CN112505014A

CN112505014A - 一种基于镧系配位聚合物构建的银离子可视化发光比率传感器

Info

Publication number: CN112505014A
Application number: CN202110132751.9A
Authority: CN
Inventors: 许文涛; 田洪涛; 黄昆仑; 柳苏月; 田晶晶; 杜再慧; 朱龙佼
Original assignee: China Agricultural University
Current assignee: China Agricultural University
Priority date: 2021-02-01
Filing date: 2021-02-01
Publication date: 2021-03-16

Abstract

本发明提供一种基于镧系配位聚合物构建的银离子可视化发光比率传感器。其中镧系配位聚合物是一种合成简单成本低、水溶性好、光稳定的三元配位聚合物纳米材料LGT，它是以铽离子Tb³⁺为中心金属离子，单核苷酸GMP为主要构建单元，鲁米诺Luminol为辅助配体所构成。基于银离子Ag⁺和镧系配位聚合物、鲁米诺之间的配位相互作用，以及LGT的自适应性自组装特性，当Ag⁺引入后，会对LGT中鲁米诺和Tb³⁺的特征发射峰具有明显且快速的信号响应，在254nm紫外灯照射下可产生肉眼可见的颜色变化。通过鲁米诺的425nm和Tb³⁺的545nm最大特征发射处的比值变化，建立了一种具有高选择性且灵敏的比率型Ag⁺传感策略。

Description

一种基于镧系配位聚合物构建的银离子可视化发光比率传感器

技术领域

本发明涉及生物传感器技术领域，具体地说，涉及一种基于镧系配位聚合物构建的银离子可视化发光比率传感器。

背景技术

银，化学符号是Ag，广泛用于各种行业，例如电子，摄影和用于食品包装材料或医疗产品的抗菌银纳米颗粒，这可能导致大量不可见的含Ag⁺废水扩散到整个环境中。暴露于高水平的Ag⁺中，尤其是水溶液中，会对皮肤，眼睛，内部器官乃至大脑产生不良影响。

传统的Ag⁺检测方法包括原子吸收光谱法和电感耦合等离子体质谱法，它们依赖于费时费力的复杂仪器。近年来，基于C-Ag⁺ -C金属错配双链体以及DNA核酸酶的功能核酸生物传感器迅速发展，并伴随着一些酶辅助和温度依赖性核酸信号扩增策略，具有高特异性以及进一步提高了灵敏度。然而，温度依赖性和酶的价格昂贵这两点限制了其在低成本现场检测中的应用。有鉴于此，有必要提供一种易于操作，经济的现场快速检查技术，以满足饮用水或环境中Ag⁺的使用点检测需求。值得注意的是，基于荧光探针的传感器基本能满足以上要求，也由于其简单性和肉眼可视化检查，在测量Ag⁺方面取得了长足的进步，为感测Ag⁺提供了一种更方便的方法。然而，大多数基于荧光探针的传感器，例如传统的荧光团，金纳米团簇，碳量子点等仍然存在诸如繁琐的合成，繁琐的标记过程等缺点。

而基于镧系元素铽离子和核苷酸配位聚合物纳米颗粒由于其制备简单，价格低廉，并且由于其自适应组装特性可以引入辅助配体，受到广泛关注。鲁米诺不仅可作为辅助配体，也是优良化学发光试剂。三者形成的纳米配位聚合物用于比率检测重金属银离子还未见报道。

发明内容

本发明的目的是提供一种快速可视化检测银离子的方法。

本发明的又一目的是提供基于镧系配位聚合物的单激发双发射探针的构建，制备简单且保存期限长。

为了实现本发明目的，通过以下技术方案实现：

选择鸟嘌呤单核苷酸和铽离子，能形成超分子配位网络结构，其具有自适应性自组装特性。基于配位相互作用，通过引入辅助配体鲁米诺发挥核苷酸镧系元素复合物的潜在光功能特性，同时保留鲁米诺本身的信号特性。

其中，鲁米诺、鸟苷-5’-单磷酸二钠盐水合物GMP、铽离子的终浓度为0.1-0.8mM，1-30 mM和1-30 mM。优选的，终浓度为0.3-0.6 mM，5-15 mM和5-15 mM；优选的，鲁米诺，GMP和铽离子的终浓度为0.4 mM，10 mM和10 mM。

将所获得的Luminol-GMP-Tb（LGT）悬浮液进行稀释100倍，在254nm紫外灯照射下，显示出浅绿色，在365nm紫外灯照射下，显示浅蓝色。在273 nm激发波长下，可以同时获得铽的四个特征发射峰(490 nm,545 nm,581 nm,619 nm)和鲁米诺的特征发射峰（425 nm）。

发光比率型银离子检测方法为，配置不同浓度的硝酸银溶液加入含有LGT的体系中，利用254nm的紫外下观察，溶液由浅绿色到明亮绿色的发光变化。而鲁米诺的信号几乎不变，或者略微降低，365 nm紫外灯下保持蓝色不变。利用荧光分光光度计测定545 nm（铽离子特征发射峰）和425 nm（鲁米诺特征发射峰）处的比值F545/F425来判断发光变化，以定量检测Ag⁺。绘制标准曲线：0.1 μM~6 μM范围内，y=1.42236x+4.07522，R²=0.99343；6 μM~100 μM范围内y=0.18822x+11.49397，R²=0.99909，实现对银离子的定量检测。

本方法的银离子检测范围宽至0.1-100 μM。

借由上述技术方案，本发明至少具有下列优点及有益效果：

本发明基于银离子和镧系配位聚合物以及鲁米诺之间的存在的巧妙联系（配位相互作用），以及LGT自适应性自组装特性，发现Ag⁺的引入LGT中对于具有特征发射的鲁米诺和Tb^{3 +}有明显的信号响应，在254 nm紫外灯照射下可产生肉眼可见的颜色变化（从浅绿到亮绿），也通过SEM图观察验证了银离子能进一步聚集并增强该结构的刚性。通过在鲁米诺的425 nm和铽的545 nm最大特征发射处的比值变化，建立了一种快速高选择且灵敏的比率型Ag⁺传感策略。该检测方法不仅快速精准，并且检测范围宽，灵敏度高。该方法已成功地用于实际水样的检测。在食品安全监测和环境中现场快速可视化检测银离子有广阔的应用前景。

（一）三元光学功能纳米材料LGT合成简单，水溶性好，光稳定性好，适应性强的组装特性首次被用作无标记发光比率探针，用于Ag⁺检测。

（二）引入Ag⁺导致LGT在10分钟内产生快速的双信号响应，并形成了致密的纳米结构。

（三）鲁米诺作为内置参考，可以消除检测精度方面的环境干扰。

（四）本方法具有优越的检测特异性，灵敏性和便利性，使其成为仅需使用小型手持式UV灯和便携式荧光检测器即可快速现场视觉检测饮用水和环境水中的Ag⁺的有前途的替代方法。

（五）对某些金属离子的比率响应特性不同使得LGT有望用于重金属离子筛选的生物传感器领域。

附图说明

图1为三元光学功能纳米材料LGT在扫描电子显微镜下的不同放大倍数下的结构图（图1A）以及能量散射x射线谱（图1B）。

图2为三元光学功能纳米材料LGT的荧光光谱特性。

图3为制备探针对银离子发光响应的时间变化。

图4为根据不同浓度银离子导致发光强度比变化绘制的标准曲线。

图5为生物传感器特异性检测结果。

具体实施方式

以下实施例为对本发明进一步的详细描述，但不用来限制本发明的实施方式和范围。

实施例1 三元光学功能纳米材料LGT合成及性能表征

（1）鲁米诺储备溶液（0.01 M）的制备：通过将所需的鲁米诺（3-氨基邻苯二甲酰肼）溶解在100 mL 0.01 M NaOH溶液中并在黑暗处保存至少1周后使用。

鸟苷-5’-单磷酸二钠盐水合物(GMP)溶于超纯水中制备储备液（100 mM）。

Tb^{3 +}离子储备标准溶液（100 mM）的制备：通过将Tb(NO₃)₃·5H₂O溶解在超纯水中来制备。

（2）三元光学功能纳米材料LGT的制备

在超纯水中将鲁米诺和GMP配体与Tb^{3 +}自组装来合成超分子配位聚合物。

首先，将鲁米诺（10 mM，40 μL）添加到GMP（100 mM，100 μL）中，并将所得混合物孵育30分钟。然后将Tb(NO₃)₃·5H₂O（100 mM，100 μL）的水溶液添加到GMP和鲁米诺的混合溶液中，在室温下搅拌下形成白色絮状悬浮液。

将获得的絮凝悬浮液通过离心纯化，并用超纯水洗涤几次，将合成后的鲁米诺-Tb-GMP配位聚合物分散超纯水中，形成三元光学功能纳米材料LGT悬浮液，将其储存在4℃冰箱中备用。

（3）SEM表征分析

将获得的悬浮液通过离心（12000 rpm, 5 min）收集沉淀，将沉淀过液氮后进行冻干48 h，喷铂后在SEM下进行观察，所得见如图1A,不同放大倍数下都能观察到球形纳米颗粒结构，且图1B所示X射线能量色散谱分析（EDS）结果显示了主要元素组成，进一步验证了三元光学功能纳米材料LGT成功的合成。

将步骤（2）所得到的三元光学功能纳米材料LGT稀释100倍后，取200 μL溶液于石英比色皿。通过对其激发光谱（Em:545 nm）和发射光谱（Ex:273 nm）进行测定，所得荧光光谱图见图2，发射波长设置为为545 nm时，LGT的最大激发波长为273 nm；在最大激发波长273 nm下，可以同时获得鲁米诺（425nm）处的特征发射峰。

实施例2 LGT探针对银离子的检测

对于Ag⁺诱导的荧光变化，将2 μL的LGT悬浮液中添加0-100 μM范围内的不同浓度的AgNO₃溶液，总体积为200 μL。充分振摇混合物，并在室温下静置10 min，记录光谱，每组测量重复三次。分别计算加Ag⁺前后的545 nm（铽离子特征发射峰）和425 nm（鲁米诺特征发射峰）处的比值F545/F425，以定量检测Ag⁺。不加银离子组Ag⁺的F545/F425记为N，加银离子组Ag⁺的F545/F425记为S。图4结果表明，0.1 μM~6 μM范围内，y=1.42236x+4.07522，R²=0.99343；6 μM~100 μM范围内y=0.18822x+11.49397，R²=0.99909。最低检测限计算为根据3σ/斜率（σ是背景信号的标准偏差）计算得出的检出限为65 nM。

实施例3 本实施例对Ag⁺的检测响应时间分析

为了实现快速检测，研究了Ag⁺对LGT的响应时间。取2 Μl LGT分散于200μLHEPES缓冲液（10mM, pH=5.0）中，加入10μM AgNO₃溶液，总体积为200 μL，分别记录F545和F425的荧光值随孵育时间的增加产生的信号变化。图3结果表明，2 min内铽的荧光值（F545）大幅增加，并在8 min时趋于平稳，而10 min后信号保持稳定，而鲁米诺的信号（F425）几乎不变。

实施例4 特异性

取2 μL鲁米诺-Tb-GMP三元纳米配位聚合物分散于200 μL HEPES缓冲液（10 mM,pH=5.0）中，作为空白对照组。将10 μM的Ag⁺、K⁺、Mg²⁺ 、Zn²⁺、Ca²⁺、Co²⁺、Cu²⁺、Pb²⁺、Mn²⁺、Cr³⁺、Sn²⁺、Zr⁴⁺、Ni²⁺加入到体系中，充分混合摇匀后，孵育10 min中后测定溶液的荧光光谱，计算545 nm（铽离子特征发射峰）和425 nm（鲁米诺特征发射峰）处的比值F545/F425，结果表明，银离子显示出最强的信号响应值，因此所建立的Ag⁺生物传感器具有较好的特异性（图5）。

实施例5 加标实验

取饮用水用实施例2构建的生物传感器进行检测，对其进行加标实验，测定多次所得结果见表1。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之做一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims

1.一种基于镧系配位聚合物构建的银离子可视化发光比率传感器，其特征在于，传感器包括鲁米诺，鸟苷-5’-单磷酸二钠盐水合物GMP和铽离子。

2.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述鲁米诺，GMP和铽离子的终浓度为0.1-0.8 mM，1-30 mM和1-30 mM。

3.根据权利要求2所述的传感器，其特征在于，所述鲁米诺，GMP和铽离子的终浓度为0.3-0.6 mM，5-15 mM和5-15 mM。

4.如权利要求1-3任一所述基于镧系配位聚合物构建的银离子可视化发光比率传感器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

将鲁米诺溶解在碱性溶液中，在黑暗处保存一段时间后获得鲁米诺溶液；将鲁米诺和现用现配的 GMP水溶液进行混合孵育之后加入五水硝酸铽溶液，立即形成白色絮状悬浮液；离心纯化，将获得的LGT配位聚合物重新分散至超纯水中，储存于4°C冰箱中。

5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤（1）中鲁米诺和GMP混合孵育时间为10-50 min；鲁米诺，GMP，五水硝酸铽的摩尔比为(0.1-1.5)：(5-30)：(5-30)。

6.根据权利要求4或5所述的制备方法，其特征在于，所述混合孵育温度为15-37 ℃，孵育时间为1-50 min。

7.如权利要求4-6任一制备方法获得的基于镧系配位聚合物构建的银离子可视化发光比率传感器的应用，其特征在于，包括如下步骤：

（1）取如权利要求4制备的银离子可视化传感器溶液，分散于缓冲液中；向其中加入不同浓度的AgNO₃标准溶液，进行荧光光谱分析，并建立标准工作曲线；

（2）在相同条件下测定待测样品溶液的荧光强度，通过标准工作曲线计算待测样品中银离子的含量。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述缓冲液为HEPES缓冲液，pH为4-7。

9.权利要求1-3任一项所述传感器或权利要求4-6任一项制备方法获得的传感器在检测银离子方面中的应用。

10.根据权利要求9所述的应用，其特征在于，所述检测为定量检测。