基于水凝膠聚合物波導傳感器檢測鹽酸吖啶黃

摘要：多功能化是光纖化學傳感器的重要發展方向。為實現該目標，首先通過激光誘導波導自形成技術制備了一種光纖–水凝膠聚合物波導–光纖傳感結構，并在水凝膠聚合物波導探針中成功地摻雜了納米金顆粒。在該結構中，波導與光纖同軸無縫相連，保證了探測光和信號光的高效利用。摻金后的聚合物波導具有豐富的光譜探測能力，利用該波導探針成功實現了對鹽酸吖啶黃的吸收、熒光以及拉曼光譜的檢測，擴大了波導傳感器的應用范圍。

關鍵詞：聚合物波導傳感器；鹽酸吖啶黃；納米金顆粒；β–環糊精

中圖分類號：O439文獻標志碼：A

Detection of acriflavine hydrochloride based on hydrogel polymer waveguide sensor

NI Tiancheng，CAI Bin

（School of Optical-Electrical and Computer Engineering， University of Shanghai for Science and Technology， Shanghai200093， China）

Abstract： Multi-functionalization is an important development direction of optical fiber chemosensors. A laser-induced self-written waveguide technique is used to prepare optical fiber hydrogel polymer waveguide-fiber sensing structures. In this structure， the waveguide is coaxially connected to the optical fibers， which ensures the high efficiency of pumping light launching and signal collection. In order to broaden the sensing abilities of the optical fiber-polymer waveguide fiber （OFWF） sensor， gold nano-particles （AuNPs） are successfully doped into the waveguide session of the OFWF. The AuNPs-doped OFWF sensor is good at spectral detection. We successfully achieved the absorption， fluorescence and Raman spectra measurement of acriflavine hydrochloride. It is believed that the AuNPs-doped OFWF has great potential in various applications.

Keywords： polymer waveguide sensor； acriflavine hydrochloride； gold nano-particles； beta cyclodextrin

引 言

光纖傳感器自被提出至今，因其結構緊湊，成本低，抗電磁干擾，實時動態響應等特點而廣受關注，被認為具有很好的發展前景，可以實現對生化量的高效、快速測量[1]，但其仍面臨著對測量環境要求高，生產條件受限等問題[2]。目前已研究出多種光纖傳感器，如 U 型結構光纖傳感器[3]、三層結構光纖傳感器等[4]。在前期工作中，作者采用激光誘導光波導自形成技術制備了一種光纖–聚合物波導–光纖結構的光纖傳感器。該纖芯裸露的波導部分可以和待測物充分接觸，具有檢測靈敏度高，同軸相連光損耗低，柔韌性和魯棒性好，可以遙感監測，制備工藝簡單等特點。在對羅丹明 B 的檢測中，該光纖傳感器分別實現了吸收光譜為1.0×10?8g/mL 和熒光光譜為5.0×10?12g/mL 的檢測極限[5]。

表面增強拉曼光譜（surface-enhanced Raman spectroscopy，SERS）技術具有快速、靈敏、無損，且具有分子指紋識別性和單分子檢測的特點[6]，在各類分子、離子及生物大分子的痕量檢測等領域都有著廣泛的應用前景[7]。SERS 利用金屬表面的局域電磁場增強效應，可以大幅提高拉曼散射的強度，比如 Sarma 等[8] 通過納米金顆粒（AuNPs）的增強，在對雞肉中抗生素鹽酸多西環素和恩諾沙星的檢測中，實現了約7.32nmol/L 的檢測極限。

鹽酸吖啶黃（acriflavine hydrochloride）又稱為雌黃、三勝黃，為橘紅色至棕紅色的有機粉末。在臨床上鹽酸吖啶黃及其衍生物可作為抗瘧藥[9]、抗菌藥[10]、抗病毒藥[11]、抗結核病藥[12]、殺真菌藥[13]，并且具有抗癌活性[14]。目前，有研究認為鹽酸吖啶黃可能是一種對抗 SARS–CoV–2的潛在藥物，能夠對冠狀病毒復制中涉及的 PLpro 酶產生作用[15]。服用過量的鹽酸吖啶黃會導致嘔吐、腹瀉和黃疸等副作用[16] ，因此使用時必須嚴格控制注射劑量，以免對使用者的肝腎造成損害[17]。

為拓展光纖–聚合物波導–光纖（optical fiber polymer waveguide-fiber，OFWF）傳感器在光譜探測中的應用，本研究將水凝膠引入 OFWF 結構。水凝膠具有三維網狀多孔結構，具有吸水性強等特點，因此待測物質很容易滲透到水凝膠光波導內部，使得局限在光波導內部的探測光也可以與待測物質相互作用。與傳統的光纖倏逝波傳感器相比，該結構大幅提高了探測光的利用效率。此外，水凝膠對水溶性物質具有良好的親和性，其微觀三維結構也大大增加了波導對待測物質的吸附面積，可以極大地提高波導對待測物質的富集能力。在波導探針中摻雜經單（6–巰基–6–去氧）–β–環糊精（S–β–CD）修飾的納米金顆粒，并以鹽酸吖啶黃為檢測對象，在 OFWF 傳感器上實現了吸收光譜、熒光光譜以及拉曼光譜的多光譜測量。

1

材料與制備方法

1.1

試劑與材料

聚合物波導所用的聚合物單體為3，4–環氧環已 基 甲 基3，4–環 氧 環 已 基 甲 酸 酯 （ ω＞97%，Aladdin） 、2–羥 基 乙 基 丙 烯 酸 酯 （ ω＞97%，Jamp;K）和聚乙二醇–二丙烯酸酯（PEGDA，引昌新材料）。為使其能適用光聚合反應，實驗采用陽離子引發劑（Irgacure261，ω＞98%，u-sunny），自由基引發劑2，4，6–三甲基苯二苯酚氧化物（TPO， ω＞98%，Aladdin），和光敏劑（PAS-33，ω＞98%，u-sunny）來增強單體的光活性。單（6–巰基–6–去氧）–β–環糊精（S–β–CD，智源生物）作為還原劑和表面修飾劑，用于將四水氯金酸 （ HAuCl4·4H2O， 國 藥 試 劑 ） 轉 化 為 附 著S–β–CD 的 AuNPs，鹽酸吖啶黃（Aladdin）水溶液用來檢測傳感器檢測效果。實驗中使用的化學試劑均為購買后直接使用，未經再次加工。

1.2

摻金聚合物波導傳感器制備

為了使制備的納米金對鹽酸吖啶黃具有更好的吸附性，采用環糊精替代傳統的檸檬酸鈉作為還原劑，選用 S–β–CD 對 AuNPs 進行修飾。一方面因為 S–β–CD 上的巰基對金具有良好的親和性，能夠迅速地附著在 AuNPs 的表面，另一方面 S–β–CD 上的環糊精基團可以和鹽酸吖啶黃進行結合形成包合物[18]，更有利于附著在納米金第2期 倪天成，等：基于水凝膠聚合物波導傳感器檢測鹽酸吖啶黃 ·21·表面，實現拉曼增強。S–β–CD 修飾的納米金顆粒的制備步驟為：首先配置150mL ω =0.015%的 HAuCl4水溶液，加入三口圓底燒瓶中，并使用冷凝管進行環流冷卻。油浴鍋加熱，溫度設置為140℃。待溶液將要沸騰時開始攪拌。接著配置5mL ω =1% 的 S–β–CD 水溶液，并在 HAuCl4溶液開始沸騰后迅速加入其中，繼續加熱30min后，反應液呈現深紫色[19]，這說明 AuNPs 制備成功了。然后停止加熱并去除冷凝管，待溶液冷卻至室溫后轉移至4℃ 以下冷藏保存。使用時取適量溶液先在3000r/min 下離心20min，去除溶液中尺寸較大的顆粒，再在10000r/min 下離心20min，取底物 AuNPs 備用。

摻金聚合物前驅體的制備：按3，4–環氧環已基甲基3，4–環氧環已基甲酸酯、2–羥基乙基丙烯酸酯和 PEGDA 的質量比為9∶2∶9進行配置；然后再在混合溶液中加入 ω =0.3% 的 PAS–33、ω =0.3% 的 TPO 與 ω =1.2% 的 Irgacure–261，室溫攪拌1h 至溶液完全澄清透明；最后在混合溶液中加入 ω =1% 的制備好的 AuNPs 溶液，并在室溫下持續攪拌2h 至溶液均勻混合。

摻金聚合物波導的制備：將2根規格為62.5μm /125μm（內徑/外徑）的多模光纖固定在光纖夾具上，制備裝置如圖1所示，通過顯微鏡觀察并調節光纖端口處對齊，保證2根光纖同軸放置。在纖芯連接處放置玻璃基板并滴加5滴配置好的摻金聚合物前驅體混合溶液，2根光纖的遠端分別連接到405nm 激光器。隨著激光的入射，前驅體在激光的照射下發生聚合反應，聚合物波導各自沿著光纖的纖芯同軸生長。將激光功率調至20μW 左右，并持續入射8s，使2根光波導連接在一起，最終形成 OFWF 結構。用乙醇溶液滴涂清洗2次，去除聚合物光波導上殘留的未固化的聚合物前驅體混合液，并將此傳感器置于50℃ 真空烘干箱中加熱12h，進一步固化。

2

結果與討論

2.1

納米金顆粒表征

實驗通過 Shimadzu UV–2600紫外–可見光分光光度計、Malvern Zetasizer Nano ZS90納米粒度分析儀、Zeiss Sigma300掃描電子顯微鏡（ scanning electron microscope， SEM） 和 Talos L120C G2120kV 透射電子顯微鏡（transmission electron microscope，TEM）對制備的 AuNPs 進行表征。圖2（a）為 AuNPs 的 SEM 圖，由于該樣品沒有經過離心去除雜質，可以看到結果中還存在著一些長條形，尺寸較大的雜質。TEM 的觀察結果如圖2（b）所示， AuNPs 主要由一些大大小小的球形顆粒組成，中間夾雜少量三角形、六邊形等其他形狀的顆粒。顆粒的分散比較均勻，沒有發生團聚現象，由此判斷 S–β–CD 比較有效地對 AuNPs 的表面進行了修飾。圖2（c）是AuNPs 的粒徑分布圖，所制備的 AuNPs 的平均粒徑為22nm，占比最多的是粒徑為25nm 的AuNPs，多分散系數為0.544。圖2（d）是用紫外分光光度計測量的 AuNPs 吸收圖，3000r/min離心后的 AuNPs 溶液的最大吸收峰在550nm 左右，和初始溶液相比，其峰值位置沒有變化，峰值強度下降了一點，說明去除了顆粒較大的納AuNPs；10000r/min 離心后的 AuNPs 溶液最大吸收峰在544nm 左右，相對于初始溶液峰值有藍移，AuNPs 的尺寸較小，與 SEM、TEM 的觀測結果一致。

2.2

摻金聚合物波導的制備形貌表征

圖3為摻金的光纖–水凝膠聚合物波導–光纖傳感器的 SEM 圖，可以看出聚合物波導與石英光纖同軸無縫連接，大大降低了光損耗，提升了聚合物波導傳感器對光信號的收集效率。波導直徑一般為50～60μm，略小于多模光纖的纖芯直徑。波導的長度可以通過調節2根光纖之間的距離來調整。實驗進一步對摻金波導的光損耗進行了評價。將632.8nm 的激光輸入至光纖中，先測量激光通過普通光纖的光損耗，再測量激光通過聚合物波導的光損耗，兩者的差值即聚合物波導傳感器的光損耗。這個光損耗包括光纖–波導間的耦合損耗，也包括波導本身因吸收、散射等原因帶來的額外光損。實驗結果顯示，由于納米金的散射作用，摻金水凝膠聚合物波導的光損耗大概為5dB 左右，相對于不摻金的聚合物波導光損耗增加3dB 左右。為了獲得比較好的傳感效果且便于制備，在光譜測量中采用4mm 長的聚合物波導作為檢測探針使用。

2.3

光譜測量

為實現吸收光譜的檢測，將白光源（Idea Optics HL2000）通過光纖與 OFWF 傳感器連接，在聚合物波導部分滴加鹽酸吖啶黃水溶液，待波導與檢測液作用后，通過第二根光纖連接進光譜儀（Idea Optics PG2000–pro），由其將接收到的信號傳輸到計算機中進行數據處理。

圖4（a）為不同濃度的鹽酸吖啶黃水溶液在Shimadzu UV–2600紫外–可見光分光光度計中測量到的吸收光譜圖，該圖表明鹽酸吖啶黃的標準吸收峰位于450nm 左右，吸收光譜檢測極限約為1×10?7g/mL。圖4（b）為鹽酸吖啶黃在聚合物波導傳感器中測量到的吸收光譜圖，該圖表明鹽酸吖啶黃的吸收峰位于462nm 左右，吸收峰的位置紅移了約12nm。推測這可能由2個方面的原因引起：首先是微觀環境的改變，UV–2600測量的是水溶液體系，為強極性環境，而水凝膠聚合物波導傳感器檢測的鹽酸吖啶黃則吸附在波導表面及內部，屬于弱極性環境；其次是由于鹽酸吖啶黃水溶液濃度不高，基本呈單分子狀態，而水凝膠聚合物波導會導致鹽酸吖啶黃的富集，富集后的鹽酸吖啶黃會產生 J–聚合，從而導致吸收峰的紅移。由圖4（b）可知，波導傳感器與商用的空間光譜儀相比檢測能力更強，達到了1.0×10?10g/mL 的吸收光譜檢測極限。此外，OFWF 的測量結果信噪比比較低，這主要是由于鹽酸吖啶黃的吸收峰接近白光源短波長的極限所致。如圖5所示，白光源在360～500nm 波段的出光強度非常低，會對實驗結果造成一定影響。后期可以通過改善光源的方法提高信噪比，并有可能進一步提高吸收光譜的檢測極限。

圖6為基于 OFWF 系統的熒光光譜測試裝置圖。鑒于鹽酸吖啶黃的吸收范圍在350～500nm，實驗采用405nm 激光作為激發光源，激光功率設置為300μW，光譜儀積分時間為100ms。在激光通過波導探針之后，使用450nm長波通濾光片來濾除激發光對光譜儀的影響。圖7（a）為鹽酸吖啶黃在聚合物波導傳感器中測量到的熒光光譜圖，從圖中可以看出測量出來的鹽酸吖啶黃熒光峰在500nm 左右，波導傳感器與顯微熒光光譜儀相比具有更強的檢測能力，其熒光光譜檢測極限小于1.0×10?9g/mL。圖7（b）為鹽酸吖啶黃水溶液在顯微熒光光譜儀中測量到的熒光光譜，此時采用汞燈作為激發光源，經濾波片選擇450～490nm 波段進行激發。由于顯微鏡的長波通濾波片的截止頻率在520nm 左右，導致部分熒光被濾掉，從而使得鹽酸吖啶黃的熒光峰出現在527nm 處，紅移了約7nm。由實驗可知，顯微熒光光譜儀對鹽酸吖啶黃熒光光譜的檢測極限約為1×10?7g/mL。一般而言，熒光光譜檢測能力高于吸收光譜的檢測能力，而在鹽酸吖啶黃體系的檢測中結果卻與之相反。推測這主要是由于鹽酸吖啶黃的熒光效率不高所引起的。鹽酸吖啶黃有質子化和非質子化2種化學構型，其中非質子化構型因其雜環上的氮可產生 n-π*激發，從而增加自旋轉軌道耦合的概率，并致使熒光量子產率下降。

由于拉曼信號本身是非常弱的，因此無法直接使用 OFWF 對鹽酸吖啶黃水溶液的拉曼光譜進 行 測 量 。 為 了 測 得 拉 曼 信 號 ， 實 驗 將 經S–β–CD 修飾的納米金摻雜到水凝膠聚合物波導當中。水凝膠聚合物波導傳感器的拉曼光譜檢測裝置和熒光檢測類似。因為鹽酸吖啶黃的熒光峰在500nm 左右，為了避開熒光信號的影響，實驗選用632.8nm 的半導體激光作為激發光源，激光功率設置為2mW，積分時間為10s。為避免激發光的干擾，在激光與樣品作用后，實驗選用632.8nm 的陷波濾波片對激發光進行濾除。

此外，由于半導體激光器的出射光譜較寬，會影響到拉曼光譜的分辨率和陷波片的濾波效果，因此在激光出光口放置一塊中心波長為632.8nm，半高寬為5nm 的帶通濾波片。在1.0×10?5g/mL質量濃度下，鹽酸吖啶黃拉曼光譜的檢測結果如圖8所示?？梢钥吹皆?62，392，433，534，634，766和948cm?1等處均有拉曼峰的出現。作者判斷766cm?1處的 SERS 峰歸屬于鹽酸吖啶黃 C—H 鍵的變形振動，948cm?1處的 SERS 峰歸屬于環的伸縮振動[20]。與文獻值 [21] 相比，測量結果存在幾個波數的偏移。分析認為這主要是由于鹽酸吖啶黃分子被吸附于波導表面或內部，由此引起周圍介電常數的改變所導致。當然，實驗中電子器件的噪聲以及外部雜散光等也會對拉曼位移產生影響。除此之外，其他多個拉曼峰的出現可能源自于聚合物波導體系中的環氧樹脂、丙烯酸酯、PEGDA、引發劑、光敏劑以及環糊精等成分，具體的歸屬還有待進一步調查。在同等濃度下，通過拉曼共聚焦顯微鏡（Nanophoton）對樣品進行觀察，并未獲得有效的拉曼信號。

3

結 論

本文首先制備了平均粒徑為22nm 的納米金顆粒，并且采用 S–β–CD 進行表面修飾，成功制備出了摻金的水凝膠聚合物波導光纖傳感器。通過該傳感器實現了對鹽酸吖啶黃吸收光譜和熒光第2期 倪天成，等：基于水凝膠聚合物波導傳感器檢測鹽酸吖啶黃 ·25·?3熒光強度×10/（a.u.）熒光強度/a.u. 拉曼強度/（a.u.）光譜分別為1.0×10?10g/mL 和1.0×10?9g/mL 的檢測極限，均優于商用儀器的檢測結果。在納米金的增強作用下，實現了對1.0×10?5g/mL 鹽酸吖啶黃拉的曼光譜檢測，拓寬了 OFWF 的應用范圍。納米金顆粒的摻雜會給波導帶來額外的吸收與散射損耗，從而降低探測靈敏度。為提高波導傳感器的探測性能，還需對納米金的尺寸、含量以及摻雜方式等做進一步的優化。此外，聚合物波導體系具有較為復雜的化學成分，為提高拉曼檢測的識別能力，還需進一步明確各成分對拉曼光譜測量的影響。

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（編輯：李曉莉）