利用Sc3+对金纳米团簇进行表面配位工程改造，以实现吡哆醛5′-磷酸的选择性荧光检测

《Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy》：Surface coordination engineering of gold nanoclusters with Sc3+ for selective fluorescent detection of pyridoxal 5′-phosphate

　　

黄世辉|林晓燕|林世燕|杨志强|黄开元|陈伟|邓浩华

福建省高等学校纳米生物医学技术重点实验室，福建医科大学药学分析系，福州350004，中国

摘要

吡哆醛5′-磷酸（PLP）是维生素B₆的活性辅酶形式，在多种代谢途径中起着不可或缺的作用，其异常水平与多种疾病密切相关。本文基于6-氮杂-2-硫代胸腺嘧啶稳定的金纳米簇（ATT-AuNCs）的表面配位工程，通过Sc³⁺介导的竞争性配位策略，开发了一种快速灵敏的PLP检测荧光传感平台。在筛选的16种稀土离子中，Sc³⁺对ATT-AuNCs的荧光激活作用最强，使发射强度增强了约38倍，并伴有明显的吸光度红移。这些效应归因于Sc³⁺与ATT配体的N/O供体位点的配位，稳定了分子内的电荷转移（ICT）发射态并限制了分子内运动，从而抑制了非辐射衰减。在PLP存在下，磷酸氧供体与Sc³⁺竞争结合，将其从纳米簇表面提取出来，从而以浓度依赖的方式逆转了Sc³⁺诱导的荧光增强效应。在优化条件下，该检测方法能够在0.1–8 μM的线性范围内定量PLP，检测限为0.04 μM。该传感器还表现出优异的重现性、对维生素B₆类似物和常见共存物质的良好选择性，以及在加标血清样本中的满意回收率。这项工作提出了一种简便可靠的基于荧光的PLP分析策略，并提供了一种通过硬路易斯酸调控配位来构建纳米簇探针的多功能方法。

引言

吡哆醛5′-磷酸（PLP）是维生素B₆的代谢活性形式，是一种参与广泛生化转化的必需辅酶，包括转氨作用、脱羧作用、外消旋作用和β-消除反应[1]、[2]。由于其在氨基酸代谢、神经递质合成、糖原分解和一碳代谢中的核心作用，PLP对于维持正常的生理功能至关重要[3]、[4]。PLP水平异常与多种病理状况密切相关，如神经系统疾病、心血管疾病、炎症相关功能障碍和代谢异常[5]。此外，PLP是药物制剂、营养补充剂和食品相关产品中的重要分析物，其含量直接影响产品的有效性、稳定性和质量控制[6]。因此，开发灵敏、快速和可靠的PLP检测方法在临床诊断、生化研究以及药物和食品分析中具有重要意义。

已经开发了多种PLP检测方法，包括高效液相色谱（HPLC）[7]、液相色谱-质谱（LC-MS）[8]、[9]、毛细管电泳[10]、电化学分析[11]、化学发光[12]以及基于酶或分光光度法的检测[13]、[14]、[15]。这些方法通常具有可接受的灵敏度和准确性；然而，它们也存在一些局限性。色谱技术通常依赖于昂贵的仪器、繁琐的样品预处理和熟练的操作人员，这限制了它们的普及性和常规应用。质谱方法虽然灵敏度高，但由于操作成本高和维护要求严格，不总是适用于快速筛查。酶法和电化学方法可能面临酶稳定性、电极污染、重现性差或复杂基质中共存物质干扰等问题。此外，PLP含有多个官能团且具有相对较高的化学反应性，这可能使样品处理和定量分析变得复杂[16]。这些缺点激发了人们对开发简便、低成本和高选择性的PLP荧光传感平台的兴趣。

近年来，金属纳米簇作为一种有前景的荧光纳米材料，被用于化学和生物传感[17]、[18]、[19]。与较大的纳米颗粒不同，金属纳米簇具有超小的核心尺寸、离散的电子结构、强的量子限制效应和类似分子的光学性质[20]、[21]、[22]。其中，金纳米簇（AuNCs）因其优异的水分散性、良好的生物相容性、优越的光稳定性、可调的荧光性和易于表面功能化而受到特别关注[23]、[24]、[25]。更重要的是，AuNCs的荧光对其表面配位环境的变化非常敏感[26]、[27]、[28]，使其成为构建响应性传感系统的理想候选者。金属离子与AuNCs配体壳层的相互作用可以有效调节非辐射衰减途径、固化表面基团或改变表面电子态，从而导致荧光增强或淬灭[29]、[30]、[31]。基于这些特性，配位化学为设计分析物响应型荧光探针提供了一种强大而通用的策略。特别是竞争性配位过程，其中目标分析物从簇表面捕获金属离子或破坏簇-金属复合物，为信号转导和选择性检测提供了简单而有效的途径[32]、[33]、[34]。值得注意的是，PLP与肼衍生物结合能力强，并容易在溶液中形成稳定的席夫碱或腙。这种选择性的识别为PLP检测提供了有效的基础[35]、[36]。同时，金纳米颗粒具有优异的生物相容性、低毒性和多样的表面修饰能力，使其在生物医学监测中特别有前景[37]。

本文提出了一种基于AuNCs和稀土离子（RE³⁺）竞争配位的PLP荧光传感策略（图1）。在该系统中，钪离子（Sc³⁺）与AuNCs表面的配体6-氮杂-2-硫代胸腺嘧啶（ATT）配位。这种配位稳定了分子内的电荷转移（ICT）相关发射态，并激活了分子内运动限制（RIM）效应，从而抑制了非辐射衰减并显著增强了荧光。加入PLP后，其磷酸基团对Sc³⁺表现出强烈的亲和力，导致Sc³⁺从AuNC表面被竞争性结合和提取。结果，Sc³⁺诱导的荧光增强逐渐减弱，产生浓度依赖的荧光减弱，可用于PLP的定量。基于这一机制，建立了一种简单、快速和灵敏的PLP荧光检测方法。该方法避免了复杂的标记或衍生化步骤，操作方便，并利用了AuNCs的独特光学响应和Sc³⁺与PLP之间的特定配位相互作用。此外，系统地研究了传感性能，包括灵敏度、线性响应范围、选择性和在实际样品中的应用性，证明了这种竞争性配位平台在PLP分析中的潜力。这项工作扩展了硬路易斯酸金属离子在纳米簇基传感设计中的应用。

部分摘录

RE³⁺调控的ATT-AuNCs荧光

通过将RE³⁺离子与ATT-AuNCs配位，构建了高发光荧光探针。简要来说，将1.90 mL的甘氨酸（Gly）–NaOH缓冲液（pH 7.0）转移到2.0 mL的微量离心管中，然后加入50 μL的RE³⁺溶液（800 μM），再加入50 μL的ATT-AuNCs（2 mg/mL）。混合物彻底涡旋混合并在室温下平衡1分钟，然后用400 nm的激发波长记录荧光光谱。所有光谱均已获取。

设计策略

为了构建一种简单灵敏的PLP荧光平台，我们采用了金属离子介导的竞争性配位策略，其中分析物从纳米簇中捕获表面结合的金属离子，从而消除了金属离子对荧光的调控。RE³⁺离子，包括Sc³⁺、Y³⁺和镧系元素，是特别有吸引力的介质，因为它们的硬路易斯酸性和对O/N供体配体的高配位亲和力使得这种调控效果显著[38]

结论

在这项工作中，我们通过AuNCs的表面配位工程开发了一种简单灵敏的PLP荧光传感平台，基于RE³⁺介导的竞争性配位机制。通过系统筛选16种RE³⁺离子，发现Sc³⁺是ATT-AuNCs的最佳荧光调节剂，使发射强度增强了约38倍，并伴有特征性的吸光度红移。这种优异的调控效果源于Sc³⁺与N/O供体的强配位

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

作者衷心感谢国家自然科学基金（22374022和22504015）、福建省自然科学基金（2025J010035）以及福建省科技创新联合基金（2023Y9016）的财政支持。