基于谷胱甘肽稳定的荧光铜纳米簇高灵敏检测芦丁
陶贝贝, 吴宁宁, 王海波*
信阳师范学院化学化工学院, 信阳市功能纳米材料生物分析重点实验室, 河南 信阳 464000
*通讯作者 e-mail: wanghaibohn@163.com

作者简介: 陶贝贝, 女, 1993年生, 信阳师范学院化学化工学院及信阳市功能纳米材料生物分析重点实验室硕士研究生e-mail: 15939720363@163.com

摘要

芦丁是一类重要的黄酮类化合物, 具有抗肿瘤、 抗糖尿病、 抗氧化等多种生理功能, 因此开发简便、 灵敏的芦丁检测新方法具有十分重要意义。 基于谷胱甘肽稳定的荧光铜纳米簇(GSH-CuNCs), 构建了一种简单、 高灵敏、 高选择性的荧光传感新方法用于芦丁的检测。 以谷胱甘肽(GSH)为稳定剂, 抗坏血酸(AA)为还原剂, 制备了具有优良发光性能的谷胱甘肽稳定的铜纳米簇(GSH-CuNCs)。 采用紫外吸收光谱、 荧光激发光谱和发射光谱对GSH-CuNCs的光学性能进行了研究。 GSH-CuNCs在365 nm激发波长下, 在420 nm处具有强的荧光发射。 GSH-CuNCs在293 nm(紫外光区)处有明显的吸收峰, 但在400 nm(可见光区)以上没有吸收。 结果表明, GSH-CuNCs具有类似分子的性质, 并且没有较大的铜纳米颗粒存在, 说明所制备GSH-CuNCs的纯度较高。 在4 ℃条件下贮存3个月后, GSH-CuNCs在420 nm处的荧光强度仍保持在96%以上。 当芦丁(Rutin)存在时, 铜纳米簇的荧光信号被显著猝灭。 这是由于芦丁的吸收光谱与GSH-CuNCs的荧光激发光谱有较大的重叠, 引发内滤效应所致。 对测定芦丁的pH值和反应时间进行了优化, 发现当pH值为7.5, 反应时间为10 min时, 荧光猝灭效果较好。 在优化的实验条件下, 测定了存在不同浓度芦丁时GSH-CuNCs的荧光发射光谱。 结果表明, 该传感方法对芦丁具有良好的荧光响应, 检测线性范围为1.00~200 nmol·L-1, 检出限为0.300 nmol·L-1。 在传感系统中引入相同浓度的其他干扰物质时, 只有芦丁对GSH-CuNCs的荧光信号有明显的猝灭作用, 表明该方法对于芦丁的检测具有良好的选择性。 该方法已经用于荞麦茶样品中芦丁含量的测定。 该方法无需修饰, 简便易行, 样品消耗少, 具有较高的灵敏度。

关键词: 荧光铜纳米簇; 内滤效应; 芦丁检测
中图分类号:O657.39 文献标志码:A
Highly Sensitive Determination of Rutin Based on Fluorescent Glutathione Stabilized Copper Nanoclusters
TAO Bei-bei, WU Ning-ning, WANG Hai-bo*
College of Chemistry and Chemical Engineering, Xinyang Key Laboratory of Functional Nanomaterials for Bioanalysis, Xinyang Normal University, Xinyang 464000, China
*Corresponding author
Abstract

Rutin, an important kind of flavonoid, has some physiological functions, including antitumor activity, anti-diabetic, anti-oxidation, etc. Thus, it is important to develop a novel method for the simple and sensitive determination of rutin. A simple, highly sensitive and highly selective fluorescence sensor has been established to detect rutin based on glutathione-stabilized copper nanoclusters (GSH-CuNCs). GSH-CuNCs with excellent luminescent properties were prepared using glutathione (GSH) as a stabilizer and ascorbic acid (AA) as a reductant. Ultraviolet absorption spectra, fluorescence excitation and emission spectra studied the optical properties of GSH-CuNCs. The results showed that the GSH-CuNCs have strong fluorescence emission at 420 nm with an excitation wavelength of 365 nm. The absorption spectra showed that the GSH-CuNCs have an obvious absorption peak at 293 nm (UV region), but no absorption was observed above 400 nm (visible region). It was indicated that the GSH-CuNCs had molecular-like properties and did not have larger copper nanoparticles, suggesting the high purity of GSH-CuNCs. Moreover, the fluorescence intensity (at 420 nm) of GSH-CuNCs remained at about 96% after being stored at 4 ℃ for 3 months. When rutin was present, the fluorescence intensity of GSH-CuNCs was significantly quenched. It was ascribed to the absorption spectra of Rutin overlapped largely with the fluorescence excitation spectra of GSH-CuNCs, which led to the inter-filter effect (IFE). The effect of pH and reaction time for the detection of Rutin was optimized. It was found that the quenching effect was the best when pH was 7.5 and the reaction time was 10 minutes. Under optimum experimental conditions, the fluorescence emission spectrum of GSH-CuNCs was recorded with different concentrations of Rutin. The results confirmed that the sensor had a good fluorescence response to Rutin, with a linear range of 1.00~200 nmol·L-1 and a limit of detection of 0.300 nmol·L-1. Different interfering substances with the same concentration were introduced into the sensing system. It was observed that the fluorescence intensity of GSH-CuNCs could be quenched only in the presence of Rutin, which implied that this method has a good selectivity for determining Rutin. The method has been applied to detect rutin content in buckwheat tea samples. This assay was no modification, simple and convenient, and with less sample consumption has good sensitivity.

Keyword: Fluorescent copper nanoclusters; Inner filter effect; Rutin detection
引言

芦丁是一类重要的黄酮类化合物, 在荞麦植物中广泛存在, 具有抗肿瘤、 抗糖尿病、 抗氧化、 抗炎、 抗糖尿病、 抗脂肪、 降血压、 稀释血液等多种生理功能[1, 2]。 芦丁可能存在于多种草药复方制剂中, 是临床应用的治疗剂原料药。 芦丁具有多种生理和药理作用, 近年来受到人们的广泛关注。 因此开发简便、 灵敏、 高效的芦丁检测方法仍然是一项具有重要意义的工作。

目前, 传统的分析方法, 包括液相色谱法、 分光光度法、 毛细管电泳法、 化学发光分析法、 电化学方法等[3, 4, 5, 6, 7], 已经用于芦丁的定量检测。 传统方法大都需要昂贵的仪器, 复杂而费时的操作。 这些缺陷可能会限制这些方法的实际应用。 相比而言, 荧光分析方法具有灵敏度高、 操作简单、 成本低、 易于实现等优点。

在荧光分析方法中, 荧光信号单元主要包含有机荧光分子或发光纳米材料。 考虑到对化学发光效率的要求, 发光纳米材料如量子点和贵族金属纳米团簇受到了广泛关注。 由于重金属离子(如铅、 镉)的存在, 量子点材料的使用可能对生物系统有潜在毒性[8]。 而金属纳米团簇具有类似分子的特性, 优良的光学稳定性, 较大的斯托克斯位移。 与量子点相比, 金属纳米团簇具有较低的环境毒性, 在各种化学物质的敏感识别等领域具有广阔的应用前景[9, 10, 11, 12]。 开发生物相容性好、 经济实用的金属纳米团簇材料具有重要意义。 与金纳米簇、 银纳米簇相比, 铜纳米簇的原料价格相对低廉, 已经用于化学、 生物传感等领域的研究。 例如, 许多研究报道了铜纳米团簇的多种合成策略, 使用了不同的分子模板, 如蛋白质[13], 聚乙烯亚胺[14]和谷胱甘肽[15]。 然而, 由于暴露在空气中铜的表面快速氧化而产生不稳定或聚集的颗粒, 其光学稳定性有待进一步提高。 因此开发高稳定性的发光铜纳米团簇仍然具有挑战性。

内滤效应属于荧光光谱的非辐射能量转换, 是检测系统中的吸收器吸收了激发和/或发射光[16]。 利用分析吸收信号转化为荧光信号, 基于内滤效应的传感策略能够提高检测的灵敏度和选择性[17]。 此外, 基于内滤效应的传感方法不涉及纳米材料表面的复杂修饰, 不需要在受体和荧光基团之间形成任何共价键, 在传感方法的设计中更加简便和灵活。

采用谷胱甘肽稳定的铜纳米簇作为荧光探针, 构建了一种非标记型的荧光传感新方法, 实现了芦丁的高灵敏和高选择性检测。 其设计原理如如图1所示。 本研究以谷胱甘肽作为稳定剂, 抗坏血酸作为还原剂, 采用简便的一步绿色法合成了GSH-CuNCs。 在365 nm的激发波长下, GSH-CuNCs在420 nm处发射较强的荧光信号。 当目标物芦丁存在时, GSH-CuNCs的荧光信号被显著猝灭。 这可能是由于芦丁的吸收光谱与GSH-CuNCs的荧光激发光谱有较大的重叠, 引发内滤效应所致。 通过GSH-CuNCs荧光强度的变化, 该方法实现了芦丁的高灵敏和高选择性检测。

图1 基于GSH-CuNCs介导的内滤效应荧光检测Rutin示意图Fig.1 Schematic illustration of GSH-CuNCs mediated inter filter effect for rutin detection

1 实验部分
1.1 仪器与试剂

谷胱甘肽, 抗坏血酸, 购自生工生物工程(上海)股份有限公司。 CuSO4· 5H2O, 芦丁购于上海阿拉丁生化科技股份有限公司。 实验所用水均为去离子水。

F-7000荧光光谱仪(Hitachi, 日本)荧光激发波长设置为365 nm, 激发狭缝和发射狭缝均设置为5 nm; UH4150紫外可见近红外分光光度计(Hitachi, 日本), 扫描范围设置为200~600 nm。 样品池为石英比色皿, 光程长为10 mm。

1.2 GSH-CuNCs的合成

通过对文献[18]的合成方法, 合成了谷胱甘肽稳定的铜纳米簇。 首先, 125 μ L CuSO4溶液(50 mmol· L-1)与40 mL谷胱甘肽溶液(0.21 mmol· L-1)在搅拌下混合5 min, 混合溶液逐渐混浊。 然后将900 μ L抗坏血酸(100 mmol· L-1)注入到上述溶液中, 在65 ℃水浴中搅拌4 h。 反应结束后, 混浊液变为清澈。 最后, 将溶液冷却至室温, 并在16 000 r· min-1离心10 min, 上清液即为制得的GSH-CuNCs。 纯化后的GSH-CuNCs储存在4 ℃备用。

1.3 芦丁的检测

在100 μ L反应体系中, 将10 μ L不同浓度的芦丁溶液, 20 μ L 20 mmol· L-1磷酸盐缓冲溶液(pH 7.5), 10 μ L制备好的GSH-CuNCs溶液和60 μ L去离子水混匀, 室温下反应10 min后对其进行荧光强度的测量。

2 结果与讨论
2.1 GSH-CuNCs的光谱表征及实验的可行性分析

图2(a)中曲线ab分别为GSH-CuNCs荧光激发和荧光发射光谱图, 其最大激发波长为365 nm, 最大发射波长在420 nm处。 图2(b)是水介质中GSH-CuNCs的典型紫外-可见吸收光谱。 如图2(b)所示, GSH-CuNCs在紫外光区域有强烈的吸收, 但在可见光区域没有明显的吸收, 表明合成的GSH-CuNCs具有类似分子的性质, 并且不存在较大的铜纳米颗粒。 图2(c)中曲线a和曲线b分别是不存在和存在芦丁时铜纳米簇的荧光发射光谱。 可以看出当芦丁存在时, 铜簇的荧光被显著猝灭。 以上结果证实了采用GSH-CuNCs作为探针用来检测芦丁是可行的。

图2 (a) GSH-CuNCs的荧光激发光谱(a)和发射光谱图(b); (b) GSH-CuNCs的紫外-可见吸收光谱图; (c) GSH-CuNCs不存在(a)和存在(b)芦丁时的荧光发射光谱图Fig.2 (a) Fluorescence excitation (a) and emission (b) spectra of GSH-CuNCs; (b) UV-Vis absorption spectra of GSH-CuNCs; (c) Fluorescence emission spectra of GSH-CuNCs in the absence (a) and presence (b) of Rutin

2.2 实验条件的优化

图3(a)为缓冲溶液的pH值对芦丁猝灭效果检测的影响, 在pH 7.5时猝灭效果较为明显。 图3(b)为孵育时间对猝灭效果的影响, 当孵育时间为10 min时, GSH-CuNCs的荧光最大程度的被猝灭, 且10 min后猝灭效果没有明显变化。 因此, 选择pH 7.5, 孵育时间为10 min用于芦丁的检测。

图3 (a) 在不同pH值条件下, GSH-CuNCs不存在(a)和存在(b)Rutin时的荧光强度; (b) 在不同孵育时间下, GSH-CuNCs不存在(a)和存在(b)Rutin时的荧光强度Fig.3 (a) Fluorescence intensity of GSH-CuNCs without (a) and with (b) Rutin under different pH values; (b) Fluorescence intensity of GSH-CuNCs in absence (a) and presence (b) of Rutin under different incubation time

2.3 Rutin的检测

在优化实验条件下, 在传感系统中加入不同浓度的Rutin溶液并测定其荧光发射光谱。 由图4(a)可知, GSH-CuNCs的荧光强度随Rutin浓度的增加而降低。 在图4(b)中, 当芦丁浓度达到250 nmol· L-1, 对GSH-CuNCs的猝灭效率为81%[图4(b)], 且芦丁浓度高于250 nmol· L-1时, 猝灭效率基本不变。 图4(c)表明, F0/F和芦丁在1.00~200 nmol· L-1浓度之间有良好的线性关系, R2=0.990 5, 检出限为0.300 nmol· L-1 (S/N=3)。 F0F分别为不加入和加入芦丁时GSH-CuNCs的荧光强度。 与已报道的方法相比, 该方法测定芦丁具有更高的灵敏度(如表1所示)。

图4 (a) 存在不同浓度(0~400 nmol· L-1) Rutin时GSH-CuNCs荧光发射光谱; (b) 荧光强度(F0-F)与芦丁浓度(0~800 nmol· L-1)之间的关系; (c) 线性关系图; (d) 选择性考察, 芦丁和他干扰分析物的浓度均为250 nmol· L-1Fig.4 (a) Fluorescence emission spectra of GSH-CuNCs with different concentrations (0~400 nmol· L-1) of Rutin; (b) Fluorescence emission intensity F0-F versus the Rutin concentrations from 0 to 800 nmol· L-1; (c) Linear plot of F0/F versus the Rutin concentrations; (d) The selectivity of GSH-CuNCs for of Rutin analytes. The concentrationos of Rutin and other interfering analytes are both 250 nmol· L-1

表1 基于各种荧光纳米材料检测芦丁方法的比较 Table 1 Comparison of various fluorescent nanomaterials based methods for Rutin detection

为了研究该方法对Rutin的选择性, 在同一实验体系下, 将相同浓度的其他干扰物质引入到荧光探针中进行荧光强度的测量。 如图4(d)所示, GSH-CuNCs 只对芦丁有明显的荧光响应。 表明该方法对Rutin检测具有良好的选择性。

2.4 实际样品中芦丁含量的分析

以荞麦茶样品为研究对象, 采用标准加入法对建立的检测策略进行实用性评价, 实验结果见表2。 检测回收率在98.7%~102.1%, 相对标准偏差(RSD)在3.3%~4.2%之间, 表明该方法能够用于实际样品中芦丁含量的测定。

表2 荞麦茶样品中芦丁含量的测定 Table 2 Detection of rutin content in buckwheat tea samples
2.5 Rutin猝灭GSH-CuNCs荧光的机理研究

图5(曲线c)为Rutin的紫外吸收光谱, 在352 nm处有最大吸收峰, 其紫外吸收光谱与GSH-CuNCs的激发光谱(曲线a)有很大程度的重叠, 与(曲线c)基本无关, 证实了芦丁猝灭GSH-CuNCs的荧光可能是由于发生内滤效应(IFE)所致。

图5 GSH-CuNCs荧光激发光谱(a)和发射光谱(b), 及芦丁的紫外可见吸收光谱(c)Fig.5 Fluorescence excitation (a) and emission (b) spectra of GSH-CuNCs and UV-Vis absorption (c) spectrum of Rutin

3 结论

以GSH-CuNCs为荧光探针, 建立了一种简便、 可靠的荧光传感新方法, 实现了芦丁含量的灵敏检测。 该荧光分析方法主要依赖于GSH-CuNCs与Rutin之间内滤效应引起的荧光猝灭。 该方法操作简单, 样品消耗少, 无需修饰。 更重要的是, 与传统的分析方法相比, 该方法具有更高的灵敏度。 这一策略为检测芦丁开辟了新的途径, 在生物样品分析中有着潜在的应用价值。

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