镧系Eu3+/PMMA 聚合物杂化探针的制备及其对唾液酸的传感检测应用

闵 华，刘 丽，夏继绩，徐 陈，唐思祎，李 颖*

（1.上海理工大学科技发展研究院 技术转移中心，上海 200093；2.上海理工大学 材料与化学学院，上海 200093）

1 引言

唾液酸（SA），又称N-乙酰神经氨酸，是一种通常存在于人体血清中的生物标志物，因其在肿瘤细胞表面过度表达，SA 也被认为是一种肿瘤标志物，SA 浓度的变化与卵巢癌的发生高度相关[1-3]。因此，血清中释放的SA 的浓度可能表明卵巢的健康状况。到目前为止，科研人员们已经研究出了一些用来检测SA 的方法，例如等离子体共振法[4]、比色法[5-6]和光电化学法[7]等，但是这些诊断和治疗方法不够灵敏且成本高昂，可能导致诊断延误。因此，迫切需要开发出一种操作简单、价格低廉且灵敏度高的SA 检测方法。荧光检测分析法因其设计能力强、响应时间短、灵敏度高以及成本低等优势而倍受关注[8-11]。

稀土离子由于具有独特的电子结构和对环境的高度敏感性，常被用作分析生物材料的荧光探针成分[12-14]。稀土Eu3+离子具有丰富的能级，因其f→f 跃迁产生的发射光谱窄、发光色纯度高等优势，常被用作荧光探针中的活性发光离子。Eu3+与有机配体进行配位得到稀土配合物后，有机配体可以通过天线效应将能量传递给Eu3+，从而提高其发光效率[15-16]。然而，SA 与有机配体之间存在对光的竞争吸收，使配体吸收能量的过程遭到抑制，进而使配体和Eu3+之间的能量传递过程受到影响，导致Eu3+的荧光发生猝灭。Eu3+功能化的聚合物荧光探针同时结合了聚合物良好的稳定性和稀土元素优异的光学性能[17]，这为其进行生物标志物SA 的检测提供了可能机制。

本文设计了一种Eu3+功能化的稀土聚合物荧光探针Eu（BFA）3@PMMA,并将其用于对SA 的传感检测应用研究。

2 实 验

2.1 Eu（BFA）3@PMMA 聚合物的制备

称取0.648 g 4,4,4-三氟-1-苯基-1,3-丁二酮（BFA）放入三口烧瓶中，加入20 mL 乙醇超声分散均匀；然后称取0.12 g NaOH 放入烧杯中，随后加入5 mL 乙醇将其溶解后倒入上述三口烧瓶内，在65 ℃油浴下反应4 h；继续加入0.366 g EuCl3·6H2O 并且磁力搅拌2 h；反应结束后，将该混合溶液静置2 h，倒去上清液，并且在干燥箱内干燥15 h 后得到稀土配合物Eu（BFA）3白色粉末。

称取0.03 g Eu（BFA）3、0.012 g AIBN、0.3 g MMA 放入25 mL 圆底烧瓶内，再加入15 mL 丙酮，将该混合溶液放于65 ℃油浴锅中磁力搅拌2 h，之后通过旋转蒸发操作除去溶剂丙酮，最后将得到的产物干燥12 h 后得到Eu（BFA）3@PMMA 黄色粉末[18-19]。

2.2 样品表征

傅立叶变换红外光谱（FT-IR）采用美国Nexus 912 AO446 光谱仪分析测定；荧光强度由日本RF-5301PC 分光光度计测定，以氙灯作为激发光源；所有仪器测试均在室温下进行。利用Eu-（BFA）3@PMMA 探针分子优异的荧光特性进一步研究其对SA 的传感性能。

在同一条件下制备了两份浓度相同的Eu-（BFA）3@PMMA 水溶液。然后，往其中一份加入一定量的SA，并且超声处理10 min，使SA 均匀溶解于溶液中。最后，通过荧光光谱仪测试样品添加与不添加SA 时溶液的荧光强度来检测Eu-（BFA）3@PMMA 对SA 的荧光传感响应。

3 结果与讨论

3.1 Eu（BFA）3 和Eu（BFA）3@PMMA 的结构表征

图1 为Eu（BFA）3和Eu（BFA）3@PMMA 的红外光谱。从图中可以观察到，位于2 346 cm-1和2 343 cm-1处的吸收峰是由于苯环上C—H 键的伸缩振动导致的。其中，位于3 579 cm-1处出现的吸收峰归因于与羰基连接的亚甲基的伸缩振动。此外，从图中可以观察到位于3 060 cm-1处的吸收峰移动到了2 996 cm-1处，这表明与羰基连接的O—H 键发生了变化；同时，位于1 959 cm-1和2 021 cm-1处的吸收峰可归因于C=O 双键的伸缩振动，该吸收峰的位置也发生了变化。这些结果都表明了Eu（BFA）3@PMMA 已成功制备。

图1 Eu（BFA）3和Eu（BFA）3@PMMA 的红外光谱Fig.1 FT-IR spectra of Eu（BFA）3 and Eu（BFA）3@PMMA

3.2 Eu（BFA）3@PMMA 杂化探针的荧光性

在不同激发波长下的Eu（BFA）3@PMMA 的荧光发射光谱如图2 所示。从图中可以看出，当依次用305，315，325，335，345，355 nm 的波长进行激发时，Eu（BFA）3@PMMA 的发光强度呈现出先上升后下降的趋势。当激发波长为325 nm 时，Eu（BFA）3@PMMA 的发光强度最强，这说明杂化材料Eu（BFA）3@PMMA 的最佳激发波长为325 nm。因此，本文进一步研究了Eu（BFA）3@PMMA在最佳激发波长条件下对SA 的传感性能。在同一条件下制备了两份浓度相同的Eu（BFA）3@PMMA 水溶液，向其中一份添加一定量的SA，并且超声处理10 min，使SA 均匀溶解于溶液中。通过荧光光谱仪测试样品在接触SA 前后溶液的荧光强度，荧光发射谱如图3 所示。结果表明，当加入SA 后，Eu（BFA）3@PMMA 的荧光强度明显降低，产生了荧光猝灭。

图2 Eu（BFA）3@PMMA 在不同激发波长下的荧光发射光谱Fig.2 The emission spectra of Eu（BFA）3@PMMA at different excitation wavelengths

3.3 Eu（BFA）3@PMMA 对SA 的荧光传感性能

称取一定量Eu（BFA）3@PMMA 样品配制成相同浓度的水溶液，随后加入不同干扰物质（包括NaHCO3、L-半胱氨酸（L-Cysteine）、肌酸（Creatine）、KCl 和SA），考察了Eu（BFA）3@PMMA 对它们的荧光响应效果，如图4 所示，在Eu（BFA）3@PMMA 样品水溶液中添加不同化学物质后，在激发波长为325 nm 下，Eu3+的5D0→7F2的特征红色发射峰逐渐减弱。值得注意的是，SA 的加入可以显著降低Eu（BFA）3@PMMA 的荧光强度，表现出明显的荧光猝灭效果。

图4 Eu（BFA）3@PMMA 对不同化学物质的荧光响应Fig.4 The fluorescence response of Eu（BFA）3@PMMA to different chemicals

为了进一步探讨SA 浓度对于探针分子Eu-（BFA）3@PMMA 的荧光猝灭效果，测试了SA 浓度分别为0，5，10，15，20，25 µmol/L 的Eu（BFA）3@PMMA+SA 的荧光发射强度。如图5（a）所示，随着SA 的浓度从0 µmol/L 增加到25 µmol/L，Eu-（BFA）3@PMMA 的荧光强度逐渐降低。图5（b）为I0/I与SA 浓度之间的线性关系拟合曲线（R2=0.969），当SA 水溶液的浓度在0～25 µmol/L 范围内时，Eu（BFA）3@PMMA 中Eu3+的发光强度与SA的浓度之间的线性关系十分理想，由此计算得到KSV为0.173，表明SA 对Eu（BFA）3@PMMA 具有良好的荧光猝灭效果。根据IUPAC 3σ标准（D=3σk-1，D为检测限，σ表示进行多次空白实验得到的标准偏差，k为线性曲线的斜率），计算出SA 在Eu（BFA）3@PMMA 水溶液中的检测限D=0.027µmol/L。

图5 （a）Eu（BFA）3@PMMA 浸入不同浓度SA 水溶液中的发射光谱（λex=325 nm）；（b）I0/I 与SA 浓度的拟合曲线。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 的荧光稳定性

同时，为了研究Eu（BFA）3@PMMA 在水溶液中的酸碱稳定性和光致发光稳定性，我们称取等量的Eu（BFA）3@PMMA 样品依次加入到pH 值为4.0～8.0 的水溶液中，将其超声分散均匀后通过荧光光谱仪测量这些不同pH 溶液的荧光光谱，以此探讨Eu（BFA）3@PMMA 在模拟pH 环境内的稳定性。如图6 所示，结果表明，在不同的pH 环境下，Eu-（BFA）3@PMMA复合材料均具有较为稳定的荧光性能，Eu（BFA）3@PMMA的荧光强度变化也极小。

图6 Eu（BFA）3@PMMA 在不同pH 环境下的荧光强度Fig.6 Fluorescence intensity of Eu（BFA）3@PMMA in different pH environments

4 结论

本文通过配位反应合成稀土配合物Eu（BFA）3，然后将其与单体MMA 进行聚合制备得到Eu-（BFA）3@PMMA 杂化荧光探针。所制备的Eu-（BFA）3@PMMA 不仅具有良好的稳定性和荧光性能，还对SA 表现出高灵敏度和优异的选择性,检测限低至0.027 µmol/L。因此，Eu（BFA）3@PMMA可以作为一种检测SA 的潜在传感器，有望用于生物医学领域中对肿瘤的早期诊断。

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