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第 45 卷第 4 期2023 年 7 月 湖北大学学报(自然科学版)Journal of Hubei University(Natural Science)Vol.45No.4July 2023文章编号:10002375(2023)04057407收稿日期:20220922基金项目:国家自然科学基金(21707030)资助作者简介:雷甜甜(2000),女,硕士生;何瑜,通信作者,博士,副教授,主要研究方向为先进荧光材料的合成、复杂纳米体系的构建、生化及环境分析,E-mai:heyu N,Br-CDs 作为荧光传感器连续检测银离子和生物硫醇雷甜甜,陈宽,宋功武,何瑜(湖北大学化学化工学院,湖北 武汉 430062)摘要:银离子(Ag+)是水体污染中最主要的有害重金属之一,由于其生物积累性和潜在毒性,Ag+能够与酶/蛋白质结合并导致其失活.此外,生物硫醇,如谷胱甘肽(GSH)、半胱氨酸(Cys)在细胞生长、代谢和维持适当的氧化还原状态中发挥重要作用.因此,有效检测生物液体中的 Ag+和生物硫醇在生物化学和临床化学中具有重要意义.本工作以 4-溴邻苯二胺和多巴胺为前体,通过水热法合成了氮溴共掺杂 CDs(N,Br-CDs).N,Br-CDs 具有强烈的红光,发射波长为640 nm,相对量子产率高达 24.6%.再通过 Ag+猝灭其荧光,生物硫醇恢复其荧光,我们构建了一种荧光开关传感器用来连续检测 Ag+和生物硫醇,此方法已适用于人尿中生物硫醇的检测.本工作设计的荧光开关传感器用来连续检测 Ag+和生物硫醇有以下亮点:首先设计出红色荧光进行检测,这是目前极少被报道的;其次是相较于其他传感器,该传感器具有灵敏度极高、操作简单、线性范围较宽等优势.关键词:氮溴共掺杂 CDs(N,Br-CDs);银离子(Ag+);生物硫醇中图分类号:O657.3文献标志码:ADOI:10.3969/j.issn.1000-2375.2023.00.036著录信息:雷甜甜,陈宽,宋功武,等.N,Br-CDs 作为荧光传感器连续检测银离子和生物硫醇J.湖北大学学报(自然科学版),2023,45(4):574-580.DOI:10.3969/j.issn.1000-2375.2023.00.036.LEI T T,CHEN K,SONG G W,et al.N,Br-CDs as fluorescent sensors for continuous detection of silver ions and biothiolsJ.Journal of Hubei University(Natural Science),2023,45(4):574-580.DOI:10.3969/j.issn.1000-2375.2023.00.036.N,Br-CDs as fluorescent sensors for continuous detectionof silver ions and biothiolsLEI Tiantian,CHEN Kuan,SONG Gongwu,HE Yu(College of Chemistry and Chemical Engineering,Hubei University,Wuhan 430062,China)Abstract:Silver ion(Ag+)is one of the most important harmful heavy metals in water pollution.Due to its bioaccumulation and potential toxicity,Ag+can bind to enzymes/proteins and cause their inactivation.In addition,biothiols,such as glutathione(GSH)and cysteine(Cys),play an important role in cell growth,metabolism and maintenance of an appropriate redox state.Therefore,the effective detection of Ag+and biothiols in biological fluids is of great significance in biochemistry and clinical chemistry.In this work,N,Br-codoped CDs(N,Br-CDs)were synthesized by hydrothermal method using 4-bromo-o-phenylenediamine and dopamine as precursors.N,Br-CDs had a strong red emission wavelength of 640 nm and a relative quantum yield of 24.6%.Then,the fluorescence was quenched by Ag+and restored by biothiols.We constructed a fluorescent switch sensor for continuous detection of Ag+and biothiols.This method has been applied to the detection of biothiols in human urine.第 4 期雷甜甜,等:N,Br-CDs 作为荧光传感器连续检测银离子和生物硫醇575 Key words:N,Br-CDs;silver ion(Ag+);biothiols 0引言CDs 以其优异的光学性能、低毒性、优异的水溶性、制备和改性方便等优点近年来受到人们的关注1.目前,CDs 已应用于各个领域,如传感、治疗、生物成像和光电子器件2.目前为止,大多数已报道的 CDs 在紫外线或蓝光激发下表现出蓝绿色荧光,但是生物基质具有蓝色自荧光的干扰和紫外激发光的严重光损伤3,这限制了它们在生物医学领域的进一步应用.同时,一些报道 CDs 长波长发射的研究普遍存在两个问题:1)不是红色发射(max 620 nm)4,2)在水中测定的量子产率(QYs)与典型的蓝色发射 CDs 相比相对较低5.因此,制备高效长波长发射 CDs 是至关重要的.银离子(Ag+)是水体污染中最主要的有害重金属之一6,由于其生物积累性和潜在毒性,Ag+能够与酶/蛋白质结合并导致其失活7.因此,发展快速、有选择性的 Ag+检测方法具有重要意义.此外,生物硫醇,如谷胱甘肽(GSH)、半胱氨酸(Cys)、同型半胱氨酸(Hcy)在细胞生长、代谢和维持适当的氧化还原状态中发挥重要作用8.许多研究表明,细胞内生物硫醇的失衡与疾病密切相关,因此,有效检测生物液体中的生物硫醇在生物化学和临床化学中具有重要意义9.生物硫醇的定量分析方法很多,包括高效液相色谱(HPLC)、比色法、电化学方法和质谱(MS)等10.近年来,荧光法因其具有选择性好、实时、灵敏度高、操作简便等优点而被广泛应用于生物硫醇的检测中.特别是荧光“开关”技术已应用于Ag+和生物硫醇的顺序检测.之前,Huang 等人合成了 P-DNA-1 MOF 杂交体用于 Ag+和生物硫醇的荧光检测11.Borse 等人制备了氮掺杂多荧光 CDs,用于“turn off-on”银离子-生物硫醇双传感12.因此,探索更多的荧光“开关”法来检测 Ag+和生物硫醇很有前景.前面我们已经提到掺杂低电负性的杂原子可以引起 CDs 荧光红移,在这个基础上,我们尝试把氟替换为电负性更低的溴,希望能得到发射波长更长的 CDs.我们这次以 4-溴邻苯二胺和多巴胺为前体,通过水热法合成了氮溴共 CDs(N,Br-CDs).N,Br-CDs 具有强烈的红光,发射波长为 640 nm,相对量子产率高达 24.6%.再通过 Ag+猝灭其荧光,生物硫醇恢复其荧光,我们构建了一种荧光开关传感器用来连续检测 Ag+和生物硫醇,此方法已适用于人尿中生物硫醇的检测.1实验部分1.1实验材料与试剂 4-溴邻苯二胺购自上海麦克林生化科技有限公司,多巴胺、谷胱甘肽(GSH)和半胱氨酸(Cys)购自阿拉丁试剂有限公司,同型半胱氨酸(Hcy)购自梯希爱(上海)化成工业发展有限公司,硝酸银、醋酸和醋酸钠购自国药集团化学试剂有限公司.1.2实验器材紫外-可见分光光度计;荧光分光光度计;傅里叶变换红外分光光度计;透射电子显微镜;高分辨透射电子显微镜;X 射线光电子能谱仪.1.3N,Br-CDs 的制备称取 0.383 g 多巴胺和 0.093 6 g 4-溴邻苯二胺,于 5 mL 超纯水中均匀混合,再将混合液转移到聚四氟乙烯内衬的不锈钢反应釜中,在 180 条件下反应 8 h,让反应釜自然冷却至室温.冷却后,将所得到的反应物离心(8 000 r/min)10 min 取上清液,用微孔膜(0.22 m)过滤后透析6 h,干燥,得到深蓝色固体,配置成 N,Br-CDs 溶液(2 mg/mL).1.4银 离 子 检 测 取 不 同 浓 度 的 Ag+和 35 L CDs 溶 液 分 别 配 成 3 mL(Ag+的 浓 度 为 0 13.3 mol/L),并用醋酸-醋酸钠(HAc-NaAc)缓冲溶液调节 pH 至 5,分别测定在 570 nm 激发波长下的荧光光谱,并记录 640 nm 处的荧光强度.1.5生物硫醇的检测在上述复合反应液中(Ag+的最终浓度为 13.3 mol/L)加入不同浓度的生物硫(GSH、Cys、Hcy 的浓度分别为 0 7.5 mol/L、0 11.7 mol/L、0 5.8 mol/L),并用 HAc-NaAc 缓冲溶液调节 pH 至 5,分别测定在 570 nm 激发波长下的荧光光谱,并记录 640 nm 处的荧光强度.576 湖北大学学报(自然科学版)第 45 卷1.6尿液中生物硫醇的检测在实际样品的检测中,以人尿样作为分析物,尿液样本由男性志愿者捐赠.在检测生物硫醇之前,通过加入三苯基膦将尿样中的二硫化物还原成流离的硫醇,离心(8 000 r/min,20 min)取上清液,加入超纯水稀释到合适浓度,用 HAc-NaAc(0.2 mmol/L,pH=5.0)缓冲溶液调节 pH 至 5.0 用自制的 Cys 溶液作为回收研究的标准样品,采用标准加入法测定人尿中生物硫醇的总含量.2结果与讨论2.1材料的表征和分析对所得的样品进行了结构表征,由透射电镜的测试结果可知(图 1),这种红色 N,Br-CDs 在水溶液中具有较好的单分散性,其平均尺寸约为 2.68 nm,具有高结晶度,晶格间距为0.31 nm.图 1(a)N,Br-CDs 的透射电子显微镜图(内嵌是高倍透射电子显微镜图)及其(b)粒径分布为了进一步确定所得 N,Br-CDs 的结构,又对样品进行了红外光谱的表征,如图 2(a)所示,NH 位于 3 367 cm-1,CN/CO 位于 1 620 cm-1,CC 位于 1 487 cm-1,CN 位于 1 287 cm-1,CBr 位于800 cm-1处13.为了确定 N,Br-CDs 表面的各种基团,对所得的样品进行了 X 射线光电子能谱测试.如图 2(b)所示,所得 N,Br-CDs 主要是由 C、N、O、Br 4 种元素组成,对应结合能的能量值分别为 C 1s(285 eV),N 1s(400 eV),O 1s(531 eV),Br 3d(69 eV),随后又分别对 C 1s,N 1s,O 1s,Br 3d 进行了高分辨的 X 射线光电子能谱测试,对 C 1s 谱进行分析可知,C 元素在样品中存在的形式有两种,CC/CC,283.8 eV,CN/CO,284.5 eV(图 2(c);由 N1s 谱分峰可知,398.1 eV、399.2