有色金属材料与工程  2024, Vol. 45 Issue (2): 55-61    DOI: 10.13258/j.cnki.nmme.20230320001   PDF    
抗生素亚胺培南探针分子设计及传感性能研究
朱彦西1, 陈爱英1, 毛燕飞2    
1. 上海理工大学 材料与化学学院, 上海 200093;
2. 上海交通大学医学院附属新华医院 麻醉与重症医学科, 上海 200092
摘要:抗生素亚胺培南(imipenem,IPM)用药治疗败血症患者感染需要快速做出反应,目前的血药监测方法严重延迟药物注射。设计金属元素掺杂型石墨烯量子点(graphene quantum dots,GQDs),可实现荧光法快速测定IPM和开辟荧光法检测抗生素的新途径。采用水热法制备了铁掺杂GQDs (Fe-GQDs),用于快速探测IPM。采用透射电子显微镜(transmission electron microscopy,TEM)、X射线光电子能谱(X-ray photoelectron spectroscopy,XPS)以及荧光光谱等方法,探讨不同铁源起始剂对GQDs荧光性能及传感性能的影响,并分析了乙酸铁为铁源制备的Fe-GQDs的微观结构及荧光性能。结果表明:以乙酸铁为起始剂制备的Fe-GQDs荧光性能最佳,且对IPM具有显著的荧光淬灭效应。所制备的Fe-GQDs荧光淬灭强度(F/F0)与IPM浓度(concentration,C)呈线性关系,线性方程为${F/}{{F}}_{\text{0}}\text{= 0.983}-\text{4.23 ×}{\text{10}}^{-3}\text{}$C,线性相关系数(R2)为 0.997,线性范围为0.007~0.073 g/L。Fe-GQDs探针分子对血浆中常见有机分子和金属离子具有良好的抗干扰性,检测IPM误差为1.6%~4.6%。
关键词石墨烯量子点    掺杂    抗生素    荧光性能    传感特性    
Design and sensing property of probe molecular for imipenem antibiotic
ZHU Yanxi1, CHEN Aiying1, MAO Yanfei2    
1. School of Materials and Chemistry, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China;
2. Department of Anesthesiology and Surgical Intensive Care Unit, Xinhua Hospital Affiliated to Shanghai Jiao Tong University School of Medicine, Shanghai, 200092, China
Abstract: Medication management of antibiotic imipenem (IPM) in the treatment of sepsis infection requires rapid response, however, the current monitoring methods of blood drugs severely delay drug injection. The aim of this work is to design metal element doped graphene quantum dots (GQDs), which can rapidly detect IPM by fluorescence method, opening up a new way for fluorescence detection of antibiotics. Iron doped GQDs (Fe-GQDs) were prepared by hydrothermal method for rapid detection of IPM. The effects of different precursors of iron sources on the fluorescence and sensing performance of GQDs were investigated using transmission electron microscopy (TEM), X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), fluorescence spectroscopy, etc. The microstructure and fluorescence properties of Fe-GQDs prepared with iron acetate were analyzed. The results showed that Fe-GQDs prepared with iron acetate as the precursor exhibited the best fluorescence performance and a significant fluorescence quenching effect on IPM. The fluorescence quenching intensity (F/F0) of the as-prepared Fe -GQDs was linearly related to the concentration (C) of IPM, where the linear equation was $ {F/}{{F}}_{\text{0}}\text{}\text{=}\text{}\text{0.983}-\text{4.23}\text{}\text{×}{\text{}\text{10}}^{-3}{C} $ with a linear correlation coefficient (R2) of 0.997 and a linear range of 0.007-0.073 g/L. The Fe-GQDs probe molecules delivered a good anti-interference performance against common organic molecules and metal ions in plasma with a detection error of 1.6%-4.6% for sensing IPM.
Key words: graphene quantum dots    doping    antibiotics    fluorescence performance    sensing property    

石墨烯量子点(graphene quantum dots, GQDs)作为粒径小于10 nm的新型零维纳米材料,具有制备简单、生物相容性好、表面基团易于功能化、荧光特性优良[1]等特点,使其在分析检测[2-3]、生物成像[4-5]、光电器件等方面表现出良好的应用前景。众多的研究表明元素掺杂可有效提高GQDs的荧光性能,如氮[6]、银[7]、锰[8]等,同时赋予GQDs在荧光检测[9]方面的灵敏性和特异性。

亚胺培南(imipenem, IPM)作为临床抗生素的典型药物之一,常作为败血症患者因革兰阳性菌、阴性菌、厌氧菌所致的呼吸道感染、泌尿系统和腹腔感染等的治疗用药[10]。在制药和生物系统中测定IPM的方法很多,包括高效液相色谱法(high performance liquid chromatography, HPLC)[11]、液相色谱质谱联用(liquid chromatography mass spectrometry, LC-MS)[12]等,但都存在检测时间长、操作复杂等缺点。延迟用药管理可导致过度用药或疗效不佳,进而影响患者生命。因而,发展简单快速检测IPM方法具有重要的临床意义。目前,少见报导荧光法检测IPM,这是由于缺少特异性的IPM探针分子所致。

本文设计了一种铁掺杂GQDs (Fe-GQDs),其对IPM表现出特异性荧光猝灭性能。作为IPM的传感探针分子,具有突出的选择性和灵敏度。相比于HPLC等方法,Fe-GQDs荧光分子探测IPM方便快捷,从取血样到检测完毕可在5 min完成。该探针能够快速检测IPM,为抗生素药物检测提供了新方向。

1 实 验 1.1 主要试剂与仪器

氧化石墨烯(graphene oxide,GO)购置于苏州恒球科技公司,质量分数为30%的H2O2、葡萄糖、甘氨酸、尿酸、尿素、抗坏血酸、KCl、NaCl、无水CaCl2、MgCl2、ZnCl2购置于国药集团化学试剂有限公司;乙酸铁、卟啉铁、柠檬酸铁、硝酸铁、间苯二胺(m-phenylenediamine,MPD),购置于上海阿拉丁生化科技股份有限公司;磷酸盐缓冲液(0.01 mol/L,pH = 7.4)购自武汉赛维尔生物科技有限公司;实验室用水为超纯水。利用RF-5301PC荧光分光光度计测量荧光光谱、紫外–可见吸收光谱由Perkin Elmer Lambda 750S紫外–可见分光光度计测试、拉曼光谱由Horiba Jobin Yvon HR800拉曼光谱仪测试;微观形貌利用Philips−FEI TECNAI F30透射电子显微镜(transmission electron microscopy,TEM)观察;表面形貌用Bruker Dimension Icon原子力显微镜(atomic force microscopy,AFM)表征;X射线光电子能谱(X-ray photoelectron spectroscopy,XPS)用ESCALAB−250XI测试分析。

1.2 Fe-GQDs制备

在10 mL的GO水溶液中加入15 mg乙酸铁和1 mL 30%H2O2溶液,经过超声分散均匀后,放入聚四氟乙烯反应釜中180 ℃反应8 h,得到溶液A。然后将反应好的溶液A按体积比为1∶5的比例用超纯水稀释后,再取10 mL,加入20 mg的MPD,溶解后,转入聚四氟乙烯反应釜中180 ℃反应12 h。取上清液过滤,得到Fe-GQDs溶液。同理,以卟啉铁、柠檬酸铁、硝酸铁为铁源替换乙酸铁,重复实验步骤,分别得到的FB-GQDs、FN-GQDs和FX-GQDs。

1.3 亚胺培南的检测

采用PBS缓冲溶液按体积比为1∶5的比例稀释掺杂型GQDs溶液。在室温下,激发波长为342 nm,发射波长为434 nm,测量荧光光谱的初始荧光强度(F0)。在相同的条件下,分别滴入配置的一系列不同浓度(concentration,C)的IPM标准溶液(0~0.13 g/L),并分别测量其荧光强度(fluorescence intensity,F),得到IPM的线性标准曲线。

2 结果与讨论 2.1 不同铁源制备的GQDs的荧光性能

不同铁源(乙酸铁、卟啉铁、柠檬酸铁、硝酸铁)制备Fe-GQDs、FB-GQDs、FN-GQDs、FX-GQDs的荧光光谱图见图1。其中以乙酸铁为铁源合成的Fe-GQDs的F最强。所合成的GQDs均为淡黄色溶液,在紫外光照射下,发射强蓝色荧光,见表1所示。采用同条件下在GQDs中加入浓度为0.02 g/L的IPM来测定F,分析不同铁源的GQDs对IPM荧光淬灭现象。结果表明,以乙酸铁为铁源合成的Fe-GQDs荧光性能最佳,淬灭强度(F/F0)最为明显为0.898 4,表明其对IPM灵敏度最佳。其中,3种铁基有机化合物中,卟啉铁与铁的络合效应最强,其次是柠檬酸铁和乙酸铁。因此,乙酸铁中铁离子可能更易与GO形成新的络合物,制备的Fe-GQDs荧光性能最佳,对IPM表现出显著荧光淬灭效应。而无机盐硝酸铁可能因其氧化性太强,导致其F下降,具体机制尚需进一步研究。

图 1 不同铁源合成的GQDs的荧光光谱图 Fig. 1 Fluorescence performances of GQDs synthesized from different iron sources

表 1 不同铁源合成的GQDs对IPM的灵敏度 Tab. 1 Sensitivity of GQDs synthesized from different iron sources to IPM
2.2 Fe-GQDs的表征

Fe-GQDs样品的UV-Vis和荧光光谱谱图见图2(a)。在UV-Vis中,290 nm出现的强吸收峰可归因于C=O键的π − π*跃迁[13],而360 nm处有一个弱吸收峰,是GQDs中C=N键的n − π*跃迁导致[14]。根据Fe-GQDs的荧光激发光谱和发射光谱得出,最大激发波长为342 nm,最大发射波长为434 nm。Fe-GQDs的Raman光谱图见图2(b),分别在1 355 cm−1 (D峰)和1 566 cm−1 (G峰)处有两个峰。其中,D峰代表的是C原子晶格缺陷,G峰代表C原子sp2杂化面的伸缩振动。拉曼光谱表明两步水热法合成的GQDs含有大量缺陷结构。

图 2 Fe-GQDs的紫外吸收光谱图和拉曼光谱图 Fig. 2 UV-Vis absorption spectra and Raman spectra of Fe-GQDs

图3(a)和(b)给出Fe-GQDs的形貌,可以发现合成的Fe-GQDs呈球形,晶格间距为0.33 nm,对应石墨的(002)平面间距[15]。而Fe-GQDs的AFM图(见图3c和d)给出了同样的球形形貌,颗粒厚度在0.2~1.7 nm范围内,对应于1~6个石墨烯层。

图 3 Fe-GQDs的形貌及微观结构图 Fig. 3 Morphology and microstructure of Fe-GQDs

使用XPS对Fe-GQDs的化学状态进行表征。图4(a)为XPS全谱图,在284.8、399.5、532.4 eV有强峰,分别对应C 1s、N 1s、O 1s。图4(b)为 Fe-GQDs的C 1s谱,可以拟合成两个化学键,其中284.9 eV峰为C=C/C=O键[16],286.1 eV峰为C―O键[17]。N 1s的光谱图中于399.1、401.5 eV处有两个明显的峰(见图4c),分别为吡啶氮和石墨氮[18-19]。此外,图4(d)中的O 1s于532.2 eV出现峰,归因于C=O键[20]。XPS全谱中Fe的信号很微弱,在842.1 eV处。

图 4 Fe-GQDs的XPS谱图 Fig. 4 XPS spectra of Fe-GQDs
2.3 IPM检测

为了考察Fe-GQDs检测IPM的准确性和灵敏度,将不同浓度IPM (0~0.13 g/L)加入Fe-GQDs溶液,如图5(a)、(b)所示。随着IPM浓度增加,F保持下降趋势,IPM浓度及Fe-GQDs的F变化呈线性关系,线性回归方程为${F/}{{F}}_{\text{0}}\text{}\text{=}\text{}\text{0.983}- \text{4.23}\text{}\text{×}{\text{}\text{10}}^{-3}\text{}$C,线性相关系数R2为0.997,线性浓度范围为0.007~0.073 g/L,检测限为0.005 g/L。荧光分子探针的荧光检测可在1 min内响应,且F在10 min内保持稳定。

图 5 Fe-GQDs对IPM的干扰性能 Fig. 5 Selectivity testing of Fe-GQDs to IPM

为了评估Fe-GQDs探针对IPM的选择性,分别加入有机分子和金属离子,例如甘氨酸、抗坏血酸、L-半胱氨酸、尿酸、尿素、葡萄糖、Ca2+、K+、Mg2+、Na+、CI、Zn2+。干扰物浓度为0.02 g/L,进行选择性试验。如图5(c)和(d)所示,Fe-GQDs仅被IPM猝灭,其他有机物和金属离子对荧光猝灭的影响可以忽略不计,荧光淬灭比值(F/F0)基本保持不变,检测IPM误差为1.6%~4.6%。这些结果证实了Fe-GQDs对IPM有优异的选择性。

3 结 论

合成了掺杂铁的石墨烯量子点作为探针分子,用于检测IPM。通过优化不同铁源,得到以乙酸铁为铁源合成的Fe-GQDs探针在荧光性能和对IPM检测性能方面均为最佳。Fe-GQDs对IPM具有灵敏检测性能,在0.007~0.073 g/L的范围内线性良好,线性方程为${F/}{{F}}_{\text{0}}\text{= 0.983}-\text{4.23 ×}{\text{10}}^{-3}\text{}$C,线性相关系数R2为0.997。Fe-GQDs探针分子对血浆中常见有机分子和金属离子具有良好的抗干扰性,检测IPM误差为1.6%~4.6%。Fe-GQDs的荧光光谱检测可在1 min内测定完成,可实现快速检测IPM。

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