磁性納米分子印跡聚合物的制備及其對生物體內PQQ-DA痕量產物的研究

毛師師，周杏琴，欽曉峰，徐希杰，謝敏浩

(江蘇省原子醫學研究所，衛生部核醫學重點實驗室，江蘇省分子核醫學重點實驗室，江蘇 無錫 214063)

多巴胺(DA)是腦內重要的神經遞質，在神經系統發揮重要的生理作用[1-2]。吡咯并喹呤醌(PQQ)是一種氧化還原酶輔基，主要分布于原核生物以及部分植物和哺乳動物中[3-4]。PQQ具有特殊的化學結構，能夠與多種活性基團發生反應[5]，與DA反應生成PQQ-DA(反應式見圖1)，研究腦內PQQ-DA含量對PQQ與多巴胺神經遞質的作用機制具有重要意義。

腦內PQQ-DA含量屬于痕量級，一般分析方法難以檢測，而常規固相萃取吸附劑特異選擇性不足，易將其他干擾物與目標物共同萃取下來[6]。目前尚未見PQQ-DA含量分析的相關報道。本文以磁性Fe3O4為內核，四甲氧基硅烷和3-(異丁烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷對磁性納米粒子表面進行包裹和修飾，將可聚合雙鍵引入Fe3O4@SiO2粒子表面，以乙二醇二甲基丙烯酸酯為交聯劑，偶氮二異丁腈為引發劑聚合反應，形成可以進一步被多種有機官能團修飾的分子印跡聚合層[7-12]。以PQQ-DA為模板分子，采用分子印跡技術合成對其具有高選擇性的分子印跡聚合物，洗去模板分子后，在硅膠表面的聚合物薄層中留下了大量可匹配的空穴。由于PQQ-DA上的酰氨基與微粒表面的功能大分子之間存在靜電相互作用與吸附作用，因而可以優先吸附與洗脫，制備了對PQQ-DA具有高識別性、高選擇性的磁性分子納米印跡材料，采用掃描電鏡和紅外光譜對其進行了表征[14-17]，并聯合超高效液相色譜-串聯質譜(UPLC-MS)測定腦內痕量PQQ-DA，對神經系統疾病的發生和機理研究具有重要指導意義。

圖1 PQQ-DA的反應結構式Fig.1 Reaction structure formula of PQQ-DA

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

Acquity UPLC(美國Waters公司)，配有SQ Detector 2質譜檢測器及PDA檢測器；EVO18掃描電鏡(德國卡爾蔡司公司)；TENSOR 27紅外光譜儀(德國 Bruker公司)；HH-2L型恒溫水浴鍋(鄭州杜普儀器廠)；S220K型酸度計(瑞士Mettler Toledo公司)；BSA 224S-CW型電子天平(賽多利斯科學儀器北京有限公司)；T10勻漿機(德國IKA公司)；81-2型恒溫磁力攪拌器(上海司樂儀器有限公司)；STS-8A脫色搖床(上海琪特分析儀器有限公司)；HS-3120超聲波清洗器(天津市恒奧科技發展有限公司)；5417R冷凍高速離心機(德國Eppendor公司)。

PQQ由江蘇省原子醫學研究所合成室提供;甲醇(色譜純，百靈威科技有限公司)；七水合硫酸亞鐵(FeSO4·7H2O)、甲基丙烯酸乙二醇酯、偶氮二異丁腈、乙二醇二甲基丙烯酸酯、K2HPO4、乙二胺四乙酸二鈉、氨水、乙醇、甲酸、醋酸、高氯酸(PCA)、NaOH(分析純，國藥集團化學試劑有限公司)；3-(異丁烯酰氧)苯基三甲氧基硅烷、四甲氧基硅烷(Sigma公司)，氮氣(無錫市輝榮貿易有限公司)，實驗用水為去離子水。

1.2 實驗動物及分組

20～30 g小鼠(由常州卡文斯公司提供)按照對照組、PQQ缺損模型組和PQQ組隨機分為3組，每組6只。按照每天下午14∶00腹腔給藥，注射量為10 mL/kg(1.0 mg/mL)，連續給藥6周。實驗小鼠喂養于室溫為(20±2)℃的動物室中，自然光照射，換氣扇通風，自由進食飲水，提前一周適應環境。

1.3 色譜-質譜條件

色譜柱為BEH C18柱(1.7 μm，2.1 mm×100 mm)；脫溶劑氣溫度：400 ℃；脫溶劑氣流量：600 L/h；離子源溫度：110 ℃；錐孔氣流量：50 L/h；毛細管電壓：3 000 V；錐孔電壓：30 V；質譜采用電噴霧正離子模式ESI+，質量掃描范圍為m/z0～1 000。流動相：A為水，B為甲醇；梯度洗脫程序：0～10 min,5%～70% B。

1.4 實驗方法

1.4.1 Fe3O4磁性納米粒子的制備配制100 mL 1.25 mmol/L FeSO4·7H2O溶液，在氮氣保護下以800 r/min的速度機械攪拌，用6 mol/L NaOH溶液調至pH 10.0，1 h后磁性沉淀物分離，用磁鐵吸附黑色Fe3O4納米粒子，倒去上層液體，用二次蒸餾水及乙醇分別洗滌3次，再分散懸浮于乙醇溶液中,得到5.0 mg/mL的納米Fe3O4懸浮液。

1.4.2 磁性Fe3O4包裹SiO2的制備取上述“1.4.1”制備的納米Fe3O4懸浮液50 mL，加入5 mL氨水，5 mL二次蒸餾水，10 mL含1 mmol/L的四甲氧基硅烷，于60 ℃下以800 r/min攪拌10 h；然后加入200 μL 3-(異丁烯酰氧)苯基三甲氧基硅烷分散于50 mL 10%的醋酸水溶液中，繼續攪拌5 h，用二次蒸餾水洗滌，得到磁性Fe3O4/SiO2納米粒子。

1.4.3 PQQ-DA印跡磁性納米粒子聚合物的制備精密稱取0.46 g PQQ-DA加入30 mL含0.2 mol/L甲基丙烯酸乙二醇酯溶液，超聲混合30 min，氮氣保護下滴加5.0 g乙二醇二甲基丙烯酸酯和0.02 g偶氮二異丁腈，再加入0.25 g 磁性Fe3O4/SiO2納米粒子，超聲30 min；將此混合液于60 ℃下反應24 h，得PQQ-DA印跡磁性納米粒子。非印跡磁性納米粒子的制備除了不加模板分子PQQ-DA外，其他步驟和印跡磁性納米粒子相同。將以上制備的納米粒子用乙醇-甲酸(體積比5∶1)混合液洗滌3次，再用二次蒸餾水洗滌3次，用外部磁場分離出磁性納米粒子，真空干燥，分別得到磁性印跡聚合物及磁性非印跡聚合物。

1.4.4 腦組織處理小鼠各組冰上取腦，分別稱重，加組織裂解液(腦組織重量/裂解液=1 g/1.5 mL)勻漿(組織裂解液含0.6 mol/L PCA和0.5 mmol/L EDTA-Na2)[13]，4 ℃下以14 000 r/min離心15 min，上清液取出再離心15 min，取出上清液，加入等體積蛋白PCA沉淀劑(含1.2 mol/L K2HPO4和2.0 mmol/L EDTA-Na2)，4 ℃冰浴放置10 min后，4 ℃下以14 000 r/min離心15 min，得含目標物的腦組織處理液，備用。

1.4.5 磁性納米分子印跡處理取20 mg印跡磁性納米粒子分散于250 mL腦組織處理液中。15 ℃振蕩吸附1 h后，將磁鐵置于燒杯底部吸住印跡磁性納米粒子，棄去上清液；印跡磁性納米粒子用去離子水洗滌后，重新分散在5 mL乙醇-甲酸(體積比6∶1)混合溶液中并超聲10 min，將粒子用磁鐵吸至燒杯底部，取上清液，氮氣吹干，待用。

2 結果與討論

2.1 掃描電鏡實驗

采用掃描電鏡觀察分子印跡聚合物的表面(圖2)。掃描電子顯微鏡顯示(圖2A)，其顆粒大小分布均勻，大致呈圓形，粒徑約10 nm，基本滿足超順磁性顆粒的要求；接枝PQQ-DA印跡層后的掃描電子顯微鏡圖(圖2B)顯示，其粒徑約130 nm，顆粒表面呈現粗糙多孔的特性，適合目標分子的釋放與結合，孔隙粒徑小于50 nm，適用于模板分子轉移，可在很短的時間內達到萃取平衡。

圖2 磁性納米粒子的掃描電子顯微鏡圖Fig.2 Scanning electron microscopes of magnetic nanoparticlesA.Fe3O4/SiO2;B.PQQ-DA-Fe3O4/SiO2

圖3 紅外光譜圖Fig.3 Infrared spectroscopya.non imprinted magnetic nanoparticles(非印跡磁性納米粒子);b.prior to elution of imprinted magnetic nanoparticles(印跡磁性納米粒子洗脫前);c.after elution of imprinted magnetic nanoparticles(印跡磁性納米粒子洗脫后)

2.2 紅外光譜表征

采用紅外光譜對分子印跡聚合物的化學結構進行表征(圖3)。與非印跡磁性納米粒子(曲線a)相比，印跡磁性納米粒子洗脫前(曲線b)PQQ-DA結構中各特征峰明顯增強，其中3 444 cm-1處為-OH伸縮振動峰，1 690 cm-1和1 650 cm-1處為酰胺特征峰，無機雜化涂層使2 935、2 855 cm-1處的酰胺基特征峰出現輕微位移。而當印跡磁性納米粒子洗脫后(曲線c)，其與非印跡磁性納米粒子(曲線a)的峰形和強度基本一致，表明PQQ-DA能夠從印跡磁性納米粒子吸附中較好地洗脫出來，留下可以進行分子識別的空穴。

圖4 PQQ在磁性印跡聚合物和磁性非印跡聚合物上的吸附等溫線Fig.4 Isothermal adsorption of PQQ on magnetic imprinted polymers and magnetic non imprinted polymers

2.3 吸附實驗

精密移取5 mL質量濃度分別為0.02、0.2、0.8、1.0、2.0、4.0 mg/mL的PQQ-DA溶液于錐形瓶中，再分別稱取15 mg磁性印跡聚合物和磁性非印跡聚合物，分散于不同濃度的PQQ-DA溶液中，于15 ℃水浴恒溫振蕩10 h后用磁鐵將粒子吸在底部，采用UPLC-MS測定上清液中PQQ-DA含量；以印跡磁性納米粒子的吸附容量對PQQ-DA濃度作圖，繪制等溫吸附線(圖4)。吸附容量(Q)為每單位質量(g)納米粒子吸附目標分子的質量，由其在振蕩吸附前后PQQ-DA的濃度差值計算得到：Q=(c0-ci)V/m。式中，c0為PQQ-DA初始質量濃度(mg/mL)，ci為振蕩后上清液中PQQ-DA質量濃度(mg/mL)，V為溶液體積(mL)，m為粒子質量(mg)。由吸附等溫線可見，低濃度時印跡粒子的吸附容量隨PQQ-DA濃度的增大而增加，在2.0 mg/mL時基本達到飽和，計算得飽和吸附容量為113.8 mg/g，是相同條件下非印跡粒子的飽和吸附容量(50.2 mg/g)的2.3倍。

2.4 印跡磁性納米粒子用量的影響

吸附劑用量對目標物的回收率具有重要影響，若粒子用量不夠，則不能完全吸附目標物；若粒子用量過多，雖可確保目標物被充分吸附，但會影響洗脫從而降低提取效率。實驗研究了不同磁性納米分子印跡粒子用量(2.5、5、10、15、20、25 mg)對PQQ-DA回收率的影響。結果發現回收率隨磁性納米分子印跡粒子用量增加而增大，在10 mg時達到最大(93.5%)，此后，繼續增加印跡磁性納米粒子用量，回收率反而下降。因此，選擇10 mg為印跡磁性納米例子的最佳用量。

2.5 脫附時間的影響

脫附時間對回收率也有很大影響，為了獲得最佳脫附時間，實驗將吸附飽和的印跡磁性納米粒子分散于2 mL乙醇-甲酸(體積比8∶2)溶液中，于搖床中振蕩洗脫，考察不同振蕩洗脫時間(5、10、15、20、30、40 min)的回收率。結果顯示，回收率隨著洗脫時間的延長而逐漸增大，在洗脫時間為20 min時達到最大(93.6%)，此后，洗脫達到平衡。因此，在實際樣品分析時選擇20 min為最佳洗脫時間。

圖5 PQQ-DA的質譜圖Fig.5 Mass spectrogram of PQQ-DA

2.6 方法學驗證

2.6.1 線性范圍與檢出限精密稱取一定量PQQ-DA，用二次蒸餾水配制成質量濃度分別為0.02、0.04、0.06、0.08、0.1 mg/mL的標準溶液，分別取10 mg印跡磁性納米粒子分散于250 mL上述標準溶液中，于15 ℃振蕩吸附1 h后，以磁鐵置于燒杯底部將印跡磁性納米粒子吸住，棄除上清液；印跡磁性納米粒子用去離子水洗滌后，重新分散在5 mL乙醇-甲酸(體積比6∶1)混合溶液中，再超聲20 min，粒子用磁鐵吸至燒杯底部，取上清液稀釋，進UPLC-MS在優化條件下分析。以PQQ-DA質量濃度(x,mg/mL)為橫坐標，對應峰面積(y)為縱坐標，繪制標準曲線，得線性方程為y=1 205 519 606x+259 487(r2=0.996 6)，以3倍信噪比(S/N≥3)計算得其檢出限(LOD)為0.2×10-11mg/mL。

2.6.2 精密度及回收率在優化條件下，對腦組織樣品分別進行0.2、0.6、1.0 mg/mL水平的加標回收實驗，每個加標水平平行測定6次，計算得加標回收率為88.7%～95.5%，相對標準偏差(RSD)為2.6%～3.2%。

2.7 實際樣品測定

按照“1.4.4”方法處理小鼠腦組織，在優化條件下進樣測定，經MS圖譜確認466.25 M+為PQQ-DA分子離子峰(圖5)。將其色譜峰積分面積代入標準曲線計算得PQQ-DA含量(c，mg/mL)，再根據c×V(進樣體積)/m(腦組織重量)計算得到正常小鼠腦組織中PQQ-DA含量為(0.25±0.006)ng/mg，而PQQ缺損模型鼠中未檢出PQQ-DA，連續注射PQQ (1.0 mg/mL) 6周后的小鼠腦組織中PQQ-DA含量為(1.09±0.012)ng/mg。

3 結 論

本文制備了PQQ-DA印跡磁性納米粒子聚合物，并優化了實驗條件，建立了UPLC-MS檢測小鼠腦內痕量PQQ-DA的分析方法。該方法特異性強、選擇性好，未來有望運用到疾病的診斷和治療中。