基于組氨酸與Cu(II)配位作用的凝膠光子晶體傳感器研究

張小芳，余莉萍

(天津大學理學院化學系，天津 300350)

光子晶體是指由2種或2種以上具有不同介電常數(折射率)的材料在空間按照一定的周期性排列所形成的有序結構，其具有光子帶隙性質，在光學上遵循Bragg衍射定律[1-6]。智能型水凝膠是聚合物溶脹交聯形成的不溶于水的三維網狀結構，在受到外部環境刺激時其結構將發生明顯變化，表現為其體積的溶脹或收縮[7-8]。凝膠光子晶體是指采用模板填充和原位聚合的方法將膠體晶體嵌入水凝膠中而得到的三維有序結構體系，該體系中光子晶體的特定周期性結構通過水凝膠的交聯固化得以穩定存在[9-10]。凝膠光子晶體既具有智能型水凝膠的環境敏感性，又具有光子晶體的光子帶隙可調制性[11-12],在物理或化學條件刺激下，凝膠光子晶體的體積溶脹和收縮會引起其光子帶隙的變化。人們將不同的功能基團引入到光子晶體中制備出一系列對重金屬離子[13-14]、阿托品[15]、葡萄糖[16-17]、蛋白質[18-20]、殺蟲劑[21]、興奮劑[22]、醇類[23-25]、香蘭素[26]等物質具有響應性的光子晶體傳感器。

銅是人體內第3豐富的過渡金屬元素，Cu(II)在人體內的適量存在有益于維持機體的正常工作，若Cu(II)含量過高，會對人體產生毒害作用[27-29]。組氨酸是氨基酸中與金屬配位能力最強的氨基酸之一，是含有多個供電子基團(氨基、羧基及側鏈咪唑基團)的金屬螯合劑，能與多種金屬離子如Cu(II)、Ni(II)、Co(II)、Zn(II)等進行配位[30]。利用組氨酸或其衍生物與金屬離子之間的配位作用開展研究一直以來都受到研究者的關注[30-35]。

本研究利用Cu(II)與組氨酸的咪唑基團間的較強配位能力，通過將組氨酸固載于凝膠光子晶體基質中，使溶液中的Cu(II)與光子晶體發生作用，引起光子晶體的Bragg衍射峰發生變化。我們利用光纖光譜儀實時在線監測凝膠光子晶體的Bragg衍射峰變化，得到Cu(II)濃度與衍射峰位移之間的函數關系，實現了對Cu(II)的簡便定量測定，對進一步研究組氨酸或其衍生物與Cu(II)之間的配位作用具有重要意義。

1　實驗部分

1.1　儀器與試劑

JKHQ-D1型光纖光譜儀(波長范圍380～1 050 nm，天津津科浩強科技有限公司)；FE20K型 pH計(德國梅特勒-托利多公司)；BT-125D電子天平(德國賽多利斯科學儀器有限公司)；KQ2200B型數控超聲波清洗器(昆山市超聲儀器有限公司)；DZG-4018電熱真空干燥箱(天津市天宇實驗儀器有限公司)；場發射掃描電鏡(Nova Nano SEM 430，FEI， 操作電壓為5 kV)。

苯乙烯(分析純，天津市江天化工技術有限公司)；丙烯酰胺、丙烯酸、N′N-亞甲基雙丙烯酰胺、過硫酸銨、醋酸、醋酸鈉、醋酸銅、濃鹽酸及硝酸鉀(均為分析純，天津大學科威公司)；組氨酸 (分析純，天津光復公司)。醋酸-醋酸鈉緩沖溶液：在0.1 mol·L-1醋酸鈉溶液中加入醋酸調節pH值而配制成一系列不同pH值的溶液。

1.2　制備固載有組氨酸的凝膠光子晶體

1.2.1聚苯乙烯膠體晶體模板的制備

先采用乳液聚合法制備出粒徑200 nm的單分散聚苯乙烯(PS)微球，再將一定量的PS微球與去離子水以1∶20的體積比加入燒杯中，超聲，使PS微球在水中均勻分散。然后，將已經處理過的載玻片(EDGES: 25.4×76.2 mm；THICK: 1.0～1.2 mm)垂直浸入盛有PS微球溶液的燒杯中，置于43 ℃水浴中。隨著燒杯中水的揮發， PS微球會在毛細力作用下于載玻片上進行自組裝，得到表面平整的PS膠體晶體模板。最后，將其放入80 ℃的烘箱中加熱干燥，經自然降溫后得到牢固的PS膠體晶體模板。

1.2.2固載組氨酸的凝膠光子晶體的制備

將功能單體丙烯酸(1.5 mL)和丙烯酰胺(2.5 g)、交聯劑N′N-亞甲基雙丙烯酰胺(0.09 g)、引發劑過硫酸銨(0.09 g)和一定量的組氨酸溶于4 mL去離子水中，超聲混勻，然后采用毛細力滲透法將其填充到PS膠體晶體模板中。在50 ℃的烘箱中熱引發聚合5 h后，便得到固載組氨酸的凝膠光子晶體。不固載組氨酸的空白凝膠光子晶體的制備方法與之相同。

1.3　凝膠光子晶體傳感器的構建

將制備好的固載組氨酸的凝膠光子晶體放在醋酸-醋酸鈉緩沖溶液中溶脹活化，用光纖光譜儀監測其Bragg衍射峰。待Bragg衍射峰不再變化時，認為其已達到溶脹平衡，此時波長記為其在空白緩沖溶液中的初始值。測量時，將此凝膠光子晶體從空白緩沖溶液中取出，放入10 mL不同濃度的pH值相同的Cu(II)溶液(用配制好的醋酸-醋酸鈉緩沖溶液配制而成)中，待凝膠在溶液中達到新的溶脹平衡后，計算此時波長相對空白緩沖溶液中初始值的位移，記為Δλ。完成每次測量后，需要將凝膠光子晶體置于0.1 mol·L-1稀鹽酸溶液中浸泡5 min，取出后用大量去離子水沖洗，使其波長恢復至初始值再進行下一次測量，測量順序按濃度由低到高。

2　結果與討論

2.1　凝膠光子晶體形貌分析

利用掃描電鏡(SEM)對聚苯乙烯膠體晶體模板及固載組氨酸的凝膠光子晶體的表面微觀結構分別進行了表征。如圖1所示，采用垂直沉積法制得的PS膠體晶體模板[圖1a)]表面結構平整，呈現出結構有序、緊密堆積的三維面心立方結構，固載組氨酸的凝膠光子晶體[圖1b)]也具有相同的三維面心立方結構。這表明在聚合物單體填充并熱引發聚合過程中，膠體晶體模板結構沒有被破壞，并且被很好地固定在凝膠光子晶體中。

圖1　晶體的SEM照片Fig.1　Scanning electron microscopy photographs

2.2　凝膠光子晶體傳感性能影響因素研究

2.2.1組氨酸用量的影響

將固載不同含量組氨酸的凝膠光子晶體活化后分別浸于10 mL 10-4mol·L-1Cu(II)溶液(pH=5.5)中，利用光纖光譜儀監測Bragg衍射峰變化。

圖2　不同組氨酸含量時凝膠光子晶體的衍射峰位移Fig.2　Diffraction peak shift of hydrogel photonic crystal with different contents of histidine

由圖2可以看出，當組氨酸摩爾分數在0～0.08%范圍內時，Bragg衍射峰值隨著其含量的增加而增大，之后再增加組氨酸含量，衍射峰則保持不變。實驗表明凝膠光子晶體中組氨酸摩爾分數為0.08%，溶液中Cu(II)濃度為10-4mol·L-1時，組氨酸和Cu(II)之間的作用位點已經達到飽和，所以衍射峰不再繼續發生位移。后續研究中凝膠光子晶體中組氨酸摩爾分數都為0.08%。

2.2.2pH值的影響

溶液pH值不僅影響凝膠光子晶體對金屬離子響應的靈敏度，也影響響應的選擇性。

我們將凝膠光子晶體浸于不同pH值(3.0～6.0)的緩沖溶液及與其相同pH值的10-4mol·L-1Cu(II)溶液中，考察Bragg衍射峰在2種溶液中的位移與pH值的關系，實驗結果如圖3所示。

圖3　pH值對固載組氨酸以及未固載組氨酸的凝膠光子晶體響應Cu(II)的影響Fig.3　Effect of pH on responsive properties of histidine-immoblized and non-immobilized hydrogel photonic crystal to Cu(II)

當pH值從3.0增加到5.5，凝膠光子晶體的Bragg衍射峰位移值逐漸增大；在pH=5.5時，其衍射峰位移達到最大；繼續增加pH值到6.0，其衍射峰位移值開始變小，該結果表明溶液的pH值影響固載組氨酸的凝膠光子晶體對Cu(II)的響應靈敏度，pH=5.5是固載組氨酸的凝膠光子晶體對Cu(II)的最佳響應pH值。我們也考察了同樣條件下未固載組氨酸的凝膠光子晶體對Cu(II)響應性。由圖3可以看出：未固載組氨酸的凝膠光子晶體在各種pH值下衍射峰位移值基本不變，說明其對Cu(II)基本沒有響應。

已有研究表明：Fe(III)與組氨酸的配位作用主要發生在較強酸性條件下，Mn(II)在酸性條件下與組氨酸不發生配位作用；雖然2價的金屬離子傾向于在弱酸性條件下與組氨酸配位，但配位選擇性大小的順序為：Cu(II)>Zn(II)>Ni(II)>Co(II)，是因為Cu(II)與組氨酸的配位常數最大[30]。另有研究表明：Zn(II)在堿性條件下更容易與組氨酸配位[32-33]。我們在實驗中也考察比較了同樣pH值下Cu(II)與Zn(II)的響應性，結果表明固載組氨酸的凝膠光子晶體對Cu(II)的響應性大于Zn(II)，在pH=5.5下具有最高的選擇性。

2.2.3離子強度的影響

在10-5mol·L-1Cu(II)溶液中加入不同濃度硝酸鉀，考察了離子強度對凝膠光子晶體響應Cu(II)的影響。由圖4可知，當硝酸鉀濃度分別為0、10-5、10-4、10-3、10-2、 0.1和1.0 mol·L-1時，凝膠光子晶體衍射峰位移值變化不大，說明硝酸鉀濃度在1.0 mol·L-1以下時，離子強度不會影響該凝膠光子晶體對Cu(II)的響應性。

圖4　離子強度對凝膠光子晶體響應Cu(II)的影響Fig.4　Effect of ionic strength on hydrogel photonic crystal to Cu(II)

2.3　固載組氨酸的凝膠光子晶體對銅離子的定量傳感

將固載組氨酸的凝膠光子晶體依次浸入10 mL pH值為5.5的不同濃度的Cu(II)溶液中，測定其衍射峰位移值。如圖5所示，隨著Cu(II)濃度從10-9mol·L-1增加到10-5mol·L-1時，凝膠光子晶體衍射峰波長從688 nm逐漸增大到758 nm，再繼續增加Cu(II)濃度時，其衍射峰不再發生明顯移動，說明當Cu(II)濃度達到10-5mol·L-1時，Cu(II)已在固載組氨酸的凝膠光子晶體表面達到配位平衡。擬合衍射峰位移與金屬Cu(II)離子的濃度關系曲線，得到在10-9～10-5mol·L-1濃度范圍內，衍射峰位移值Δλ與Cu(II)的濃度對數lgc呈線性關系(圖5)，其線性方程為Δλ=15.76lgc+147.94，線性相關系數R2=0.99267，此方程可以作為Cu(II)的定量測定依據。

圖5　固載組氨酸的凝膠光子晶體在不同濃度Cu(II)溶液中的衍射峰波長變化曲線;衍射峰位移與金屬Cu(II)離子的濃度關系曲線Fig.5　Diffraction peaks of responses of hydrogel photonic crystal to Cu(II)with its concentration ranging from 10-9 M to 10-5 M； Liner relationship between logarithm of Cu(II) concentrations and the diffraction peak shift (Δλ)

2.4　響應速度

將固載組氨酸的凝膠光子晶體浸入10 mL pH=5.5的醋酸-醋酸鈉緩沖溶液中，待溶脹達到平衡后將其取出放入10 mL同樣pH值的10-5mol·L-1的Cu(II)溶液中，每隔1 min記錄1次衍射峰值。

圖6　固載組氨酸的凝膠光子晶體對Cu(II)的時間響應曲線Fig.6　Response time of histidine-immoblized hydrogel photonic crystal with Cu(II)

由圖6可以看出，10 min以后，凝膠光子晶體衍射峰值不再發生變化，說明固載有組氨酸的凝膠光子晶體對Cu(II)在10 min內已達到響應穩定。文獻中，Cu(II)在浸有組氨酸的樹脂上達到吸附平衡的時間是24 h[30]。本研究使用的凝膠光子晶體是薄膜狀的材料，固載在其中的組氨酸與Cu(II)接觸表面積相對較大，所以響應速度較快。

2.5　可逆性研究

考察凝膠光子晶體對Cu(II)響應可逆性時，先將凝膠光子晶體浸入10 mL pH=5.5的10-5mol·L-1Cu(II)溶液中，測得其衍射峰值是758 nm，再將其浸入0.1 mol·L-1鹽酸溶液中5 min除掉Cu(II)，用大量蒸餾水沖洗后，在緩沖溶液中測得其衍射峰值為688 nm。此過程循環5次的實驗結果如圖7所示，表明凝膠光子晶體對Cu(II)響應過程具有良好的可逆性，也說明我們的凝膠光子晶體薄膜有很好的機械強度，可以反復多次使用。

圖7　固載組氨酸的凝膠光子晶體響應Cu(II)的可逆性Fig.7　Recoverability for the response of the histidine-immobilized hydrogel photonic crystal to Cu(II)

3　機理探索

在固載過程中，組氨酸分子中的羧基、氨基與凝膠功能單體丙烯酸分子中的羧基形成氫鍵，保證組氨酸能被穩定地固載到凝膠光子晶體體系中。組氨酸分子中的咪唑基團作為電子供體更容易與具有空軌道的金屬離子發生配位作用[31]。在溶液中，Cu(II)與凝膠光子晶體中的咪唑基團在配位力的驅動下發生作用，使凝膠內部滲透壓發生改變，引起凝膠體積發生膨脹，導致光子晶體膠體微球間的距離變大，從而使光子晶體的衍射峰發生紅移[5,11,14,18]。

4　結論

成功地制備了具有良好溶脹性和響應性的凝膠光子晶體，實現了對Cu(II)的快速簡便傳感測定。在組氨酸固載量為0.08%(摩爾分數)，溶液pH值為5.5，Cu(II)濃度在10-9～10-5mol·L-1范圍內時，凝膠光子晶體的衍射峰位移值Δλ與Cu(II)濃度對數lgc呈良好的線性函數關系，可以實現Cu(II)定量分析。

參考文獻：

[1]陳義, 李晉成. 光子晶體在分析化學中的應用[J]. 色譜， 2009, 27(5): 573-583

Chen Yi, Li Jincheng. Photonic crystals for analytical chemistry[J]. Chinese Journal of Chromatography, 2009, 27(5): 573-583(in Chinese)

[2]Zong Y, Xia J. Photonic band structure of two-dimensional metal/dielectric photonic crystals[J]. J Phys D: Appl Phys, 2015, 48(35): 355 103-355 110

[3]傅小勤, 郭明, 張曉輝, 等. 光子晶體傳感器的研究進展[J]. 材料導報A: 綜述篇，2011, 25(2): 57-62

Fu Xiaoqin, Guo Ming, Zhang Xiaohui,etal. Recent development of photonic crystals sensors[J]. Materials Review A：Review Article, 2011, 25(2): 57-62(in Chinese)

[4]段廷蕊, 李海華, 孟子暉, 等. 光子晶體應用于化學及生物傳感器的研究進展[J]. 化學通報, 2009, 4: 298-306

DuanTingrui, Li Haihua, Meng Zihui,etal. Application of photonic crystals in chemical and bio-sensors[J]. Chemistry Bulletin, 2009, 4: 298-306(in Chinese)

[5]Ge J, Yin Y. Responsive photonic crystals[J]. Angew Chem Int Ed, 2011, 50(7): 1 492-1 522

[6]Li M, He F, Liao Q,etal. Ultrasensitive DNA detection using photonic crystals[J]. Angew Chem Int Ed, 2008, 47(38): 7 258-7 262

[7]Burnham M R, Turner J N, Szarowski D,etal. Biological functionalization and surface micropatterning of polyacrylamide hydrogels[J]. Biomaterials, 2006, 27(35): 5 883-5 891

[8]Samchenko Y, Ulberg Z, Korotych O. Multipurpose smart hydrogel systems[J]. Adv Colloid Interface Sci, 2011, 168(1/2): 247-262

[9]Zhang R, Wang Y, Yu L. Specific and ultrasensitive ciprofloxacin detection by responsive photonic crystal sensor[J]. J Hazard. Mater, 2014, 280: 46-54

[10]Cai Z, Smith N L, Zhang J,etal. Two-Dimensional photonic crystal chemical and biomolecular sensors[J]. Anal Chem, 2015, 87(10): 5 013-5 025

[11]Alivisatos P. The use of nanocrystals in biological detection[J]. Nat Biotechnol, 2004, 22(1): 47-52

[12]Fenzl C, Hirsch T, Wolfbeis O S. Photonic crystals for chemical sensing and biosensing[J]. Angew Chem Int Ed, 2014, 53(13): 3 318-3 335

[13]Lin F, Yu L. Thiourea functionalized hydrogel photonic crystal sensor for Cd2+detection[J]. Anal Methods, 2012, 4(9): 2 838-2 845

[14]Reese C E, Asher S A. Photonic crystal optrode sensor for detection of Pb2+in high ionic strength environments[J]. Anal Chem, 2003, 75(15): 3 915-3 918

[15]Meng L, Meng P, Tang B,etal. Molecularly imprinted photonic hydrogels for fast screening of atropine in biological samples with high sensitivity[J]. Forensic Sci Int, 2013, 231(1/3): 6-12

[16]Nakayama D, Takeoka Y, Watanabe M,etal. Simple and precise preparation of a porous gel for a colorimetric glucose sensor by a templating technique[J]. Angew Chem Int Ed, 2003, 42(35): 4 197-4 200

[17]Hong X, Peng Y, Bai J,etal. A novel opal closest-packing photonic crystal for naked-eye glucose detection[J]. Small, 2014, 10 (7): 1 308-1 313

[18]MacConaghy K I, Geary C I, Kaar J L,etal. Photonic crystal kinase biosensor[J]. J Am Chem Soc, 2014, 136(19): 6 896-6 899

[19]Xie Z, Zhao Y, Sun L,etal. Photo-Bleaching immunity encoded photonic suspension array for label-free multiplex analysis[J]. Chem Comm, 2009, 45: 7 012-7 014

[20]Choia E, Choib Y, Nejadc Y H P,etal. Label-Free specific detection of immunoglobulin G antibody using nanoporous hydrogel photonic crystals[J]. Sens Actuators, B, 2013, 180: 107-113

[21]Wang X, Mu Z, Liu R,etal. Molecular imprinted photonic crystal hydrogels for the rapid and label-free detection of imidacloprid[J]. Food Chem, 2013, 141(4): 3 947-3 953

[22]Hu X, Li G, Li M,etal. Ultrasensitive specific stimulant assay based on molecularly imprinted photonic hydrogels[J]. Adv Funct Mater, 2008, 18(4): 575-583

[23]Wang F, Zhu Z, Xue M,etal. Cellulose photonic crystal film sensor for alcohols[J]. Sens Actuators B, 2015, 220: 222-226

[24]Sai N, Wu Y, Sun Z,etal. Molecular imprinted opal closest-packing photonic crystals for the detection of trace 17β-estradiol in aqueous solution[J]. Talanta, 2015, 144: 157-162

[25]Li J, Zhang Z, Xu S,etal. Label-Free colorimetric detection of trace cholesterol based on molecularly imprinted photonic hydrogels[J]. J Mater Chem, 2011, 21(48): 19 267-19 274

[26]Peng H, Wang S, Zhang Z,etal. Molecularly imprinted photonic hydrogels as calorimetric sensors for rapid and label-free detection of vanillin[J]. J Agric Food Chem, 2012, 60(8): 1 921-1 928

[27]Gaggelli E, Kozlowski H, Valensin D,etal. Copper homeostasis and neurodegenerative disorders (alzheimer’s, prion, and parkinson’s diseases and amyotrophic lateral sclerosis) [J]. Chem Rev, 2006, 106(6): 1 995-2 044

[28]Deschamps P, Zerrouk N, Nicolis I,etal. Copper(II)/L-glutamine complexation study in solid state and in aqueous solution[J]. Inorg Chim Acta, 2003, 353: 22-34

[29]L?vstad R A. A kinetic study on the distribution of Cu(II)-ions between albumin and transferring[J]. Biometals, 2004, 17(2): 111-113

[30]Oshima T, Ishizaka S, Morizono H,etal. Adsorption behavior of metal ions on alkylhistidine extractant impregnated resins: Effect of functional groups of histidine[J]. Sep Purif Technol, 2013, 114: 11-16

[31]Deschampsa P, Kulkarnia P P, Gautam-Basakb M,etal. The saga of copper(II)-L-histidine[J]. Coord Chem Rev, 2005, 249(9/10): 895-909

[32]Ferrer P, Jimenez-Villacorta F, Rubio-Zuazo J.etal. Environmental influence on Zn-histidine complexes under no-packing conditions[J]. J Phys Chem B, 2014, 118(11): 2 842-2 850

[33]Thirupathi P, Lee K, A ratiometric fluorescent detection of Zn(II) in aqueous solutions using pyrene-appended histidine[J]. Bioorg Med Chem Lett, 2013, 23(24): 6 811-6 815

[34]Weng Y C, Fan F F, Bard A J. Combinatorial biomimetics optimization of a composition of copper(II) poly-L-histidine complex as an electrocatalyst for O2reduction by scanning electrochemical microscopy[J]. J Am Chem Soc, 2005, 127(50): 17 576-17 577

[35]Kurzak B, Kamecka A, Bogusz K,etal. Stabilities and coordination modes of histidine in copper(II) mixed-ligand complexes with ethylenediamine, diethylenetriamine or N,N,N′,N″,N″-pentamethyl diethylenetriamine in aqueous solution[J]. Polyhedron, 2008, 27(13): 2 952-2 958