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 躍遷產生的發射光譜窄、發光色純度高等優勢，常被用作熒光探針中的活性發光離子。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定性和稀土元素優異的光學性能[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上C—H 鍵的伸縮振動導致的。其中，位于3 579 cm-1處出現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

在不同激發波長下的Eu（BFA）3@PMMA 的熒光發射光譜如圖2 所示。從圖中可以看出，當依次用305，315，325，335，345，355 nm 的波長進行激發時，Eu（BFA）3@PMMA 的發光強度呈現出先上升后下降的趨勢。當激發波長為325 nm 時，Eu（BFA）3@PMMA 的發光強度最強，這說明雜化材料Eu（BFA）3@PMMA 的最佳激發波長為325 nm。因此，本文進一步研究了Eu（BFA）3@PMMA在最佳激發波長條件下對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 在不同激發波長下的熒光發射光譜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，在激發波長為325 nm 下，Eu3+的5D0→7F2的特征紅色發射峰逐漸減弱。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 的熒光穩定性

同時，為了研究Eu（BFA）3@PMMA 在水溶液中的酸堿穩定性和光致發光穩定性，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 環境內的穩定性。如圖6 所示，結果表明，在不同的pH 環境下，Eu-（BFA）3@PMMA復合材料均具有較為穩定的熒光性能，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 不僅具有良好的穩定性和熒光性能，還對SA 表現出高靈敏度和優異的選擇性,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，有望用于生物醫學領域中對腫瘤的早期診斷。

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