通过EGDMA交联的聚合物网络，将Eu(NTA) 3Phen均匀地包裹进PS微球中：实现高EQE荧光特性和高灵敏度的体外诊断（IVD）应用

《Journal of Luminescence》：Uniformly swelling Eu(NTA) 3Phen into PS microspheres through an EGDMA-crosslinked polymer networks: Towards high EQE fluorescence and high sensitivity IVD

基于EGDMA交联的荧光微球有效抑制Eu(NTA)?Phen聚集，降低荧光淬灭，甲基苯丙胺检测灵敏度达0.048 ng mL?1。

　　

陈宏健|牛焕江|王云鹏|贾建南|王松乐|袁宇文|Pragati Awasthi|乔旭生|凌世生|葛振振|陈东|董文坤|钱国东|范贤平|董玉冰

浙江科技大学材料科学与工程学院，中国杭州310018

摘要：

基于镧系化合物的荧光微球因其高效的荧光性能，被广泛用于侧向流动免疫分析（LFIA）中检测小分子（如甲基苯丙胺（MET））。然而，镧系化合物容易发生聚集，导致荧光强度减弱，严重影响了荧光微球的生物检测性能。为了优化镧系化合物的分布，在微球聚合过程中引入了交联剂二甲基丙烯酸乙二醇酯（EGDMA）。通过调节EGDMA的浓度，可以减少镧系化合物的聚集，从而抑制荧光淬灭效应并提高荧光微球的荧光强度。这种荧光微球实现了对MET的高灵敏度检测，检测限达到0.048 ng/mL，并具有良好的稳定性。本研究为镧系化合物分散荧光乳胶珠的最佳设计提供了新的思路，有望推动先进体外诊断（IVD）技术的发展，实现小分子的快速精准筛查。

引言

近年来，分散在聚苯乙烯（PS）中的镧系化合物荧光微球因具有高灵敏度[1]、良好的生物相容性[2]和优异的稳定性[3]而被广泛用于LFIA检测。在各种镧系化合物[4],[5]中，Eu(NTA)₃Phen表现出出色的配体-金属阳离子天线效应和强烈的荧光，且斯托克斯位移较大[6],[7]，量子产率也较高[8]。因此，Eu(NTA)₃Phen分散的PS微球被认为是高效快速体外诊断（IVD）的理想候选材料[9]。通常，Eu(NTA)₃Phen通过膨胀方法分散到PS微球中，因为这种方法可控性强且操作简单。然而，膨胀过程中Eu(NTA)₃Phen的过度和不均匀分散会导致荧光淬灭，从而影响LFIA的检测结果[9],[10],[11],[12]。这主要是由于未交联的PS-Eu微球表现出不可控制的膨胀行为，仅降低配体浓度无法改变其膨胀特性。因此，即使在低复合负载水平下，微球膨胀也可能导致局部聚集和Eu分布不均，从而影响检测灵敏度。因此，需要开发出Eu(NTA)₃Phen均匀分散的PS微球，以减轻荧光淬灭现象。

为了解决这一问题，研究人员提出了多种策略，包括在微球中形成交联三维网络[13]、使用多种单体共聚制备多孔结构[13]，以及利用Shirasu多孔玻璃（SPG）对Eu化合物和苯乙烯进行膜乳化[14]。其中，交联聚合物链形成的三维网络能够使镧系化合物在网状结构中均匀分散，有效防止聚集和荧光淬灭[15],[16]。Wei等人将CsPbX₃（X = Cl, Br, I）封装在交联PS微球中，实现了CsPbX₃量子点的良好单分散性[17]，从而提高了复合微球的荧光强度。

基于这些研究背景，我们使用苯乙烯（St）和甲基丙烯酸甲酯（MMA）作为单体，通过乙烯 glycol dimethacrylate（EGDMA）作为交联剂，制备了具有St-EGDMA-MMA结构的交联微球（cross-PS）。通过膨胀方法将Eu(NTA)₃Phen嵌入cross-PS中，制备了交联荧光微球（cross-PS-Eu）。与PS-Eu微球相比，交联结构降低了Eu(NTA)₃Phen的膨胀能力，有效防止了其聚集并减少了荧光浓度淬灭。实验结果表明，cross-PS-Eu的荧光强度显著优于PS-Eu微球。随后将cross-PS-Eu应用于MET的LFIA检测中，实现了0.048 ng/mL的优异检测限，并具有良好的稳定性。

材料

甲基丙烯酸钠（C₄H₅NaO₂）、EuCl₃•7H₂O（99.9%）、乙烯 glycol dimethacrylate（EGDMA）、十二烷基硫酸钠（SDS）购自上海Aladdin生化科技有限公司；甲基丙烯酸甲酯（MMA）、苯乙烯（St）、四氢呋喃（THF）、4,4,4-三氟-1-(2-萘基)-1,3-丁二酮（NTA）、1,10-菲酚（Phen）购自上海Muke Lin生化科技有限公司；蒸馏水在实验室中制备。

Eu(NTA)₃Phen的合成

NTA（3 mmol）、Phen（1 mmol）和NaOH（3 mmol）被用于合成Eu(NTA)₃Phen。

0% ～ 5% cross-PS-Eu的表征与荧光

如图1所示，在无皂乳液聚合过程中加入EGDMA，制备出具有均匀网络结构的交联PS微球。在后续膨胀过程中，均匀分散镧系化合物Eu(NTA)₃Phen有利于其在PS微球中的分布。在PS-Eu微球中，Eu(NTA)₃Phen容易发生聚集，从而导致荧光强度减弱。而在cross-PS微球中，这种现象得到缓解。

讨论

为了获得高效荧光性能的Eu(NTA)₃Phen分散PS微球，必须确保Eu(NTA)₃Phen在微球中均匀分散且不发生聚集。这是因为稀土化合物容易聚集。Peng等人报道，类似的化合物Eu(DBM)₃Phen在PS微球中的浓度超过5.5 wt%时会出现严重的荧光淬灭现象[31]。这是典型的浓度依赖性现象。

结论

通过无皂乳液聚合和后续膨胀方法制备了cross-PS-Eu微球。通过构建吸光度-浓度标准曲线，实现了Eu(NTA)₃Phen含量的精确控制。与PS-Eu微球相比，交联结构降低了Eu(NTA)₃Phen的膨胀能力，有效防止了其聚集和荧光浓度淬灭。在较低的Eu(NTA)₃Phen浓度下，...

CRediT作者贡献声明

葛振振：资源提供。凌世生：项目管理。Pragati Awasthi：方法学研究。乔旭生：撰写、审稿与编辑、概念设计。牛焕江：实验验证。董文坤：资源协调。陈宏健：原始稿撰写、数据管理、概念设计。陈东：资源提供。钱国东：方法学研究。袁宇文：软件开发。王松乐：方法学研究。董玉冰：实验实施。贾建南：实验设计。范贤平：项目管理。王云鹏：数据分析。

利益冲突

本研究不存在可能影响实验结果的财务利益冲突或个人关系。

数据可用性

本研究期间生成和/或分析的数据包含在本文（及其补充信息文件）中。如需详细报告，可向相应作者咨询。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文研究结果的财务利益冲突或个人关系。

致谢

作者感谢浙江省“Leading Goose”研发计划（编号2022C01142）和浙江大学-Assure研发中心合作计划（编号2022-KYY-50910-0023）的财政支持。