背景介绍
基于荧光分子印迹聚合物(Molecularly Imprinted Polymers, MIPs)的化学传感器由于兼具 MIPs(分子识别性能高、稳定性好、制备容易、成本低)与荧光分析(灵敏度高、仪器易得、操作容易)的优点，因此在生物分析与生物医用等领域具有广阔的应用前景。不过目前能够直接用于复杂生物样品中有机小分子分析物高选择性与高灵敏度检测的荧光 MIPs 却很少，同时它们还存在功能单一等问题，这大大阻碍了它们的实用化进程，因此发展制备适于复杂生物样品直接检测用的高性能/多功能荧光 MIPs 的新策略具有重要意义。
近年来，金纳米粒子(AuNPs)因其独特的表面增强拉曼散射效应(SERS)已被应用于新型 MIP 化学传感器的设计研究。此外，Haupt 等人还通过将 AuNPs 掺入他们制备的荧光 MIP 中的方法大幅提高了该荧光 MIP 传感器的灵敏度。因此发展适于复杂生物样品直接检测用的 AuNPs 功能化荧光 MIPs 有望赋予此类具有重要应用前景的光化学传感材料以高性能与多功能。
文章简介
基于上述背景，南开大学的张会旗教授等提出了将可逆加成-裂解链转移(RAFT)聚合技术与金-巯醇化学相结合高效制备适于复杂生物样品直接检测用的 AuNPs 功能化荧光 MIP 微球的方法(图 1)。首先通过 RAFT 沉淀聚合(RAFTPP)一步法制备了粒径均匀且表面具有二硫酯链转移基团的“活性”聚合物[poly(4-VP-co-EGDMA)]微球，然后以其为固载化 RAFT 试剂进行两步表面引发的 RAFT 聚合，先后在其表面可控接枝荧光基团 NBD 标记的 MIP 壳层[以叶酸(FA)为模板分子]与低交联度的聚合物壳层(28 nm 厚)(用来将荧光 MIP 层与 AuNPs 隔离开，以消除由于 NBD 与 AuNPs 紧密接触引发的荧光共振能量转移对荧光检测的不利影响；同时其低交联度亦允许 FA 分子自由穿过该壳层进入 MIP 壳层中的印迹位点)，进一步将上述所得核-双壳层结构的荧光 MIP 微球表面的二硫酯基氨解为巯基，并利用两步金-巯醇化学先后将 AuNPs 与巯基封端的亲水性聚甲基丙烯酸羟乙酯(PHEMA-SH)接枝到荧光 MIP 微球上，最终得到表面具有亲水性 PHEMA 高分子刷的 AuNPs 功能化荧光 MIP 微球。表面亲水性高分子刷的存在大幅提高了 AuNPs 功能化荧光 MIP 微球的亲水性，使它们(图 2 中样 10 与 11)在水中的分散稳定性与表面未接枝亲水性高分子刷的聚合物微球(图 2 中样 1-9)相比有显著提高。所得表面亲水性的 AuNPs 功能化荧光 MIP 微球在未经稀释的尿样中与 FA 作用时会显示明显的荧光增强现象(图 3a)，其对 FA 的线性检测范围为 0.29-15 μM，检测限为 0.088 μM。此外，它们在未经稀释的尿样中对 FA 具有良好的选择性(图 4)。同时它们还具有优异的荧光稳定性与回收再利用性能，并能以高回收率(96.3-101.6%)与高准确度(RSD = 0.6-3.1%)直接定量检测未经稀释的尿样中掺入的 FA(即使存在多种干扰物)(表 1)。
▼ | 表 1. 将表面接枝有亲水性高分子刷的 AuNPs 功能化荧光 MIP 微球用于掺入不同浓度 FA 或 FA 与一些干扰物的混合物的未经稀释尿样 II 中 FA 含量的测定 |
应该指出的是，AuNPs 的引入并未能进一步提高我们荧光 MIP 的检测灵敏度，不过将 AuNPs 引入荧光 MIP 粒子表面不仅提供了一种利用金-巯醇化学高效接枝亲水性高分子刷的新方法，而且还为该荧光 MIP 引入了新功能(如 SERS 效应)。考虑到利用可控 RAFT 聚合技术与高效的金-巯醇化学可以很容易实现对所得亲水性 AuNPs 功能化荧光 MIP 微球的性能调控，因此利用上述策略制备的此类高性能荧光 MIP 微球有望作为兼具荧光传感与 SERS 传感性能的多功能传感器而被广泛应用于临床诊断与食品分析等多个领域。
▲ | 图 1. 将 RAFT 聚合技术与金-巯醇化学相结合制备适于复杂生物样品直接检测用的 AuNPs 功能化荧光 MIP 微球的过程示意图。 |
▲ | 图 2. Poly(4-VP-co-EGDMA) (1), polym@NBD-MIP (2), polym@NBD-CP (3), polym@NBD-MIP@lcPGMA (4), polym@NBD-CP@lcPGMA (5), polym@NBD-MIP@lcPGMA-SH (6), polym@NBD-CP@lcPGMA-SH (7), polym@NBD-MIP@lcPGMA@AuNPs (8), polym@NBD-CP@lcPGMA@AuNPs (9), polym@NBD-MIP@lcPGMA@AuNPs@PHEMA (10)与polym@NBD-CP@lcPGMA@AuNPs@PHEMA (11) 在 25 ℃ 的纯水中分散均匀后分别静置 0 h (a)与 3 h (b) 的照片。 |
▲ | 图 3. (a,b) 表面接枝有亲水性高分子刷的 AuNPs 功能化荧光 MIP(a)/非印迹(或参比)聚合物 CP (b) 微球(0.25 mg/mL)与不同浓度的 FA 未经稀释尿样 I 溶液在 25 ℃ 混合 2 h 后的荧光光谱图。(c) 表面接枝有亲水性高分子刷的 AuNPs 功能化荧光 MIP (实心符号)/CP (空心符号) 微球在未经稀释的尿样 I 中的荧光增强效应与 FA 浓度的关系图(图中数据由 a 与 b 图导出)。 |
▲ | 图 4. (a,b) 表面接枝有亲水性高分子刷的 AuNPs 功能化荧光 MIP (黑色柱)/非印迹(或参比)聚合物 CP (空心柱)微球(0.25 mg/mL)在未经稀释的尿样 I 中与 FA、胺甲嘌呤二水合物(MTX)、三甲氧苄氨嘧啶(TMP)、维生素 C (VC)或四环素(Tc) (FA、MTX、TMP、VC 或 Tc 的浓度均为 15 μM)(a)或它们在未经稀释的尿样I中与 FA、葡萄糖(Glucose)、 L-半胱氨酸(L-cysteine)、L-谷氨酸(L-glutamic acid)或牛血清白蛋白(BSA)(FA、葡萄糖、L-半胱氨酸、L-谷氨酸或牛血清白蛋白的浓度均为 15 μM)(b)于25 ℃混合 2 h 后的荧光增强效应。(c,d) 表面接枝有亲水性高分子刷的 AuNPs 功能化荧光 MIP (黑色柱)/CP (空心柱)微球(0.25 mg/mL)在未经稀释的尿样 I 中与 FA 和 10 倍量的 MTX、TMP、VC 或 Tc 的混合物(FA的浓度为 15 μM) (c) 或它们在未经稀释的尿样 I 中与 FA 和 10 倍量的Glucose、 L-cysteine、L-glutamic acid或BSA的混合物(FA的浓度为 15 μM) (d) 于 25 ℃ 混合 2 h 后的荧光增强效应。 |
论文信息
Biological sample-compatible Au nanoparticle-containing fluorescent molecularly imprinted polymer microspheres by combining RAFT polymerization and Au–thiol chemistry
Xiaohui Shi, Wanlan Zhang and Huiqi Zhang*（张会旗， 南开大学）
J. Mater. Chem. B, 2022, Advance Article
http://doi.org/10.1039/D2TB00179A
南开大学通讯作者
张会旗，博士，教授，博士生导师，教育部新世纪优秀人才。1991 与 1996 年分别在南开大学化学系与高分子化学研究所获得理学学士与博士学位。1996-1999 年在天津大学应用化学系与化工学院工作(历任讲师与副教授)。1999-2006 年先后在荷兰特温特大学化工学院超分子化学与技术实验室、荷兰埃因霍温理工大学化学与化工学院高分子化学与涂料技术实验室及高分子化学与纳米科学实验室以及瑞典隆德大学化学中心纯粹与应用生物化学系做博士后研究。2006 年回到南开大学化学学院任教授至今。主要从事仿生智能高分子(包括分子印迹聚合物与光响应性偶氮聚合物)的研究工作。迄今为止，以第一或通讯作者在 J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.、Macromolecules、ACS Macro Lett.、Biomacromolecules、Chem. Commun.、Biosens. Bioelectron. 等刊物发表学术论文近 90 篇，受邀撰写英文专著 6 章。已获授权发明专利 11 项(包括一项美国发明专利)。目前担任国际分子印迹学会理事会理事、国际化学期刊 European Polymer Journal 与 Molecules 杂志编委。
