CN110016146A - 一种磁功能化稀土荧光探针溶液的制备方法与应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种磁功能化稀土荧光探针的制备方法，包括以下步骤：将鸟苷‑5'‑单磷酸二钠溶液、Fe3O4溶液、硝酸铽溶液分散于4‑羟乙基哌嗪乙磺酸缓冲液中，鸟苷‑5'‑单磷酸二钠、Fe3O4、硝酸铽、4‑羟乙基哌嗪乙磺酸的质量比为(3～8):(0.5～3):(3～18):(1～10)，震荡1～10min，得到所述磁功能化稀土荧光探针溶液GMP/Tb@Fe3O4。本发明制备的测定锌离子的磁功能化稀土荧光探针，该探针制备方法简单、条件温和、易于操作。在检测锌离子过程中，通过磁分离方法可以实现对锌离子的富集，利用荧光的高灵敏性，整个过程便捷，结果准确。

Description

一种磁功能化稀土荧光探针溶液的制备方法与应用
技术领域
本发明属于锌离子检测技术领域，具体地说，涉及一种磁功能化稀土荧光探针溶液的制备方法以及利用该探针对溶液中锌离子富集和荧光检测的方法。
背景技术
锌离子(Zn2+)是人体和植物中必不可少的重金属之一，在基因转录蛋白和酶等关键的生物大分子方面发挥着不可替代的作用。而且，锌离子与一系列疾病的发生有着密切的关系，包括阿尔茨海默病、中风和肾结石。因此，发展一种锌离子高灵敏的检测方法用于医疗诊断和生物系统状况的评价具有重要意义。
目前常见的Zn2+检测方法有原子吸收/发射光谱、电化学方法和电感耦合等离子质谱(ICP-MS)等。然而，这些方法通常需要复杂的样品预处理和昂贵的测试仪器。稀土配位聚合物(LnCPs)由于具有独特的光物理性能，例如大的Stokes位移、窄的辐射带和长的荧光寿命，作为稀土荧光探针被成功地应用于各种金属离子、阴离子以及生物分子的检测中。此外，磁性固相萃取(MSPE)作为一种极具前景的样品预处理方法，由于其成本低、操作简单、分离效率高而被广泛开发用于痕量物质的分离富集。
有鉴于此，有必要提供一种测定锌离子检测过程便捷、结果准确的磁功能化稀土荧光探针，以解决锌离子检测前处理复杂、检测限高、设备昂贵的技术难题。
发明内容
本发明的第一个目的是提供一种测定锌离子的磁功能化稀土荧光探针溶液的制备方法，该探针制备方法简单、条件温和、易于操作，在检测锌离子过程中，通过磁分离方法可以实现对锌离子的富集，进而实现对低浓度锌离子的检测，检测过程便捷，结果准确。
本发明的第二个目的是提供一种所述制备的磁功能化稀土荧光探针溶液在锌离子检测中的应用。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
本发明的第一个方面提供了一种磁功能化稀土荧光探针溶液的制备方法，包括以下步骤：
将鸟苷-5'-单磷酸二钠(GMP)溶液、Fe3O4溶液、硝酸铽(Tb(NO3)3)溶液分散于4-羟乙基哌嗪乙磺酸(HEPES)缓冲液中，鸟苷-5'-单磷酸二钠(GMP)、Fe3O4、硝酸铽、4-羟乙基哌嗪乙磺酸(HEPES)的质量比为(3～8):(0.5～3):(3～18):(1～10)，震荡1～10min，得到所述磁功能化稀土荧光探针溶液GMP/Tb@Fe3O4。
所述鸟苷-5'-单磷酸二钠(GMP)溶液的浓度为20～30mmol/L，优选为25mmol/L。
所述Fe3O4溶液的浓度为0.5～3mg/mL，优选为2mg/mL。
所述硝酸铽(Tb(NO3)3)溶液的浓度为40～60mmol/L，优选为50mmol/L。
所述4-羟乙基哌嗪乙磺酸(HEPES)缓冲液的浓度为10～40mmol/L，优选为25mmol/L，pH为6～10。
所述鸟苷-5'-单磷酸二钠(GMP)、Fe3O4、硝酸铽、4-羟乙基哌嗪乙磺酸(HEPES)的质量比为5.1:1:5.7:7.45。
所述Fe3O4溶液的制备方法包括以下步骤：称取8.0～16.0mg Fe3O4纳米颗粒分散于4～8mL超纯水中，室温下超声5～10min后备用，获得所述Fe3O4溶液。
所述Fe3O4纳米颗粒的制备方法包括以下步骤：称取六水合三氯化铁溶于乙二醇中使浓度为(1～5)％g/mL，室温下超声，得到黄色透明状液体，加入无水乙酸钠，无水乙酸钠与六水合三氯化铁的质量比为(1.2～4):1，室温下搅拌，将所得溶液转移至不锈钢高压反应釜中，在190～210℃条件下反应1～24h，反应结束后，冷却至室温，磁分离所得黑色沉淀(直接得到颗粒)依次用无水乙醇和超纯水洗涤3次，50～80℃干燥过夜得到Fe3O4纳米颗粒。
本发明的第二个方面提供了一种所述制备方法制备的磁功能化稀土荧光探针溶液。
本发明的第三个方面提供了一种所述制备的磁功能化稀土荧光探针溶液在锌离子检测中的应用。
所述应用包括以下步骤：
将所述制备的磁功能化稀土荧光探针溶液中加入ZnCl2溶液，然后滴加4-羟乙基哌嗪乙磺酸(HEPES)缓冲液，所述磁功能化稀土荧光探针溶液(浓度是3～8mmol/L，优选为5mmol/L)、ZnCl2溶液、4-羟乙基哌嗪乙磺酸(HEPES)缓冲液的体积比为(0.5～2):(0.5～2):(5～10)，富集10～40min后用磁铁进行磁分离操作，将磁分离得到的沉淀物检测Zn2+浓度。
所述ZnCl2溶液的浓度为0.5～2mmol/L。
所述4-羟乙基哌嗪乙磺酸(HEPES)缓冲液的浓度为10～40mmol/L，优选为25mmol/L，pH为6～10。
本发明的第四个方面提供了一种所述制备的磁功能化稀土荧光探针溶液用于Hela细胞内锌离子荧光成像的应用。
所述Hela细胞中锌离子浓度为50μmol/L。
由于采用上述技术方案，本发明具有以下优点和有益效果：
本发明制备的测定锌离子的磁功能化稀土荧光探针溶液，将稀土荧光探针Stokes位移大、辐射带窄和荧光寿命长的光物理性能与磁固相萃取技术相结合，发展了一种新的磁功能化稀土荧光探针，用于痕量锌离子的检测。
本发明制备的测定锌离子的磁功能化稀土荧光探针溶液，运用原子吸收/原子发射光谱、电感耦合等离子发射光谱和电化学等方法，检测限低、前处理简单、易于操作和检测成本低。
本发明制备的测定锌离子的磁功能化稀土荧光探针溶液可用于实现细胞体内锌离子成像。
本发明制备的测定锌离子的磁功能化稀土荧光探针溶液，并以该磁功能化稀土荧光探针建立的荧光分析方法，利用Zn2+对稀土荧光探针(GMP/Tb@Fe3O4)选择性增强发光，通过磁分离富集，建立Zn2+浓度和荧光强度之间的线性关系，实现对Zn2+的富集检测，该探针制备方法简单、条件温和、易于操作。在检测锌离子过程中，通过磁分离方法可以实现对锌离子的富集，利用荧光的高灵敏性，整个过程便捷，结果准确。
附图说明
图1是本发明实施例制备的磁功能化稀土荧光探针(GMP/Tb@Fe3O4)溶液的透射电镜图(200nm)。
图2是本发明实施例制备的磁功能化稀土荧光探针(GMP/Tb@Fe3O4)溶液的透射电镜图(1μm)。
图3是本发明实施例制备的磁功能化稀土荧光探针(GMP/Tb@Fe3O4)溶液的傅里叶变换红外光谱图。
图4是本发明实施例制备的磁功能化稀土荧光探针(GMP/Tb@Fe3O4)溶液的磁滞回力曲线。
图5是本发明实施例制备的磁功能化稀土荧光探针(GMP/Tb@Fe3O4)溶液在不同pH条件下荧光强度的折线图。
图6是本发明实施例制备的磁功能化稀土荧光探针(GMP/Tb@Fe3O4)溶液在不同反应时间下荧光强度的折线图。
图7是本发明实施例制备的磁功能化稀土荧光探针(GMP/Tb@Fe3O4)溶液不同用量下，富集后Zn2+浓度的对比图。
图8是本发明实施例制备的磁功能化稀土荧光探针(GMP/Tb@Fe3O4)溶液对Zn2+选择性对比图。
图9是本发明实施例制备的磁功能化稀土荧光探针(GMP/Tb@Fe3O4)溶液的锌离子滴定荧光光谱图。
图10是本发明实施例制备的磁功能化稀土荧光探针(GMP/Tb@Fe3O4)溶液的锌离子滴定标准曲线图。
图11是本发明实施例制备的磁功能化稀土荧光探针(GMP/Tb@Fe3O4)溶液用于对Hela细胞中Zn2+的荧光成像图，图中，浓度为500μmol/L的GMP/Tb@Fe3O4孵育30分钟。
图12是本发明实施例制备的磁功能化稀土荧光探针(GMP/Tb@Fe3O4)溶液用于对Hela细胞中Zn2+的荧光成像图，图中，首先用浓度为50μmol/L的Zn2+孵育，再用浓度为500μmol/L的GMP/Tb@Fe3O4孵育30分钟。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例对本发明做进一步的说明。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。
实施例1
六水合三氯化铁(FeCl3·6H2O)、硝酸铽(Tb(NO3)3，99.99％)、乙酸钠(NaAc)和乙二醇购自上海阿拉丁化学试剂有限公司。鸟苷-5'-单磷酸二钠(GMP)购自北京百灵威科技有限公司。4-羟乙基哌嗪乙磺酸(HEPES)和乙醇购自阿拉丁化学试剂有限公司。KCl，ZnCl2，CaCl2，CuCl2·2H2O，Fe(NO3)3·9H2O，Ni(NO3)2，Mg(NO3)2，Mn(CH3COO)2，PbCl2购自国药集团上海化学试剂有限公司。通过Milli-Q装置(Millipore，Bedford，MA，USA)制备超纯水。
第一步，称取2.70g六水合三氯化铁(FeCl3·6H2O)溶于100mL乙二醇中，室温下超声5min，得到黄色透明状液体。加入7.20g无水乙酸钠，室温下搅拌30min，将所得溶液转移至250mLTeflon内衬不锈钢高压反应釜中，在200℃条件下反应8h，反应结束后，冷却至室温，磁分离所得黑色沉淀(直接得到颗粒)依次用无水乙醇和超纯水洗涤3次，60℃干燥过夜得Fe3O4纳米颗粒。称取8.0～16.0mg Fe3O4纳米颗粒分散于4～8mL超纯水中，室温下超声5～10min后备用。
第二步，将鸟苷-5'-单磷酸二钠(GMP)和硝酸铽(Tb(NO3)3)分别溶于超纯水中，分别形成浓度为25mmol/L和50mmol/L的溶液，将浓度为25mmol/L的2mL GMP溶液、浓度为2mg/mL的2mLFe3O4溶液、浓度为50mmol/L的1mLTb(NO3)3溶液分散于浓度为25mmol/L、pH＝8.0的4-羟乙基哌嗪乙磺酸(HEPES)缓冲液5mL中，鸟苷-5'-单磷酸二钠(GMP)、Fe3O4、硝酸铽、4-羟乙基哌嗪乙磺酸(HEPES)的质量比为5.1:1:5.7:7.45，震荡2min，得到有机无机杂化材料磁功能化稀土荧光探针(GMP/Tb@Fe3O4)溶液。
如图1和图2所示，图1是本发明实施例制备的磁功能化稀土荧光探针(GMP/Tb@Fe3O4)溶液的透射电镜图(200nm)。从图中可以看出该材料为Fe3O4纳米颗粒镶嵌的网状结构；图2是本发明实施例制备的磁功能化稀土荧光探针(GMP/Tb@Fe3O4)溶液的透射电镜图(1μm)。Fe3O4-GMP/Tb是基于Tb3+和GMP在HEPES缓冲液(25mM，pH8.0)中自组装形成的网状结构，且Fe3O4纳米颗粒镶嵌在GMP/Tb配位聚合物网状结构中间。同时，FT-IR也用于进一步表征Fe3O4-GMP/Tb的形成。如图3所示，图3是本发明实施例制备的磁功能化稀土荧光探针(GMP/Tb@Fe3O4)溶液的傅里叶变换红外光谱图。图中a是GMP/Tb@Fe3O4探针的红外光谱图，b是GMP的红外光谱图。从GMP的红外光谱图可以观察到嘧啶中C＝O在1674cm-1处的伸缩振动峰和磷酸盐在979和1083cm-1处的对称和反对称伸缩振动特征峰。在与Tb3+相互作用后，C＝O和磷酸盐的伸缩振动峰分别转变为1682，993和1117cm-1。结果表明GMP已经与Tb3+发生配位反应。
第三步，将240μL第二步制备的磁功能化稀土荧光探针(GMP/Tb@Fe3O4)溶液置于10组10mL离心管中(每个离心管中放入240μL磁功能化稀土荧光探针(GMP/Tb@Fe3O4))，每一个离心管中加入浓度为1mmol/L的144μLZnCl2溶液(ZnCl2溶于超纯水中形成浓度为1mmol/L的溶液)，然后1～10组分别滴加pH为3、4、5、6、7、8、9、10、11、12的HEPES缓冲溶液至5mL，反应4min后，利用荧光光谱仪测定其在544.2nm处的荧光强度。
第四步，将0、300、600、900、1500、3000μL第二步制备的磁功能化稀土荧光探针(GMP/Tb@Fe3O4)溶液分别置于1～6组10mL离心管中，分别加入浓度为1mmol/L的144μLZnCl2溶液，然后分别滴加浓度为25mmol/L、pH＝8.0的HEPES缓冲溶液至6mL，富集20min后用磁铁进行磁分离操作，将磁分离得到的沉淀物送样至ICP-AES，检测其Zn2+浓度。
图4是本发明实施例制备的磁功能化稀土荧光探针(GMP/Tb@Fe3O4)溶液的磁滞回力曲线。从图中可以看出该材料具有较好的磁性。图5是本发明实施例制备的磁功能化稀土荧光探针(GMP/Tb@Fe3O4)溶液在不同pH条件下荧光强度的折线图。图中，a是磁功能化稀土荧光探针(GMP/Tb@Fe3O4)在不同pH条件下荧光强度的折线图；b是GMP/Tb@Fe3O4-Zn(加入Zn2 +后GMP/Tb@Fe3O4探针溶液)在不同pH条件下荧光强度的折线图。图6是本发明实施例制备的磁功能化稀土荧光探针(GMP/Tb@Fe3O4)溶液在不同反应时间下荧光强度的折线图。图中，a是磁功能化稀土荧光探针(GMP/Tb@Fe3O4)在不同反应时间下荧光强度的折线图。b是GMP/Tb@Fe3O4-Zn(加入Zn2+后GMP/Tb@Fe3O4探针溶液)在不同反应时间下荧光强度的折线图。图7是本发明实施例制备的磁功能化稀土荧光探针(GMP/Tb@Fe3O4)溶液不同用量下，富集后Zn2 +浓度的对比图。图8是本发明实施例制备的磁功能化稀土荧光探针(GMP/Tb@Fe3O4)溶液对Zn2+选择性对比图。图1～8说明制备稀土荧光探针的结构组成以及对锌离子溶液的富集检测作用。
应用例1
实施例1制备的磁功能化稀土荧光探针(GMP/Tb@Fe3O4)溶液对超纯水中不同浓度锌离子的荧光滴定：
量取240μL实施例1第二步制备的磁功能化稀土荧光探针(GMP/Tb@Fe3O4)溶液于10组10mL离心管中(一个离心管中放入240μL磁功能化稀土荧光探针(GMP/Tb@Fe3O4))，分别加入不同体积、浓度为1mmol/L的ZnCl2溶液，得到Zn2+浓度依次为0、2、4、8、16、24、32、48、80、160μmol/L，然后分别滴加浓度为25mmol/L、pH＝8.0的HEPES缓冲溶液至5mL，进行吸附富集，20min后用磁铁进行磁分离操作；将磁分离得到的沉淀物分散于浓度为25mmol/L、pH＝8.0、3mL的HEPES缓冲溶液(此处用HEPES稀释为了进行荧光测试的最小体积，所以稀释至3mL)中，静置4min后，利用荧光光谱仪测定其在544.2nm处的荧光强度。
结果如图9和图10所示，图9是本发明实施例制备的磁功能化稀土荧光探针(GMP/Tb@Fe3O4)溶液的锌离子滴定荧光光谱图，荧光光谱仪的参数如下：激发波长310nm，发射波长350～650nm。图10是本发明实施例制备的磁功能化稀土荧光探针(GMP/Tb@Fe3O4)溶液的锌离子滴定标准曲线图，图10中荧光强度比值(I/I0)和锌离子浓度的标准曲线图，其线性关系为y＝1.1081+0.0207x，其相关系数R2为0.9837。图9和图10说明了利用稀土荧光探针可以进一步说明对锌离子溶液的富集检测作用。
应用例2
实施例1制备的磁功能化稀土荧光探针(GMP/Tb@Fe3O4)溶液用于对Hela细胞中Zn2 +的荧光成像：
将10万单位用DMEM培养液(含10％胎牛血清)培养的HeLa细胞移入的共聚焦培养皿中，于37℃含5％CO2培养箱中贴壁培养24小时。细胞贴壁后除去培养液，PBS清洗三次。
实验组加入300μL浓度为5mM实施例1制备的磁功能化稀土荧光探针(GMP/Tb@Fe3O4)溶液于2.7mL无血清DMEM培养液，培养30min。除去培养液，PBS清洗三次，进行荧光成像，采集绿光通道，激发波长为404.3nm。
如图11所示，图11是本发明实施例制备的磁功能化稀土荧光探针(GMP/Tb@Fe3O4)溶液用于对Hela细胞中Zn2+的荧光成像图。图中，浓度为500μmol/L的GMP/Tb@Fe3O4孵育30分钟。从图11中可以发现，在Hela细胞直接用探针GMP/Tb@Fe3O4孵育30分钟之后可以观察到较弱的绿色荧光发射。
对照组加入2.7mL无血清DMEM培养液(含有50μmol的ZnCl2溶液)培养30min，除去培养液，PBS清洗三次，再加入300μL浓度为5mM实施例1制备的磁功能化稀土荧光探针(GMP/Tb@Fe3O4)溶液的无血清DMEM培养液(含有50μmol的ZnCl2溶液)培养30min。除去培养液，PBS清洗三次，进行荧光成像，采集绿光通道，激发波长为404.3nm。(310nm是荧光光谱的激发波长，404.3nm是绿色通道的激发波长)
如图12所示，图12是本发明实施例制备的磁功能化稀土荧光探针(GMP/Tb@Fe3O4)溶液用于对Hela细胞中Zn2+的荧光成像图，图中，首先用浓度为50μmol/L的Zn2+孵育，再用浓度为500μmol/L的GMP/Tb@Fe3O4孵育30分钟。从图中可以观察到绿色荧光明显增强，表明探针GMP/Tb@Fe3O4可成功用于Hela细胞内Zn2+的荧光成像。
图11和图12的荧光对比强弱可以明显说明稀土荧光探针可以用于Hela细胞内的Zn2+的荧光成像。
以上所述仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专利的技术人员在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述提示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明方案的范围内。

Claims (10)

1.一种磁功能化稀土荧光探针溶液的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
将鸟苷-5'-单磷酸二钠溶液、Fe3O4溶液、硝酸铽溶液分散于4-羟乙基哌嗪乙磺酸缓冲液中，鸟苷-5'-单磷酸二钠、Fe3O4、硝酸铽、4-羟乙基哌嗪乙磺酸的质量比为(3～8):(0.5～3):(3～18):(1～10)，震荡，得到所述磁功能化稀土荧光探针溶液GMP/Tb@Fe3O4。
2.根据权利要求1所述的磁功能化稀土荧光探针溶液的制备方法，其特征在于：所述鸟苷-5'-单磷酸二钠溶液的浓度为20～30mmol/L；
所述Fe3O4溶液的浓度为0.5～3mg/mL。
3.根据权利要求1所述的磁功能化稀土荧光探针溶液的制备方法，其特征在于：所述硝酸铽溶液的浓度为40～60mmol/L；
所述4-羟乙基哌嗪乙磺酸缓冲液的浓度为10～40mmol/L，pH为6～10。
4.根据权利要求1所述的磁功能化稀土荧光探针溶液的制备方法，其特征在于：所述鸟苷-5'-单磷酸二钠、Fe3O4、硝酸铽、4-羟乙基哌嗪乙磺酸的质量比为5.1:1:5.7:7.45；
所述Fe3O4溶液的制备方法包括以下步骤：称取8.0～16.0mg Fe3O4纳米颗粒分散于4～8mL超纯水中，室温下超声5～10min后备用，获得所述Fe3O4溶液。
5.根据权利要求4所述的磁功能化稀土荧光探针溶液的制备方法，其特征在于：所述Fe3O4纳米颗粒的制备方法包括以下步骤：称取六水合三氯化铁溶于乙二醇中使浓度为(1～5)％g/mL，室温下超声，得到黄色透明状液体，加入无水乙酸钠，无水乙酸钠与六水合三氯化铁的质量比为(1.2～4):1，室温下搅拌，将所得溶液转移至不锈钢高压反应釜中，在190～210℃条件下反应1～24h，反应结束后，冷却至室温，磁分离所得黑色沉淀依次用无水乙醇和超纯水洗涤3次，50～80℃干燥过夜得到Fe3O4纳米颗粒。
6.一种权利要求1至5任一项所述的方法制备的磁功能化稀土荧光探针溶液。
7.一种权利要求1至5任一项所述的方法制备的磁功能化稀土荧光探针溶液在锌离子检测中的应用。
8.根据权利要求7所述的磁功能化稀土荧光探针溶液在锌离子检测中的应用，其特征在于：包括以下步骤：
将所述制备的磁功能化稀土荧光探针溶液中加入ZnCl2溶液，然后滴加4-羟乙基哌嗪乙磺酸缓冲液，所述磁功能化稀土荧光探针溶液、ZnCl2溶液、4-羟乙基哌嗪乙磺酸缓冲液的体积比为(0.5～2):(0.5～2):(5～10)，富集10～40min后用磁铁进行磁分离操作，将磁分离得到的沉淀物检测Zn2+浓度。
9.根据权利要求8所述的磁功能化稀土荧光探针溶液在锌离子检测中的应用，其特征在于：所述ZnCl2溶液的浓度为0.5～2mmol/L；
所述4-羟乙基哌嗪乙磺酸缓冲液的浓度为10～40mmol/L，pH为6～10。
10.一种权利要求1至5任一项所述的方法制备的磁功能化稀土荧光探针溶液用于Hela细胞内锌离子荧光成像的应用。
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