Eu3+介导的比率荧光可视化检测技术在植物源产品溯源与含量预测中的应用：以菊花为例

《Talanta》：Eu3+-mediated ratiometric fluorescence visualization sensing for traceability and content prediction of plant-derived products: an example of Chrysanthemi Flos

　　

Xueqing Zeng|Guanghua Lei|Yun Huang|Yuting Guan|WanJun Long|Wei Lan|Hengye Chen|Haiyan Fu

中国中南民族大学生命科学学院，中国湖北武陵山区特色植物保护与利用省级重点实验室

摘要

植物源产品中含有多种黄酮醇衍生物，其种类和含量与植物的来源密切相关。本研究利用MPA@CuNPs@Eu³⁺-CTC纳米传感系统，放大了不同来源植物源产品中黄酮醇含量的差异。在黄酮醇存在时，MPA@CuNPs的荧光强度会恢复；同时，黄酮醇会阻碍Eu³⁺与CTC之间的“天线效应”，从而降低Eu³⁺的荧光强度，进而形成比率型荧光传感器。最终，在不同浓度的黄酮醇存在下，会出现丰富的颜色变化。此外，通过随机森林分析RGB数据，不同来源的菊花中黄酮醇的含量分类准确率可达100%，且含量预测的回归系数在0.87到0.98之间（均方根误差小于0.13）。这一方法为富含黄酮醇的高价值植物源产品的产地快速溯源和质量监测提供了新途径。

引言

黄酮醇是一种重要的天然植物功能性色素，化学名为3-羟基-2-苯基-1-苯并吡喃-4-酮，广泛存在于水果、蔬菜和花卉中[[1], [2], [3]]。这类天然黄酮醇具有多种健康益处，包括抗氧化、抗癌、保护血管、抗炎、抗神经退行性疾病以及降糖作用[[4], [5], [6]]。而植物中活性化合物的数量和类型则受品种、气候、土壤类型、矿物质含量以及盐分胁迫等多种因素影响[7,8]。因此，来自不同地理区域的植物，其黄酮醇含量存在很大差异[9]。开发一种高效快速的黄酮醇检测方法，以实现植物源产品的溯源研究，具有重要意义，但目前尚未有相关报道。

随着纳米技术的不断发展，基于纳米材料的视觉传感方法因其制备简单、可肉眼观察且检测速度快等优点，受到了广泛关注。这类方法通过改变紫外和可见光区域的吸收光谱和颜色，可实现多种分析物的检测[[10]]。由于经济、灵敏度高且速度快，这类方法的应用越来越广泛[[11], [12], [13], [14], [15]]。近年来，基于欧铭离子的荧光传感平台在与四环素结合后，其荧光强度显著增强，这一现象引起了广泛关注[[16,17]]。这是因为四环素可以与欧铭离子形成欧铭-四环素复合物，将吸收的能量传递给欧铭离子，从而增强其荧光强度，这一现象被称为“天线效应”[[18]]。此外，欧铭离子的荧光具有独特的光谱特性，如较大的斯托克斯位移、较长的荧光寿命以及清晰的线性发射带[[19]]。然而，由于配位水分子的振动作用会导致荧光淬灭，欧铭-四环素复合物的荧光强度较弱，限制了其实际应用。通过合适的螯合剂形成配位聚合物，可以提高欧铭-四环素探针的荧光强度和灵敏度[[20]]。由于分子内氢键的作用，黄酮醇在受到紫外线照射时会发生激发态分子内质子转移反应，这使得它们能够更好地与金属阳离子结合[[21]]。而且，黄酮醇与欧铭离子的螯合能力比菊花中的其他化合物更强[[22]]。因此，处于激发态的黄酮醇可以取代探针中螯合能力较弱的配体，抑制欧铭离子与四环素之间的“天线效应”。综上所述，利用不同来源菊花中黄酮醇含量的差异，完全可以构建比率型荧光传感器，用于杭白菊的产地溯源和质量预测。

在本研究中，我们首先合成了3-巯基丙酸修饰的铜纳米团簇，将其作为配体与欧铭离子通过配位作用结合，形成MPA@CuNPs@Eu³⁺复合物。再加入氯四环素后，通过与欧铭离子的配位作用形成MPA@CuNPs@Eu³⁺-CTC探针，该探针因“天线效应”而发出红色荧光。当黄酮醇存在时，它会将MPA@CuNPs从探针中置换出来，恢复其荧光强度。同时，黄酮醇的吸收特性与CTC相似，这会阻碍欧铭离子与CTC之间的“天线效应”，进而降低欧铭离子的荧光强度，从而形成比率型荧光传感器。由于不同来源菊花中黄酮醇浓度不同，因此会产生一系列丰富的荧光颜色。此外，通过结合化学计量学方法分析纳米效应荧光色谱的RGB数据，不仅可以实现色谱图的可视化，还能准确溯源不同来源的菊花。同时，还将纳米效应RGB数据与高效液相色谱-高分辨率质谱的结果相结合，构建了回归模型，用于预测化合物的含量。总之，我们构建了一种基于欧铭离子的比率型荧光可视化传感方法，可用于菊花产地的溯源和质量预测。

章节节选

试剂与材料

抗坏血酸（C₆H₈O₆，AA）、3-巯基丙酸（C₃H₆O₂S，MPA）、氯化铜（CuCl₂–2H₂O）、硝酸欧铭（Eu(NO₃)₃–6H₂O）均购自国药集团化学试剂有限公司；黄酮醇（C₁₅H₁₀O₃，Flav）、山柰酚（C₁₅H₁₀O₆，Kae）、槲皮素（C₁₅H₁₀O₇，Que）、咖啡酸（C₉H₈O₄，CA）、绿原酸（C₁₆H₁₈O₉，CGA）、异绿原酸A（C₂₅H₂₄O₁₂，ICA）、阿卡酸（C₁₆H₁₂O₅，Aca）、木脂素（C₁₅H₁₀O₆，Lut）、芹菜素（C₁₅H₁₀O₅，Api）、芦丁（C₂₇H₃₀O₁₆，Rut）。

MPA@CuNP与MPA@CuNPs@Eu³⁺的表征

我们对本研究中合成的MPA@CuNPs和MPA@CuNPs@Eu³⁺进行了多种仪器表征，包括透射电子显微镜观察、傅里叶变换红外光谱分析、X射线光电子能谱检测以及紫外-可见光谱分析。从图1A的透射电子显微镜图像以及图S1的粒径分布图中可以看出，MPA@CuNPs（a）为均匀分散的球形颗粒，粒径为3.9±0.1?nm。在加入欧铭离子后（b），由于欧铭离子与颗粒表面的羧基发生配位作用，颗粒粒径明显增大至6.5±0.42?nm。

结论

本研究针对不同来源菊花中荧光较弱或无荧光的黄酮醇类化合物，利用纳米效应将这些化合物在不同来源间的含量差异可视化并放大，使得不同来源的菊花样品在紫外灯下呈现出明显的荧光颜色差异，从而实现了对不同来源菊花的可视化溯源。通过对纳米效应可视化结果进行建模和分析，

CRediT作者贡献声明

Xueqing Zeng：数据整理、实验研究、初稿撰写。Guanghua Lei：数据整理、实验研究。Yun Huang：数据整理。Yuting Guan：实验研究。WanJun Long：正式分析、方法设计。Wei Lan：正式分析。Hengye Chen：概念构思、资金获取、项目监督、论文审阅与编辑。Haiyan Fu：概念构思、资金获取、项目管理、项目监督。

利益冲突声明

作者声明不存在任何可能影响本文研究的已知财务利益关系或个人关系。

致谢

作者感谢中国国家重点研发计划（编号：2024YFC3506801）的支持，以及中南民族大学的学术创新团队基金（编号：XTZ24029）、中央高校基本科研业务费对本研究提供的资助（编号：YZZ24004、YZY22001）。