基于罗丹明B与银纳米复合材料的血清色氨酸选择性检测方法

《Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry》：Selective monitoring of tryptophan in human blood serum by rhodamine B incorporated silver nanocomposites

　　

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  AgNP@PEG/RhB可用于检测色氨酸，其检出限为1.56μM，线性检测范围为1–100μM。
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  对该方法在人血清分析中的应用测试显示，其具有出色的回收率和检测性能。
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  通过荧光强度的变化即可实现色氨酸的检测。
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  由于色氨酸中存在吲哚环，它能与AgNP和RhB发生选择性相互作用。

引言

色氨酸是一种含有吲哚官能团的必需氨基酸，与其他氨基酸一样，它也是许多其他蛋白质的基本构成成分。几乎所有生物的DNA中都编码有这种非极性疏水氨基酸[1]。色氨酸会影响血清素的生成，进而帮助调节血清素水平，控制因血清素失衡引发的疾病[2]。除了血清素之外，色氨酸还参与褪黑素、烟酸及其他生物分子的合成。这些分子根据其浓度不同可发挥多种功能，如氧化作用、抗氧化作用、抗炎作用以及多种免疫调节功能[3]。因此，近年来，研究人员致力于开发快速、高效且灵敏的色氨酸检测分析方法。电化学法、质谱法和高效液相色谱法等传统方法虽然准确度和灵敏度很高，但需要昂贵的仪器设备、较长的分析时间、复杂的样品前处理流程以及专业操作人员，这限制了它们在快速生物分析中的应用。相比之下，基于荧光的检测技术因其响应速度快、成本低、操作简便且灵敏度高而展现出巨大潜力。尤其是基于纳米材料的荧光传感器，由于其较大的表面积与体积比、优异的光学性质以及较强的界面相互作用，因此在生物分子检测方面具有显著优势[4]。银纳米粒子因具有强光学吸收特性、局域表面等离子体共振效应以及高效的电子转移能力而备受关注。AgNP的等离子体特性可通过辐射和非辐射途径改变荧光光谱，这使得它们非常适合作为荧光传感器[5]。此外，通过用荧光分子对AgNP表面进行功能化处理，并结合稳定型聚合物，还可以制备出具有高胶体稳定性和生物相容性的混合纳米复合材料[6]。像罗丹明B这类黄烷类荧光染料，因其强烈的荧光发射、优异的量子效率以及较高的光稳定性，也展现了良好的应用前景。将罗丹明B与金属纳米结构结合，可显著改变其荧光特性，从而为构建高效的荧光传感平台提供可能[7]。

近年来，已有许多基于荧光的纳米传感器被用于氨基酸的检测。侯等人制备了碳量子点，用于快速检测异亮氨酸[8]；高等人则开发了基于手性碳点的荧光传感器，用于检测赖氨酸的对映体[9]；李等人利用碳点合成了基于Fe³⁺的传感探针，通过荧光增强效应实现色氨酸的手性检测[10]；Khoshfetrat等人则利用Ti₃C₂ MXene纳米片制备出了高效的电化学传感器，用于更灵敏地检测色氨酸[11]、[12]、[13]。尽管这些荧光传感器具有很大潜力，但许多探针仍存在选择性不足、检测方法复杂以及在生物系统中的应用效果不佳等问题。此外，利用纳米粒子的荧光发射切换特性来实现色氨酸的选择性检测，目前仍缺乏相关研究。另一个挑战在于，色氨酸本身在近紫外区域就具有很强的荧光发射能力[14]，这也给色氨酸的荧光检测带来了困难。因此，开发一种能够通过与色氨酸的电子环境相互作用来检测它的传感平台显得尤为重要。

在本研究中，我们报道了一种AgNP@PEG/RhB纳米复合材料的制备方法，该材料可作为荧光传感器，用于选择性检测人血清样本中的色氨酸。RhB与AgNP之间的相互作用会导致荧光强度明显降低，同时荧光寿命也会缩短，这表明存在非辐射能量传递过程。当加入色氨酸后，传感器的荧光会恢复，且发射峰会出现明显的蓝移，这说明传感器的荧光发射特性发生了变化。我们进一步通过紫外-可见光谱、XPS、动态光散射、高分辨率透射电子显微镜、荧光光谱以及荧光寿命分析等方法研究了其检测机制。此外，所观察到的荧光发射切换现象为色氨酸的选择性检测提供了独特优势，这一优势还可被用于设计更先进的荧光传感器，以服务于实际的生物应用领域。

章节要点

材料

色氨酸（C₁₁H₁₂N₂O₂，分子量：204.23克/摩尔）及其他氨基酸均从Central Drug House购买。硼氢化钠（NaBH₄，分子量：37.83克/摩尔）和聚乙二醇（平均分子量：1400–1600）同样来自Central Drug House。硝酸银（AgNO₃，分子量：169.87克/摩尔）则从RANKEM Chemicals购买。罗丹明B也从Central Drug House购得。所有化学物质的水溶液均用双蒸水配制。

荧光探针的制备

AgNP的制备遵循已有文献中的方法，仅稍作调整

结果与讨论

AgNP@PEG/RhB纳米复合材料是通过溶液混合法制备的。聚乙二醇既可作为AgNPs的间隔剂，也可起到稳定作用。罗丹明B则通过与AgNPs之间的静电相互作用与之结合。该纳米复合传感器在4℃条件下储存，以便后续分析。我们通过每隔14天测量一次该复合材料的荧光发射光谱，来评估其储存稳定性（见图S1）。同样，我们还通过相关实验来观察该复合材料的光稳定性

结论

综上所述，我们通过两步溶剂混合法制备了AgNP@PEG/RhB纳米复合材料，该材料可用于选择性检测人血清样本中的色氨酸。RhB与AgNP之间的相互作用会影响荧光淬灭强度。该荧光传感器能够快速识别色氨酸，其检出限为1.56μM，线性检测范围为1–100μM。我们还通过紫外-可见光谱、XPS以及荧光寿命衰减曲线进一步研究了其检测机制。图中的圆圈表示

作者贡献说明

Susobhan Swain：负责原文撰写、方法设计、实验研究以及数据正式分析。Priyaranjan Mohapatra：负责结果可视化、方法验证、资源协调以及项目管理工作。Sarat Kumar Swain：负责文章审阅与编辑、方法验证、实验监督以及研究概念的构思。

利益冲突声明

作者声明，他们不存在任何可能影响本研究结果的已知财务利益或个人关系。

致谢

作者感谢印度瓦拉纳西印度理工学院中央仪器实验室为本研究提供的XPS和高分辨率透射电子显微镜分析支持。同时，作者也要感谢所有为分析工作提供技术协助的相关工作人员。

Susobhan Swain|Priyaranjan Mohapatra|Sarat Kumar Swain