CN114574192B - 一种核壳结构上转换纳米荧光传感探针的制备及其在美司那检测中的应用 - Google Patents

一种核壳结构上转换纳米荧光传感探针的制备及其在美司那检测中的应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种核壳结构上转换纳米荧光传感探针的制备及其在美司那检测中的应用。以本发明核壳结构上转换纳米粒子构建的荧光探针对美司那具有出色的选择性，能够有效避免样品中其他杂质的干扰。在生物样品中对常见的无机盐、氨基酸、生物硫醇和化疗药物等具有较好的抗干扰性。此外由于近红外激发的上转换发光，可以避免生物样品的背景荧光干扰，显著提高了传感器的灵敏度和准确性。

Description

一种核壳结构上转换纳米荧光传感探针的制备及其在美司那检测中的应用
技术领域
本发明涉及一种用于检测化疗辅助用药美司那的荧光探针，具体地说是一种核壳结构上转换纳米荧光传感探针的制备及其在美司那检测中的应用，属于化学与纳米材料科学领域。
背景技术
化疗是当今最有效的癌症治疗方法之一。化疗药物在作用于癌细胞的同时也作用于健康细胞，导致病人在接受治疗时产生严重的副作用。为了预防有毒的氧氮磷环类药物(例如异环磷酰胺、环磷酰胺和曲磷酰胺)的代谢物对人体的伤害，需要使用美司钠(mesna，2-巯基乙磺酸钠)作为区域解毒剂以提供保护。
作为一种硫醇化合物，美司那的游离巯基可以直接与有毒代谢物丙烯醛的双键结合，形成稳定和无毒的化合物并提供保护。剂量不足的美司那无法提供保护，而过量的美司那可引起恶心、呕吐、腹泻、血压下降和心率加快等副作用。在化疗期间，这些症状通常和其他化疗药物的副作用相似，给临床上的剂量调整造成了困扰。在某些情况下，接受大剂量环磷酰胺治疗的患者在常规使用美司那时仍会发生出血性膀胱炎(hemorrhagic cystitis，HC)，这可能是由于膀胱中美司那的浓度不足，无法在排泄有毒代谢物时维持足够的水平以提供持续的尿路保护。为了获得最佳化疗结果，必须监测和定量患者体内美司那的水平为剂量的调整提供参考。
到目前为止，已经报道了几种测定美司那的方法，如高效液相色谱法(HPLC)、电化学法、表面增强拉曼光谱法(SERS)和荧光法等。近年来，光学检测技术在食品、环境和生物领域的应用已被广泛报道，其中比色法为提供了可视化检测提供了可能的同时却有着相对较低的灵敏度。作为一种有效的光学检测技术，荧光法克服了比色法的缺点。传统的荧光纳米传感器是基于下转换发光，存在光漂白、光学稳定性差、信噪比低等问题。相比之下，镧系元素掺杂的上转换纳米粒子将近红外光转换为紫外/可见光，具有更深的穿透能力。由于激发光位于生物光学窗口内，可以有效地避免来自生物样品复杂基质的背景干扰。作为生物传感器理想的光学材料，迄今为止还没有开发出基于上转换纳米粒子的纳米传感器用于检测美司那。
发明内容
本发明针对上述现有技术的不足，提供了一种核壳结构上转换纳米荧光传感探针的制备及其在美司那检测中的应用。本发明核壳结构上转换纳米粒子作为荧光探针能对美司那进行可视化检测，具有较低的检测限。
本发明核壳结构上转换纳米荧光传感探针的制备方法，包括如下步骤：
步骤1：将3.9mmol氯化钇、1.0mmol氯化镱、0.1mmol氯化铒、30mL油酸和75mL十八烯混合，在氩气环境下于160℃加热反应60分钟后自然冷却到室温；
步骤2：将含有0.50g氢氧化钠和0.74g氟化铵的50mL甲醇溶液滴加至步骤1获得的反应液中，50℃下加热40分钟，随后加热至100℃并在真空下保持20分钟，接着加热至300℃并在氩气环境下保持90分钟。
步骤3：反应液自然冷却至室温，加入乙醇后离心分离，得到NaYF4:Yb,Er核心上转换纳米粒子。使用乙醇洗涤三次后分散于环己烷中备用。
步骤4：将1mmol氯化钇、24mL油酸和60mL十八烯混合，并在氩气环境下于160℃加热反应60分钟，反应液冷却到室温。
步骤5：向步骤4获得的反应体系中加入步骤3获得的4mmol NaYF4:Yb,Er核心上转换纳米粒子并分散均匀，然后向体系中滴加含有0.150g氢氧化钠和0.222g氟化铵的15mL甲醇溶液，在50℃下加热40分钟，随后将溶液加热至100℃并在真空下保持20分钟，接着加热到300℃并在氩气环境下保持90分钟。
步骤6：反应液自然冷却至室温，然后加入乙醇离心分离，得到NaYF4:Yb,Er@NaYF4核壳结构上转换纳米粒子，即为荧光探针。使用乙醇洗涤三次后分散于环己烷中备用。
本发明获得的NaYF4:Yb,Er核心上转换纳米粒子的平均粒径约为25nm，NaYF4:Yb,Er@NaYF4核壳结构上转换纳米粒子的平均粒径约为28nm。
本发明核壳结构上转换纳米荧光传感探针的应用，是在美司那的检测过程中作为检测试剂使用。
进一步地，以所述核壳结构上转换纳米荧光传感探针构建便携式传感平台实现血清和尿液中美司那水平的现场即时定量检测。
具体包括如下步骤：
步骤1：将1mmol核壳结构上转换纳米粒子加入50mL盐酸溶液(pH＝1)中，超声处理60分钟，随后通过高速离心获得亲水性上转换纳米粒子。
步骤2：在pH值为9的Britton-Robinson缓冲溶液中加入步骤1获得的亲水性上转换纳米粒子，使其最终浓度为4mM；随后加入乙基紫，使其浓度为80μM；超声混合均匀，得到上转换荧光探针溶液。
步骤3：以美司那标准溶液与所述上转换荧光探针混合配制得到复合荧光探针体系，通过荧光分析法拟合出美司那浓度的标准曲线。
复合荧光探针体系中各组分构成如下100μL亲水性上转换纳米粒子溶液，40μL浓度为4mM的乙基紫水溶液，1000μL浓度为10mM的Britton-Robinson缓冲溶液(pH＝9)，美司那以及超纯水。最终复合荧光探针体系的体积为2mL，其中美司那的浓度为0-12μM。
进一步地，分别配制美司那浓度为0，1，2，3，4，5，6，7，8，9，10，11，12μM的复合荧光探针体系，以美司那浓度和荧光强度比值I540/I654作线性拟合获得标准曲线。
步骤4：以步骤3的检测条件对待测美司那溶液进行检测，通过测试获得其荧光强度值，与步骤3获得的标准曲线进行比对得到待测美司那溶液的浓度数据。
本发明核壳上转换纳米粒子在近红外980nm波长激发下能够呈现红色和绿色荧光。其中绿色荧光发射峰位于540nm，红色荧光发射峰位于654nm。
本发明上转换荧光探针能够实现美司那的现场可视化即时检测。由于乙基紫可以和美司那静电吸附形成离子缔合物，这使得乙基紫褪色并恢复猝灭的上转换荧光，从而产生荧光和比色的有序变化。设计的传感器能够可视化检测尿液和血清中的美司那浓度。
相对于现有技术，本发明的有益效果体现在：
1、本发明方法操作简单，上转换纳米粒子合成制备简单，荧光探针的构建在一般化学实验室即可完成；
2、与现有的美司那检测技术相比，本发明荧光探针具有明显直观的色度变化，可以精确测定美司那水平。可以根据荧光颜色的不同判断样品中美司那的浓度，实现了可视化检测。
3、本发明上转换荧光探针能够实现现场即时检测，在一定程度上避免了大型仪器的使用，无需复杂的前处理和专业人员的操作即可实现对美司那的检测。
4、本发明上转换荧光探针对美司那具有出色的选择性，能够有效避免样品中其他杂质的干扰。在生物样品中对常见的无机盐、氨基酸、生物硫醇和化疗药物等具有较好的抗干扰性。此外由于近红外激发的上转换发光，可以避免生物样品的背景荧光干扰，显著提高了传感器的灵敏度和准确性。
附图说明
图1是本发明所得的核心和核壳上转换纳米粒子的透射电镜照片。
图2是本发明所得的核心和核壳上转换纳米粒子的粒径分布。
图3是美司那加入前后吸收光谱和上转换发光光谱的变化。
图4是纳米传感器对不同浓度美司那的荧光和比色响应。
图5是利用便携式传感平台对美司那进行可视化定量检测。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施例和图示，进一步阐述本发明。
实施例1：
1、核壳结构上转换纳米粒子的制备
将3.9mmol氯化钇、1.0mmol氯化镱、0.1mmol氯化铒、30mL油酸和75mL十八烯混合，在氩气环境下于160℃加热60分钟后自然冷却到室温。将含有0.50g氢氧化钠和0.74g氟化铵的50mL甲醇逐滴加入上述溶液，在50℃下加热40分钟，随后加热到100℃在真空下保持20分钟，接着加热到300℃并在氩气环境下保持90分钟。将溶液自然冷却到室温，加入乙醇后离心得到NaYF4:Yb,Er核心上转换纳米粒子。使用乙醇洗涤三次后分散于环己烷中备用。将1mmol氯化钇、24mL油酸和60mL十八烯混合，并在氩气环境下于160℃加热60分钟后将溶液冷却到室温。加入上一步合成的4mmolNaYF4:Yb,Er核心纳米粒子并均匀分散。然后，将含有0.150g氢氧化钠和0.222g氟化铵的15mL甲醇逐滴加入上述溶液中，在50℃下加热40分钟。之后，将溶液加热到100℃并在真空下保持20分钟，然后加热到300℃并在氩气环境下保持90分钟。溶液自然冷却到室温后加入乙醇后离心得到NaYF4:Yb,Er@NaYF4核壳结构上转换纳米粒子。使用乙醇洗涤三次后分散于环己烷中备用。
2、上转换荧光探针的制备
将先前制备的1mmol核壳上转换纳米粒子加入到50mL的盐酸溶液(pH＝1)中超声处理60分钟，随后通过高速离心获得亲水性上转换纳米粒子。
在pH值为9的Britton-Robinson缓冲溶液中加入亲水性上转换纳米粒子，使其最终浓度为4mM。随后加入乙基紫，使其浓度为80μM。超声五分钟后混合均匀，得到探针溶液。
3、美司那标准溶液的配制
取164.18mg美司那认证标准物质，加入去离子水溶解并定容1000mL，得到浓度为1mM的美司那标准溶液。
4、定量检测校准曲线的绘制
取探针溶液2mL，加入0-24μL美司那标准溶液充分反应后测试荧光光谱。通过拟合美司那浓度和荧光强度比I540/I654得到校准曲线。
5、定量检测水溶液中的美司那
取探针溶液2mL，加入10μL待检测溶液充分反应后测试荧光光谱。记录荧光强度比I540/I654并根据校准曲线计算得到待检测溶液中美司那的浓度。
实施例2：
1、核壳结构上转换纳米粒子的制备
本步骤的制备过程同实施例1。
2、上转换荧光探针的制备
本步骤的制备过程同实施例1。
3、美司那标准溶液的配制
本步骤的制备过程同实施例1。
4、定量检测校准曲线的绘制
取探针溶液2mL，加入0-24μL美司那标准溶液充分反应，通过智能手机捕获上转换荧光照片，并通过智能手机上安装的应用程序进行RGB识别。通过拟合美司那浓度和G/R比值得到校准曲线。
5、定量检测尿液和血清中的美司那
取探针溶液2mL，加入10μL待检测样品充分反应后将比色皿载入便携式传感平台，通过智能手机捕获上转换荧光照片，并通过智能手机上安装的应用程序进行RGB识别。记录G/R比值并根据校准曲线计算得到待检测样品中美司那的浓度。
实施例3：
基于3D打印制作的高兼容便携式传感平台，实现血清和尿液中美司那水平的现场即时定量检测。
通过3D打印制作一个高兼容的便携式传感平台，该平台由滤光片、活动夹具和暗盒构成。利用便携式传感平台将智能手机、微型激光器和装载探针溶液的比色皿组合在一起。
利用制作的便携式传感平台拟合标准曲线，并对未知的待测美司那溶液进行检测。

Claims (6)

1.一种核壳结构上转换纳米荧光传感探针的制备方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤1：将氯化钇、氯化镱、氯化铒、油酸和十八烯混合，在氩气环境下于160℃加热反应后自然冷却到室温；
步骤2：将含有氢氧化钠和氟化铵的甲醇溶液滴加至步骤1获得的反应液中，50℃下加热40分钟，随后加热至100℃并在真空下保持20分钟，接着加热至300℃并在氩气环境下保持90分钟；
步骤3：反应液自然冷却至室温，加入乙醇后离心分离，得到NaYF4:Yb,Er核心上转换纳米粒子，使用乙醇洗涤后分散于环己烷中备用；
步骤4：将氯化钇、油酸和十八烯混合，并在氩气环境下于160℃加热反应，反应液冷却到室温；
步骤5：向步骤4获得的反应体系中加入步骤3获得的NaYF4:Yb,Er核心上转换纳米粒子并分散均匀，然后向体系中滴加含有氢氧化钠和氟化铵的甲醇溶液，在50℃下加热40分钟，随后将溶液加热至100℃并在真空下保持20分钟，接着加热到300℃并在氩气环境下保持90分钟；
步骤6：反应液自然冷却至室温，然后加入乙醇离心分离，得到NaYF4:Yb,Er@NaYF4核壳结构上转换纳米粒子，即为荧光探针。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：
NaYF4:Yb,Er核心上转换纳米粒子的平均粒径为25nm。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：
NaYF4:Yb,Er@NaYF4核壳结构上转换纳米粒子的平均粒径为28nm。
4.根据权利要求1所述的制备方法获得的核壳结构上转换纳米荧光传感探针的应用，其特征在于：
以所述核壳结构上转换纳米荧光传感探针构建复合荧光探针体系，在美司那的检测过程中作为检测试剂使用。
5.根据权利要求4所述的应用，其特征在于包括如下步骤：
步骤1：将1mmol核壳结构上转换纳米粒子加入50mLpH＝1的盐酸溶液中，超声处理60分钟，随后通过高速离心获得亲水性上转换纳米粒子；
步骤2：在pH值为9的Britton-Robinson缓冲溶液中加入步骤1获得的亲水性上转换纳米粒子，使其最终浓度为4mM；随后加入乙基紫，使其浓度为80μM；超声混合均匀，得到上转换荧光探针溶液；
步骤3：以美司那标准溶液与所述上转换荧光探针混合配制得到复合荧光探针体系，以美司那浓度和荧光强度比值I540/I654作线性拟合获得标准曲线；
步骤4：以步骤3的检测条件对待测美司那溶液进行检测，通过测试获得其荧光强度值，与步骤3获得的标准曲线进行比对得到待测美司那溶液的浓度数据。
6.根据权利要求5所述的应用，其特征在于：
所述核壳结构上转换纳米荧光传感探针能够实现美司那的可视化即时检测。
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