張慧林,高藝芳,焦媛,杜芳芳,董川
(山西大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院,環(huán)境科學(xué)研究所,山西 太原 030006)
鈷離子(Co2+),作為一種重要的生物金屬元素,在人體中起關(guān)鍵作用[1]。它存在于一些有機金屬分子中,如維生素B12和酶,具有重要的生物活性[2],對許多生物合成至關(guān)重要,如核酸和氨基酸的合成。盡管Co 元素是維生素B12所必需的微量元素,但同時Co2+也被認(rèn)為是人類可能的致癌物質(zhì)[3],是水生生物的有毒元素。因此,建立一種快速方便的分析方法,高靈敏度和選擇性地檢測Co2+濃度至關(guān)重要。
到目前為止,有許多檢測Co2+的分析方法,例如原子吸收光譜法[4]、比色法[5]、化學(xué)發(fā)光[6]和熒光光譜[7]等。但是,大多數(shù)方法的缺點是pH 要求嚴(yán)格,操作復(fù)雜且成本高,從而限制了它們的應(yīng)用[8]。而熒光分析法由于靈敏度高、選擇性好、操作簡單成為檢測Co2+的有效分析方法。納米材料的獨特性質(zhì),為熒光分析法的發(fā)展發(fā)揮了重要作用。
碳點(CDs)作為碳納米家族中的重要的成員之一,因其具有良好的光穩(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn)定性[9-10]、生物相容性[11]和低毒性[12]等特性,已應(yīng)用于許多領(lǐng)域,包 括 生 物 成 像[13-14]、光 學(xué) 傳 感[15-17]、藥 物 遞送[18-19]等。例如,Chen[4]等人通過水熱法合成了氮摻雜熒光碳點并用于溶液中Co2+有效檢測。Yang等人[1]合成了磷摻雜碳點來實現(xiàn)了在細(xì)胞中有效檢測Co2+。但目前大部分文獻(xiàn)報道的碳點的合成方法復(fù)雜且耗時長,波長主要集中在藍(lán)色發(fā)射區(qū)域,這嚴(yán)重限制了它們在實際樣品中的應(yīng)用。因此,一種快速簡單的合成方法制備長波長的碳點(黃色和紅色發(fā)射波長)備受期待。
本文以葡萄糖為碳源,天冬氨酸為氮源,通過一鍋法快速簡便地合成了氮摻雜的黃綠色碳點。該碳點對Co2+呈現(xiàn)良好分析特性,在0.34 μmol/L~120 μmol/L 范圍內(nèi)具有良好的線性關(guān)系。干擾實驗表明,N-CDs 具有良好的選擇性。N-CDs 可應(yīng)用在紙傳感中,實現(xiàn)Co2+的快速簡便的檢測。此外,由于良好的生物相容性和較低的毒性,N-CDs還能用于細(xì)胞成像。在生物傳感和生物成像領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價值。
試劑:葡萄糖,天冬氨酸,氫氧化鈉(NaOH),氯化鉀(KCl),氯化鈉,氯化鈷,磷酸二氫鈉,磷酸氫二鈉及羅丹明6G 購自阿拉丁試劑公司,常見金屬離子鹽購自北京恒興化學(xué)試劑公司。所用試劑均為分析純。實驗用水為二次蒸餾水。
儀器:JEM-2100 場發(fā)射透射電子顯微鏡(JE?OL,日本電子光學(xué)公司));Tensor-27 紅外光譜儀(德國Bruker 公司);AXIS ULTRA DLD 型X-射線光電子能譜儀(英國Kratos 公司);CARY-Eclipse熒光分光光度計(美國VARIAN 公司);Lambda 365 紫外可見分光光度計(美國PerkinElmer);Ther?mo scientific Cimarec 加熱磁力攪拌器(上海賽默飛世爾科技有限公司)。
準(zhǔn)確稱取0.32 g 天冬氨酸和0.45 g 葡萄糖置于燒杯中,隨后注入3 mL 氫氧化鈉(1 mol/L)水溶液,充分?jǐn)嚢?,得到無色透明溶液;然后將裝有溶液的燒杯放置于油浴中,加熱攪拌至150 ℃反應(yīng)30 min~40 min,得到黃棕色固體;從油浴中取出燒杯,自然冷卻,向其中加入20 mL 二次水,攪拌溶解得到棕黃色溶液,過濾去除不溶物得到澄清的深棕色溶液,通過500 Da~1 000 Da 的透析袋,放置在1 000 mL 燒杯中透析處理1 d 去除雜質(zhì),每隔6 h 換次水,即得到純凈的N-CDs的水溶液;然后將上述N-CDs 水溶液冷凍干燥后得到淺棕色N-CDs 固體。以備進(jìn)行后續(xù)試驗。
N-CDs 的QY 由廣泛接受的相對方法測定。具體地,選擇羅丹明6G(QY = 95%)作為參考。樣品的QY 根據(jù)以下等式計算:
其中φ 是測試樣品的QY,I是測試樣品的積分發(fā)射強度,η 是折射率(水為1.33,乙醇為1.36),A是吸光度。主要符號(′)指已知QY 的參照物。為了使重吸收效應(yīng)最小化,在激發(fā)波長下吸收總是保持在0.1 以下。
先將N-CDs 配制成50 mg/mL 的母液,于常溫下保存。在石英比色皿中加入3 mL 二次水中和30 μL N-CDs 母 液,得 到0.5 mg/mL 的N-CDs 溶 液。然后,在比色皿中加入20 μL CoCl2(0.1 mol/L)溶液并輕輕混合10 s,最后在455 nm 的激發(fā)波長下測量熒光發(fā)射光譜。另外,加入20 μL 其他各種常見金屬離子代替CoCl2,研究N-CDs 對Co2+的選擇性。所有測量均重復(fù)3 次,并室溫下進(jìn)行。
將纖維素基濾紙在N-CDs 溶液中潤濕染色并呈現(xiàn)綠色熒光。1 min 后,從溶液中取出濾紙并在空氣中干燥。用這種方式將包括CoCl2在內(nèi)的常見金屬離子(Co2+,Ag+,F(xiàn)e2+,F(xiàn)e3+,Ba2+,Al3+,Mn2+,K+,Na+,Ca2+,Zn2+,Mg2+,Pb2+,Cr3+,Cd2+,Hg2+,Ni2+,Co3+)的水溶液染色在含有NCDs 的試紙上。在具有365 nm 激發(fā)的紫外燈下觀察測試濾紙上的熒光變化。進(jìn)一步將不同濃度的CoCl2染色在含有N-CDs 的試紙上,在365 nm 激發(fā)的紫外燈下觀察測試濾紙上的熒光變化。
SMCC 7721細(xì)胞培養(yǎng)于含有體積10%胎牛血清、100 U/mL 青霉素、100 μg/mL 鏈霉素的DMEM 培養(yǎng)基,置于37 ℃、體積分?jǐn)?shù)5 % CO2的培養(yǎng)箱中培養(yǎng),2 d~3 d 傳代1 次。取對數(shù)生長期的細(xì)胞,以細(xì)胞數(shù)8×104/mL 接種于96 孔培養(yǎng)板內(nèi)(100 μL 孔),常規(guī)培養(yǎng)24 h 后,將細(xì)胞分為空白對照組、給藥組,每組設(shè)復(fù)孔6 個。作用24 h 后,去掉孔中液體,每孔加入含0.5 mg/mL MTT 的DMEM 培養(yǎng)基100 μL,繼續(xù)培養(yǎng)4 h 后,吸棄上清液,每孔加入DMSO 100 μL 溶解沉淀物,微孔板振蕩器混勻10 min,酶標(biāo)儀570 nm 測定吸光度(OD)值。MTT 法檢測細(xì)胞的存活率,按下式計算,細(xì)胞存活率(%)=(OD 實驗組-OD 空白對照/(AOD 正常對照組-OD 空白對照組)×100%,實驗重復(fù)3 次。
用上述方法將SMMC 7721 細(xì)胞培養(yǎng)48 h。用PBS 緩沖液(pH = 7.4)洗滌后,將SMMC 7721 細(xì)胞與典型的巰基阻滯劑N-乙基馬來酰亞胺(NEM,1.0 mmol/L)孵育30 min。隨后,在37 ℃下再引入200 μL N-CDs 水溶液1 h,然后用上述PBS 緩沖溶液洗滌細(xì)胞3 次。立即,在激光掃描共聚焦顯微鏡(LSCM)上獲取熒光圖像。向PBS 緩沖溶液中分別加0.01 mol/ L Co2+儲備溶液10 μL,30 μL,繼續(xù)在激光掃描共聚焦顯微鏡上獲取熒光圖像。
合成的N-CDs 用透射電子顯微鏡(TEM)測定N-CDs 的粒度和形態(tài)。如圖1a 所示,碳納米顆粒幾乎是球形的。根據(jù)100 個納米粒子的粒徑統(tǒng)計分析結(jié)果,它們的粒徑分布很窄(圖1b),平均直徑在2.1 nm 左右,而且粒子有明顯的晶格,間距為0.21 nm,這表明合成的N-CDs 具有晶體結(jié)構(gòu)。
然后,利用傅里葉變換紅外光譜(FTIR)和X 射線光電子能譜(XPS),對N-CDs 的表面組成和元素進(jìn)行分析。FTIR 主要用于鑒定CDs 表面上存在的官能團。如圖1d 所示,在3 373 cm-1處的寬吸收峰歸因于-N-H。并且在3 111 cm-1處的吸收峰歸因于O-H 伸縮振動[20]。 2 995 cm-1處的小峰歸因于C-H 的伸縮振動。將約1 610 cm-1處的典型吸收帶可以認(rèn)為C=O 和C=C 拉伸。并且觀察到在1 401 cm-1處雜環(huán)中C-N 帶的典型拉伸模式。1 000 cm-1~ 1 200 cm-1處的峰歸因于C-O 和CO-C 鍵[21]。
此外,對于XPS 光譜,元素分析表明N-CDs 主要包括C、O、N 和H 四種元素。其中N 元素占比4.18%,C 元素占36.08%,O 元素占54.44%以及氫5.30%。圖1c 中顯示的完整光譜表明,全光譜呈現(xiàn)C,O,N 三個典型峰[22],在圖1c 中,在285.0 eV,400.0 eV 和532.0 eV 的峰值 分別對應(yīng)C 1s,N 1s和O 1s。圖2a 顯示了N-CDs 的高分辨率XPS C 1s峰。分峰結(jié)果如下:在O 1s 譜中位于284.3 eV,284.8 eV,286.6 eV 處的峰分別歸屬于C-C / C=C,C-O-C / C-OH,C-N / C-S,C=O 和-COOH 的特征峰。在N 1s 光譜中(圖2b),40.2 eV,400.0 eV 和399.1 eV 處的特征峰歸屬于吡咯N,吡啶N 和氨基N。同時,高分辨率O 1s XPS 光譜(圖2c)顯 示 在532 eV 和533 eV 處C=O 和C-OH /C-O-C 的峰。XPS 結(jié)果進(jìn)一步證實N-CDs 表面存在羥基,羧基和氨基等部分官能團,并且N 原子成功摻雜到N-CDs 的表面上。XPS 光譜的結(jié)果與FTIR 的結(jié)果一致。
圖2 N-CDs 的高分辨率C 1s,N 1s 和O 1s 的X 射線光電子能譜(a)N-CDs 的C 1s X 射線光電子能譜;(b)N-CDs 的N 1s X 射線光電子能譜;(c)N-CDs 的O 1s X 射線光電子能譜Fig. 2 High-resolution XPS(a)C 1s,(b)N 1s and(c)O 1s spectra of N-CDs
N-CDs 的光學(xué)性質(zhì)包括UV-Vis 吸收,熒光光譜(FL),量子產(chǎn)率(QY),熒光壽命和穩(wěn)定性。如圖3a 所示,濃度為0.5 mg/mL N-CDs 水溶液在295 nm 處顯示出特征吸收峰,這可歸因于C=O 的nπ*躍遷和由N 誘導(dǎo)的激發(fā)缺陷表面態(tài)的出現(xiàn)[23]。在455 nm 的激發(fā)波長下,N-CDs 顯示以545 nm 為中心的良好分辨的熒光發(fā)射。圖3b 為N-CDs 在不同激發(fā)波長下的發(fā)射光譜圖的歸一化譜圖。由圖可以看出從350 nm~550 nm 的激發(fā)波長范圍內(nèi),發(fā)射波長從491 nm 移動到596 nm,紅移了105 nm,具有激發(fā)波長依賴性
圖3 N-CDs 的光學(xué)特性圖。(a)N-CDs 的紫外吸收和熒光最佳激發(fā)發(fā)射光譜(0.5 mg/mL);(b)在350 nm~550 nm 的激發(fā)波長下N-CDs 的發(fā)射光譜(0.5 mg/mL)Fig. 3 (a)UV-vis absorption,fluorescence excitation,and emission spectra of N-CDs in aqueous solution(0.5 mg/mL).(b)Under the excitation from 350-550 nm λex-dependent fluorescence behavior of N-CDs(0.5 mg/mL)
以羅丹明-6G 作為參考,通過計算,N-CDs 的相對量子產(chǎn)率(QY)為8.2%。此外,N-CDs 的熒光衰減曲線符合雙指數(shù)公式,計算的平均壽命約為3.98 ns(圖4a)。另外,離子強度對N-CDs 熒光性能的影響如圖4c 所示。在0.01 mol/L~1 mol/L 的NaCl 范圍內(nèi),熒光強度幾乎沒有變化,與此同時在pH 1~14 范圍內(nèi),熒光強度也幾乎不受影響(圖4b)。即使暴露于氙弧光下180 min 后,幾乎沒有明顯變化(圖4d),這表明N-CDs 具有良好的發(fā)光穩(wěn)定性。這為其應(yīng)用提供了基礎(chǔ)。
圖4 N-CDs 的光學(xué)穩(wěn)定性圖。(a)N-CDs 和在Co2+存在下N -CDs 的熒光壽命;(b)0.5 mg/mL 的N-CDs 在不同pH 下的相對熒光發(fā)射強度;(c)在不同鹽離子濃度下的相對熒光發(fā)射強度;(d)N-CDs 被氙燈持續(xù)照射時的熒光發(fā)射強度變化Fig. 4 (a)Fluorescence lifetime of N-CDs and N-CDs in the presence of Co2+;(b)Fluorescence intensity of 0.5 mg/mL N-CDs at different concentrations of NaCl;(c)Fluorescence intensity of 0.5 mg/ml N-CDs under different pH;(d)Fluorescence intensity of N-CDs under continuously irradiated by xenon lamp
選擇性是評價探針的傳感性能的另一個重要參數(shù)。在相同條件下檢測加入常見的代表性金屬離子(Ag+,F(xiàn)e3+,Mg2+,Mn2+,Na+,K+,Ca2+,Cu2+,Zn2+,Ni2+,F(xiàn)e2+,Co3+,Cd2+,Pb2+和Hg2+)研究其對N-CDs 的熒光強度的影響。如圖5a 所示,Co2+能夠?qū)-CDs 的熒光明顯猝滅,而其他陽離子對NCDs 的熒光強度沒有明顯的影響。此外,我們還考察了在其他金屬離子共存的條件下,N-CDs 抗干擾的能力。如圖5b 所示當(dāng)體系中存在相同濃度的其他金屬離子時,并不會對Co2+產(chǎn)生明顯的干擾,說明N-CDs 能夠選擇性檢測Co2+。圖5c 所示隨著Co2+濃度的增加,N-CDs 在545 nm 處熒光強度逐漸減弱,直至猝滅。同時Co2+的濃度與體系的F0/F在0.34 μmol/L~120 μmol/L 的 范 圍 內(nèi) 具 有 良 好的線性關(guān)系(圖5c),其檢測限為0.074 μmol/L(S/N=3)。此外,我們對比了不同方法對Co2+的檢測性能(表1)。從表中可以看出,本文合成的N-CDs能夠高靈敏高選擇性響應(yīng)Co2+,線性范圍較寬,具有相對較低的檢出限0.074 μmol/L。
表1 不同方法對Co2+檢測性能的比較Table 1 Comparison among Co2+ detection performance of different methods
圖5 N-CDs 的選擇性和抗干擾性,不同濃度Co2+的熒光滴定和F0/F 和Co2+的線性關(guān)系圖。(a)N-CDs 的金屬離子選擇性;(b)N-CDs 在其他常見金屬離子共存條件下對Co2+的熒光響應(yīng);(c)在0 μmol/L~211 μmol/L Co2+N-CDs 濃度下N-CDs 的熒光發(fā)射光譜;(d)0.34 μmol/L~120 μmol/L 的濃度范圍內(nèi)F0/F 和Co2+濃度的線性關(guān)系Fig. 5 (a)Selectivity analysis for Co2+detection by the relative FL intensity of N-CDs;(b)Fluorescence response of the N-CDs at 545 nm in the presence of different metal ions with(red sign)and without(black sign)Co2+. (c)Fluorescence emission spectra of NCDs upon addition of various concentrations of Co2+(from top to bottom,0-211 μmol/L);(d)The linear relationship between F0/F andCo2+concentration from 0.34-120 μmol/L
為了更好地理解Co2+對N-CDs 的猝滅作用,在N-CDs和N-CDs/Co2+熒光壽命實驗中,如圖4a所示,N-CDs 和加入50 μLCo2+后,通過雙指數(shù)函數(shù)擬合熒光衰減曲線,得到N-CDs 和N-CDs/Co2+平均壽命分別為3.98 ns和3.86 ns,沒有發(fā)生明顯的變化,說明NCDs 的熒光猝滅類型可以歸為靜態(tài)猝滅,可能形成NCDs-Co2+的復(fù)合物。同時也考察了不同濃度的Co2+對N-CDs 的UV-Vis 吸收光譜圖的影響。如圖6a 所示,隨著Co2+濃度的逐漸增加,位于295 nm 處的吸收峰的位置藍(lán)移了約22 nm,強度逐漸降低,而在505 nm左右出現(xiàn)新的吸收峰。在不同溫度下Co2+濃度與NCDs 的F0/F的線性關(guān)系如圖6c 所示,在不同溫度下,隨著Co2+濃度的增加,F(xiàn)0/F值逐漸增加,且符合方程F0/F=1+K[Q],當(dāng)體系溫度從25 ℃升高至35 ℃時,猝滅常數(shù)從11×103L/mol 降低到7.6×103L/mol,證明了Co2+對N-CDs 的猝滅為靜態(tài)猝滅。加入5 μL 0.1 mol/L 的Co2+后N-CDs 的Zeta 電位 從-5.85 mV 變?yōu)榱?3.12 mV(圖6d)??赡苁怯捎谝肓薈o2+導(dǎo)致N-CD 表面的羥基、羧基或其他帶負(fù)電荷的基團被消耗。N-CDs 和N-CDs/Co2+的FT-IR 對比圖6b 所示,加入Co2+后N-CDs 的3 111 cm-1處的峰強度明顯降低,而1 610 cm-1和1 401 cm-1處的峰分別移至1 620 cm-1和1 380 cm-1。這表明了熒光猝滅可能部分是由于Co2+與N-CDs 上的羥基和羧基配位[4]。
圖6 N-CDs 檢測Co2+的機理探討(a)0.67 μmol/L~83 μmol/L Co2+濃度下的N-CDs 紫外吸收強度圖;(b)加入Co2+前后N-CDs 的紅外光譜;(c)不同溫度下F0/F 與Co2+濃度的線性關(guān)系;(d)加入1μmol/L Co2+前后N-CDs 的Zeta 電位Fig. 6 (a)UV-Vis absorption spectra of the N-CDs and the N-CDs in the presence of Co2+(0.67-83 μmol/L);(b)FT-IR spectra of N-CDs and N-CDs in the presence of Co2+;(c)The linear relationship between F0/F and the concentrations of Co2+at 25 ℃and 35 ℃;(d)The zeta potential of N-CDs and N-CDs/Co2+
本研究進(jìn)一步拓展到紙基傳感中的應(yīng)用。由于纖維素濾紙,成本低,易于操作,所以用濾紙作為研究的載體。如圖7a 所示,在激發(fā)波長為365 nm的紫外燈下觀察,N-CDs 染色的濾紙呈現(xiàn)黃綠色熒光。將常見金屬離子溶液(0.05 mol/L)分別浸潤在含有N-CDs 的濾紙片上。在紫外燈下觀察,除了Co2+外,在存在其他金屬離子的情況下,幾乎沒有觀察到N-CDs 染色的濾紙片上熒光顏色變化,表明了N-CDs 紙基傳感器對Co2+具有高的選擇性。并且將不同濃度的Co2+分別滴在N-CDs 處理的紙片上時,隨著Co2+濃度的增加,濾紙片上的黃綠色熒光的強度逐漸減弱(圖7b)。這一結(jié)果與在水溶液中的現(xiàn)象相符,說明N-CDs 可以實現(xiàn)半定量紙質(zhì)傳感,為Co2+的快速檢測提供了一張快速簡便的分析方法。
圖7 N-CDs 染色濾紙片對不同濃度Co2+的傳感Fig. 7 Images of the N-CDs/Co2+dyed paper sensor strips under various anion conditions
通過MTT 分析評估N-CDs 對SMCC 7721 細(xì)胞的細(xì)胞毒性。如圖8 所示,MTT 研究表明,當(dāng)NCDs 濃度高達(dá)1 000 μg/mL 時,細(xì)胞的平均存 活率大于88%。這表明N-CDs 毒性小,對SMCC 7721細(xì)胞表現(xiàn)出良好的細(xì)胞活力,可將其用于細(xì)胞成像。
圖8 SMMC 7721 細(xì)胞與不同濃度N-CDs 孵育24h 后的存活率Fig. 8 SMMC 7721 Cellular viability incubated with N-CDs at different concentrations for 24 h
圖9 為200 μg/mL 的N-CDs 標(biāo) 記 的SMCC 7721 細(xì)胞的熒光成像結(jié)果(a 為明場成像結(jié)果;b 為暗場成像結(jié)果;c 為明、暗場疊加成像結(jié)果)。如圖所示,N-CDs 能輕易透過SMCC 7721 細(xì)胞膜進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)區(qū)域,發(fā)出黃綠色熒光且保持良好的形態(tài),表明N-CDs 具有良好的生物相容性。在488 nm 的激發(fā)波長下,細(xì)胞發(fā)出明亮的熒光,且細(xì)胞輪廓清楚,發(fā)光強度穩(wěn)定,且如圖9(g)-(i)所示,在408 nm、488 nm 和514 nm 激發(fā)下細(xì)胞呈現(xiàn)出不同的熒光顏色,在408 nm、488 nm 和514 nm 激發(fā)下細(xì)胞呈現(xiàn)出不同的熒光顏色,說明N-CDs 對細(xì)胞有很好的光學(xué)成像效果,在細(xì)胞成像方面具有潛在的應(yīng)用價值。如圖9(d)-(f)所示,將200 μL 的N-CDs 與細(xì)胞共孵育1 h 后,在激光共聚焦顯微鏡下觀察。在Co(II)加入后,隨著Co(II)逐漸進(jìn)入到細(xì)胞內(nèi),細(xì)胞的熒光逐漸減弱,形態(tài)沒有發(fā)生明顯的變化,因此,N-CDs 具有在活細(xì)胞內(nèi)檢測Co(II)的潛在應(yīng)用。
圖9 N-CDs 在SMCC 7 721 細(xì)胞中激光激發(fā)下的共聚焦熒光圖像(a)明場;(b)暗場;(c)疊加場(d)-(f)為分別加入0 μL,10 μL 和30 μL Co2+后細(xì)胞的熒光成像;(g)408 nm 激發(fā)(h)488 nm 激發(fā)和(i)514 nm 激發(fā)下的細(xì)胞成像(比例尺為20 μm)Fig. 9 Fluorescence imaging of SMCC 7 721 cells treated with N-CDs. (a)bright field,(b)under 488 nm excitation,(c)overlay images of(a,b);Fluorescence imaging of cells after adding 0 μL(d),10 μL(e),and 30 μL(f)Co2+,respectively;(g)under 408 nm,(h)under 488 nm,and(i)under 514 nm excitation,(Scale bar:20 μm)
本文通過以D-葡萄糖和L-天冬氨酸為前體直接一鍋法合成了N-CDs,構(gòu)建了用于高靈敏度和高選擇性識別Co2+的分析方法。該探針在0.34 μmol/L~120 μmol/L 的范圍內(nèi)具有良好的線性關(guān)系。N-CDs 已成功應(yīng)用于基于紙張的Co2+離子檢測,提供了一種簡便易行的Co2+檢測方法。另外,該探針還擴展到細(xì)胞成像。為環(huán)境和生物傳感應(yīng)用提供了平臺。