CN105949473A - 稀土配位聚合物荧光探针的制备方法及其h2o2和葡萄糖检测应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种稀土配位聚合物荧光探针的制备方法及其H₂O₂和葡萄糖检测应用，属于光学传感技术领域。将三磷酸腺苷与含Ce³⁺的Tris‑HCl缓冲溶液混合制备稀土配位聚合物荧光探针ATP‑Ce‑Tris。当溶液中存在H₂O₂时，ATP‑Ce‑Tris中的Ce³⁺被H₂O₂氧化为Ce⁴⁺，导致ATP‑Ce‑Tris的荧光猝灭，实现了对H₂O₂的检测。利用葡萄糖氧化酶催化氧化葡萄糖产生的H₂O₂对ATP‑Ce‑Tris的荧光猝灭，还实现了葡萄糖的简单和灵敏性检测。

Description

稀土配位聚合物荧光探针的制备方法及其 H 2 O 2 和葡萄糖检测应用

技术领域

本发明涉及一种稀土配位聚合物荧光探针的制备方法及其H₂O₂和葡萄糖检测应用，属于光学传感技术领域。

背景技术

稀土元素铈因其独特的电子结构而具有优异的光电性质，特别是其突出的催化性能以及自由基清除能力。两种价态(Ce³⁺, Ce⁴⁺) 的存在，以及这两种价态之间的可逆转换，使稀土铈化合物成为一种性能良好的抗氧化剂。其中纳米氧化铈的抗氧化效应和生物抗氧化机理通过掺杂的Sm³⁺所验证，研究结果表明，Ce³⁺/Ce⁴⁺之间的氧化还原反应是这种独特的抗氧化性的主要因素。基于稀土铈化合物的这种特殊性能，Maryna Ornatska等人报道了采用氧化铈比色探针用于葡萄糖的检测。该探针主要是利用了葡萄糖在葡萄糖氧化酶的催化氧化作用下生成的H₂O₂可使氧化铈中的Ce³⁺氧化成Ce⁴⁺，同时发生颜色的变化，以颜色变化为输出信号，实现葡萄糖的比色法检测。另外，CeO₂/TiO₂纳米管复合纳米材料，TiO₂@CeOx核壳纳米材料，CePO₄:Tb,Gd中空纳米球等一系列铈基纳米材料也相继用于H₂O₂的检测。然而，这些铈基纳米材料都属于无机纳米材料，以它们为比色探针检测H₂O₂时，往往需要引入3,3,5,5-四甲基联苯二胺、2'-联氨-双-3-乙基苯并噻唑啉-6-磺酸或荧光素等有机氧化还原染料分子为信号分子，再利用这些信号分子的颜色变化实现H₂O₂的检测。这些间接检测方法通常灵敏度较低，同时有机染料分子的使用还会大大限制这些探针的生物应用。

稀土配位聚合物由于其独特的光学性能和固有的多孔结构得到快速发展，作为一种多功能材料广泛应用于催化、化学传感以及生物成像领域。稀土配位聚合物通常由大量的稀土离子与有机配体组成，其中有机配体往往作为一种“天线”敏化稀土离子的发光。然而，稀土离子Ce³⁺的荧光来自于4f-5d跃迁，虽然其4f电子被外层的5s²和5p⁶壳有效屏蔽，但是其5d电子对配体非常敏感，很多有机配体可通过与Ce³⁺配位淬灭其荧光。因此，寻找合适的有机配体与Ce³⁺配位，得到荧光型铈基纳米材料具有重要意义。

研究表明，单磷酸脱氧鸟苷酸分子可以有效地敏化稀土离子Tb³⁺的发光，生成发光型稀土配位聚合物纳米材料。而三磷酸腺苷（ATP）作为一种生物体内普遍存在的能量货币，在细胞新陈代谢中起到至关重要的作用。同时，这种生物兼容性的ATP分子结构中含有多个功能团，可与金属离子发生配位。由于磷酸基团对稀土离子具有很强的亲和性，ATP分子可作为一种优良的稀土元素铈的配体，从而得到一种铈基配位聚合纳米材料。到目前为止，尚未见以ATP分子为配体与稀土离子进行自组装合成稀土配位聚合物纳米粒子的报道。

发明内容

本发明的目的在于提供了一种稀土配位聚合物荧光探针的制备方法及其H₂O₂和葡萄糖检测应用，该方法制备稀土配位聚合物荧光探针具有简单、绿色、高效的特点，且可用于H₂O₂和葡萄糖的快速和灵敏检测。

本发明是这样实现的，一种稀土配位聚合物荧光探针的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

（1）将0.2 mL三磷酸腺苷与1.6 mL三羟甲基氨基甲烷盐酸盐缓冲溶液混合，再加入1 mL 8 mM的Ce(NO₃)₃·6H₂O水溶液，室温下以300 rpm/min的速率缓慢搅拌1 min，形成白色沉淀；

（2）将步骤（1）所得白色沉淀以16000 rpm/min的转速离心15 min，再用超纯水清洗，重复离心和清洗3次后，将所得沉淀分散于2 mL超纯水中，制成ATP-Ce-Tris稀土配位聚合物荧光探针。

作为优选，步骤（1）中，所述的三磷酸腺苷的浓度为10 mM；所述的三羟甲基氨基甲烷盐酸盐缓冲溶液的浓度为50 mM，pH为7.4。步骤（2）中，制备的ATP-Ce-Tris稀土配位聚合物荧光探针的浓度为4 mM。

本发明还涉及稀土配位聚合物荧光探针的H₂O₂和葡萄糖检测应用：将将20 μL ATP-Ce-Tris、40 μL 50 mM pH 7.4的三羟甲基氨基甲烷盐酸盐缓冲溶液和不同浓度的H₂O₂混合，加入超纯水使测试溶液总体积至200 μL，室温反应25 min，测量激发波长为310 nm时溶液的荧光，随着H₂O₂浓度的增加，ATP-Ce-Tris的荧光逐渐减小，荧光强度变化率与H₂O₂浓度的对数呈线性关系，可用于对H₂O₂的灵敏检测。此外，将20 μL ATP-Ce-Tris、10 μL 0.05 mg mL^-1的葡萄糖氧化酶、40 μL 50 mM pH 7.4的三羟甲基氨基甲烷盐酸盐缓冲溶液和不同浓度的葡萄糖混合，加入超纯水使测试溶液总体积至200 μL，并在37 ^oC孵育60 min，测量激发波长为310 nm时溶液的荧光，随着葡萄糖浓度的增加，ATP-Ce-Tris的荧光逐渐减小，荧光强度变化率与葡萄糖浓度的对数呈线性关系，可用于对葡萄糖的灵敏检测。

本发明的技术效果是：本发明将三磷酸腺苷与含Ce³⁺的Tris-HCl缓冲溶液混合即可制备稀土配位聚合物荧光探针ATP-Ce-Tris。当溶液中存在H₂O₂时，ATP-Ce-Tris中的Ce³⁺被H₂O₂氧化为Ce⁴⁺，导致ATP-Ce-Tris的荧光下降，ATP-Ce-Tris的荧光变化率与H₂O₂的浓度呈正相关，根据ATP-Ce-Tris的荧光强度可判断H₂O₂的浓度。此外，将ATP-Ce-Tris、葡萄糖氧化酶和葡萄糖混合，葡萄糖氧化酶可催化氧化葡萄糖产生H₂O₂，产生的H₂O₂使ATP-Ce-Tris的荧光下降，ATP-Ce-Tris的荧光变化率与葡萄糖的浓度呈正相关，根据ATP-Ce-Tris的荧光强度可判断葡萄糖的浓度，该方法具有稳定、灵敏度高及选择性好的优点。

附图说明

图1是ATP-Ce-Tris，ATP-Ce，Ce-Tris和Ce(NO₃)₃的荧光光谱图，浓度均为0.4 mM，激发波长为310 nm。

图2是ATP-Ce-Tris的SEM图。

图3是加入H₂O₂前后ATP-Ce-Tris的荧光光谱图。

图4是加入H₂O₂前后ATP-Ce-Tris的紫外可见吸收光谱图。

图5是(a) ATP-Ce-Tris对H₂O₂检测的荧光光谱图。H₂O₂浓度分别为0, 1 nM，10 nM, 100 nM, 1 μM, 5 μM, 10 μM, 40 μM和80 μM；ATP-Ce-Tris浓度为0.4 mM,激发波长为310 nm。(b) 为ATP-Ce-Tris的荧光强度变化率- H₂O₂浓度曲线图。

图6是(c) ATP-Ce-Tris对葡萄糖检测的荧光光谱图。葡萄糖浓度分别为0, 0.1, 0.5, 1, 3, 5, 10, 40, 80和100 μM，ATP-Ce-Tris浓度为0.4 mM, 激发波长为310 nm；(d)为 ATP-Ce-Tris的荧光强度变化率-葡萄糖浓度曲线图。

图7是ATP-Ce-Tris对(e) H₂O₂和(f)葡萄糖检测的选择性的示意图。H₂O₂的浓度为10 μM，葡萄糖的浓度为50 μM，干扰物质浓度均为100 μM。

具体实施方式

实施例 1

ATP-Ce-Tris的制备：将0.2 mL 10 mM的三磷酸腺苷（ATP）与1.6 mL 50 mM pH 7.4的三羟甲基氨基甲烷盐酸盐（Tris-HCl）缓冲溶液混合，再加入1 mL 8 mM的Ce(NO₃)₃·6H₂O水溶液，室温下以300 rpm/min的速率缓慢搅拌1 min，形成白色沉淀。将白色沉淀以16000 rpm/min的转速离心15 min，再用超纯水清洗，重复离心和清洗3次后，将所得沉淀分散于2 mL超纯水中，制成ATP-Ce-Tris稀土配位聚合物荧光探针。

采用荧光光谱对ATP-Ce-Tris、ATP-Ce、Ce-Tris和Ce(NO₃)₃进行荧光性能表征，结果如图1所示。在310 nm波长的光激发下，Ce(NO₃)₃水溶液的荧光发射峰位于350 nm处；当ATP、Tris和Ce³⁺混合后，得到的ATP-Ce-Tris的荧光发射峰增强了约2倍，且荧光峰红移至370 nm。采用扫描电子显微镜对ATP-Ce-Tris的形貌进行表征（图2），ATP-Ce-Tris的粒径约为10-30 nm。考察了加入H₂O₂前后ATP-Ce-Tris的荧光光谱变化，结果如图3所示，ATP-Ce-Tris有强荧光发射峰，而当在ATP-Ce-Tris中加入10 μM H₂O₂后，ATP-Ce-Tris的荧光强度明显降低，荧光猝灭率达到71%。由加入H₂O₂前后ATP-Ce-Tris的紫外可见吸收光谱（图4）可见，向ATP-Ce-Tris中加入10 μM H₂O₂后，在400 nm左右出现了新的吸收峰，对应于Ce⁴⁺的特征吸收。以上结果表明，通过本发明方法成功合成了ATP-Ce-Tris稀土配位聚合物荧光探针。

实施例 2

稀土配位聚合物荧光探针用于检测H₂O₂和葡萄糖

（1）检测H₂O₂：将20 μL 4 mM的ATP-Ce-Tris、40μL 50 mM pH 7.4的Tris-HCl和不同浓度的H₂O₂混合，加入超纯水使测试溶液总体积至200 μL，室温反应25 min，测量激发波长为310 nm时溶液的荧光。图5a为ATP-Ce-Tris对H₂O₂检测的荧光光谱图，随着H₂O₂浓度的增加，ATP-Ce-Tris中的发射荧光的Ce³⁺逐渐被H₂O₂氧化成无荧光的Ce⁴⁺，导致ATP-Ce-Tris的荧光强度逐渐减小，ATP-Ce-Tris的荧光强度变化率（1-F/F₀）与H₂O₂浓度的对数在1 nM-80 μM范围内呈良好的线性关系（图5b），检出限为0.6 nM，可实现H₂O₂的灵敏检测。

（2）检测葡萄糖：将20 μL 4 mM的ATP-Ce-Tris、10 μL 0.05 mg mL^-1的葡萄糖氧化酶、40 μL 50 mM pH 7.4的Tris-HCl和不同浓度的葡萄糖混合，加入超纯水使测试溶液总体积至200 μL，并在37 ^oC孵育60 min，测量激发波长为310 nm时溶液的荧光。图6c为ATP-Ce-Tris对葡萄糖检测的荧光光谱图，随着葡萄糖浓度的增加，ATP-Ce-Tris的荧光逐渐减小，1-F/F₀与葡萄糖浓度的对数在0.1-100 μM范围内呈良好的线性关系（图6d），检出限为0.064 μM，与文献报道的氧化铈基葡萄糖传感器相比，本方法对葡萄糖的检测降低了1-2个数量级。

实施例 3

考查了ATP-Ce-Tris对H₂O₂和葡萄糖检测的选择性（图7）。由图7e可见， ATP-Ce-Tris对H₂O₂检测时，干扰离子包括K⁺, Na⁺, Ca²⁺, Mg²⁺, PO₄ ^3-, SO₄ ^2-, CO₃ ^2-, Cl^-, Ac^-等均没有响应。由图7f可见，ATP-Ce-Tris对葡萄糖检测时，干扰离子包括阳离子（K⁺, Na⁺, Ca²⁺, Mg²⁺）和糖类物质（乳糖(lac)，蔗糖(suc)，果糖(fru)，甘露糖(man)）等均没有响应。以上结果表明，本发明构建的稀土配位聚合物荧光探针ATP-Ce-Tris对H₂O₂和葡萄糖检测均具有良好的选择性。

Claims (5)

1.稀土配位聚合物荧光探针的制备方法，其特征在于所述制备方法包括以下步骤：

（1）将0.2 mL三磷酸腺苷与1.6 mL三羟甲基氨基甲烷盐酸盐缓冲溶液混合，再加入1 mL 8 mM的Ce(NO₃)₃·6H₂O水溶液，室温下以300 rpm/min的速率缓慢搅拌1 min，形成白色沉淀；

（2）将步骤（1）所得白色沉淀以16000 rpm/min的转速离心15 min，再用超纯水清洗，重复离心和清洗3次后，将所得沉淀分散于2 mL超纯水中，制成ATP-Ce-Tris稀土配位聚合物荧光探针。

2.根据权利要求1所述的稀土配位聚合物荧光探针的制备方法，其特征在于步骤（1）中，所述的三磷酸腺苷的浓度为10 mM。

3.根据权利要求1所述的稀土配位聚合物荧光探针的制备方法，其特征在于步骤（1）中，所述的三羟甲基氨基甲烷盐酸盐缓冲溶液的浓度为50 mM，pH为7.4。

4.根据权利要求1所述的稀土配位聚合物荧光探针的制备方法，其特征在于步骤（2）中，制备的ATP-Ce-Tris稀土配位聚合物荧光探针的浓度为4 mM。

5.如权利要求1所制备的稀土配位聚合物荧光探针的H₂O₂和葡萄糖检测应用，其特征在于，将20 μL ATP-Ce-Tris、40 μL 50 mM pH 7.4的三羟甲基氨基甲烷盐酸盐缓冲溶液和不同浓度的H₂O₂混合，加入超纯水使测试溶液总体积至200 μL，室温反应25 min，测量激发波长为310 nm时溶液的荧光，随着H₂O₂浓度的增加，ATP-Ce-Tris的荧光逐渐减小，荧光强度变化率与H₂O₂浓度的对数呈线性关系，可用于对H₂O₂的灵敏检测；

此外，将20 μL ATP-Ce-Tris、10 μL 0.05 mg mL^-1的葡萄糖氧化酶、40 μL 50 mM pH 7.4的三羟甲基氨基甲烷盐酸盐缓冲溶液和不同浓度的葡萄糖混合，加入超纯水使测试溶液总体积至200 μL，并在37 ^oC孵育60 min，测量激发波长为310 nm时溶液的荧光，随着葡萄糖浓度的增加，ATP-Ce-Tris的荧光逐渐减小，荧光强度变化率与葡萄糖浓度的对数呈线性关系，可用于对葡萄糖的灵敏检测。