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        一步法合成聚乙烯亞胺保護的熒光銀納米簇用于甲硝唑檢測

        2020-12-06 10:41:23劉夢旋尹建行孟磊徐娜
        分析化學 2020年11期

        劉夢旋 尹建行 孟磊 徐娜

        摘?要?甲硝唑(MNZ)是普遍使用的一種硝基咪唑類抗生素,多用于治療厭氧菌引起的感染或動物飼料的添加劑,殘留過量時會產生致畸、致癌等作用,因此準確檢測MNZ十分必要。本研究利用微波技術,采用一步法成功合成了聚乙烯亞胺保護的銀納米簇(AgNCs@PEI)熒光探針,所合成的AgNCs在高離子強度及長時間光照下具有良好的熒光穩(wěn)定性。AgNCs配體中的大量氨基官能團與MNZ中咪唑環(huán)內N原子之間的氫鍵作用,使二者形成穩(wěn)定的非輻射基態(tài)配合物,導致AgNCs熒光強度下降,基于此建立了檢測MNZ的熒光分析方法。線性范圍為0.1~200 μmol/L,檢出限為0.038 μmol/L(S/N=3),方法具有良好的選擇性。將此熒光探針應用于人尿液中MNZ的測定,回收率為95.8%~103.4%,相對標準偏差小于4.3%。

        關鍵詞?聚乙烯亞胺; 銀納米簇; 甲硝唑; 熒光探針

        1?引 言

        甲硝唑(MNZ)是硝基咪唑類抗生素中的一種,主要用于臨床治療和預防厭氧菌引起的感染疾病 [1~3]; 同時還具有促進牛、豬及家禽生長和提高飼料喂養(yǎng)效率的作用,也是一種常用的動物飼料添加劑。當MNZ的累積劑量或殘留量超過一定數值時,則具有潛在的致畸、致癌、致突變作用和遺傳毒性 [4~6]。 因此開發(fā)高選擇性、高靈敏檢測MNZ的方法十分必要。

        目前,檢測MNZ主要方法有高效液相色譜法[7,8]、高效液相色譜-質譜法[9]、 電化學分析法[10,11]和氣相色譜法[12,13]等,但這些方法大多存在靈敏度低、過程繁瑣、成本高等缺點。相比于傳統(tǒng)的檢測方法,基于熒光探針的分析方法具有靈敏度高、快速、廉價、簡單以及實用性強等特點。銀納米簇(AgNCs)作為一種新型的熒光納米材料,因其具有量子產率高、發(fā)射波長可調、生物相容性好等優(yōu)點,被廣泛用于生物成像、分析檢測、催化等領域[14~16]。合成AgNCs的傳統(tǒng)方法有水熱法[17]、化學刻蝕法[18]等,但這些方法仍存在AgNCs粒徑均勻性較差、穩(wěn)定性不佳、制備過程復雜等問題。微波合成法利用其介電熱效應將電磁能轉化為熱能,與傳統(tǒng)合成方法相比,該方法所制備的納米材料具有尺寸均一、物理化學性質穩(wěn)定、制備過程易于控制且合成時間較短等特點[19,20]。

        本研究采用一步微波法合成了一種基于聚乙烯亞胺保護的銀納米簇(AgNCs@PEI),合成方法簡單、快速、成本低。制備的AgNCs@PEI穩(wěn)定性良好,可作為熒光探針對痕量MNZ進行檢測,方法靈敏度高、選擇性好。

        2?實驗部分

        2.1?儀器與試劑

        T20型透射電子顯微鏡 (美國FEI公司); ?LS-55熒光分光光度計(英國PE公司); ?UV-2200雙單色器雙光束紫外可見分光光度計 (北京瑞利分析儀器公司); FE20型pH計 (上海梅特勒-托利多儀器有限公司); ?MAS-II Plus常壓微波合成/萃取反應工作站(上海新儀微波化學科技有限公司);

        聚乙烯亞胺(PEI,MW 10000)、 MNZ、谷胱甘肽(GSH)(上海阿拉丁試劑公司); ?AgNO3(國藥集團化學試劑有限公司); 抗壞血酸(AA)、牛血清蛋白(BSA)以及20種天然氨基酸(Val、Met、Cys、Ile、Pro、Arg、Phe、Gly、Gln、Glu、Thr、Trp、Ser、Ala、Asp、Lys、Leu、Asn、Tyr、His)(南京奧多福尼生物科技有限公司)。所用試劑均為分析純; 實驗用水為超純水。

        所用緩沖溶液為Briton-Robinson(BR)緩沖溶液,由一定比例的0.04 mol/L的磷酸、硼酸、醋酸混合而成,用NaOH溶液調節(jié)pH值分別為3~11。

        2.2?實驗方法

        2.2.1?AgNCs@PEI的合成?參考文獻[21]的方法并稍作改進。將3.75 μmol/L PEI溶于15 mL超純水,加入3.75 μmol/L AgNO3,攪拌2 h后,用1.0 mol/L的HCl或NaOH調節(jié)混合體系的pH值為3~11; 最后加入AA,將混合溶液置于微波合成儀中,在60℃、100 W條件下反應一段時間,所得反應液用0. 22 μm 濾膜過濾,于4℃保存,備用。

        2.2.2?MNZ的檢測?800 μL不同濃度的MNZ 溶液分別與200 μL AgNCs@PEI、1000 μL BR緩沖液(pH 6)混合,靜置 2 min,測定反應體系的熒光光譜,激發(fā)波長455 nm。

        2.2.3?選擇性測試?配制 10 mmol/L Na+、K+、Ca2+、Mg2+、Cl、CO23、HCO3、HPO24、H2PO4、PO34、葡萄糖與20種天然氨基酸(Val,Met,Cys,Ile,Pro,Arg,Phe,Gly,Gln,Glu,Thr,Trp,Ser,Ala,Asp,Lys,Leu,Asn,Tyr,His)溶液。取800 μL不同物質溶液和200 μL AgNCs@PEI、1000 μL BR緩沖液(pH 6)混合,靜置2 min,測定熒光光譜,激發(fā)波長455 nm。

        2.2.4?實際樣品分析?尿液來源于健康志愿者。在200 μL尿液中添加800 μL不同濃度的MNZ,與200 μL AgNCs@PEI原液、800 μL BR緩沖液(pH 6)混合,靜置孵育2 min,測定熒光光譜,激發(fā)波長455 nm。

        3?結果與討論

        3.1?AgNCs@PEI的表征

        圖1A為AgNCs@PEI的透射電鏡圖,可以看出納米顆粒的分散性高且粒徑均一,平均粒徑約為2.6 nm,其晶面間距為0.236 nm(圖1B),為Ag(111)晶面[22],表明成功合成了AgNCs@PEI。在AgNCs@PEI的吸收光譜中,在350 nm附近存在一個較寬的吸收峰(圖1C),但沒有表面等離子體共振(SPR)吸收帶,表明不存在大的Ag納米顆粒。圖1D為AgNCs@PEI的熒光激發(fā)與發(fā)射光譜,最大激發(fā)波長為455 nm,最大發(fā)射波長為545 nm,說明AgNCs@PEI具有較大的斯托克斯位移(~90 nm)。如圖1E所示,AgNCs@PEI的XPS譜圖中Ag的特征峰表明,AgNCs主要由Ag0和Ag+組成,簇表面Ag+的存在,有利于電子由PEI向AgNCs轉移,從而產生熒光[23]。

        3.2?AgNCs@PEI合成條件優(yōu)化

        3.2.1?合成反應時間對熒光強度的影響?保持其它實驗條件不變,在不同合成反應時間下制備AgNCs@PEI,測定其熒光光譜。實驗結果表明,反應時間為15 min時,所制備的AgNCs@PEI熒光強度最高(圖2A)。相比于文獻[21]中采用的溶液攪拌方法(~48 h), 合成時間大幅縮短,說明微波方法可以有效提高合成效率。

        3.2.2?pH值對熒光強度的影響

        用1 mol/L的HCl或NaOH分別將PEI和AgNO3混合溶液的pH值調至3、5、7、9和11,然后向其中加入37.5 μmol/L AA,在微波合成儀中反應15 min,得到不同的AgNCs@PEI。由圖2B可知,合成溶液的pH =5時,得到的AgNCs@PEI的熒光強度最高。

        3.2.3?Ag+與AA的摩爾比對熒光強度的影響?保持其它實驗條件不變,在Ag+與AA的摩爾比分別為1∶1、1∶5、1∶10和1∶15時,采用微波合成儀合成不同的 AgNCs@PEI。結果顯示(圖2C),當Ag+與AA的摩爾比為1∶10時(3.75 μmol/L AgNO3,37.5 μmol/L AA),AgNCs@PEI的熒光強度最高。此結果與文獻[21]一致。

        3.3?AgNCs@PEI的穩(wěn)定性

        在高離子強度下, 考察了AgNCs@PEI的穩(wěn)定性和抗光漂白性能。圖3A為AgNCs@PEI在 545 nm處熒光強度隨NaCl濃度變化的柱狀圖,可見AgNCs@PEI熒光強度隨NaCl濃度的變化較小,說明AgNCs@PEI在高濃度離子溶液中具有較好的熒光穩(wěn)定性。由圖3B可知,AgNCs@PEI經455 nm (光強度 750 a.u.)光照30 min后, 其熒光強度基本保持穩(wěn)定,表明合成的AgNCs@PEI具有良好的光穩(wěn)定性。在不同pH值下,AgNCs@PEI在545 nm的熒光強度如圖3C所示,在酸性和中性條件下的熒光強度較高。

        3.4?AgNCs@PEI對MNZ的檢測

        3.4.1?可行性測試及檢測條件的優(yōu)化?在制備的AgNCs@PEI中分別加入200和500 μmol/L MNZ,熒光光譜如圖4A所示。結果表明,MNZ能夠淬滅AgNCs@PEI的熒光,且隨著MNZ濃度增加,AgNCs@PEI熒光猝滅程度增大。圖4B為AgNCs@PEI對MNZ(500 μmol/L)的熒光響應時間,可見熒光強度隨時間的延長而下降,在1 min后趨于穩(wěn)定。為了得到穩(wěn)定的熒光響應信號,后續(xù)實驗均在孵育 2 min后進行測試。此外,考察了檢測體系的pH值對熒光響應的影響,分析了不同pH值下MNZ對AgNCs@PEI熒光的猝滅效果。如圖4C所示,在體系中加入500 μmol/L MNZ,AgNCs@PEI的熒光強度在pH=6時熒光猝滅程度最高,因此選擇檢測MNZ體系的pH=6。

        3.4.2?AgNCs@PEI對MNZ的分析性能?不同濃度MNZ存在時, AgNCs@PEI的熒光光譜圖如圖5A所示。隨著MNZ濃度增加,AgNCs@PEI在545 nm處的熒光強度隨之下降,在1500 μmol/L時基本完全猝滅。在545 nm處的相對熒光強度(F0-F,F0和F分別表示加入MNZ前后的探針熒光強度)與MNZ濃度在兩段濃度范圍內均呈良好的線性關系(圖5B)。在15~200 μmol/L范圍內,線性方程為F0-F=1.2644CMNZ +66.5298(R2=0.9946); 在 0.1~15 μmol/L范圍內,線性方程為F0-F=4.3308CMNZ+13.7640(R2=0.9916),檢出限(S/N=3)為0.038 μmol/L。與文獻報道的檢測MNZ的納米熒光探針相比,本方法的檢出限及線性范圍與其它方法相當或者更優(yōu)(表1)。

        3.4.3?AgNCs@PEI對MNZ熒光響應的選擇性分析?考察了AgNCs@PEI對不同離子及氨基酸的抗干擾性能。在分別含有500 mmol/L MNZ和其它分析物的檢測體系中,只有MNZ能夠明顯猝滅AgNCs@PEI的熒光,而其它分析物對AgNCs@PEI熒光響應變化值<6.5%(圖6),說明基于AgNCs@PEI探針檢測MNZ具有良好的選擇性。

        3.4.4?檢測機理研究?具有較大斯托克斯位移的熒光納米簇,其熒光的產生主要來源于以金屬為中心的三線激發(fā)態(tài)輻射弛豫,而非金屬簇內核量子化束縛所引起的[29]。這種弛豫過程與納米簇的保護配體有關,例如配體分子內的振動和轉動常導致三線激發(fā)態(tài)非輻射弛豫的發(fā)生。因此,研究加入MNZ前后AgNCs@PEI配體的微觀變化,有助于探究其熒光猝滅的機理。AgNCs@PEI和MNZ混合物的紫外-可見吸收光譜如圖7A所示,MNZ加入AgNCs@PEI 后, 在323 nm處出現一個新的吸收峰(曲線c),且此特征峰較MNZ的特征峰(318 nm, 曲線a)發(fā)生相對紅移。AgNCs@PEI吸收光譜的改變可能是由于MNZ咪唑環(huán)內N原子(具有非共用電子對)易與PEI中大量氨基官能團產生較強的氫鍵作用,形成穩(wěn)定的配合物。此配合物使PEI分子內的振動及轉動加劇,導致三線激發(fā)態(tài)電子發(fā)生非輻射復合及熒光猝滅。此外,由于MNZ中含有吸電子能力很強的硝基官能團,也可能導致激發(fā)態(tài)電子發(fā)生電荷轉移而出現熒光猝滅。對AgNCs@PEI加入MNZ前后的熒光壽命進行分析的結果如圖7B所示,壽命擬合數據見表2,加入MNZ前后的熒光壽命基本未發(fā)生變化,說明MNZ并未影響AgNCs@PEI的光電子輻射弛豫過程[30]。

        3.5?實際樣品分析

        采用本方法檢測人尿樣中的MNZ。尿樣中未檢出MNZ。在尿樣中分別添加10.0、50.0和100.0 μmol/L MNZ標準樣品,采用本方法進行測定,加標回收率在95.8%~103.4%之間,相對標準偏差 (RSDs) 均低于4.3%(表3),表明AgNCs@PEI具有良好的應用潛能。

        4?結 論

        合成了基于聚乙烯亞胺保護的銀金屬納米簇熒光探針(AgNCs@PEI),能夠在高離子強度環(huán)境中且長時間光照下穩(wěn)定存在,合成方法簡便、快速、成本低。AgNCs@PEI配體中的大量氨基官能團與MNZ咪唑環(huán)內N原子(具有非共用電子對)可產生較強的氫鍵作用,形成穩(wěn)定的非輻射配合物,導致AgNCs@PEI熒光的猝滅,基于此建立了MNZ的熒光檢測方法。本方法具有檢出限低、靈敏度高、重現性好的特點, 并用于尿液中MNZ的檢測。本方法有望拓展到疾病診斷、水質分析等領域。

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