现代化工

现代化工 ›› 2025, Vol. 45 ›› Issue (12) : 235-238. DOI: 10.16606/j.cnki.issn0253-4320.2025.12.041

分析测试

基于膦酸基团接枝的Ca²⁺响应检测芯片制备及其性能研究

孙杨 ,
刘壮 ^*

作者信息 +

Construction of calcium ion-sensitive chip grafted with phosphonic acid groups and performance study

SUN Yang ,
LIU Zhuang ^*

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文章历史 +

Received		Published
2025-01-17		2025-12-20
Issue Date	Revised Date
2025-12-15	2025-01-17

PDF (1936K)

摘要

提出了一种基于石英晶体微天平(QCM)快速检测水体系中Ca²⁺的新方法,采用膦酸基团(—PO₃H₂)为识别单元,通过两步温和反应将—PO₃H₂基团修饰于QCM晶片的SiO₂表面,形成了可对Ca²⁺选择性络合的APTES-3PPA分子刷层。通过红外光谱、X射线光电子能谱验证了在QCM晶片表面选择性分子刷的成功形成。实验结果表明,该Ca²⁺敏感的QCM(Ca²⁺-QCM)芯片可对10~40 mmol/L Ca²⁺产生线性响应,能在105 s左右达到响应平衡。

Abstract

This study proposes a novel method for the rapid detection of Ca²⁺ in water system through using a Quartz Crystal Microbalance (QCM),which takes phosphonic acid groups (—PO₃H₂) as recognition units.Phosphonic acid groups are modified onto the surface of QCM chip through two mild reaction steps,forming a molecular brush layer capable of selectively complexing with Ca²⁺.The formation of the molecular brush on the QCM chip surface is verified through infrared spectroscopy and X-ray photoelectron spectroscopy.Experimental results demonstrate that this Ca²⁺-sensitive QCM (Ca²⁺-QCM) chip exhibits a linear response to CaCl₂ in a concentration ranging from 10 to 40 mmol/L,and can reach response equilibrium in approximately 105 seconds.

Graphical abstract

关键词

膦酸基团 / 快速检测 / QCM芯片 / 钙离子

Key words

phosphonic acid group / rapid detection / QCM chip / calcium ion

Author summay

孙杨(1999-),女,硕士生

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钙离子(Ca²⁺)是重要的生物标志物,其浓度变化与肌肉收缩、神经传导等生命活动密不可分^[1]。饮用水中Ca²⁺的浓度增加会影响水的口感以及导致泌尿系统结石风险增加^[2],通过检测Ca²⁺浓度,能够及时发现水质问题,确保饮用水符合相关标准,保障人体健康^[3]。此外,Ca²⁺还是水体环境中的重要组成成分,是评估水体健康状况的参考指标^[3]。因此,实现实时、快速检测Ca²⁺对于健康管理、环境监测等方面具有重要意义。

目前Ca²⁺检测方法包括比色法^[4]、荧光法^[5]和原子吸收法^[6]等。这些方法大多存在操作烦琐、样品需前处理、检测周期长、无法进行实时现场监测等问题。近年来,以石英晶体微天平(quartz crystal microbalance,QCM)为基础构建的QCM芯片因操作简便、响应迅速等优势,正受到越来越多的关注,其检测原理是通过在具有压电效应的石英作为原材料制备的QCM晶片上构建对待测物质具有特异性的活性层^[7],当目标物质吸附于QCM晶片表面时,QCM晶片的振荡频率(Δf)会出现减小,Δf与QCM晶片表面负载的质量(Δm)具有线性相关性,可用Sauerbrey方程^[8]表示:

Δ f = - [(2 f 02) / (A ρ u)] Δ m

其中,f₀为QCM晶片的基频,Δm是晶片表面发生吸附时负载吸附物质的质量,A、ρ和μ分别代表了QCM晶片的有效活性层面积、密度和剪切模量。

QCM芯片是一种质量敏感的检测元件,检测精度可达到纳克级,研究人员已开发出用于检测空气湿度^[9]以及以胆红素^[10]为代表的生物大分子的QCM芯片。但设计一种检测小分子物质而无需任何外加信号放大的QCM芯片仍极具挑战。

生物体中存在大量含磷酸基团的化合物,磷酸基团对Ca²⁺具有高亲和力,能与Ca²⁺发生配位络合^[11],该过程发生在细胞增殖、神经元传导等许多生理活动中^[12]。本研究通过共价修饰的方法将 —PO₃H₂修饰于QCM晶片表面,在其表面形成可特异性络合Ca²⁺的分子刷,从而实现对Ca²⁺的实时、快速高灵敏检测。本文中利用QCM芯片研究了Ca²⁺和—PO₃H₂之间的相互作用,实验结果表明,该QCM芯片能有效检测Ca²⁺,且对Ca²⁺表现出良好的选择性。

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

3-氨基丙基三乙氧基硅烷(APTES)、2-吗啉乙磺酸(MES)、1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳酰二亚胺(EDC)、N-羟基丁二酰亚胺(NHS)、3-膦酸基丙酸(3PPA)、氯化钙(CaCl₂)、氯化钾(KCl)、氯化钠(NaCl)、乙二胺四乙酸二钠盐二水合物(EDTA-2Na),上海泰坦科技股份有限公司生产;无水甲醇(H₂O≤100×10^-6),上海阿拉丁生化科技股份有限公司生产;氢氧化钠,成都市科隆化学品有限公司生产;镀SiO₂的QCM晶片,购买自瑞典佰欧林科技有限公司。

恒温恒湿箱(CL1300),上海一恒科学仪器有限公司;水浴振荡器(SHZ-B),常州冠军仪器制造有限公司;X射线光电子能谱仪,英国KRATOS公司;红外光谱仪(IS50),赛默飞世尔科技公司;石英晶体微天平(QSense Explorer),瑞典百欧林科技有限公司;Millipore Elix-10纯水系统,Millipore公司。

1.2 QCM芯片敏感分子刷的制备

1.2.1 硅烷偶联剂氨基化QCM晶片表面

无水甲醇(体积分数50%)、3-氨基丙基三乙氧基硅烷(体积分数47.5%)、纯水(体积分数2.5%)组成的溶液在室温下搅拌4 h,使APTES中Si-OCH₂CH₃水解成Si-OH^[13]。随后取上述溶液按一定比例以无水甲醇稀释,将Air Plasma处理5 min后的QCM晶片(SiO₂)浸入体积分数为0.047 5%的APTES溶液中,室温静置反应30 min。反应结束后取出用甲醇充分冲洗,N₂干燥后,放入烘箱中110℃下固化30 min,并于真空中保存备用。

1.2.2 EDC/NHS介导偶联APTES功能化的QCM晶片和3-膦酰基丙酸

配置pH 5.5,0.1 mol/L的2-吗啉乙磺酸(MES)缓冲液,其中含有EDC 75 mg,NHS 45 mg,加入适量3-膦酰基丙酸(3-PPA),预先活化2 h,随后将APTES修饰后QCM晶片(SiO₂-APTES)浸入溶液中,室温密闭反应24 h,反应完成后用二次纯水洗涤并干燥,保存备用,并将该样品记为SiO₂-APTES-3PPA。

1.3 Ca²⁺-QCM敏感分子刷的表征

利用红外光谱仪和X射线衍射光谱仪对QCM芯片表面分子刷层(图1)的组成分别进行定性和定量分析。

1.4 QCM芯片的检测性能

将QCM芯片放入QSense流动模块中,利用蠕动泵将测试溶液注入流动池中(设置流速为100 μL/min),用软件实时记录晶片频率变化。检测过程中,先通入二次纯水,待频率稳定后以此作为背景扣除后,通入一定浓度的氯化钙溶液,待频率稳定记录数值,取出QCM晶片,在1 mol/L EDTA-2Na溶液中浸泡10 min,取出后用大量二次纯水清洗,N₂吹干后再次用于上述测试中。

2 结果与讨论

2.1 Ca²⁺-QCM芯片表面分子刷的表征

2.1.1 红外光谱图分析

图2是QCM晶片表面修饰APTES前后的红外光谱图,曲线2中2 930、2 863 cm^-1出现的红外吸收峰分别来自于APTES中丙基链—CH₂—的不对称和对称伸缩振动吸收峰^[14];1 574 cm^-1处吸收峰来自于QCM芯片表面APTES的端基—NH₂弯曲振动吸收峰,而1 484 cm^-1处的吸收则是N

H 3 +

的弯曲振动吸收峰,这是由于样品暴露于空气中,水分子与表面—NH₂发生结合从而使—NH₂质子化^[15];曲线2中1 130、1 010 cm^-1附近出现的吸收峰来自于Si—O—Si的不对称伸缩振动吸收峰。曲线3是SiO₂-APTES表面修饰膦酰基羧酸的红外光谱图,APTES氨基化QCM晶片表面后,表面存在大量的—NH₂,3PPA分子链一侧的端基—COOH与—NH₂进行脱水缩合形成酰胺键从而将膦酸基团修饰于QCM晶片表面。曲线3中3 130、1 587 cm^-1附近红外吸收峰来自于酰胺键中N—H的伸缩振动吸收峰,1 738 cm^-1归因于酰胺键中C=O振动吸收峰,1 468 cm^-1附近的吸收峰为C—N伸缩振动吸收峰,1 140 cm^-1附近的吸收峰则来自于P=O的振动吸收峰。因此,红外光谱的结果可说明在QCM晶片表面成功接枝了SiO₂-APTES-3PPA分子刷,得到了Ca²⁺-QCM芯片。

2.1.2 XPS分析

如图3所示为不同样品表面XPS全谱图,对比空白QCM晶片的XPS全谱,在修饰APTES后,SiO₂-APTES全谱图中出现了来自APTES端基 —NH₂的N元素,其原子分数占比为2.33%(表1),说明APTES成功修饰至QCM晶片表面。P2s和P2p特征峰说明经过接枝后QCM晶片表面出现了P元素,P元素占比在1.26%(表1),而这一特征元素是来自接枝在SiO₂-APTES表面的3PPA,由此可说明通过酰胺化反应成功将3PPA修饰到QCM晶片表面。

2.2 Ca²⁺-QCM芯片对Ca²⁺的响应

利用QCM检测改性修饰的Ca²⁺-QCM芯片是否对含有Ca²⁺的溶液产生响应。如图4所示是空白QCM芯片和Ca²⁺-QCM芯片在分别通入35 mmol/L的CaCl₂溶液时所产生的频率变化,空白QCM芯片在CaCl₂溶液中产生了频率的变化,这可能是由于当溶液从纯水变为含有离子的溶液时,晶片受到溶液密度等因素的影响产生了频率变化。由于经过改性后的Ca²⁺-QCM芯片表面存在能够与Ca²⁺相互作用的—PO₃H₂基团,当含有Ca²⁺溶液流经晶片表面时,Ca²⁺会吸附在晶片表面,从而在相同浓度的CaCl₂溶液中所产生的频率变化表现出比空白QCM晶片更明显的频率变化,因此修饰后的QCM晶片能对Ca²⁺进行响应,成功制备了Ca²⁺敏感的QCM芯片。

2.3 Ca²⁺-QCM芯片对不同浓度CaCl₂的响应测试

对不同浓度CaCl₂进行QCM测试。从图5(a)可以看到,Ca²⁺-QCM芯片能对浓度为10~40 mmol/L的Ca²⁺产生响应,且对Ca²⁺达到响应平衡的时间非常快,在105 s左右即可达到响应平衡的状态[图5(b)],Ca²⁺浓度增加使更多Ca²⁺吸附于修饰后Ca²⁺-QCM芯片的表面,呈现出芯片产生的共振频率随Ca²⁺浓度的增加而逐渐减小,当Ca²⁺浓度增大至40 mmol/L时,芯片所能产生的共振响应频率达到最大。将Ca²⁺浓度与其对应产生的共振频率做线性拟合分析[图5(c)],相关系数R²为0.985 53,这说明Ca²⁺浓度与共振频率表现出高度的线性相关性。

表2所示是Ca²⁺-QCM芯片对于相同浓度的不同离子溶液所产生的频率。从表中可以看到,在离子浓度相同的情况下,Ca²⁺-QCM芯片对Ca²⁺产生的频率变化会明显高于Na⁺和K⁺,所呈现的信号大小是Na⁺、K⁺的3倍以上。以上结果说明该Ca²⁺-QCM芯片能对Ca²⁺具有良好的选择性。

3 结论

综上所述,通过两步反应将

PO 3 2 -

基团修饰于镀SiO₂的QCM晶片表面,形成了对Ca²⁺选择性络合的分子刷层,得到了可检测Ca²⁺浓度的Ca²⁺-QCM芯片。通过FT-IR、XPS对接枝于QCM晶片表面的分子刷进行表征,并利用QCM-D测试了Ca²⁺-QCM芯片的检测性能。结果表明,Ca²⁺-QCM芯片能检测10~40 mmol/L的Ca²⁺浓度,可在105 s左右达到响应平衡,在该浓度范围内呈现出与频率的高度相关性。该Ca²⁺-QCM芯片对Ca²⁺表现出良好的选择性响应,为快速、实时高灵敏检测Ca²⁺浓度提供了一个新思路。

参考文献

原文顺序 | 出版日期 | 本文引用

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