氮掺杂碳量子点电化学发光检测谷胱甘肽_刘祥苗.pdf

第52卷 第1期2 0 2 3年 2月Vol.52，No.1Feb.，2 0 2 3上海师范大学学报（自然科学版）Journal of Shanghai Normal University（Natural Sciences）氮掺杂碳量子点电化学发光检测谷胱甘肽刘祥苗，刘婷，杨敏丽*（上海师范大学 化学与材料科学学院，上海 200234）摘 要：碳量子点（CQDs）以其优良的光电性能，以及环保、价廉、易得的优点而受到极大关注.以柠檬酸（CA）和三聚氰胺（Melamine）为原料，采用一步水热法成功制备了氮掺杂的碳量子点（N-CQDs）.对其形貌、组成及光谱性能进行了表征，详细研究了其电化学发光（ECL）性能，结果表明：所合成的N-CQDs在共反应剂过硫酸钾（K2S2O8）存在下能发射强且稳定的ECL信号.进一步研究显示：金纳米粒子（Au NPs）的存在会导致 N-CQDs 的 ECL 信号猝灭，而谷胱甘肽（GSH）的加入又能使其ECL信号得以恢复.根据这一特点实现了对GSH的灵敏检测，线性响应范围为1.010-91.010-4 mol L-1，检出限是8.010-10 mol L-1.该策略也可用于其他含巯基（-SH）的生物硫醇类物质的检测.关键词：电化学发光（ECL）；氮掺杂碳量子点（N-CQDs）；谷胱甘肽（GSH）；金纳米粒子（Au NPs）中图分类号：O 657.1 文献标志码：A 文章编号：1000-5137（2023）01-0038-08Determination of glutathione based on electrochemiluminescence of N-CQDsLIU Xiangmiao，LIU Ting，YANG Minli*（College of Chemistry and Materials Science，Shanghai Normal University，Shanghai 200234，China）Abstract：Carbon quantum dots（CQDs）have attracted great attention because of their excellent photoelectric properties，environmental friendliness，low cost，and easy availability.Nitrogen doped carbon quantum dots（N-CQDs）were prepared by one-step hydrothermal method using melamine and citric acid（CA）as raw materials.Their morphology，composition，and spectral properties were characterized with various technologies.The electrochemical luminescence（ECL）property of N-CQDs was investigated in detail.The result showed that the synthesized N-CQDs could emit strong and stable ECL signals in the presence of co-reactive potassium persulfate（K2S2O8）.Further studies showed that the presence of gold nanoparticles（Au NPs）could cause the ECL signal of N-CQDs to be quenched，and the addition of glutathione（GSH）could restore the ECL signal.Based on this principle，the sensitive detection of GSH was achieved with a linear response range of 1.010-9 to 1.010-4 mol L-1 and a detection limit of 8.010-10 mol L-1.This strategy can also be used DOI：10.3969/J.ISSN.1000-5137.2023.01.006收稿日期：2022-07-15基金项目：上海师范大学“仪器分析”课程教学团队建设项目（304-AC9103-21-368011523）作者简介：刘祥苗（1998），女，硕士研究生，主要从事电化学发光传感器方面的研究.E-mail：*通信作者：杨敏丽（1965），女，教授，主要从事生物传感器及电化学发光分析方面的研究.E-mail：yml_引用格式：刘祥苗，刘婷，杨敏丽.氮掺杂碳量子点电化学发光检测谷胱甘肽 J.上海师范大学学报（自然科学版），2023，52（1）：3845.Citation format：LIU X M，LIU T，YANG M L.Determination of glutathione based on electrochemiluminescence of NCQDs J.Journal of Shanghai Normal University（Natural Sciences），2023，52（1）：3845.第1期刘祥苗，刘婷，杨敏丽：氮掺杂碳量子点电化学发光检测谷胱甘肽for the detection of other mercapto（-SH）containing biothiols.Key words：electrochemiluminescence（ECL）；nitrogen-doped carbon quantum dots（N-CQDs）；glutathione（GSH）；gold nanoparticles（Au NPs）谷胱甘肽（GSH）作为一种内源性抗氧化剂在许多生理过程中发挥着重要作用，例如抗衰老、抗自由基、减少过氧化物和重金属造成的损伤1-4.研究表明，GSH平衡的破坏与各种神经系统疾病有关，例如阿尔茨海默病（AD）、多发性硬化症（MS）和帕金森病（PD）5-7.因此，GSH的检测具有重要的临床意义.迄今为止，已经提出了多种检测GSH的方法，包括比色法（CA）8、分光光度法（SP）9、荧光光谱法（FL）10和表面增强拉曼散射法（SERS）11等.然而，前两种检测方法的灵敏度低，不能满足低浓度GSH测定的需求，而后两种方法需要昂贵的仪器，且背景信号强.电化学发光（ECL）法是一种通过电极激发产生化学发光的分析方法，具有仪器简单、灵敏度高和背景信号低的优点，目前已成为食品、环境监测和生物分析等领域中必不可少的分析手段12-13.碳量子点（CQDs）是直径小于10 nm的经典零维材料，它们具备合成简单、成本低、生物相容性好以及环境友好等特点14.近年来，有关CQDs的ECL研究引起了人们的广泛关注15.但是，单纯的CQDs存在发光效率较低、分析选择性不佳等问题，需要通过掺杂或表面修饰来改善其发光性能和分析选择性.氮（N）与碳（C）的物理和化学性能接近，易掺杂进CQDs中.N元素的掺杂能提高CQDs的ECL强度和稳定性16，同时，N掺杂在CQDs表面引入了-NH2，可通过表面-NH2的功能化反应选择性检测更多物质17.本研究以柠檬酸（CA）和三聚氰胺（Melamine）为原料，利用一步水热法成功合成了具有良好ECL性能的氮掺杂碳量子点（N-CQDs）.将其固定在玻碳电极（GCE）上，在0-2.0 V电位扫描下产生强的ECL信号，金纳米粒子（Au NPs）的加入会和N-CQDs发生能量转移（ET），从而熄灭其ECL信号，而GSH又能使其ECL信号得以恢复，利用这个特点，实现了GSH的快速灵敏检测.1 实验部分 1.1实验试剂三聚氰胺、过硫酸钾（K2S2O8）均购于阿拉丁（上海）有限公司；CA、壳聚糖（CHIT，脱乙酰度98%）均购于美国Sigma-Aldrich化学公司；四水氯金酸（HAuCl4 4H2O）、尿素（Urea）、抗坏血酸（AA）、乙酸、无水乙醇均购于国药集团化学试剂有限公司；柠檬酸三钠购于江苏强盛化工有限公司；还原型GSH购于Sangon Biotech；L-半胱氨酸（L-Cys）、L-酪氨酸（L-Tyr）、L-赖氨酸（L-Lys）、葡萄糖（Glu）、L-色氨酸（L-Trp）、氯化钾、盐酸、磷酸二氢钾、磷酸氢二钠均购于上海Adamas试剂公司；氢氧化钠购于天津市广成化学试剂有限公司；所有药品均为分析纯，溶液以超纯水配置.1.2实验仪器电化学工作站（CHI 660E），上海辰华仪器有限公司；ECL分析系统（MPI-A/B），西安瑞迈分析仪器有限责任公司；透射电子显微镜（TEM，JEM-2010），日本电子公司；紫外分光光度计（UV-1800）和荧光分光光度计（RF-5301PC），日本岛津公司；傅里叶变换红外光谱仪（FT-IR，Nicolet iS5），Thermo Scientific 公司；X射线光电子能谱仪（XPS，ULVCA-PHI），美国PE公司.1.3N-CQDs的制备以 CA 作为 C 源，三聚氰胺作为 N 源，参考文献 18 的方法，合成 N-CQDs.具体步骤为：1）称取0.200 g CA和0.083 g三聚氰胺溶于6 mL去离子水中，超声30 min，将混合液转移至50 mL反应釜内，密封加热到160，持续12 h；2）反应结束后，自然冷却至室温，然后以8 000 r min-1速度离心10 min，取上清液于截留分子质量（MWCO）为 1 000 u 的透析袋内透析 14 h，去除未反应的 CA 与三聚氰胺，得到N-CQDs，用于后续实验.392023年上海师范大学学报（自然科学版）J.Shanghai Normal Univ.（Nat.Sci.）1.4Au NPs的制备采用柠檬酸三钠还原HAuCl4 4H2O的方法制备Au NPs 19：1）量取250 L物质的量浓度为0.1 mol L-1的HAuCl4 4H2O加入到装有100 mL去离子水的锥形瓶中，然后将其置于磁力搅拌器上，加热至微沸状态；2）在锥形瓶中滴加800 L（质量分数为1%）的柠檬酸三钠.数分钟后观察到溶液颜色变为紫红色（淡黄色无色紫红色），在535 nm处观察可到Au NPs的最大紫外可见吸收（UV-vis）峰.1.5N-CQDs与CHIT混合液（N-CQDs/CHIT）的制备首先配置质量分数为1.0%的CHIT乙酸溶液：称取0.1 g的CHIT溶解在10 mL的乙酸溶液（质量分数为0.5%）中，得到1.0%（质量分数）的CHIT乙酸溶液.然后，取3 mL N-CQDs与1 mL CHIT乙酸溶液混合，超声1 min，即得N-CQDs/CHIT混合液.1.6N-CQDs与CHIT混合液传感器（N-CQDs/CHIT/GCE）的制备将GCE（直径=3 mm）用0.5 m的氧化铝（Al2O3）打磨至光滑，然后用蒸馏水冲洗，再用乙醇与蒸馏水（体积比为1 1）混合液超声处理1 min，用蒸馏水冲洗，自然晾干.取6.0 L N-CQDs/CHIT混合液滴涂在经过上述处理后的GCE表面，自然晾干，得到N-CQDs/CHIT/GCE传感器，如图1所示.1.7ECL检测方法利用三电极系统，工作电极为GCE电极，对电极为铂（Pt）丝电极，参比电极为氯化银电极（Ag/AgCl）电极.检测底液：含0.14 mol L-1 K2S2O8的0.1 mol L-1磷酸盐缓冲溶液（PBS）（pH=7.4）.在0-2.0 V的范围内以100 mV s-1扫描速率扫描（光电倍增管电压为800 V，扫描方向为负扫，起始电位为0 V），记录ECL信号.实际检测时，将检测