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        MnO2@Fe3O4納米探針的構建及對谷胱甘肽的磁共振成像檢測

        2023-10-08 03:02:38干月皓解文滕王璐璐張嘉張桂龍吳正巖
        分析化學 2023年9期
        關鍵詞:氧化鐵結果表明檢出限

        干月皓 解文滕 王璐璐 張嘉 張桂龍 吳正巖

        1(中國科學院合肥物質科學研究院智能機械研究所, 合肥 230031)

        2(中國科學技術大學, 合肥 230026)

        3(中國科學院合肥物質科學研究院強磁場科學中心, 合肥 230031)

        4(濱州醫(yī)學院煙臺校區(qū), 山東省分子靶向智能診療技術創(chuàng)新中心, 煙臺 264003)

        谷胱甘肽(Glutathione,GSH)是一種由谷氨酸、半胱氨酸和甘氨酸縮合形成的含巰基的三肽[1-2]。作為人體內重要的生物大分子,GSH 參與維持機體正常運轉的多項生命活動[3-4]。首先,GSH 的巰基具有極高的還原能力,可與人體內過量的活性氧自由基(Reactive oxygen species,ROS)反應,從而減少自由基對于人體正常組分(脂質體、蛋白質和DNA 等)的損傷[5];其次,由于巰基的富電子結構,GSH 可與多種重金屬元素(鉛、汞和砷等)配位,形成的復合物可被人體正常代謝,表明GSH 也可發(fā)揮解毒作用[6-7];此外,當機體發(fā)生功能損傷或病變(如肝臟損傷、血栓癥、帕金森病和阿爾茲海默癥等)時,體內的GSH 水平也會隨之產生波動[8-12]。鑒于GSH 水平在生物學和醫(yī)學方面的重要參考價值,對GSH 的快速、精準檢測尤為重要。目前已報道的GSH 檢測方法主要有高效液相色譜法[13]、質譜法[14]、熒光光譜法[7]、比色法[15]、電化學發(fā)光法[16]、毛細管電泳法[17]以及磁共振波譜法[18]等。然而,這些方法具有耗時長、電極修飾過程冗長以及單個樣品測試費用高等不足[3,19]。

        磁共振成像(Magnetic resonance imaging,MRI)技術由于具備穿透深度大以及無電離輻射的特點,近年來廣泛用于臨床診療[20-21]。MRI 主要通過監(jiān)測水分子的氫質子在縱向(T1,平行于外場)和橫向(T2,垂直于外場)的弛豫時間,再經過信號的傅里葉變換而獲得圖像信息[20,22]。在GSH 的還原作用下,MnO2納米材料可釋放出大量Mn2+,這些Mn2+可有效地縮短氫質子的縱向弛豫時間,產生更顯著的T1磁共振信號變化。因此,借助MnO2納米材料的磁共振造影性能可有效地檢測GSH 的含量[19]。然而,由于MnO2與GSH 的反應過程過于迅速,導致難以穩(wěn)定地捕捉磁共振信號的變化,使得對GSH 定量檢測時表現(xiàn)出較高的檢出限(Limit of detection,LOD)。

        本研究采用表面沉積氧化鐵的方法,通過空間位阻效應減緩MnO2納米花(MnO2nanoflowers,MnO2NFs)與GSH 的反應速率,有助于穩(wěn)定捕捉磁共振信號的變化,從而有效提高基于T1的MRI 對GSH 定量檢測的靈敏度,降低檢出限。透射電子顯微鏡(TEM)、X 射線晶體衍射(XRD)以及X 射線光電子能譜(XPS)結果表明,氧化鐵顆粒在MnO2NFs 表面有效沉積。同時,水合粒徑分析結果表明,沉積氧化鐵后的MnO2@Fe3O4納米顆粒(MnO2@Fe3O4NPs)具備了更大的粒徑,進一步證明氧化鐵顆粒已在MnO2NFs 表面沉積。與GSH 孵育后,MnO2NFs 的結構幾乎完全坍塌,而MnO2@Fe3O4則保留了一部分NFs 結構,說明經過表面沉積后,MnO2與GSH 的反應被鈍化,從而有利于穩(wěn)定捕捉磁共振的信號變化。采用電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜(ICP-OES)監(jiān)測不同濃度GSH 孵育后的Mn2+釋放,結果表明,MnO2@Fe3O4展現(xiàn)了更低的Mn2+釋放量。在體外應用T1MRI 對不同濃度的GSH 進行了定量檢測,結果表明,相對于MnO2,MnO2@Fe3O4可平穩(wěn)減緩質子縱向弛豫過程,具有更低的檢出限(MnO2:70.3 μmol/L;MnO2@Fe3O4:24.3 μmol/L)。本研究利用MRI 納米探針實現(xiàn)了對GSH 的精準檢測,為GSH 的檢測提供了新方法。

        1 實驗部分

        1.1 儀器與試劑

        JEOL-2100F 場發(fā)射透射電子顯微鏡(TEM,日本日立公司);Nano ZS 動態(tài)光散射儀(DLS,英國馬爾文公司);ICAP7200 電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜儀(ICP-OES,美國賽默飛公司);X′Pert MPD X 射線衍射儀(XRD,荷蘭飛利浦公司);ESCALAB 250 X 射線光電子能譜儀(XPS,美國賽默飛公司);9.4 T磁共振成像儀(MRI,德國布魯克公司)。

        FeCl36H2O 和FeCl24H2O(分析純,上海阿拉丁生化科技股份有限公司);瓊脂糖(低凝膠溫度,上海阿拉丁生化科技股份有限公司);0.1 mol/L 嗎啉乙磺酸緩沖液(MES,pH=6.0,福州飛凈生物科技有限公司);KMnO4(分析純,國藥集團化學試劑有限公司);聚乙烯吡咯烷酮(PVP,優(yōu)級純,國藥集團化學試劑有限公司)。實驗用水為去離子水。

        1.2 實驗方法

        1.2.1 MnO2 NFs的制備

        根據(jù)文獻[23]的方法制備MnO2NFs。取KMnO4粉末配制2 mg/mL KMnO4溶液,按照5 mL KMnO4溶液、5 mL 嗎啉乙磺酸緩沖液、2 mL 水的比例混合,連續(xù)超聲30 min。隨后,以10000 r/min 離心,收集沉淀,用水和無水乙醇分別洗滌3 次后,重新分散于水中保存,得到MnO2NFs。

        1.2.2 MnO2@Fe3O4 NPs的制備

        MnO2@Fe3O4NPs 制備流程如圖1 所示。向50 mL 三口瓶中加入19 mL 水,再加入1 mL 水分散的5 mg MnO2NFs。超聲分散均勻后,將該體系置于室溫下攪拌1 h, 同時持續(xù)向體系中鼓吹N2以除去水中的O2。待除完O2后,向體系中加入200 μL 濃氨水,隨后向體系中分別滴加500 μL 40 mg/mL FeCl3·6H2O溶液和500 μL 15 mg/mL FeCl2·4H2O 溶液。繼續(xù)攪拌5 min 后,以10000 r/min 離心,得到MnO2@Fe3O4NPs,用水和無水乙醇分別洗滌3 次后,重新分散于水中保存。

        圖1 MnO2@Fe3O4 納米顆粒(NPs)制備流程及鈍化機制示意圖Fig.1 Schematic illustration of fabrication and passivated mechanism of MnO2@Fe3O4 nanoparticles (NPs)GSH: 谷胱甘肽(Glutathione)

        1.2.3 Mn2+釋放實驗

        配制濃度為0、50、100、200、300 和400 μmol/L 的GSH 溶液,與100 μg/mL 的MnO2或MnO2@Fe3O4混合后置于37 ℃恒溫搖床中連續(xù)振蕩5 min, 從中均勻取出1 mL 過100 nm 水相濾膜。濾液用水稀釋3 倍,隨后采用ICP-OES 測定樣品中Mn2+濃度。用同樣步驟探究各干擾因子對Mn2+釋放的影響,其中,蘇氨酸、精氨酸、亮氨酸、色氨酸、半胱氨酸、賴氨酸、組氨酸和GSH 的濃度設置為400 μmol/L, NaCl和KCl 的濃度設置為4000 μmol/L。所有處理組別均平行設置3 組實驗。

        1.2.4 MRI測定GSH濃度

        配制1%瓊脂糖懸液,在100 ℃下加熱攪拌至澄清透亮狀態(tài)。同時,配制不同濃度的GSH 溶液,取1 mL GSH 溶液與1 mL 100 μg/mL MnO2或MnO2@Fe3O4混合,5 min 后,從上述體系中移取100 μL 混合液加入200 μL 離心管中,加入100 μL 瓊脂糖水溶液并吹打均勻,等待樣品冷卻凝固即可。隨后,使用9.4 T/400 mm 寬孔徑MR 成像儀在多回波自旋回波序列下(TR=6000 ms, TE=5.6 ms, 層厚為1 mm)測定樣品的縱向弛豫時間T1。所有處理組別均平行設置3 組實驗。

        2 結果與討論

        2.1 MnO2 NFs和MnO2@Fe3O4 NPs的形貌、組分與結構表征

        利用室溫超聲制備MnO2。由TEM 照片(圖2)可知,該MnO2主要為粒徑約100 nm 的NFs(圖2A),與文獻[24]報道的MnO2NFs 類似。在此材料的基礎上,采用共沉淀法獲得了MnO2@Fe3O4NPs。TEM 照片顯示,MnO2@Fe3O4NPs 表面存在一層清晰的氧化鐵NPs 堆積的外殼(圖2B 和2C),并且這種核殼結構的NPs 的尺寸增長到了約170 nm。DLS 結果表明,經過氧化鐵沉積后,NPs 的水合粒徑從213 nm 增加到了323 nm,表明MnO2NFs 表面成功地包覆了Fe3O4NPs(圖2F)。ICP-OES 結果表明,MnO2@Fe3O4NPs中Mn 元素和Fe 元素的摩爾比約為1∶1,表明MnO2NFs 表面沉積了大量的Fe3O4。

        圖2 (A)MnO2 納米花(MnO2 NFs)的透射電鏡(TEM)照片;(B)MnO2@Fe3O4 NPs 的TEM 照片(插圖為未經GSH 處理的MnO2@Fe3O4 NPs 照片);(C)MnO2@Fe3O4 NPs 的TEM 放大圖;(D)GSH 處理的MnO2 的TEM 照片;(E)GSH 處理的MnO2@Fe3O4 NPs 的TEM 照片(插圖為GSH 處理的MnO2@Fe3O4 NPs 的TEM 照片);(F)MnO2@Fe3O4 納米顆粒的水合粒徑圖Fig.2 Field emission transmission electron microscope(TEM)images of(A)MnO2 nanoflowers(NFs),(B)MnO2@Fe3O4 NPs(Inset:digital photograph of MnO2@Fe3O4 NPs without treatment by GSH),(C)Enlarged picture of Fig.2B, GSH-treated (D) MnO2 and (E) MnO2@Fe3O4(Inset: digital photograph of MnO2@Fe3O4 NPs with treatment of GSH); (F) The corresponding dynamic light scattering (DLS) profile

        采用XRD 以及XPS 表征了材料沉積氧化鐵前后的晶體結構和元素價態(tài)。如圖3A 所示,MnO2的XRD 譜圖的特征峰與δ-MnO2的標準卡片(PDF#80-1098)能較好地吻合,其中,12.5°、25.1°、37.3°和67.9°的衍射峰分別對應于(001)、(002)、(-111)和(114)晶面。經過氧化鐵沉積后,材料的XRD 譜圖中出現(xiàn)了明顯的Fe3O4譜圖(PDF#76-1849),其中,18.3°和35.4°分別對應于(111)和(311)晶面,也說明了氧化鐵層的存在。XPS 結果表明,MnO2NFs 主要含有Mn、O 和C 3 種主要元素,分別來自MnO2和MES 兩種組分,而MnO2@Fe3O4NPs 中主要含有Mn、Fe、O、C 和N 5 種元素,表明沉積后Fe3O4和PVP 的存在(圖3B 和3D)。Mn 2p 和Fe 2p 兩個高分辨XPS 譜圖被用于分析沉積前后元素的價態(tài)變化。如圖3C 和3E 所示,MnO2NFs 位于642.08 和653.7 eV 的結合能分別對應Mn 2p3/2和Mn 2p1/2軌道,并且沉積前后Mn 元素的價態(tài)并未發(fā)生明顯的變化。除此之外,圖3F 的結合能特征峰(710.8 和724.2 eV)分別對應于Fe 2p3/2和2p1/2軌道,進一步證明了氧化鐵層的存在。

        圖3 (A)MnO2 NFs 和MnO2@Fe3O4 NPs 的X 射線衍射(XRD)譜圖;(B)MnO2 NFs 的X 射線光電子能譜(XPS)全譜;(C)MnO2 NFs 的Mn 2p 高分辨譜圖;(D)MnO2@Fe3O4 NPs 的XPS 全譜;MnO2@Fe3O4 NPs的(E)Mn 2p 高分辨譜圖和(F)Fe 2p 高分辨譜圖Fig.3 (A) X-ray diffraction (XRD) patterns of MnO2 NFs and MnO2@Fe3O4 NPs; (B) Full X-ray photoelectron spectra(XPS)of MnO2 NFs;(C)High-resolution XPS spectrum of Mn 2p of MnO2 NFs;(D)Full XPS spectrum of MnO2@Fe3O4 NPs; (E) High-resolution XPS spectrum of Mn 2p of MnO2@Fe3O4 NPs; (F) High-resolution XPS spectrum of Fe 2p of MnO2@Fe3O4 NPs

        2.2 MnO2@Fe3O4 NPs與GSH的反應鈍化評估

        由于Mn 基磁共振納米探針的造影作用主要是通過釋放大量順磁性的Mn2+實現(xiàn)的,因此推測氧化鐵層有助于實現(xiàn)Mn2+的平緩釋放,進而提高MRI 檢測GSH 的靈敏度。為了驗證氧化鐵沉積層對于材料響應GSH 釋放Mn2+的鈍化作用,利用ICP-OES 考察了不同濃度GSH 處理下的Mn2+釋放。如圖4A 所示,MnO2NFs 和MnO2@Fe3O4NPs 均展現(xiàn)了GSH 的濃度依賴的Mn2+釋放特征。此外,在等濃度的GSH 處理下,MnO2@Fe3O4NPs 釋放的Mn2+總是低于MnO2NFs,表明氧化鐵層可有效地減緩Mn2+釋放,這可能是由于致密的氧化鐵層對GSH 產生的空間位阻效應所致。

        圖4 (A)MnO2 NFs 和MnO2@Fe3O4 NPs 的Mn2+釋放行為;(B)MnO2@Fe3O4 NPs 用于GSH 檢測的抗干擾性能評估Fig.4 (A) Mn2+ release behavior of MnO2 NFs and MnO2@Fe3O4 NPs; (B) Anti-interfere performance of MnO2@Fe3O4 NPs for detection of GSH

        為了評估納米探針對于GSH 的選擇性和抗干擾性能,分別探究了多種常見氨基酸和無機鹽等干擾因子對于Mn2+釋放的影響。實驗結果表明,蘇氨酸、精氨酸、亮氨酸、色氨酸、賴氨酸、組氨酸、NaCl 和KCl 幾乎不會引起Mn2+的非選擇性釋放(圖4B)。盡管本實驗中等濃度的半胱氨酸導致了一定程度的Mn2+釋放,但在實際生物體內半胱氨酸含量遠低于GSH[25-26]??傊?,此納米探針可實現(xiàn)對GSH 的選擇性檢測,沒有明顯的外界因素干擾。

        隨后,將這兩種NPs 與等濃度的GSH 共孵育,同時利用TEM 和DLS 觀察材料處理前后的形貌和尺寸的變化。如圖2D 和2F 所示,經GSH 處理后,MnO2NFs 的結構幾乎完全坍塌,尺寸也發(fā)生驟減(57 nm)。然而,MnO2@Fe3O4NPs 仍保持了一定的NFs 結構以及更大的尺寸(148 nm)。上述結果表明,在氧化鐵殼層保護下,MnO2NFs 與GSH 的反應可被減緩。

        2.3 GSH的MRI檢測

        為了驗證MnO2@Fe3O4NPs 提高GSH 檢測靈敏度的能力,利用9.4 T 磁共振成像儀測定了經不同濃度GSH 處理后材料的T1信號。從兩種材料的T1-map 偽彩圖像可知,隨著GSH 濃度提高,MnO2NFs 和MnO2@Fe3O4NPs 均可有效地縮短氫質子的縱向弛豫時間(圖5A)。經過等濃度GSH 處理后,相比于MnO2NFs,MnO2@Fe3O4NPs 可穩(wěn)定平緩地縮短T1信號,可能是因為Mn2+釋放減緩導致弛豫增強過程變得更加穩(wěn)定。T1的倒數(shù)(1/T1)表示的是氫質子的弛豫速率,通過擬合GSH 濃度與1/T1發(fā)現(xiàn),上述兩個參數(shù)在檢測區(qū)間內呈現(xiàn)較好的線性關系(圖5B),MnO2@Fe3O4NPs 對GSH 的檢出限(LOD,3σ/k)為24.3 μmol/L, 顯著低于MnO2NFs 對GSH 的檢出限(70.3 μmol/L)。與文獻報道的GSH 檢測方法相比[27-29],本研究構建的MnO2@ Fe3O4NPs 具有相當?shù)偷臋z出限(表1)。

        表1 不同GSH檢測方法的線性范圍與檢出限Table 1 Linear ranges and limits of detection (LODs) of different methods for detection of GSH

        圖5 (A)MnO2 NFs 和MnO2@Fe3O4 NPs 的T1-map 偽彩圖像;(B)1/T1 與GSH 濃度的線性關系Fig.5 (A) Pseudo-color T1-map images of MnO2 NFs and MnO2@Fe3O4 NPs; (B) Corresponding linear relationship between 1/T1 and concentration of GSH

        3 結論

        通過表面沉積的方法構建了一種核殼結構的MnO2@Fe3O4NPs,用于提高GSH 的MRI 檢測靈敏度。通過對比MnO2NFs 和MnO2@Fe3O4NPs 的形貌尺寸變化以及Mn2+釋放行為發(fā)現(xiàn),MnO2@Fe3O4NPs 可通過致密的氧化鐵層介導的空間位阻效應有效鈍化MnO2與GSH 的反應。基于MnO2@Fe3O4NPs 的MRI對GSH 的檢測具有更低的檢出限。本研究為MRI 技術應用于分析檢測提供了借鑒和參考。

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