分子印迹光子晶体传感芯片的制备及对邻苯二甲酸酯类化合物的检测

兰小波等

摘 要 将光子晶体与分子印迹技术相结合，制备了一种反蛋白石结构的分子印迹光子晶体传感芯片，并将其应用于4种邻苯二甲酸酯类化合物的检测效果研究。分子印迹光子晶体传感芯片的制备过程包含3个步骤。首先，通过垂直沉降自组装方法制备SiO2蛋白石结构模版；随后，向蛋白石结构模板空隙中填充含有印迹分子邻苯二甲酸二异壬酯（DINP）的预聚液，引发光聚合；最后，移除SiO2结构模版及印迹分子，得到对邻苯二甲酸酯类化合物具有特异性识别功能的分子印迹光子晶体传感芯片。结果表明，传感芯片对待测物分子的识别过程可通过布拉格方程转换为可读的光学信号，当4种待测物浓度从1×10 5 mol/L增大到1 mol/L时，最大衍射峰位置发生20～40 nm的红移，且检测过程仅需6 min。检测芯片高度交联的聚合物结构令其具有较高的稳定性和重复利用性，5次检测后，芯片仍保持较好的传感性能。

关键词 光子晶体； 分子印迹； 邻苯二甲酸酯类物质； 布拉格衍射

1 引 言

近年来，由邻苯二甲酸酯类化合物引起的公共健康问题备受关注。邻苯二甲酸酯类物质主要作为塑化剂广泛应用于塑料、橡胶等包装材料及药丸和营养品的肠衣中[1，2]。在这些材料中，邻苯二甲酸酯类化合物分子并不是以共价键与包装材料相结合，而是呈游离态，这增加了其从包装材料中脱落而进入食物和饮料当中的可能性[3]。对于邻苯二甲酸酯类化合物的毒理学研究表明，分子量较小的物质，如邻苯二甲酸二乙酯（DEP）、邻苯二甲酸二丁酯（DNP）等会刺激眼鼻喉，引起不适感；分子量较大的种类，如邻苯二甲酸二异辛酯（DIOP）、邻苯二甲酸丁苄酯（BBP）、邻苯二甲酸二辛酯（DOP）等可能扰乱生物体内激素的正常分泌、损害人体的生殖系统与免疫系统，还可能诱发癌症，对肝脏、肾脏造成严重伤害[4，5]。目前，用于检测邻苯二甲酸酯类物质的方法主要有高效液相色谱质谱联用分析法[6～8]，固相萃取液相色谱联用分析法[9，10]，固相微萃取分析法[11～13]，固相微萃取气相色谱质谱联用分析法[14～16]。

光子晶体[17，18]是一种新型的纳米结构材料，其特征是不同介电常数的介质材料在空间呈现周期性变化，这导致某些波段的光在其中传播时产生光子带隙，由此便在可见光范围内产生新的光学特性[19，20]，这一特点使光子晶体成为理想的光学传感检测材料，已在化学和生物传感检测领域展现出巨大的应用前景[21，22]。分子印迹是一种用于制备具有特殊识别功能的分子印迹聚合物的方法[23～28]。将嵌入到聚合物骨架中的印迹分子洗脱后得到的分子印迹空穴，可以高选择性地识别印迹分子及其类似化合物。

将光子晶体所具有的独特光学特性与分子印迹聚合物所具有的分子识别特性相结合，制备得到的分子印迹光子晶体传感芯片，可对目标化合物进行特异性地识别与检测。利用此方法，可分别实现对葡萄糖[29]、香草醛[30]、烟酰胺[31]的检测。制备这类检测芯片，需要满足两个基本条件：第一，目标检测物分子能够被特异性吸收；第二，吸收检测物分子后，光子晶体所产生的光信号会发生相应的改变，即对检测物质产生响应。

本研究以多类邻苯二甲酸酯类化合物（图1）为目标检测物，利用经典的Stber法[32]制备粒径均一、球形度好的单分散SiO2微球，随后通过垂直沉降自组装SiO2微球的方法获得蛋白石结构模版，并选择邻苯二甲酸二异壬酯（DINP）作为印迹分子，丙烯酰胺（AM）与甲基丙烯酸（MAA）作为共聚单体，乙二醇二甲基丙烯酸酯（EGDMA）作为交联剂，溶于甲醇中制得预聚液，经紫外光照射引发光聚合，再利用HF将二氧化硅蛋白石模版充分刻蚀，最终制备得到具有反蛋白石结构的分子印迹光子晶体传感芯片。在已有文献中，利用类似方法进行检测的对象如离子强度、葡萄糖、香草醛、烟酰胺等均是水溶性物质，而本研究所检测的邻苯二甲酸酯类物质是非水溶性的有机溶剂体系。本研究对传感芯片的制备条件进行了优化，并对该芯片的识别特性、灵敏度、重复利用性等进行了考察。

2 实验部分

2.1 仪器与试剂

光纤光谱仪（Ocean Optics DH2000BAL，美国），DF101S型集热式恒温加热磁力搅拌器（山东鄄城华鲁电热仪器有限公司），KQ250E型超声波清洗器（昆山市超声波仪器有限公司），SIGMA 318K型台式冷冻离心机（SIGMA，德国），CHAIST冷冻干燥机（北京五洲东方科技发展有限公司），S4800场发射扫描电子显微镜（日本日立公司），Nano ZS型纳米粒度及Zata电位仪（英国马尔文公司）。

氨水（天津市光复科技发展有限公司）；甲醇（色谱纯）、乙醇（天津市康科德科技有限公司）；正硅酸四乙酯（TEOS，天津市科密欧化学试剂有限公司）；丙烯酰胺（AM）、甲基丙烯酸（MAA）、邻苯二甲酸二丁酯（DBP）、邻苯二甲酸二乙酯（DEP）、邻苯二甲酸二异丁酯（DIBP）、邻苯二甲酸苄基丁基酯（BBP）、邻苯二甲酸二异壬酯（DINP）、2羟基2甲基1苯基1丙酮（HMPP，Sigma Aldrich）；乙二醇二甲基丙烯酸酯（EGDMA，Aladdin）。除特别说明，所用试剂均未进行进一步处理。将76.2 mm×25.4 mm的载玻片浸泡在H2SO4H2O2（7∶3， V/V）混合液中12 h，再用去离子水超声洗涤3次并吹干。厚度约为1 mm的聚甲基丙烯酸甲酯（PMAA）树脂玻璃裁剪成75 mm× 25 mm，用无水乙醇超声洗涤3次并吹干。

2.2 单分散二氧化硅微球的制备

利用Stber法[32]制备单分散SiO2微球。在250 mL洁净的圆底烧瓶中加入180 mL无水乙醇，在600 r/min的磁力搅拌下，加入4.69 mL TEOS。随后，将7.7 mL氨水与2.23 mL纯净水混合均匀，缓慢滴加入圆底烧瓶中。混合液在28 ℃恒温水浴中反应12 h 后，得到乳白色悬浊液。将其在7000 r/min转速下离心分离，并用乙醇和纯净水分别洗涤3次后，冷冻干燥。

2.3 分子印迹光子晶体传感芯片的制备

垂直沉降自组装的方法制备SiO2三维蛋白石结构模板。首先，配制10 mL 3% （w/w） SiO2纳米微球乙醇悬浮液。随后，将载玻片垂直插入悬浮液，并将其放入真空干燥箱（36 ℃，抽真空）。同时，将一小杯蒸馏水放入真空干燥箱，以维持其中的湿度。待乙醇完全蒸发，便在载玻片上得到规整排列的SiO2蛋白石模版。随后，将一定比例的单体AM、MAA和交联剂EGDMA及印迹分子DINP溶于0.5 mL甲醇中， 配制成预聚液， 4 ℃放置过夜，使其充分混合。然后，向预聚液中加入适量光引发剂HMPP，超声10 min，并通入10 min氮气以排尽氧气。取SiO2蛋白石模版，在表面覆盖一层75 mm×25 mm树脂玻璃，两端由两个夹子小心固定，形成下层为载玻片，中层为SiO2蛋白石模版，上层为PMAA树脂玻璃的三明治结构。用移液器将预聚液灌入三明治结构，待充满后置于紫外光（UV=365 nm）下照射80 s，引发预聚液进行光聚合。将聚合后的三明治结构浸入5%HF中2 h，使二氧化硅蛋白石模版及载玻片被充分刻蚀，即在PMMA片上得到三维反蛋白石结构。最后，将其浸入10 mL甲醇冰乙酸（9∶1， V/V）混合液中，反复振荡洗涤6次，每次10 min，以充分洗去印迹分子DINP。至此，便在PMMA片上得到了分子印迹的光子晶体薄膜（MIPC）。为了进行对照实验，还制备了非分子印迹的光子晶体薄膜（NIPC），其制备方法与MIPC的方法相同，但没有向预聚液中加入印迹分子DINP。

4 结 论

本研究以DINP为印迹分子，通过垂直沉降自组装、填充聚合、去除模板三步骤，制备得到了分子印迹光子晶体传感芯片，并成功用于邻苯二甲酸二丁酯、邻苯二甲酸二乙酯、邻苯二甲酸二异丁酯、邻苯二甲酸苄基丁基酯四种邻苯二甲酸酯类化合物的检测。结果表明，该传感芯片对4种检测物均表现出明显的光学响应特性，响应速度快，芯片稳定性强，重复利用性好。此分子印迹光子晶体传感芯片能够把对待测物的特异性识别过程转换为可读的光学信号，较传统分析方法更为简便、快速、高效。

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