形状记忆聚电解质刷：一种用于高性能表面等离子体共振生物传感器的新型平台

表面等离子体共振显微镜（SPRM）因信号噪声比低和图像模糊问题受限。本研究通过硫醇化聚（4-苯乙烯磺酸）/聚丙烯酸（PSS/PAA）复合刷构建pH响应活性界面，实现灵敏度提升（115→129 deg/RIU）和信号噪声比改善（7→22），同时增强空间分辨率。

　　

Qais M. Al-Bataineh|Mohammad A. Alebrahim|A.B. Migdadi|Ahmad A. Ahmad|Areen Bani. Salameh|Thara's. Abdallah|Ana Mihaela Gavrila

约旦科技大学物理科学系，邮政信箱3030，伊尔比德-22110，约旦

摘要

检测离散的生物纳米物体（如病毒和外泌体）需要具有极高灵敏度和高空间分辨率的生物传感平台。表面等离子体共振显微镜（SPRM）通常受到信噪比低和图像模糊的限制，这是由于表面等离子体传播的局域化特性所致。本研究提出了一种新方法，利用硫醇化聚电解质刷（PEBs）作为活性、响应刺激的界面。通过将聚（4-苯乙烯磺酸）和聚丙烯酸（PSS/PAA）的复合材料接枝到金基底上，我们创建了一个“形状记忆”传感层，该层能够根据pH值的变化在收缩状态和伸展状态之间切换。这种转变有助于局域化衰减场，从而将灵敏度从115度/RIU提高到129度/RIU，并显著改善信噪比（从7提高到22）。此外，活性界面还改变了等离子体传播长度，提高了空间分辨率。这些发现表明，响应性PEBs是实现高性能、实时、无标记生物成像的变革性工具。

引言

先进功能材料的分子设计通常依赖于在纳米尺度上对表面性质的精确调控。聚电解质刷（PEBs）是一类功能性表面涂层，由接枝在基底上的带电聚合物组成。它们的独特性质在于能够对局部环境条件（如pH值、温度或离子强度）的微小变化产生显著且可逆的构象变化[1,2]。这种固有的响应性使得可以按需调节表面特性，例如摩擦力、粘附性和生物分子相互作用[3,4]。因此，PEBs已被广泛应用于生物传感器和生物电子学领域[5,6]。然而，尽管对PEBs的响应行为进行了大量研究，但仍存在许多未解之谜，例如PEBs与包括蛋白质在内的大分子之间的物理相互作用机制，即使它们带有相同的净电荷[7]。

选择和组合具有互补特性的聚电解质对于工程化具有精确调节响应性的表面至关重要。在这项工作中，将两种不同的聚阴离子聚合物——聚丙烯酸（PAA）和聚（4-苯乙烯磺酸）（PSS）结合在一起，形成了一个复合系统。在所有PEBs中，PAA因其主链上含有羧酸（-COOH）基团而受到广泛关注。pH值的变化显著影响PAA刷的电荷、结构和亲水性[8,9]。在低pH值下，-COOH基团发生质子化而呈电中性。在这种状态下，聚合物链可以收缩到基底表面，由于静电排斥力减小而形成紧密的层。随着pH值的升高，羧酸（-COOH）基团发生去质子化，生成带负电的羧酸盐（-COO^?）离子，从而增加静电排斥力，迫使聚合物链伸展和膨胀，使刷子变得更亲水[10]。另一方面，PSS是一种强聚电解质，与PAA不同。在广泛的pH范围内，其磺酸（-SO₃H）基团由于强酸性而始终保持完全离子化并带负电（-SO₃^?）。由于这种固有电荷，PSS链本身不会像PAA那样经历显著的pH驱动的构象变化。在整个操作pH范围内，PSS主要提供稳定的静电排斥力，维持刷层的完整性并保持其基本结构。

与此同时，表面等离子体共振（SPR）已成为无标记、实时定量分子相互作用不可或缺的技术[11]。该领域的一个显著进展是表面等离子体共振显微镜（SPRM），它基于SPR现象实现时空检测[12,13]。SPRM特别适合通过感应纳米物体与传感器表面附近的衰减电场的相互作用来成像[[14], [15], [16], [17], [18], [19]]。然而，SPR成像技术（包括SPRM）存在局限性，如空间分辨率低，且依赖于特定的光学配置，这可能导致图像失真并限制了高数值孔径物镜的使用[20]。尽管SPRM的进步使得空间异质性的可视化成为可能，但这些系统通常依赖于不参与信号转导的被动功能化层。先驱性研究通过双波长差分方法和相位敏感探测解决了灵敏度问题[[21], [22], [23], [24]]。然而，传播中的表面等离子体极化子（SPPs）的局域化特性仍然是实现宽场配置下衍射极限空间分辨率的根本障碍。

本研究通过引入基于PSS/PAA PEB涂层的新型表面等离子体共振显微镜（SPRM）平台来填补上述研究空白。虽然PEBs已被用于生物传感应用，但将其与SPRM结合以利用其形状记忆特性来提升性能是一种独特且创新的方法。传统的功能化层（例如自组装单层）通常是被动和静态的。我们选择PSS/PAA PEBs来创建一个活性界面。PSS（一种强聚电解质）确保了结构完整性和恒定的电荷密度，而PAA（一种弱聚电解质）提供了高灵敏度的pH响应性。选择这种材料系统是因为它具有高折射率以及能够进行可控的、pH驱动的构象变化。研究采用了多方面的方法来表征材料并评估其性能。目标是合成和表征硫醇化PSS/PAA PEBs，利用一系列物理和化学分析研究其pH依赖的切换行为，并最终评估PSS/PAA涂层金传感器在实时检测纳米颗粒方面的性能。这项研究明确利用了这些“形状记忆”特性来提高空间分辨率和信噪比（S/N），这是当前SPRM系统中很少探索的能力。该研究引入了一个活性、响应刺激的界面，超越了被动功能化的限制。向高折射率介电状态的转变触发了深度量子溢出效应，其中金基底的传导电子穿透物理金属边界进入PSS/PAA层。这种溢出效应降低了金属-介电功函数，促进了入射辐射与平面外电子-空穴对产生的更强耦合。

材料

用于合成硫醇化PSS/PAA PEBs的材料包括：聚（4-苯乙烯磺酸）溶液（(C₈H₈O₃S)_n，M_w约为75,000，18 wt.%溶于H₂O）、聚丙烯酸（(C₃H₄O₂)_n，M_w为1800 g?mol^{?1?1），均从Sigma-Aldrich（美国密苏里州圣路易斯）购买，无需进一步纯化。1-乙基-3-(3-(二甲氨基)丙基)碳二亚胺（EDC，191.7 g?mol?1）从ThermoFisher（美国）购买。其他溶剂均为分析级。}

化学切换行为

首先使用FTIR光谱研究了硫醇化PSS/PAA PEBs的基本特性，特别是它们的pH依赖性切换行为。该技术对于观察脱质子化非常有效，因为羧酸（-COOH）和羧酸盐（-COO^?）基团表现出不同的振动带[10]。硫醇化PSS/PAA PEBs的FTIR吸收光谱证实了与PAA、PSS和硫醇化相关的特征振动带的存在

结论

本研究有效地展示了新型pH响应性PSS/PAA聚电解质刷平台在显著增强表面等离子体共振生物传感器功能方面的潜力。在这项研究中，彻底检查了材料的性质，清楚地展示了COOH脱质子化为COO^?、pH依赖的化学切换、由此产生的形态变化以及材料光学和电学性质的改善

数据可用性

未处理的数据可向相应作者索取。

作者贡献声明

Qais M. Al-Bataineh：概念化、数据管理、形式分析、研究、方法论、验证、可视化、初稿撰写。Mohammad A. Alebrahim：初稿撰写、可视化、验证、方法论、研究、形式分析、数据管理、概念化。A.B. Migdadi：审稿与编辑、验证、方法论、研究、形式分析、数据管理、概念化。Ahmad A. Ahmad：初稿撰写、验证

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

作者感谢约旦科技大学科学研究院提供的支持（研究编号531/2024）。