MXene QDs-Eu3+双发射荧光传感构建及其对强力霉素的分析应用
Construction of MXene QDs-Eu3+ Dual-Emission Fluorescence Sensor and Its Analytical Application to Doxycycline
DOI: 10.12677/japc.2024.133047, PDF, HTML, XML, 下载: 2  浏览: 53  科研立项经费支持
作者: 汤子怡, 武会芳*:南通大学化学化工学院,江苏 南通
关键词: 荧光探针MXene QDs强力霉素镧系元素Fluorescence Probe MXene Quantum Dots Doxycycline Lanthanide
摘要: 鉴于四环素类抗生素大量使用造成的环境污染以及人体肝损伤、肠道功能紊乱和过敏等不良反应,亟需开发一种灵敏度高、操作简便、价格低廉的四环素类抗生素残留检测方法。荧光法具有操作简单、成本低廉、可视化等优点,因此,本工作基于MXene QDs和铕离子构建了可选择性检测强力霉素(DOX)的比率荧光探针。以尿酸和单层Ti3CN为原料通过水热法制备得MXene QDs,MXene QDs与Eu3+通过自组装构建得到MXene QDs-Eu3+双发射荧光探针,用于DOX的选择性检测。并通过优化探针体系中的MXene QDs浓度、Eu3+浓度、pH和响应时间等实验条件,探究该双发射荧光探针对强力霉素的定量和选择性检测性能。结果表明,该荧光探针对DOX具有特异性识别能力,且荧光强度比(F615/F421)与不同浓度DOX (0∼30 μM)之间存在良好的线性关系,表明其在TCs残留检测中具有良好应用前景。
Abstract: Given the environmental pollution, liver damage, intestinal dysfunction, and allergic reactions caused by the extensive use of tetracycline antibiotics, there is an urgent need to develop a sensitive, simple, and cost-effective method for detecting residual tetracycline antibiotics. The fluorescence method possesses advantages such as simple operation, low cost, and visualizability. Therefore, this work constructs a ratio fluorescence probe for the selective detection of doxycycline based on MXene QDs and rare earth ions. We prepared MXene QDs using uric acid and single-layer Ti3CN as raw materials through a hydrothermal method. The MXene QDs-Eu3+ dual-emission fluorescent probe was constructed by self-assembly of MXene QDs and Eu3+, which was used for the selective detection of streptomycin. By optimizing the experimental conditions such as the concentration of MXene QDs, Eu3+, pH, and response time in the probe system, this dual-emission fluorescent probe was explored for quantitative and selective detection of streptomycin. Findings show that the fluorescent probe uniquely identifies gentamicin, with a strong linear correlation between the fluorescence intensity ratio (F615/F421) and different gentamicin concentrations (0~30 μM), hinting at its potential use in identifying tetracycline residues.
文章引用:汤子怡, 武会芳. MXene QDs-Eu3+双发射荧光传感构建及其对强力霉素的分析应用[J]. 物理化学进展, 2024, 13(3): 417-426. https://doi.org/10.12677/japc.2024.133047

1. 引言

四环素类抗生素是20世纪40年代发现的广谱抗生素,主要用于治疗革兰阳性与阴性细菌、细胞内支原体、衣原体以及立克次氏体所导致的感染[1] [2]。DOX作为四环素族的半合成抗生素,不仅抗菌作用好,还对金黄色葡萄球菌有效,因此在国内外都应用广泛[3]。随着抗生素在临床上广泛应用以及耐药菌株的不断出现,人们开始关注四环素类抗菌剂的不良影响,大量使用抗生素除了会造成严重的环境污染,还会导致人体肝损伤、肠道功能紊乱和过敏反应等。目前,用于检测四环素类抗生素的常用方法包括高效液相色谱法[4] [5]、毛细管电泳法[6] [7]、酶联免疫法[8] [9]和电化学分析法[10]等。这些测定技术能够对四环素类药物进行快速检测,但是大多都有费时、重复性差和费用高的不足,所以迫切需要开发灵敏度高,操作简单且价格低廉的新型四环素类残留检测方法。

DOX的常用检测方法有高效液相色谱法、酶联免疫法、电化学分析法和荧光分析法[11] [12]。荧光分析法基于荧光物质的发光特性,通过测量荧光物质发出的荧光强度、波长等参数,实现对目标物质的定性和定量分析。此法灵敏度高、选择性强而且耗费样品量少,在临床诊断、环境监测以及生物成像等领域都有广泛应用。荧光探针是一种能够通过荧光信号的强度、波长和寿命等来检测生物分子、细胞环境或化学变化的工具,广泛应用于生物学、医学、化学和环境科学等领域[13]。它的优点包括高灵敏度,高选择性,实时监测和成像能力。近年来研究的荧光探针主要包括小分子有机染料荧光探针[14]、镧系配位金属聚合物探针[15]和金属络合物探针[16]等。常见的荧光材料包括有机荧光材料和无机荧光材料两大类,其中,无机荧光材料包括半导体量子点、金属纳米簇、碳点和MXene QDs [17]等。

本论文工作基于MXene QDs和Eu3+构建了可选择性检测DOX的比率荧光探针(图1)。以尿酸和单层Ti3CN作为原料,通过一步水热法制备得到MXene量子点,并通过高速离心和透析纯化,得到MXene QDs。将MXene QDs与Eu3+自组装构建MXene QDs-Eu3+双发射荧光探针。通过优化双发射荧光探针的传感条件,包括MXene QDs浓度、pH、Eu3+浓度和响应时间,研究了该双发射荧光探针对DOX的定量和选择性检测。

Figure 1. Technology road of the experiment

1. 技术路线图

2. 实验部分

2.1. 实验试剂与仪器

实验中使用的所有试剂至少是分析纯度。三羟基甲基氨基甲烷盐酸(TrisHCl)、氢氧化钠、硝酸铕(Ⅲ)六水合物(Europium nitrate hexahydrate)、D-丙氨酸(D-alanine)、L-亮氨酸(L-leucine)、L-半胱氨酸(L-Cysteine)、L-谷氨酸(L-glutamic acid)、葡萄糖,一水(Glucose monohydrate)、烟酸(Nicotinic acid)、盐酸多巴胺(Dopamine hydrochloride)、诺氟沙星(Norfloxacin)、环丙沙星(Ciprofloxacin)均购自上海阿拉丁生化科技股份有限公司。尿酸(Uric acid)、盐酸强力霉素(Doxycyclinehyclate)、盐酸土霉素(Oxytetracycline hydrochloride)、盐酸甲烯土霉素(Metacycline hydrochloride)、盐酸四环素(Tetracycline hydrochloride)、盐酸金霉素(Chlorotetracycline hydrochloride)均购自上海麦克林生化科技股份有限公司,Ti3CN分散液(5 mg/mL)为分析纯,购自吉林省一一科技有限公司,其他的无机金属盐类药品均为分析纯,购自国药集团化学试剂有限公司。实验中使用的去离子水(18.25 MΩ·cm)由UPK/UPT净水系统制备。

样品的荧光光谱由F-7000荧光光谱仪(日立,日本)进行测定,激发光源为氙灯,激发和发射狭缝均为5 nm,激发波长为365 nm。所有pH测量均在FE28标准pH计(Mettler Toledo, Switzerland)上进行。所有样品用移液枪(1~5 mL, DRAGONLAB)移取。样品称量用ME104E型电子天平(梅特勒-托利多仪器(上海)有限公司)。样品超声用超声波清洗器(KH2200E,昆山禾创仪器有限公司)。样品高温加热用电热鼓风干燥箱(DHG9075A,上海一恒科学仪器有限公司)。样品的离心用高速离心机(HC-3018,安徽中科中佳科技有限公司)进行在紫外灯下观察样品颜色用三用紫外分析仪(ZF-8ND,上海嘉鹏科技有限公司)。

2.2. MXene QDs的制备

用电子天平称量0.2 g尿酸颗粒转移至100 mL烧杯内加入47.5 mL纯水后超声30 min左右,用pH计测量溶液pH,测得尿酸溶液初始pH = 5.54,逐滴加入NaOH溶液,将pH调至碱性状态,测得溶液pH = 10.16。

从冰箱内取出已经超声20 min后的Ti3CN分散液,在溶液中加入2.5 mL的Ti3CN分散液之后,迅速盖紧分散液的盖子,迅速放回冰箱内(防止Ti3CN分散液挥发),将调配好的溶液平均倒入3个反应釜内,迅速盖好反应釜盖子放入不锈钢外壳内,在160℃高温条件下反应24 h,冷却间隔10 h后取出反应物,全部转移至3个50 mL离心管内。

将离心管放入离心机之前需要进行称量、调平、再称量每个离心管内反应物的质量,找到质量最大的离心管,以最大质量的离心管为基准,在其他管子内用胶头滴管逐滴加入乙醇溶液,确保质量误差调整在0.1 g即可。将4个离心管对称放入离心机内,前3个离心管加入反应物,第4个离心管内加入超纯水。打开离心机,调整离心转速为8000 r/min,离心15 min,离心完成后要保留上清液,将上清液倒入另外新的50 mL离心管内,制备完成MXene QDs。

2.3. 荧光探针的构建及其对DOX的定量分析与选择性检测

Eu3+ (80 μM)与MXene QDs(0.04 g/L)在100 μL的TrisHCl缓冲溶液(pH = 7.0, 200 mM)中混合,构建MXene QDs-Eu3+荧光探针。然后,分别依次添加0 μM、0.5 μM、1 μM、2 μM、5 μM、10 μM、15 μM、20 μM、25 μM、30 μM的DOX溶液,用去离子水定容到2 mL。室温充分反应10 min后,在365 nm激发波长下,测量样品溶液从380 nm到700 nm的荧光光谱,并记录荧光强度。

对于选择性测试,将实际样品中的其他抗生素和其他有机干扰物等潜在共存物质(25 μM)以及DOX (25 μM)添加到MXene QDs-Eu3+荧光探针中,用超纯水定容到2 mL。室温反应10 min后,在365 nm的激发波长下,测量样品溶液从380 nm到700 nm的荧光光谱,并记录荧光强度。

3. 结果分析与讨论

3.1. MXene QDs光谱特性及MXene QDs-Eu3+荧光探针的构建

通过荧光光谱仪对MXene QDs的激发光谱和发射光谱进行了测定。结果如图2所示,在414 nm发射波长下,激发光谱位于300~400 nm范围内,在341 nm处取得最大值。利用341 nm作为激发波长测定发射光谱,得到发射光谱位于351~600 nm范围内,在414 nm处取得最大值。

Figure 2. Excitation (ex) and emission (em) spectra of MXene QDs

2. MXene QDs的激发光谱图(ex)和发射光谱图(em)

将MXene QDs和Eu3+通过自组装配位得到MXene QDs-Eu3+荧光探针,通过荧光光谱仪对MXene QDsEu3+的荧光光谱进行了测定。如图3(a),MXene QDs与Eu3+配位前后其荧光强度未发生显著变化,说明Eu3+的加入未对MXene QDs荧光产生明显影响。此外,在MXene QDs-Eu3+中没有观察到Eu3+的显著特征荧光,这是由于Eu3+相对较低的吸收系数以及H2O分子震动引起的淬灭效应。然后,探究了MXene QDs-Eu3+荧光探针对DOX的荧光响应。结果表明,当MXene QDs-Eu3+探针加入DOX后,MXene QDs在425 nm波长处的荧光减弱,这是由于DOX与MXene QDs之间存在内滤效应,如图3(b)所示,MXene QDs的激发光谱和DOX的吸收光谱存在重叠,二者对激发光的竞争性吸收导致MXene QDs荧光减弱。此外,该探针在615 nm波长处的荧光显著增强,这是由于DOX与Eu3+的配位结合导致其向Eu3+进行了能量转移,敏化其特征荧光。所以基于该双发射探针可以实现对DOX的比率检测。

此外,在365 nm紫外灯下观察得到不同荧光体系的图片,如图3(a)中插图所示,MXene QDs和MXene QDs-Eu3+荧光探针均呈现蓝色荧光,在MXene QDs-Eu3+荧光探针中加入DOX后,呈现紫色荧光,在Eu3+中加入DOX后,呈现红色荧光。

Figure 3. Fluorescence spectra of MXene QDs before and after coordination with Eu3+ and MXene QDs-Eu3+ fluorescence probe before and after DOX addition (a); Uv absorption spectra of MXene QDs and DOX (b)

3. MXene QDs与Eu3+配位前后和MXene QDs-Eu3+荧光探针加入DOX前后的荧光光谱图(a);MXene QDs和DOX的紫外吸收光谱图(b)

3.2. 实验条件的优化

3.2.1. MXene QDs浓度的优化

图4(a)和(b)所示,MXene QDs浓度的变化对该探针荧光强度及其对DOX的荧光响应都有显著的影响。在图4(c)中,MXene QDs浓度在0.004~0.08 g/L范围内时,MXene QDs-Eu3+荧光探针的荧光强度未产生明显荧光变化。加入DOX后,荧光探针在615 nm处的荧光显著增强,且在MXene QDs浓度为0.01 g/L时,荧光探针在615 nm处的荧光达到最大值。综合考虑MXene QDs-Eu3+的荧光强度和Eu3+对DOX的荧光效率,选择MXene QDs浓度为0.04 g/L为优化条件。

Figure 4. Effects of different concentrations of MXene QDs on the fluorescence spectra of MXene QDs-Eu3+ before (a) and after (b) addition of DOX. Effect of different concentrations of MXene QDs on the fluorescence intensity at 615 nm (c) before and after adding MXene QDs-Eu3+ to DOX

4. 不同MXene QDs浓度对MXene QDs-Eu3+加入DOX前(a)和后(b)荧光光谱的影响;不同MXene QDs浓度对MXene QDs-Eu3+加入DOX前与后615 nm (c)处荧光强度的影响

3.2.2. pH的优化

图5(a)和(b)所示,pH的变化对该探针荧光强度及其对DOX的荧光响应都有显著的影响。在图5(c)中,pH在6.0~9.0范围内时,MXene QDs-Eu3+荧光探针的荧光强度未产生明显荧光变化。加入DOX后,荧光探针在615 nm处的荧光显著增强,且在pH = 7.0时,荧光探针在615 nm处的荧光达到最大值。且对MXene QDs的淬灭效率显著,因此,选择pH = 7.0为优化条件。

Figure 5. Effects of different pH on the fluorescence spectra of MXene QD-Eu3+ before (a) and after (b) addition of DOX; Effect of different pH on the fluorescence intensity at 615 nm (c) before and after addition of MXene QD-Eu3+ to DOX

5. 不同pH对MXene QDs-Eu3+加入DOX前(a)和后(b)荧光光谱的影响;不同pH对MXene QDs-Eu3+加入DOX前与后615 nm (c)处荧光强度的影响

3.2.3. Eu3+浓度的优化

图6(a)和(b)所示,Eu3+浓度的变化对该探针荧光强度及其对DOX的荧光响应都有显著的影响。在图6(c)中,Eu3+浓度在10~80 μM范围内时,MXene QDs-Eu3+荧光探针的荧光强度未产生明显荧光变化。加入DOX后,荧光探针在615 nm处的荧光显著增强,且在Eu3+浓度为20 μM时,荧光探针在615 nm处的荧光达到最大值,且对MXene QDs的淬灭效率显著。因此,选择Eu3+浓度为20 μM为优化条件。

Figure 6. Effects of different Eu3+ concentrations on the fluorescence spectra of MXene QD-Eu3+ before (a) and after (b) addition of DOX. Effect of different Eu3+ concentrations on the fluorescence intensity at 615 nm (c) before and after addition of MXene QD-Eu3+ to DOX

6. 不同Eu3+浓度对MXene QDs-Eu3+加入DOX前(a)和后(b)荧光光谱的影响;不同Eu3+浓度对MXene QDs-Eu3+加入DOX前与后615 nm (c)处荧光强度的影响

3.2.4. 响应时间的优化

图7(a)所示:响应时间的变化对MXene QDs-Eu3+加入DOX后的荧光响应有显著影响。如图7(b)中所示,我们可以明显发现MXene QDs-Eu3+加入DOX后在615 nm处的荧光强度伴随着响应时间的增大会迅速提高,当MXene QDs-Eu3+和DOX反应至10 min时,MXene QDs-Eu3+对DOX在615 nm处的特征发光强度达到最大值,在此时间点往后至60 min内荧光强度都维持相对稳定。因此选择响应时间10 min为优化条件。

Figure 7. Different response time on MXene QDs-Eu3+ after joining DOX (a) the influence of the fluorescence spectrum. Effect of different response times on the fluorescence intensity at 615 nm (b) after addition of MXene QDs-Eu3+ to DOX

7. 不同响应时间对MXene QDs-Eu3+加入DOX后(a)荧光光谱的影响;不同响应时间对MXene QDs-Eu3+加入DOX后615 nm (b)处荧光强度的影响

3.3. MXene QDs-Eu3+荧光探针对DOX的定量分析

利用荧光光谱仪测定了加入不同浓度DOX后MXene QDs-Eu3+探针体系的荧光光谱变化,MXene QDs-Eu3+对DOX的荧光响应结果具体如下:如图8(a)所示,在添加DOX前,MXene QDs-Eu3+荧光探针只有MXene QDs的特征荧光,未出现Eu3+的特征荧光。添加DOX后,随着DOX浓度增加,MXene QDs-Eu3+中MXene QDs的特征荧光强度降低,而Eu3+在615 nm处的特征荧光显著增强。此外,如图8(b)所示:F615/F421随着DOX浓度的增加而逐渐增大。对于DOX,获得了F615/F421对DOX浓度(CDOX)在0~30 μM范围内的良好线性相关性,线性方程为F615/F421 = 0.0073CDOX − 0.0041,相关系数R2 = 0.9877。

Figure 8. (a) Fluorescence response spectra of the probe in the presence of DOX at different concentrations. (b) Linear relationship between F615/F421 and DOX concentration

8. (a) 不同浓度DOX存在下探针的荧光响应光谱;(b) F615/F421与DOX浓度的线性关系图

3.4. MXene QDs-Eu3+荧光探针对DOX的选择性检测

实际样品应用中通常存在一些离子会影响到实验结果。为了考察MXene QDs-Eu3+对DOX的选择性,探究了环境样品中可能共存阳离子(Na+、K+、Ca2+、Mg2+、Ba2+、Cd2+、Cu2+、Al3+、Cr3+)、阴离子(F、Cl、Br、I、CH3COO NO 3 CO 3 2 SO 4 2 )对DOX荧光探针响应的影响。结果表明,把DOX加到MXene QDs-Eu3+荧光探针中,观察到明显的荧光淬灭,而加入其他离子时,没有发生明显的荧光减弱,如图9(a)所示,这表明MXene QDs−Eu3+荧光探针对Na+、K+、Ca2+、Mg2+、Ba2+、Cd2+、Cu2+、Al3+、Cr3+、F、Cl、Br、I、CH3COO NO 3 CO 3 2 SO 4 2 的响应较弱,对DOX的响应明显。图9(b)中,当探针与25 μM常见阴阳离子干扰物反应时,观察到F615/F421没有显著得到信号变化。因此,MXene QDs-Eu3+对DOX具有选择性荧光响应。

实际样品应用中通常存在一些有机物会影响到实验结果。为了考察MXene QDs-Eu3+对DOX的选择性,探究了环境样品中可能共存有机物(土霉素、甲烯土霉素、四环素、金霉素、环丙沙星、诺氟沙星、D-丙氨酸、L-亮氨酸、L-半胱氨酸、L-谷氨酸、烟酸、多巴胺)对荧光探针响应DOX的影响。结果表明,如图9(c),只有在加入DOX后,Eu3+的特征荧光才明显增强。此外,MXene QDs-Eu3+探针对土霉素、甲烯土霉素、四环素和金霉素具有轻微荧光响应,使MXene QDs-Eu3+的荧光发生轻微淬灭,而MXene QDs-Eu3+探针对D-丙氨酸、L-亮氨酸、L-半胱氨酸、L-谷氨酸、烟酸、多巴胺、环丙沙星和诺氟沙星几乎没有荧光响应。如图9(d),当探针与25 μM其他抗生素以及常见氨基酸和葡萄糖等干扰物反应时,观察到F615/F421没有显著得到信号变化。以上结果表明MXene QDs-Eu3+可以实现对DOX的选择性检测。

Figure 9. (a) Fluorescence response spectra of the probe after adding DOX or other cations; (b) The value of F615/F421 after the addition of DOX or other anions to the probe; (c) Fluorescence response spectrum of the probe after addition of DOX or other antibiotics or organic disruptors; (d) F615/F421 values after the addition of DOX or other antibiotics or organic disruptors to the probe

9. (a) 探针在加入DOX或其他阴阳离子后的荧光响应光谱;(b) 探针在加入DOX或其他阴阳离子后F615/F421的值;(c) 探针在加入DOX或其他抗生素或有机干扰物后的荧光响应光谱;(d) 探针在加入DOX或其他抗生素或有机干扰物后F615/F421的值

4. 结论

本工作成功开发了一个MXene QDs-Eu3+双响应荧光体系,作为荧光探针用于DOX的灵敏和可视化测定。主要结论如下:

(1) 以尿酸和单层Ti3CN为原料,采用水热法制备得到MXene QDs,MXene QDs可实现对不同MXene QDs浓度、不同pH、不同Eu3+浓度和不同响应时间的荧光响应。

(2) 通过MXene QDs与Eu3+进行自组装配位制备得到MXene QDs-Eu3+双发射荧光探针,DOX的加入可以增强Eu3+荧光,归因于DOX与MXene QDs之间的内滤效应引起了MXene QDs发生静态荧光淬灭,而DOX与探针中的Eu3+的配位结合导致其向Eu3+发生能量转移,敏化Eu3+发光,此外,MXene QDs可以通过有效消除由H2O分子引起的淬灭效应,进而进一步增强Eu3+荧光。

(3) 其中,MXene QDs浓度为0.04 g/L,pH为7.0,Eu3+浓度为20 μM,响应时间为10 min。

(4) 基于该荧光探针的双发射荧光响应信号,可实现DOX的比率检测和可视化检测,可用于DOX在0~30 μmol/L范围内的定量检测。MXene QDs-Eu3+体系可实现对DOX的良好选择性检测,说明其在实际样品检测中具有良好应用潜力。

基金项目

本项目由江苏省大学生创新创业训练计划项目(No.202310304102Y)支持。

NOTES

*通讯作者。

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