CN112080274A - 检测Zn2+的稀土配位聚合物探针及其制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种检测Zn²⁺的稀土配位聚合物探针的制备方法，具体步骤如下：将稀土金属盐溶液和鸟苷酸水溶液混合，室温下搅拌，充分反应后离心收集白色沉淀，烘干即可得到检测Zn²⁺的稀土配位聚合物探针。利用有机配体和稀土金属离子的自组装反应制备荧光探针，实验过程均在室温下进行，无需高温和有毒试剂；核苷酸是一种可溶性的生物分子，具有良好的水分散性能、生物相容性，利用此荧光探针检测Zn²⁺浓度，具有高选择性和高灵敏度的特点。此外，消除了水分子中羟基振动所引起的荧光淬灭，使得能量转移的效率大大增加，从而提高了Zn²⁺的测定灵敏度。

Description

检测Zn2+的稀土配位聚合物探针及其制备方法和应用

技术领域

本发明属于荧光材料技术领域，具体涉及一种检测Zn²⁺的稀土配位聚合物探针及其制备方法和应用。

背景技术

锌离子（Zn²⁺）与人们的身体健康息息相关。严重缺锌会引起发育不良、脱发、口腔炎等多种疾病。在北美，Zn²⁺的日摄入量是8-11毫克(120 µmol – 170 µmol) (2012年查尔斯等)。然而，过量的Zn²⁺也会导致人体中毒。人类血浆Zn²⁺的正常水平在 12至16 μM (Ibsand Rink, Journal Nutrition, 2003, 133, 1452S-1456S）。目前检测Zn²⁺含量的方法很多，如原子吸收分光光度法(AAS) (Diez et al., 1974; Schmidt et al., 1986)，原子发射光谱(AES) (Chew et al., Applied Radiation and Isotopes, 2000, 53, 633-638;Li, et al., Angewandte Chemie-International Edition, 2013, 52, 710-713)，电感耦合等离子体质谱 (ICP-MS)(Wang et al., Analytical Chemistry, 2017, 89, 4931-4938) 和荧光测定法(Figueroa et al., 2014; Huang et al., Dyes and Pigments,2013, 99, 699-704; Jiang et al., Sensors and Actuators B-Chemical, 2015, 220,659-664; Zhang et al., New Journal Chemistry, 2018, 42, 15895-15904; Chen etal., Microchimica Acta, 2018, 185, 397-403; Lin et al., BiosensorsBioelectronics, 2017, 94, 523-529)，在这些方法中，其中Zn²⁺荧光传感器由于仪器方便、灵敏度高，是一种受欢迎的方法。然而，有机染料分子基于的方法往往需要复杂的合成过程，水溶性差。而基于纳米结构的探针在测定前通常需要复杂的修饰。更重要的是，这些荧光探针受到生物样品自身荧光的严重影响，难以消除背景荧光的影响。因此，迫切需要开发一种新型发光传感器，用于生物样品中Zn²⁺的测定。

稀土配位聚合物 (lanthanide coordination polymer, LCPs)具有斯托克斯位移大、荧光寿命长等优点。这些独特的发光性质使LCPs成为生物传感应用的优良材料。目前，一些基于LCPs的荧光分析方法已被用于测定芳香族化合物、金属离子(Chen et al.,Journal of the American Chemical Society, 2008, 130, 6718-6719; Zhao et al.,Dalton Transactions, 2016, 45, 1040-1046) 及DMF蒸汽 (Li, et al., AngewandteChemie-International Edition, 2013, 52, 710-713)。然而，由于这些LCP探针使用不溶于水的有机试剂作为配体，使得LCPs传感器难以在水溶液中分散。仅适用于有机溶液或气相，严重阻碍了它们在生物样品中的传感应用。更重要的是，目前还没有Zn²⁺的LCPs荧光探针。因此，以水溶性生物分子作为有机配体的LCPsZn²⁺传感器具有重要研究意义及实用价值。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种检测Zn²⁺的稀土配位聚合物探针及其制备方法和应用。

本发明的目的是以下述方式实现的：

检测Zn²⁺的稀土配位聚合物探针的制备方法，具体步骤如下：将稀土金属盐溶液和鸟苷酸水溶液混合，室温下搅拌，充分反应后离心收集白色沉淀，烘干即可得到检测Zn²⁺的稀土配位聚合物探针。

室温下搅拌反应时间为2-6 h，离心分离的转速为6000 rpm-8000 rpm，收集的白色沉淀先用去离子水洗涤，再烘干，烘干温度为60-80℃。

所述稀土金属盐和鸟苷酸的摩尔比为1：（0.5-1.5）。

所述稀土金属盐溶液中的稀土金属离子为Tb³⁺、Eu³⁺中的至少一种。

如上述的检测Zn²⁺的稀土配位聚合物探针的制备方法制备的稀土配位聚合物探针。

利用上述的稀土配位聚合物探针检测Zn²⁺的方法，具体步骤如下：将稀土配位聚合物探针分散在水相缓冲溶液中，配成稀土配位聚合物探针悬浮液，将稀土配位聚合物探针溶液加入待测液中，反应一定时间后，检测探针的荧光光谱的变化，将测得的荧光强度代入标准曲线中即可得到待测液中Zn²⁺的浓度。

所述标准曲线的建立方法如下：

配置不同浓度的Zn²⁺溶液，并将不同浓度的Zn²⁺溶液加入到2 µL稀土配位聚合物探针悬浮液中，使悬浮液中Zn²⁺的浓度呈梯度变化，通过调节HEPES缓冲液的量将总体积固定为100 µL，室温下反应15分钟后，在252 nm激发波长下测量它们相应的荧光强度；以探针的荧光强度为纵坐标y、悬浮液中Zn²⁺的浓度为横坐标x，建立标准曲线，拟定线性方程。

如上述的稀土配位聚合物探针在检测血清中Zn²⁺含量的应用。

相对于现有技术，本发明制备的稀土配位聚合物探针使用的有机配体无毒、易溶于水。所制备的稀土配位聚合物探针可以很好地分散于水相缓冲溶液中，更适用于检测生物样品；稀土配位聚合物探针的制备是通过室温下自组装反应得到的，无需高温和较长的反应时间，制备过程较为简易；制备的稀土配位聚合物探针光学性质稳定，对Zn²⁺识别性能力强，为了量化Zn²⁺，在4-240 µM Eu-GMP NPs的荧光强度与Zn^{2 +}浓度具有良好的线性关系，，响应迅速。检测极限是4 µM基于信噪比3:1。因此利用本稀土配位聚合物探针可对生物样品及生物基质中Zn²⁺定量检测。

本发明以鸟苷酸为有机配体，稀土金属离子为发光中心，合成了一种具有Zn²⁺发光传感功能的稀土配位聚合物探针（LCP NPs）。在水溶液中，Eu-GMP由于从GMP到Eu³⁺的低能量转换以及配位水分子O-H振动，呈现出非常微弱的荧光。在引入Zn²⁺后，形成Eu-GMP/Zn，随着配位水分子的去除和Zn²⁺的荧光增敏，出现了8倍的荧光增强，建立了一个高灵敏度的Zn²⁺时间分辨发光传感器。

Zn²⁺荧光传感器由于仪器方便、灵敏度高，是一种较为理想的方法。目前有各种各样的有机分子和纳米结构材料已用于Zn²⁺的测定。这些荧光探针具有较高的灵敏度，但有机染料分子往往需要复杂的合成过程，水溶性差。基于纳米结构的探针在测定前通常需要复杂的修饰。值得一提的是，这些荧光探针受到生物样品自身荧光的严重影响，难以消除背景荧光的影响，目前还没有针对Zn²⁺的稀土配位聚合物荧光探针。因此，以水溶性有机试剂为配体的LCP型Zn²⁺发光传感器用于生物样品和生物样品的测定具有重要使用价值。

Zn²⁺是人体必需的微量元素之一，对人体的生长发育、生殖遗传、免疫和内分泌等重要生理过程中起着极其重要的作用。缺锌时机体易出现味觉、嗅觉差、厌食、生长缓慢与智力低与正常表现。因此，发展高灵敏度的Zn²⁺传感器对于人体健康情况的诊断具有重大意义。该荧光探针可定量分析生物样品中Zn²⁺含量，对人血清中Zn²⁺的检测具有高灵敏度和高选择性，且不受干扰物质的影响，提高了其对于应用研究的实际价值和意义。

利用有机配体和稀土金属离子的自组装反应制备荧光探针，实验过程均在室温下进行，无需高温和有毒试剂；核苷酸是一种可溶性的生物分子，具有良好的水分散性能、生物相容性，利用此荧光探针检测Zn²⁺浓度，具有高选择性和高灵敏度的特点。此外，消除了水分子中羟基振动所引起的荧光淬灭，使得能量转移的效率大大增加，从而提高了Zn²⁺的测定灵敏度。加上稀土荧光具有斯托克斯位移大（>150 nm）、荧光寿命长（ms）与荧光稳定性好等优点。尤其是具有长的荧光寿命，使得稀土荧光探针在测定样品时可以采取时间分辨模式。在此模式下，生物分子或组织不会产生背景荧光，从而有效地提高了测定时的稳定性和灵敏度。无论对于发光材料的研究还是对于疾病预诊均具有极其重要的临床意义和应用价值。

附图说明

图1是Eu-GMP的制备及检测Zn²⁺的机理图。

图2是加入不同浓度的Zn²⁺(4 µM, 10 µM, 20 µM, 40 µM, 60 µM, 100 µM, 130µM, 160 µM, 200 µM, 240 µM, 300 µM) 时，Eu-GMP的荧光强度变化，插图为Eu-GMP的荧光强度和不同浓度Zn²⁺的线性关系。

图3是Eu-GMP在加入Zn²⁺前(a)后(b)的扫描电镜图。

图4是Eu-GMP在加入Zn²⁺前(a)后(b)的X衍射图；(B)Eu-GMP在加入Zn²⁺前(a)后(b)的能谱分析图。

图5是GMP (a)和Eu-GMP (b)的红外吸收光谱图。

图6是Eu-GMP加入Zn²⁺前(a)后(b)的荧光光谱图。

图7是(A)Zn²⁺，Eu-GMP加入Zn²⁺前(a)后(b)的紫外吸收图；(B) pH对Zn²⁺存在下Eu-GMP的荧光强度的影响。

图8是Eu-GMP检测Zn²⁺的选择性。

图9是(A)Tb-GMP的荧光寿命；(B) Eu-GMP的荧光强度和人血清中Zn²⁺浓度的线性关系。

具体实施方式

检测Zn²⁺的稀土配位聚合物探针的制备方法，具体步骤如下：将稀土金属盐溶液和鸟苷酸水溶液混合，室温下搅拌，充分反应后离心收集白色沉淀，烘干即可得到检测Zn²⁺的稀土配位聚合物探针。

室温下搅拌反应时间为2-6 h，离心分离的转速为6000 rpm-8000 rpm，收集的白色沉淀先用去离子水洗涤，再烘干，烘干温度为60-80 ℃。

所述稀土金属盐和鸟苷酸的摩尔比为1：（0.5-1.5）。

所述稀土金属盐溶液中的稀土金属离子为Tb³⁺、Eu³⁺中的至少一种。

如上述的检测Zn²⁺的稀土配位聚合物探针的制备方法制备的稀土配位聚合物探针。

利用上述的稀土配位聚合物探针检测Zn²⁺的方法，具体步骤如下：将稀土配位聚合物探针分散在水相缓冲溶液中，配成稀土配位聚合物探针悬浮液，将稀土配位聚合物探针溶液加入待测液中，反应一定时间后，检测探针的荧光光谱的变化，将测得的荧光强度代入标准曲线中即可得到待测液中Zn²⁺的浓度。

所述标准曲线的建立方法如下：

配置不同浓度的Zn²⁺溶液，并将不同浓度的Zn²⁺溶液加入到2 μL稀土配位聚合物探针悬浮液中，使悬浮液中Zn²⁺的浓度呈梯度变化，通过调节HEPES缓冲液的量将总体积固定为100 μL，室温下反应15分钟后，在252 nm激发波长下测量它们相应的荧光强度；以探针的荧光强度为纵坐标y、悬浮液中Zn²⁺的浓度为横坐标x，建立标准曲线，拟定线性方程。

如上述的稀土配位聚合物探针在检测血清中Zn²⁺含量的应用。

实施例1：

1. 铕配位聚合物荧光探针的制备

铕配位聚合物荧光探针的制备步骤如下：在搅拌下将1 mL的EuCl₃水溶液（10 mM）加入到1 mL的鸟苷酸（guanosine monophosphate，GMP）水溶液（10 mM）中，立即形成白色沉淀，在室温下反应3.5小时后，8000 rpm/min离心10分钟收集白色沉淀物，并用去离子水洗涤数次以除去未反应的试剂，最后，将所得产品于70 ℃的烘箱中烘干即可得到检测Zn²⁺的铕配位聚合物荧光探针（Eu-GMP）。Eu-GMP的制备及检测Zn²⁺的机理图如图1所示。

将得到的铕配位聚合物荧光探针（Eu-GMP）分散在1 mL HEPES缓冲液（100 mM，pH8.0）中，形成铕配位聚合物荧光探针悬浮液，用于后续检测使用。

HEPES缓冲液的制备：采用超纯水溶解HEPES制备HEPES缓冲液，然后用5 M NaOH调节pH值为8.0。pH值用pH计校准（leici，上海，中国）。超纯水（18 MΩcm）是用于所有水溶液的制备。除另有说明外，所有化学试剂均为分析试剂级，无需进一步净化即可使用。

稀土配位聚合物探针具有良好的水分散性能，可在水相中进行检测。

2. 水溶液中检测Zn²⁺的标准曲线的建立

将不同浓度的Zn²⁺溶液（4 µM, 10 µM, 20 µM, 40 µM, 60 µM, 100 µM, 130 µM,160 µM, 200 µM, 240 µM, 300 µM）加入到Eu-GMP 悬浮液(2 µL)中，通过调节HEPES缓冲液的量将总体积固定为100 µL。在室温下反应15分钟后，以252 nm激发来测量混合物的相应荧光强度。以探针的荧光强度为纵坐标y、悬浮液中Zn²⁺的浓度为横坐标x，建立标准曲线，拟定线性方程，如图2所示。随着Zn²⁺的加入，Eu-GMP的荧光强度逐渐增加。在4-240 µM的范围内，Eu-GMP的荧光强度与Zn²⁺的浓度具有良好的线性关系，检测限为4 µM(基于3:1的信噪比)。

3. 铕配位聚合物荧光探针的特性

铕配位聚合物荧光探针的扫描电镜图如图3a所示，由图3a可以看出，所制备的铕配位聚合物荧光探针是一种纳米离子。加入Zn²⁺后，未观察到明显的外观变化，如图3b所示。结果表明，添加Zn²⁺不会影响Eu-GMP纳米颗粒的形态。

X射线衍射(XRD)分析显示Eu-GMP加入Zn²⁺前后都是无定形的，如图4A所示。

通过能量色散X射线(EDX)光谱仪检查化学组成。C、N、O、P、Eu峰的出现表明Eu和GMP参与Eu-GMP 探针的构建；加入Zn²⁺后，一个新的峰出现(Zn²⁺)证明Zn²⁺参与了Eu-GMP/Zn的构建，如图4B所示。

为了确认Eu³⁺和GMP之间的化学配位，进行了傅里叶变换红外光谱(FTIR)分析，如图5所示。对于纯GMP，C5 = O，N7-C8和P-O伸缩振动峰位于1675, 1626, and 978 cm^-1；当加入Eu³⁺之后，这些峰分别移动至1696,1656,979 cm^-1。这些结果表明GMP的鸟嘌呤部分和磷酸基团都与Eu³⁺发生了配位从而形成Eu-GMP。

4. Eu-GMP 的荧光行为

图6为Eu-GMP在有无Zn²⁺存在下的荧光光谱图。Eu-GMP在544、591、614和697 nm处显示出非常弱的荧光峰，这些峰是由于Eu³⁺的⁵D₀至⁷F_J电子跃迁，当加入Zn²⁺后没有影响Eu³⁺的特征发射，这表明Zn²⁺的配位并没影响Eu与GMP的配位。Eu-GMP这种低发射强度归因于给Eu³⁺和GMP之间的低能量转移效率，如果存在有效的分子间能量转移，Eu³⁺能更好的被敏化，从而得到较强的荧光。而当加入一些过渡金属后能引起配体到镧系离子的更加有效的分子内能量转移，故而将加入Zn²⁺后引起的8倍的荧光增强归因于Zn²⁺与GMP的配位改变了GMP的激发态，从而引起了从GMP到Eu³⁺的更加有效的能量转移。

为了研究荧光增强的机理，检查了它们的紫外光谱，图7A所示，Eu-GMP在252 nm处显示出强吸收峰，加入Zn²⁺后，252 nm处的强度明显增加。这些结果表明Zn²⁺的引入导致从GMP到Eu³⁺的更有效的能量转换。此外，在Zn²⁺存在下Eu-GMP的荧光是pH依赖性的，在pH 8.0时，614 nm处的发射强度最强，如图7B所示。因此，在实验期间，选择pH 8.0用于传感应用。

5. 荧光探针检测Zn²⁺的选择性

为了研究该荧光探针对Zn²⁺的选择性，我们考察了可能的干扰物质，如：Na⁺、K⁺、Mn²⁺、Fe²⁺、Fe³⁺、Cu²⁺、Al³⁺、Mg²⁺、Ca²⁺、Ag⁺、Ba²⁺、Ni²⁺、Co²⁺对Zn²⁺的影响，如图8所示。在相同条件下，只有Zn²⁺的加入，荧光强度最大，其它干扰物质均不影响Zn²⁺的检测。考虑原因是，由于Zn²⁺对GMP的配位能力强，荧光增敏效果好，故荧光增强效果显著。此实验也结果表明，当前的Eu-GMP荧光探针对Zn²⁺具有较高的选择性。

6. 人血清中Zn²⁺的测定

如图9A所示，Eu-GMP的荧光寿命为2.87 ms，长寿命(长达ms级别)进一步保证其在消除生物样品背景荧光方面占具优势。血清中Zn²⁺水平已被用作许多疾病的关键诊断指标。

在河南省商丘市第一人民医院采集志愿者血清样本，通过添加不同浓度的Zn²⁺进行测定如表1所示。

目前血清中Zn²⁺水平已成为许多疾病的重要诊断指标。在实验中我们发现，随着血清中Zn²⁺浓度的变化，如图9B所示，Eu-GMP荧光强度与血清中Zn²⁺浓度呈较好线性关系，而且我们进一步通过加标回收法，对4份不同人血清样本中Zn²⁺的检测，发现Eu-GMP的荧光强度与不同浓度的Zn^{2 +}也呈现线性关系，其检测范围是10 µM-120 µM，检出限是10 µM(信号/噪声比>3:1)，对Zn²⁺响应较好，而且含不同浓度Zn^{2 +}的血清样本的回收率是（95.00−103.00%），精密度好，回收率较高，相对标准偏差较低，取得了令人满意的效果。

实施例2：

铕配位聚合物荧光探针的制备步骤如下：在搅拌下将1 mL的EuCl₃水溶液（10 mM）加入到0.5 mL的鸟苷酸（GMP）水溶液（10 mM）中，立即形成白色沉淀，在室温下反应2小时后，6000 rpm/min离心10分钟收集白色沉淀物，并用去离子水洗涤数次以除去未反应的试剂，最后，将所得产品于60 ℃的烘箱中烘干即可得到检测Zn²⁺的铕配位聚合物荧光探针（Eu-GMP）。

实施例3：

铽配位聚合物荧光探针的制备步骤如下：在搅拌下将1 mL的TbCl₃水溶液（10 mM）加入到1.5 mL的鸟苷酸（GMP）水溶液（10 mM）中，立即形成白色沉淀，在室温下反应2小时后，7000 rpm/min离心10分钟收集白色沉淀物，并用去离子水洗涤数次以除去未反应的试剂，最后，将所得产品于80 ℃的烘箱中烘干即可得到检测Zn²⁺的铽配位聚合物荧光探针（Eu-GMP）。

以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明整体构思前提下，还可以作出若干改变和改进，这些也应该视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.检测Zn²⁺的稀土配位聚合物探针的制备方法，其特征在于：具体步骤如下：将稀土金属盐溶液和鸟苷酸水溶液混合，室温下搅拌，充分反应后离心收集白色沉淀，烘干即可得到检测Zn²⁺的稀土配位聚合物探针。

2. 根据权利要求1所述的检测Zn²⁺的稀土配位聚合物探针的制备方法，其特征在于：室温下搅拌反应时间为2-6 h，离心分离的转速为6000 rpm-8000 rpm，收集的白色沉淀先用去离子水洗涤，再烘干，烘干温度为60-80℃。

3.根据权利要求1所述的检测Zn²⁺的稀土配位聚合物探针的制备方法，其特征在于：所述稀土金属盐和鸟苷酸的摩尔比为1：（0.5-1.5）。

4.根据权利要求1所述的检测Zn²⁺的稀土配位聚合物探针的制备方法，其特征在于：所述稀土金属盐溶液中的稀土金属离子为Tb³⁺、Eu³⁺中的至少一种。

5.如权利要求1-4任一所述的检测Zn²⁺的稀土配位聚合物探针的制备方法制备的稀土配位聚合物探针。

6.利用权利要求5所述的稀土配位聚合物探针检测Zn²⁺的方法，其特征在于：具体步骤如下：将稀土配位聚合物探针分散在水相缓冲溶液中，配成稀土配位聚合物探针悬浮液，将稀土配位聚合物探针溶液加入待测液中，反应一定时间后，检测探针的荧光光谱的变化，将测得的荧光强度代入标准曲线中即可得到待测液中Zn²⁺的浓度。

7.根据权利要求6所述的检测Zn²⁺的方法，其特征在于：所述标准曲线的建立方法如下：

配置不同浓度的Zn²⁺溶液，并将不同浓度的Zn²⁺溶液加入到2 μL稀土配位聚合物探针悬浮液中，使悬浮液中Zn²⁺的浓度呈梯度变化，通过调节HEPES缓冲液的量将总体积固定为100μL，室温下反应15分钟后，在252 nm激发波长下测量它们相应的荧光强度；以探针荧光强度为纵坐标y、悬浮液中Zn²⁺的浓度为横坐标x，建立标准曲线，拟定线性方程。

8.如权利要求5所述的稀土配位聚合物探针在检测血清中Zn²⁺含量的应用。

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