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(cè)效果研究。分子印跡光子晶體傳感芯片的制備過(guò)程包含3個(gè)步驟。首先，通過(guò)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(duì)鄰苯二甲酸酯類化合物具有特異性識(shí)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(duì)待測(cè)物分子的識(shí)別過(guò)程可通過(guò)布拉格方程轉(zhuǎn)換為可讀的光學(xué)信號(hào)，當(dāng)4種待測(cè)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(cè)過(guò)程僅需6 min。檢測(cè)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(cè)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(lái)，由鄰苯二甲酸酯類化合物引起的公共健康問(wèn)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(yíng)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(duì)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(huì)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(duì)肝臟、腎臟造成嚴(yán)重傷害[4，5]。目前，用于檢測(cè)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(jiàn)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(cè)材料，已在化學(xué)和生物傳感檢測(cè)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(shí)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(shí)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(shí)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(duì)目標(biāo)化合物進(jìn)行特異性地識(shí)別與檢測(cè)。利用此方法，可分別實(shí)現(xiàn)對(duì)葡萄糖[29]、香草醛[30]、煙酰胺[31]的檢測(cè)。制備這類檢測(cè)芯片，需要滿足兩個(gè)基本條件：第一，目標(biāo)檢測(cè)物分子能夠被特異性吸收；第二，吸收檢測(cè)物分子后，光子晶體所產(chǎn)生的光信號(hào)會(huì)發(fā)生相應(yīng)的改變，即對(duì)檢測(cè)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(cè)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(guò)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(cè)的對(duì)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(cè)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(duì)傳感芯片的制備條件進(jìn)行了優(yōu)化，并對(duì)該芯片的識(shí)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(guó)），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(tái)式冷凍離心機(jī)（SIGMA，德國(guó)），CHAIST冷凍干燥機(jī)（北京五洲東方科技發(fā)展有限公司），S4800場(chǎng)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(guó)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(shuō)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(shù)脂玻璃裁剪成75 mm× 25 mm，用無(wú)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(wú)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(guò)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(shù)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(shù)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(duì)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(méi)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(guò)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(cè)。結(jié)果表明，該傳感芯片對(duì)4種檢測(cè)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(duì)待測(cè)物的特異性識(shí)別過(guò)程轉(zhuǎn)換為可讀的光學(xué)信號(hào)，較傳統(tǒng)分析方法更為簡(jiǎn)便、快速、高效。

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