基于熒光共振能量轉(zhuǎn)移的金納米粒子/碳量子點(diǎn)熒光納米探針檢測精氨酸

鄒小波 史永強(qiáng) 鄭悅 石吉勇 胡雪桃 蔣彩萍 黃曉瑋 徐藝偉

摘 要 利用碳量子點(diǎn) （CQDs） 和金納米粒子 （AuNPs）間的熒光共振能量轉(zhuǎn)移（FRET） 效應(yīng)成功實(shí)現(xiàn)了精氨酸的快速檢測。采用一步微波輔助法合成具有優(yōu)良熒光性能的碳量子點(diǎn) （CQDs），并對AuNPs/CQDs復(fù)合材料進(jìn)行相應(yīng)表征，分析了其猝滅和檢測機(jī)制。對AuNPs/CQDs的添加量、pH值和反應(yīng)時(shí)間進(jìn)行了優(yōu)化。在優(yōu)化條件下，將此熒光體系用于精氨酸含量的檢測，結(jié)果表明，熒光強(qiáng)度和精氨酸濃度在0.1～10.0 μmol/L范圍內(nèi)呈良好的線性關(guān)系（R2=0.993），檢出限為5.8 nmol/L。采用本方法測定了葡萄汁中精氨酸的含量，回收率為105.4%～110.8%，表明本方法可用于果汁中精氨酸的實(shí)際檢測。

關(guān)鍵詞 精氨酸； 熒光探針； 熒光共振能量轉(zhuǎn)移； 碳量子點(diǎn)； 金納米粒子

1 引 言

精氨酸是機(jī)體合成蛋白質(zhì)和肌酸的重要原料，在改善繁殖能力、心血管功能以及調(diào)控免疫能力等方面發(fā)揮著重要作用[1]。而在發(fā)酵工業(yè)中，精氨酸在精氨酸酶的作用下會(huì)被降解為尿素和鳥氨酸，一部分尿素會(huì)被釋放到發(fā)酵液中。如果原料含有過量的精氨酸，發(fā)酵液積累的尿素會(huì)與乙醇發(fā)生反應(yīng)生成氨基甲酸乙酯 （EC），而EC對人體具有潛在的致癌作用[2]。因此，檢測原材料中精氨酸含量具有重要意義。

目前，檢測精氨酸的方法有坂口試劑法[3]、色譜法[4，5]、光度法[6]、電化學(xué)法[7]等。在眾多檢測方法中，熒光光譜法因其簡單快速、靈敏度高、易于操作而受到關(guān)注。尤其是熒光共振能量轉(zhuǎn)移（FRET）技術(shù)，當(dāng)供體的熒光發(fā)射光譜和受體的吸收光譜存在一定重疊且距離足夠近時(shí)，熒光能量會(huì)由供體向受體轉(zhuǎn)移。FRET技術(shù)能夠克服單一材料的缺陷，提高檢測靈敏度和精度[8]，已成功應(yīng)用于目標(biāo)物如核酸[9，10]和離子檢測[11～13]等。

熒光碳量子點(diǎn)（CQDs）是一種新型熒光納米材料，因其具有發(fā)射波長可調(diào)、熒光穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)而廣泛應(yīng)用于傳感領(lǐng)域[14～17]?；贔RET效應(yīng)的CQDs在熒光檢測方面的應(yīng)用已有很多報(bào)道[18～20]，這些研究的共同點(diǎn)是將CQDs作為FRET體系的能量供體。金納米粒子（AuNPs）具有良好的生物相容性和穩(wěn)定性，消光系數(shù)高，其吸收光譜在520 nm 附近有一個(gè)共振吸收峰[21]，在FRET體系中可充當(dāng)能量受體。

本研究首先通過微波輔助法一步制得CQDs，合成方法簡單易行， 基于CQDs與AuNPs間的FRET效應(yīng)，建立了一種測定精氨酸含量的新方法，并應(yīng)用于葡萄汁中精氨酸濃度的定量檢測， 以期達(dá)到快速、準(zhǔn)確檢測精氨酸的目的。

2 實(shí)驗(yàn)方法

2.1 儀器與試劑

JEM-2100高倍透射電子顯微鏡（HRTEM，日本JEOL公司）； UV-1601紫外可見分光光度計(jì)（北京北分瑞利分析儀器有限公司）；Nicolet iS50傅里葉變換紅外光譜儀（美國Thermo Scientific公司）； QuantaMasterTM 40熒光壽命光譜儀（美國PTI公司）； F-98熒光分光光度計(jì)（Lengguang 科技公司）； Zetasizer粒度電位儀（英國Malvern公司）； 微波爐（美的集團(tuán)）； 飛鴿TGL-15B離心機(jī)（上海安亭科學(xué)儀器廠）； Milli-Q型超純水機(jī)（美國Millipore公司）。

聚乙二醇（PEG200，美國Sigma-Aldrich公司）； 其余試劑（氯金酸、檸檬酸三鈉、蔗糖、亞硝酸鈉、硫酸喹啉、精氨酸、賴氨酸、組氨酸、谷氨酸等）均購自國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司； 所用試劑均為分析純，實(shí)驗(yàn)用水為超純水（18.2 MΩ cm）。

2.2 碳量子點(diǎn)（CQDs）的制備

參照文獻(xiàn)[22]的方法并稍作改進(jìn)合成CQDs，具體方法如下：取1 mL蔗糖溶液（30%）和200 μL濃H2SO4置于10 mL燒杯中，加入6 mL聚乙二醇200 （PEG 200），混合攪拌10 min，微波加熱15 s，微波爐功率為900 W，溶液由無色變?yōu)榻瘘S色即表示碳量子點(diǎn)的成功制備。將所得到的碳量子點(diǎn)溶液在5000 r/min下離心15 min以去除不溶物，并用透析袋（MWCO 1000，美國Thermo Fisher公司）在超純水中透析24 h。透析結(jié)束后，用NaOH溶液調(diào)節(jié)碳量子點(diǎn)溶液至pH 7.0，并將所制備的碳量子點(diǎn)稀釋至100 mL，4℃下保存，備用。

2.4 金納米粒子的制備

參考文獻(xiàn)[24]的方法，采用檸檬酸鈉還原法制備金納米粒子。將200 mL氯金酸（0.4 mg/mL）溶液水浴加熱至沸， 迅速加入20 mL檸檬酸三鈉溶液（11 mg/mL），并在磁力攪拌的作用下恒溫水浴30 min， 至溶液變?yōu)槌燃t色。待冷卻至室溫，過0.2 μm濾膜，得到的AuNPs溶膠于4℃下保存，備用。

2.5 精氨酸的檢測

將所制備的AuNPs溶膠（1 mL）與CQDs溶液（1 mL）進(jìn)行混合，經(jīng)充分?jǐn)嚢韬?，靜置10 min，形成AuNPs/CQDs溶液。將不同濃度的精氨酸溶液分別與AuNPs溶液（1 mL）或AuNPs/CQDs溶液混合，用磷酸鹽緩沖液（PBS， 3%， pH=4.5）稀釋至5 mL，搖勻，靜置10 min。測量混合液的熒光光譜和吸收光譜，根據(jù)熒光光譜強(qiáng)度隨精氨酸濃度變化關(guān)系建立標(biāo)準(zhǔn)曲線。

2.6 葡萄原汁中精氨酸檢測

選用某葡萄酒廠壓榨后的葡萄原汁為實(shí)驗(yàn)樣品。首先在5000 r/min下離心15 min，以除去雜質(zhì)，移取上清液， 備用。為了驗(yàn)證AuNPs/CQDs熒光傳感體系用于檢測葡萄汁中精氨酸含量的可行性，分別向?qū)嶒?yàn)樣品中加入不同濃度的精氨酸溶液， 按照2.5節(jié)所述方法進(jìn)行檢測。

3 結(jié)果與討論

3.1 CQDs和AuNPs/CQDs形貌及光譜表征

采用高分辨透射電子顯微鏡（HRTEM）對所制備量子點(diǎn)進(jìn)行表征。由圖1A可見，所制備的CQDs呈球形單分散狀態(tài)，粒徑約為3～5 nm； 由AuNPs的TEM圖（圖1B）和粒徑分布圖（圖1C）可見，AuNPs具有較好的分散性，粒徑主要分布在4.0～8.0 nm之間，平均粒徑為6.2 nm。由AuNPs/CQDs的TEM圖（圖1D）和粒徑分布圖（圖1F）可見，AuNPs/CQDs復(fù)合材料粒徑變大，粒徑主要分布在11.0～15.0 nm之間。 圖1E中0.24 nm的晶格間距與Au （111）的晶面間距相符，0.21 nm的晶格間距屬于石墨的（100）晶面[25]，這表明AuNPs成功修飾到了CQDs表面。

4 結(jié) 論

本研究制備的CQDs具有優(yōu)良的熒光性能和穩(wěn)定性，且AuNPs/CQDs材料制備方法簡單易行。利用CQDs與AuNPs間的FRET效應(yīng)和AuNPs與精氨酸間的團(tuán)聚作用，成功實(shí)現(xiàn)了精氨酸濃度的定量檢測。探針熒光強(qiáng)度與精氨酸在0.1～10.0 μmol/L濃度范圍內(nèi)具有良好的線性關(guān)系（R2=0.99），且檢出限達(dá)到5.8 nmol/L。將本方法應(yīng)用于實(shí)際葡萄汁樣品中精氨酸的檢測，回收率在105.4%～110.8%之間。 本研究為果汁中精氨酸的檢測提供了新的解決方法。

References

1 Verma N， Singh A K， Singh M. Biochem. Biophys. Rep.， 2017， 12： 228-239

2 Stasyuk N Y， Gayda G Z， Fayura L R， Boretskyy Y R. Food Chem.， 2016， 201： 320-326

3 Wang H， Liang X H， Zhao R X， Feng L D， Li H. Agric. Sci. China， 2008， 7（10）： 1210-1215

4 Gopalakrishnan V， Burton P J， Blaschke T F. Anal. Chem.， 1996， 68（19）： 3520-3523

5 Huang Z， Ough C S. Am. J. Enol. Viticul.， 1989， 40（2）： 135-139

6 Xie C， Xu N， Shao Y， He Y. Spectrochim. Acta A， 2015， 149： 971-977

7 Martínez-Perin E， Revenga-Parra M， Zamora F， Pariente F， Lorenzo E. Sens. Actuators B， 2016， 236： 773-780

8 Hoppe A， Christensen K， Swanson J A. Biophys. J.， 2002， 83（6）： 3652

9 Wang X， Xu G， Wei F， Ma Y， Ma Y， Song Y， Cen Y， Hu Q. J. Colloid Interface Sci.， 2017， 508（Suppl. C）： 455-461

10 Tian J， Wei W， Wang J， Ji S， Chen G， Lu J. Anal. Chim. Acta， 2018， 1000（Suppl. C）： 265-272

11 Chen Y J， Liu C Y， Tsai D Y， Yeh Y C. Sens. Actuators B， 2018， 259： 784-788

12 Dey D， Saha J， Roy A D， Bhattacharjee D， Hussain S A. Sens. Actuators B， 2014， 195（Suppl. C）： 382-388

13 LIU Xue-Ping， YANG Juan， BAI Yan. Chinese J. Anal. Chem.， 2016， 44（5）： 804-808

劉雪萍， 楊 娟， 白 燕. 分析化學(xué)， 2016， 44（5）： 804-808

14 Wang Y， Hu A. J. Mater. Chem. C， 2015， 2（34）： 6921-6939

15 DENG Xiao-Yan， LI Jia-Yu， TAN Ke-Jun. Chinese J. Anal. Chem.， 2014， 42（4）： 542-546

鄧小燕， 李佳渝， 譚克俊. 分析化學(xué)， 2014， 42（4）： 542-546

16 Liu T， Dong J X， Liu S G， Li N， Lin S M， Fan Y Z， Lei J L， Luo H Q， Li N B. J. Hazard. Mater.， 2016， 322： 430-436

17 XU Yue， TANG Chun-Jing， HUANG Hong， SUN Chao-Qun， ZHANG Ya-Kun， YE Qun-Feng， WANG Ai-Jun. Chinese J. Anal. Chem.， 2014， 42（9）： 1252-1258

胥 月， 湯純靜， 黃 宏， 孫超群， 張亞鯤， 葉群峰， 王愛軍. 分析化學(xué)， 2014， 42（9）： 1252-1258

18 Kudr J， Richtera L， Xhaxhiu K， Hynek D， Heger Z， Zitka O， Adam V. Biosens. Bioelectron.， 2017， 92： 133-139

19 Ganiga M， Cyriac J. Sens. Actuators B， 2016， 225： 522-528

20 Jana J， Aditya T， Ganguly M， Pal T. Sens. Actuators B， 2017， 246： 716-725

21 KE Qing-Qing， PEI Ji-Ying， YANG Fan， ZHANG Han-Chang， YANG Xiu-Rong. Chinese J. Anal. Chem.， 2014， 42（7）： 955-961

柯慶青， 裴繼影， 楊 帆， 張漢昌， 楊秀榮. 分析化學(xué)， 2014， 42（7）： 955-961

22 Gong N， Wang H， Li S， Deng Y， Chen X A， Ye L， Gu W. Langmuir， 2014， 30（36）： 10933-10939

23 Wang Q， Zheng H， Long Y， Zhang L， Gao M， Bai W. Carbon， 2011， 49（9）： 3134-3140

24 Xing H B， Wu Y G， Zhan S S， Zhou P. Food Anal. Methods， 2013， 6（5）： 1441-1447

25 Lin X， Hai X， Wang N， Chen X W， Wang J H. Anal. Chim. Acta， 2017， 992： 105-111

26 Liu R， Huang H， Li H， Liu Y， Zhong J， Li Y， Zhang S， Kang Z. ACS Catal.， 2014， 4（1）： 328-336

27 Rodzik-Czaka ， Lewandowska-ańcucka J， Gatta V， Venditti I， Fratoddi I， Szuwarzyński M， Romek M， Nowakowska M. J. Colloid Interface Sci.， 2018， 514： 479-490

28 Wang L， Liang N， Li H， Yang Y， Zhang D， Liao S， Pan B. Environ. Pollut.， 2015， 196： 379-385

29 LeCroy G E， Fernando K A S， Bunker C E， Wang P， Tomlinson N， Sun Y P. Inorg. Chim. Acta， 2017， 468： 300-307

30 Pu W， Zhao H， Huang C， Wu L， Xu D. Anal. Chim. Acta， 2013， 764： 78-83

31 Velugula K， Chinta J P. Biosens. Bioelectron.， 2017， 87： 271-277

32 Sheliakina M， Arkhypova V， Soldatkin O， Saiapina O， Akata B， Dzyadevych S. Talanta， 2014， 121： 18-23

33 Shahida Parveen S D， Affrose A， Pitchumani K. Sens. Actuators B， 2015， 221： 521-527

34 He L， So V L L， Xin J H. Sens. Actuators B， 2014， 192： 496-502

35 Zhou X， Jin X， Li D， Wu X. Chem. Commun.， 2011， 47（13）： 3921-3923

36 Yu M， Du W， Li H， Zhang H， Li Z. Biosens. Bioelectron.， 2017， 92： 385-389

37 Verma N， Singh A K， Saini N. Sens. Bio-Sens. Res.， 2017， 15： 41-45

Abstract A novel method for rapid detection of arginine based on fluorescence resonance energy transfer effect （FRET） between carbon quantum dots （CQDs） and gold nanoparticles （AuNPs） was developed. Firstly， the CQDs with excellent fluorescence properties were synthesized by one-step microwave assisted method. The AuNPs/CQDs composites were characterized and their quenching mechanism was analyzed. Then the amount of AuNPs/CQDs， the pH value and the reaction time were optimal. Under the optimum conditions， the fluorescence system was used to detect the content of arginine， showing a good linear relationship （R2=0.993） between fluorescence intensity and concentration of arginine in the range of 0.1-10.0 μmol/L， and the detection limit was 5.8 nmol/L. Finally， the content of arginine in grape juice was determined by this method with recoveries of 105.4%-110.8%， which indicated that the proposed FRET system had the potential for practical detection of arginine in fruit juice.

Keywords Arginine； fluorescent probe； Fluorescence resonance energy transfer； Carbon quantum dots； Gold nanoparticles

（Received 5 February 2018； accepted 8 April 2018）