CN110358535B - 基于内滤效应检测硫化氢及活细胞内硫化氢成像的荧光碳点纳米探针及其使用方法 - Google Patents

基于内滤效应检测硫化氢及活细胞内硫化氢成像的荧光碳点纳米探针及其使用方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出基于内滤效应检测硫化氢及活细胞内硫化氢成像的荧光碳点纳米探针及其使用方法，建立了一种荧光检测硫化氢及活细胞硫化氢示踪的简单绿色方法。以西红柿为原料制备了荧光碳点，该碳点（CDs）在410 nm紫外光照射下，在520 nm处产生很强的绿色荧光，荧光发射峰随着激发光波长的增加而逐渐红移，相对荧光量子产率为53%，并且能作为荧光供体与有机小分子受体（DMI）基于内滤效应构成探针，用于外源和内源性硫化氢的检测，该传感系统作为荧光探针，已成功应用于检测硫化氢和活细胞成像分析，该传感方法在环境分析领域、生化分析领域和细胞成像分析中具有广阔的应用前景。

Description

基于内滤效应检测硫化氢及活细胞内硫化氢成像的荧光碳点 纳米探针及其使用方法
技术领域
本发明涉及生化分析技术领域，特别是指基于内滤效应检测硫化氢及活细胞内硫化氢成像的荧光碳点纳米探针及其使用方法。
背景技术
碳量子点（CDs），又称碳点或碳纳米点，是一类新型的碳纳米材料，尺寸一般在10nm以下，具有优异的光电学性质，颗粒均匀、分散性好和低制备成本、低的毒性、良好的生物相容性、激发和发射波长可调、光稳定性好、无光闪烁现象等特点。CDs相比与传统的金属量子点，有许多优点，其独特的发光性质和生物相容性在发光设备、光催化、生化分析、光电子学、细胞成像及检测等领域具有较好的应用前景。
CDs的制备已取得了很大进展，目前已经报道了许多合成CDs的方法，主要有：电弧放电法（X. Y. Xu, R. Ray, W. A. Scrivens, J. Am. Chem. Soc. 2004, 126, 12736-12737）、激光消融术法 (X. Wang, L. Cao, Y. Sun, Chem. Comrmrn, 2009, 3774-3776)、电化学法（H. Li, X. He, Z. Kang, Angew. Chem. Int. Ed, 2010, 49, 4430-4434）、燃烧法 (H. Liu, T. Ye, C. Mao, Angew, Chem. Int. Ed. 2007, 46, 6473-6475)、水热法 (M. X. Gao, C. F. Liu, Z. L. Wu, Q. L. Zeng, X. X. Yang, W. B.Wu, Y. F. Li and C.Z. Huang, Chem. Commun., 2013, 49, 8015-8017)、超声处理法(H.T. Li, X.D. He,Z.H. Kang, Carbon, 2011, 49, 605-609)、微波法 (J. L. Chen,X. P. Yan, Chem. Commun, 2011, 47, 3135-3137)等。对于这种方法，有的原材料昂贵不容易获到，有的过程复杂繁琐，有的反应条件比较苛刻，而且能耗比较大。因此，寻找一种绿色环保、低能耗、低成本的合成CDs是非常迫切且有意义。
硫化氢作为体内的第三种内源性气体信号分子，在各种生理和病理过程中具有重要作用，尤其是硫化氢具有很强的内源性抗氧化作用及神经保护的特性，是一种重要的内生性的气体递质，有助于多种多样的生化反应过程，例如：血管扩张、血管再生、细胞凋亡、炎症和神经调节等。专利CN201310381224.7中公开了一种基于黄酮衍生物的荧光增强型硫化氢荧光探针，提供了一种选择性好，灵敏度高，能够荧光增强检测含硫化氢的荧光探针。该荧光探针仅是用于检测硫化氢的存在与否；专利CN201210348010.5涉及用于检测硫化氢(H2S)的荧光探针，具体地说是一种基于硝基还原检测细胞内硫化氢的荧光探针及其应用。荧光探针为以半菁染料或花菁染料作为荧光母体，并在母体上引入间硝基苯胺或间硝基苯酚。所述荧光探针用于水体或生物体内外硫化氢的检测。现有的荧光探针仅能检测出待测样品中是否含有硫化氢，而并不能连续检测硫化氢的含量。
发明内容
本发明提出基于内滤效应检测硫化氢及活细胞内硫化氢成像的荧光碳点纳米探针及其使用方法，建立了一种荧光检测硫化氢及活细胞硫化氢示踪的简单绿色方法。
本发明的技术方案是这样实现的：
基于内滤效应检测硫化氢及活细胞内硫化氢成像的荧光碳点纳米探针，荧光碳点与有机小分子受体基于内滤效应形成荧光碳点纳米探针。
所述荧光碳点由西红柿碳化制备得到，有机小分子受体化学式为
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE001
。
所述荧光碳点的合成方法，步骤如下：将新鲜西红柿置于研钵中，充分研磨后过100-260目滤膜得滤液，取一定体积的滤液于水热反应釜中，再加入超纯水加热至250℃并搅拌，10h后停止加热自然冷却至室温，过滤，收集滤液置于透析袋中，在超纯水环境下避光透析24h，取上清液即为荧光碳点。
所述滤液与超纯水的体积比为3:（20-23）；透析袋型号为MWCO: 1 kDa, poresize: ca. 1.0 nm。
所述有机小分子受体的合成方法，步骤如下：
（1）取2,3,3-三甲基-3H-吲哚和碘甲烷混合溶解在乙腈里，在氩气保护下60℃回流11h，自然冷却到室温，得到一种浅粉色沉淀，过滤，用乙酸乙酯洗三次，真空干燥，得浅粉色粉末；合成路线为：
Figure 736888DEST_PATH_IMAGE002
；
（2）将步骤（1）得到的浅粉色粉末和4-二氨基苯甲醛（0.112g，0.75mmoL）混合溶解在10mL乙醇中，在氩气保护下180℃回流4.5h，减压蒸馏，剩余液体经柱层析提纯得到纯净的有机小分子受体，合成路线为：
Figure DEST_PATH_IMAGE003
。
所述步骤（1）中2,3,3-三甲基-3H-吲哚在乙腈里的物质的量浓度为（1-4）mmol/mL、碘甲烷在乙腈里的对应物质的量浓度依次为（2-8）mmol/mL。
所述步骤（2）中，浅粉色粉末在乙醇中的物质的量浓度为0.05mmol/mL、4-二氨基苯甲醛在乙醇中的物质的量浓度为0.075mmol/mL；柱层析提纯采用的试剂为二氯甲烷和乙醇按体积比（20-23）:1。
所述的荧光碳点纳米探针的使用方法，步骤为：将荧光碳点和有机小分子受体在细胞培养皿中与活细胞孵育24 h，用PBS缓冲液洗涤细胞除去未进入细胞的液体，采用激光共聚焦显微镜系统进行观察，然后再分别加入多组梯度浓度的硫化钠溶液孵育1h，用PBS缓冲液洗涤细胞除去未进入细胞的液体，采用激光共聚焦显微镜系统进行观察。
本发明具有以下有益效果：
（1）本发明以西红柿为原料制备了荧光碳点，该碳点（CDs）在410 nm紫外光照射下，在520 nm处产生很强的绿色荧光，荧光发射峰随着激发光波长的增加而逐渐红移，相对荧光量子产率为53%（以硫酸奎宁为参比），C、N、O元素含量分别为60.23%、7.16%、30.11%，并且能作为荧光供体与有机小分子受体（DMI）基于内滤效应构成探针，用于外源和内源性硫化氢的检测。
（2）本发明的荧光碳点在细胞培养皿中与活细胞孵育24 h，采用激光共聚焦显微镜系统进行观察，细胞持续发出绿色荧光，再加入有机小分子孵育12 h后荧光猝灭，在加入外源硫化氢孵育1h后荧光恢复，基于上述特性，建立了一种荧光检测硫化氢及活细胞硫化氢示踪的简单绿色方法。
（3）本发明首次发现由西红柿碳化的碳点能够通过内滤效应检测硫化氢，该方法作为检测硫化氢的有效手段，表现出显著的优势。检测限低至0.42μmol/L，线性响应范围为：10-70μmol/L（R 2= 0.9904），该传感系统作为荧光探针，具有简单、低成本、绿色、高选择性、快速、敏感的光学特征，已成功应用于检测硫化氢和活细胞成像分析，该传感方法在环境分析领域、生化分析领域和细胞成像分析中具有广阔的应用前景。
（4）本发明采用碳点合成的原料为西红柿，对河南地区来说，价格低廉、来源广；采用热解方式碳化，具有制备设备仪器简单、碳化时间短等优点，可以实现商品化生产；具有高度的灵敏性和很好的选择性，线性响应范围宽；基于内滤效应，具有更简单方便、机理明确等独特优势；荧光探针检测硫化氢快速灵敏、响应时间短、特异性好；该荧光探针活细胞硫化氢成像分析稳定，呈现绿色荧光；因此，该CDs可以作为荧光探针检测硫化氢及活细胞内硫化氢成像分析，由于其简单方便、低成本、绿色环保、高选择性、快速、敏感的光学特征，具有很好的应用前景。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为荧光CDs的透射电镜图（a）及粒径分布图（b）。
图2为荧光CDs的紫外可见光吸收图（a）和荧光激发图（b）和发射（c）图。
图3为荧光CDs的发射峰（a）和DMI紫外可见光吸收峰重叠图（b）及加入硫化钠溶液后猝灭（c）。
图4为不同浓度的DMI对荧光碳点的猝灭图。
图5为荧光碳点、探针及不同浓度硫化钠溶液和探针的活细胞成像图。
图6为不同浓度的硫化钠溶液对探针的荧光恢复图。
图7为探针对硫化氢的特异性图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
基于内滤效应检测硫化氢及活细胞内硫化氢成像的荧光碳点纳米探针的制备方法：
1. 荧光纳米碳点的合成
荧光纳米碳点（CDs）由热解西红柿制得，具体如下：称取新鲜西红柿5.0g于研钵中，充分研磨后经150目滤膜过滤，取滤液3mL于水热反应釜中，再加入20mL超纯水加热至250℃并搅拌，10小时后停止加热自然冷却到室温，过滤，取滤液于透析袋（MWCO: 1 kDa,pore size: ca. 1.0 nm)中在超纯水的环境下避光透析24h，取上层清液于4℃避光保存。图1给出了所合成绿色碳量子点的透射电镜图和粒径分布图，从图可得，量子点分散均匀，粒径约为3nm。图2为荧光CDs的紫外可见光吸收图（a）和荧光激发（b）和发射（c）图，激发波长为410nm，发射波长为520nm，呈明显的绿色荧光。
2. DMI的合成
2,3,3-三甲基-3H-吲哚（3.2g、20mmoL）和碘甲烷（5.68g、40mmoL）混合溶解在10mL乙腈里，在氩气保护下60℃回流11h，自然冷却到室温，得到一种浅粉色沉淀，过滤，用乙酸乙酯洗三次，真空干燥，得浅粉色粉末（5.8g，96%）
Figure 146176DEST_PATH_IMAGE004
（浅粉色粉末）；
取上述浅粉色粉末（0.150g，0.50mmoL）和4-二氨基苯甲醛（0.112g，0.75mmoL）混合溶解在10mL乙醇中，在氩气保护下180℃回流4.5h，减压蒸馏，剩余液体经柱层析提纯（二氯甲烷：乙醇=20:1体积比）得到纯净有机小分子（DMI），其反应如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE005
；
3. 基于内滤效应的荧光探针的构建：图3为荧光CDs的发射峰（a）和DMI紫外可见光吸收峰重叠图（b）及加入DMI溶液后猝灭（c）。经过紫外可见光谱分析，DMI在546nm处有最大吸收峰，同时合成的CDs在520nm处有最大发射峰（λex=410nm），二者有很大程度重叠，即DMI能较大程度的吸收掉CDs的发射光，表现为CDs荧光猝灭，发生内滤效应，成功构建荧光探针。如图4和图5所示，随着加入DMI浓度的增加，碳量子点的荧光强度不断地降低，而当加入不同浓度的硫化氢后荧光强度又逐渐恢复，且一定的呈线性关系。
实施例2
1. 荧光纳米碳点的合成
荧光纳米碳点（CDs）由热解西红柿制得，具体如下：称取新鲜西红柿5.0g于研钵中，充分研磨后经150目滤膜过滤，取滤液3mL于水热反应釜中，再加入21mL超纯水加热至250℃并搅拌，10小时后停止加热自然冷却到室温，过滤，取滤液于透析袋（MWCO: 1 kDa,pore size: ca. 1.0 nm)中在超纯水的环境下避光透析24h，取上层清液于4℃避光保存。
2. DMI的合成
2,3,3-三甲基-3H-吲哚（1.6g、10mmoL）和碘甲烷（2.84g、20mmoL）混合溶解在10mL乙腈里，在氩气保护下60℃回流11h，自然冷却到室温，得到一种浅粉色沉淀，过滤，用乙酸乙酯洗三次，真空干燥，得浅粉色粉末（2.9g，96%）
Figure 752738DEST_PATH_IMAGE004
（浅粉色粉末）；
取上述浅粉色粉末（0.150g，0.50mmoL）和4-二氨基苯甲醛（0.112g，0.75mmoL）混合溶解在10mL乙醇中，在氩气保护下180℃回流4.5h，减压蒸馏，剩余液体经柱层析提纯（二氯甲烷：乙醇=20:1体积比）得到纯净有机小分子（DMI），其反应如下：
Figure 214943DEST_PATH_IMAGE005
；
3. 基于内滤效应的荧光探针的构建：经过紫外可见光谱分析，DMI在546nm处有最大吸收峰，同时合成的CDs在520nm处有最大发射峰（λex=410nm），二者有很大程度重叠，即DMI能较大程度的吸收掉CDs的发射光，表现为CDs荧光猝灭，发生内滤效应，成功构建荧光探针。
实施例3
1. 荧光纳米碳点的合成
荧光纳米碳点（CDs）由热解西红柿制得，具体如下：称取新鲜西红柿5.0g于研钵中，充分研磨后经150目滤膜过滤，取滤液3mL于水热反应釜中，再加入22mL超纯水加热至250℃并搅拌，10小时后停止加热自然冷却到室温，过滤，取滤液于透析袋（MWCO: 1 kDa,pore size: ca. 1.0 nm)中在超纯水的环境下避光透析24h，取上层清液于4℃避光保存。
2. DMI的合成
2,3,3-三甲基-3H-吲哚（4.8g、30mmoL）和碘甲烷（8.52g、60mmoL）混合溶解在10mL乙腈里，在氩气保护下60℃回流11h，自然冷却到室温，得到一种浅粉色沉淀，过滤，用乙酸乙酯洗三次，真空干燥，得浅粉色粉末（8.7g，96%）
Figure 687382DEST_PATH_IMAGE004
（浅粉色粉末）；
取上述浅粉色粉末（0.150g，0.50mmoL）和4-二氨基苯甲醛（0.112g，0.75mmoL）混合溶解在10mL乙醇中，在氩气保护下180℃回流4.5h，减压蒸馏，剩余液体经柱层析提纯（二氯甲烷：乙醇=22:1体积比）得到纯净有机小分子（DMI），其反应如下：
Figure 893235DEST_PATH_IMAGE005
；
3. 基于内滤效应的荧光探针的构建：经过紫外可见光谱分析，DMI在546nm处有最大吸收峰，同时合成的CDs在520nm处有最大发射峰（λex=410nm），二者有很大程度重叠，即DMI能较大程度的吸收掉CDs的发射光，表现为CDs荧光猝灭，发生内滤效应，成功构建荧光探针。
实施例4
1. 荧光纳米碳点的合成
荧光纳米碳点（CDs）由热解西红柿制得，具体如下：称取新鲜西红柿5.0g于研钵中，充分研磨后经150目滤膜过滤，取滤液3mL于水热反应釜中，再加入23mL超纯水加热至250℃并搅拌，10小时后停止加热自然冷却到室温，过滤，取滤液于透析袋（MWCO: 1 kDa,pore size: ca. 1.0 nm)中在超纯水的环境下避光透析24h，取上层清液于4℃避光保存。
2. DMI的合成
2,3,3-三甲基-3H-吲哚（6.4g、40mmoL）和碘甲烷（11.36g、80mmoL）混合溶解在10mL乙腈里，在氩气保护下60℃回流11h，自然冷却到室温，得到一种浅粉色沉淀，过滤，用乙酸乙酯洗三次，真空干燥，得浅粉色粉末（11.6g，96%）。
Figure 885462DEST_PATH_IMAGE004
（浅粉色粉末）；
取上述浅粉色粉末（0.150g，0.50mmoL）和4-二氨基苯甲醛（0.112g，0.75mmoL）混合溶解在10mL乙醇中，在氩气保护下180℃回流4.5h，减压蒸馏，剩余液体经柱层析提纯（二氯甲烷：乙醇=23:1体积比）得到纯净有机小分子（DMI），其反应如下：
Figure 784148DEST_PATH_IMAGE005
；
3. 基于内滤效应的荧光探针的构建：经过紫外可见光谱分析，DMI在546nm处有最大吸收峰，同时合成的CDs在520nm处有最大发射峰（λex=410nm），二者有很大程度重叠，即DMI能较大程度的吸收掉CDs的发射光，表现为CDs荧光猝灭，发生内滤效应，成功构建荧光探针。
应用例
荧光探针对活细胞内硫化氢成像分析（如图5所示）随着加入硫化氢浓度的增加，细胞内绿色荧光强度不断增强。
步骤一、将80 μg/mL该荧光CDs加入细胞培养皿中与活细胞孵育24小时，用PBS缓冲液洗涤细胞除去未进入细胞的荧光CDs，采用激光共聚焦显微镜系统进行观察，细胞持续发出绿色荧光。
步骤二、将100 μL CDs和DMI的混合液加入细胞培养皿中与活细胞孵育24小时，用PBS缓冲液洗涤细胞除去未进入细胞的液体，采用激光共聚焦显微镜系统进行观察，细胞绿色荧光微弱，相比于步骤一其细胞荧光强度明显降低。
步骤三、向步骤二的培养皿中分别加入浓度为20μM、40μM、60μM、80μM、100μM、200μM、500μM、1mM硫化钠溶液孵育1h，用PBS缓冲液洗涤细胞除去未进入细胞的液体，采用激光共聚焦显微镜系统进行观察，细胞绿色荧光强度约恢复至步骤一的荧光强度。
实施效果例
荧光探针对硫化氢的特异性检测
在pH =7.4的PBS缓冲溶液当中，在50μmoL/L 硫化钠溶液存在的情况下，硫化钠对荧光探针的响应速度非常快，在410nm激发波长下，探针的荧光很快被拉起，在7min时，荧光被拉起了约80%（图6），在随后的1小时里，荧光基本保持不变。该结果表明，硫化氢拉起探针的荧光非常多并且快，暗示该荧光探针快速、稳定、灵敏。该荧光探针检测硫化氢检测限低至0.42μmol/L，线性响应范围：10 - 70μmol/L（R 2= 0.9904）。同时检测了探针对其他干扰离子或分子的响应（图7），可以看出，探针对Cl-、CH3COO-、SO4 2-、Br-、HCO3 -、I-、HClO、GSH、Hcy、Cys、H2O2、K+、Na+、Ca2+等几乎不响应，表明了探针对硫化氢的特异性。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.基于内滤效应检测硫化氢及活细胞内硫化氢成像的荧光碳点纳米探针，其特征在于：荧光碳点与有机小分子受体基于内滤效应形成荧光碳点纳米探针；
所述荧光碳点由西红柿碳化制备得到，有机小分子受体化学式为
Figure DEST_PATH_IMAGE001
。
2.根据权利要求1所述的基于内滤效应检测硫化氢及活细胞内硫化氢成像的荧光碳点纳米探针，其特征在于，所述荧光碳点的合成方法，步骤如下：将新鲜西红柿置于研钵中，充分研磨后过100-260目滤膜得滤液，取一定体积的滤液于水热反应釜中，再加入超纯水加热至250℃并搅拌，10h后停止加热自然冷却至室温，过滤，收集滤液置于透析袋中，在超纯水环境下避光透析24h，取上清液即为荧光碳点。
3.根据权利要求2所述的基于内滤效应检测硫化氢及活细胞内硫化氢成像的荧光碳点纳米探针，其特征在于：所述滤液与超纯水的体积比为3：（20-23）；透析袋型号为MWCO: 1kDa, pore size: ca. 1.0 nm。
4.根据权利要求1所述的基于内滤效应检测硫化氢及活细胞内硫化氢成像的荧光碳点纳米探针，其特征在于，所述有机小分子受体的合成方法，步骤如下：
（1）取2,3,3-三甲基-3H-吲哚和碘甲烷混合溶解在乙腈里，在氩气保护下60℃回流11h，自然冷却到室温，得到一种浅粉色沉淀，过滤，用乙酸乙酯洗三次，真空干燥，得浅粉色粉末；
（2）将步骤（1）得到的浅粉色粉末和4-二氨基苯甲醛混合溶解在10mL乙醇中，在氩气保护下180℃回流4.5h，减压蒸馏，剩余液体经柱层析提纯得到纯净的有机小分子受体。
5.根据权利要求4所述的基于内滤效应检测硫化氢及活细胞内硫化氢成像的荧光碳点纳米探针，其特征在于：所述步骤（1）中2,3,3-三甲基-3H-吲哚在乙腈里的物质的量浓度为1-4mmol/mL、碘甲烷在乙腈里的物质的量浓度为2-8 mmol/mL。
6.根据权利要求4所述的基于内滤效应检测硫化氢及活细胞内硫化氢成像的荧光碳点纳米探针，其特征在于：所述步骤（2）中，浅粉色粉末在乙醇中的物质的量浓度为0.05mmol/mL、4-二氨基苯甲醛在乙醇中的物质的量浓度为0.075mmol/mL；柱层析提纯采用的试剂为二氯甲烷和乙醇按体积比（20-23）:1。
7.权利要求1-6任一项所述的荧光碳点纳米探针在非疾病的诊断应用中检测活细胞内硫化氢成像中的使用方法，其特征在于，步骤为：将荧光碳点和有机小分子受体在细胞培养皿中与活细胞孵育24 h，用PBS缓冲液洗涤细胞除去未进入细胞的液体，采用激光共聚焦显微镜系统进行观察，然后再分别加入多组梯度浓度的硫化钠溶液孵育1h，用PBS缓冲液洗涤细胞除去未进入细胞的液体，采用激光共聚焦显微镜系统进行观察。
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