 060 cm-1處的吸收峰移動到了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，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，該吸收峰的位置也發(fā)生了變化。這些結果都表明了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，當依次用305，315，325，335，345，355 nm 的波長進行激發(fā)時，Eu（BFA）3@PMMA 的發(fā)光強度呈現(xiàn)出先上升后下降的趨勢。當激發(fā)波長為325 nm 時，Eu（BFA）3@PMMA 的發(fā)光強度最強，這說明雜化材料Eu（BFA）3@PMMA 的最佳激發(fā)波長為325 nm。因此，本文進一步研究了Eu（BFA）3@PMMA在最佳激發(fā)波長條件下對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。通過熒光光譜儀測試樣品在接觸SA 前后溶液的熒光強度，熒光發(fā)射譜如圖3 所示。結果表明，當加入SA 后，Eu（BFA）3@PMMA 的熒光強度明顯降低，產生了熒光猝滅。

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（包括NaHCO3、L-半胱氨酸（L-Cysteine）、肌酸（Creatine）、KCl 和SA），考察了Eu（BFA）3@PMMA 對它們的熒光響應效果，如圖4 所示，在Eu（BFA）3@PMMA 樣品水溶液中添加不同化學物質后，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 的熒光強度，表現(xiàn)出明顯的熒光猝滅效果。

圖4 Eu（BFA）3@PMMA 對不同化學物質的熒光響應Fig.4 The fluorescence response of Eu（BFA）3@PMMA to different chemicals

為了進一步探討SA 濃度對于探針分子Eu-（BFA）3@PMMA 的熒光猝滅效果，測試了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 的熒光強度逐漸降低。圖5（b）為I0/I與SA 濃度之間的線性關系擬合曲線（R2=0.969），當SA 水溶液的濃度在0～25 μmol/L 范圍內時，Eu（BFA）3@PMMA 中Eu3+的發(fā)光強度與SA的濃度之間的線性關系十分理想，由此計算得到KSV為0.173，表明SA 對Eu（BFA）3@PMMA 具有良好的熒光猝滅效果。根據(jù)IUPAC 3σ標準（D=3σk-1，D為檢測限，σ表示進行多次空白實驗得到的標準偏差，k為線性曲線的斜率），計算出SA 在Eu（BFA）3@PMMA 水溶液中的檢測限D=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，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)境內的穩(wěn)定性。如圖6 所示，結果表明，在不同的pH 環(huán)境下，Eu-（BFA）3@PMMA復合材料均具有較為穩(wěn)定的熒光性能，Eu（BFA）3@PMMA的熒光強度變化也極小。

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

4 結論

本文通過配位反應合成稀土配合物Eu（BFA）3，然后將其與單體MMA 進行聚合制備得到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SA 表現(xiàn)出高靈敏度和優(yōu)異的選擇性,檢測限低至0.027 μmol/L。因此，Eu（BFA）3@PMMA可以作為一種檢測SA 的潛在傳感器，有望用于生物醫(yī)學領域中對腫瘤的早期診斷。

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