基于Cu(II)置换策略的双发光聚合物纳米粒子-银纳米团簇杂化体用于谷胱甘肽的选择性比率传感

《Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy》：Dual-emissive polymeric nanoparticles-Ag nanoclusters hybrid for selective Ratiometric sensing of glutathione via Cu(II) displacement approach

　　

摘要

比率荧光传感通过内在校准提供了更高的分析准确性，使其成为定量生物分析的强大工具。在本研究中，通过静电组装两种组分创建了一种新型双发射比率荧光纳米复合材料 (NCPs)：带正电荷的基于聚乙烯亚胺和吡哆醛 -5- 磷酸 (PLP) 功能化的聚合物荧光纳米粒子 (PEIGPLP NPs；λ_ex = 420 nm，λ_em = 530 nm) 作为响应信号，以及带负电荷的二氢硫辛酸 (DHLA) 稳定的红发射银纳米团簇 (DHLA-AgNCs；420 nm，λ_em = 667 nm) 作为参考信号。在该 NCPs 中（λ_ex = 420 nm，λ_em = 508，682 nm），DHLA-AgNCs 在 682 nm 处的红发射荧光保持不变，而 PEIGPLP NPs 在 508 nm 峰值处的黄荧光由于 CHEQ 机制被 Cu(II) 离子选择性猝灭。随后添加 GSH 选择性恢复了荧光。与 Cu(II) 配位的 NCPs (NCPs-Cu(II)) 系统对 GSH 浓度表现出线性荧光响应，范围为 2.49 × 10^?6 M 到 3.15 × 10^?5 M，检测限为 4.42 × 10^?6 M。NCPs-Cu(II) 纳米组装体成功应用于血清、唾液和尿液等真实生物流体中的 GSH 定量分析。此外，该纳米复合材料被嵌入聚合物薄膜中，展示了其在即时诊断和现场环境监测方面的潜力。

引言

由谷氨酸、半胱氨酸和甘氨酸组成的必需三肽谷胱甘肽 (GSH) 对于维持细胞氧化还原稳态和解毒过程是必需的。GSH 是一种强大的抗氧化剂，主要以还原形式 (>90%) 存在于细胞中，可清除活性氧物种 (ROS) 并防止氧化损伤。它被用于减轻抗癌药物、化疗剂和饮酒引起的肝损伤 [1], [2], [3], [4], [5], [6]。GSH 水平异常会导致各种致病性疾病，如癌症、神经系统疾病、糖尿病、心血管疾病和骨质疏松症 [1], [2], [3], [4], [5], [6]。然而，癌细胞中 GSH 水平升高可保护其免受氧化应激，使其成为早期癌症检测的重要生物标志物 [7], [8], [9], [10]。除了在生物医学中的重要性，GSH 在食品科学中也起着关键作用，影响风味发展、促进微生物生长和改善食品质地 [11], [12], [13]。由于其多种功能，开发灵敏、快速和生物相容的 GSH 检测技术用于临床诊断和食品工业至关重要。多年来，已采用几种分析技术进行 GSH 检测，每种技术都有其固有的优势和缺点。高效液相色谱 (HPLC) 具有高度灵敏和特异性，然而，这种方法受限于昂贵仪器和时间消耗的程序 [14], [15]。电化学方法提供快速和经济的检测，但通常受限于电极污浊和低重现性，这是由于硫醇氧化 [16], [17]。化学发光检测可以在低浓度下检测 GSH，但容易受到活性物种的干扰，通常需要严格条件 [18], [19]。比色法虽然简单和用户友好，但通常缺乏检测复杂生物流体中低水平 GSH 所需的灵敏度和选择性 [20], [21]。特别是，荧光方法由于操作简便、准确、选择性、灵敏度和实时检测，在分析领域受到了广泛关注 [22], [23], [24], [25], [26], [27], [28], [29], [30]。对于 GSH 检测，已开发了多种荧光技术，每种技术都有不同的优点和灵敏度水平。例如，ZnS 量子点 (ZnS QDs) [31]、氮掺杂石墨烯量子点 (N-GQDs) [32] 和 NaGdF₄^?:Yb³⁺, Tm³⁺@NaYF₄^? 上转换纳米粒子 [33] 具有超低的 GSH 测量检测限，但这些荧光传感平台有许多缺点，包括常规量子点的毒性和制备石墨烯量子点和上转换纳米粒子的漫长过程。因此，需要开发水溶性、对表面修饰敏感、易于合成且具有良好光稳定性的荧光探针。

无重金属荧光聚乙烯亚胺 (PEI) 基聚合物纳米粒子因其独特的结构特性和多功能应用而引起了极大兴趣。这些纳米粒子通常通过 PEI 链的表面修饰或自组装形成，包含许多胺基团，并且容易结合荧光团或与金属离子配位以产生出色的荧光特性。PEI 基聚合物纳米粒子是化学传感和生物成像应用的绝佳候选者，因其强且可调的荧光、优异的水分散性、良好的生物相容性和显著的光稳定性 [34], [35], [36]。在传感方面，荧光聚合物纳米粒子已被证明是有效的。例如，MnO₂ 纳米片和共轭聚合物纳米粒子被用于定量检测 GSH [37]。在多巴胺 - 黑色素纳米系统和荧光半导体聚合物点 (P-dots) 中，GSH 可检测至 60 nM [38]。然而，像其他单发射荧光探针一样，PEI 基纳米粒子受环境条件影响，如 pH 变化、离子强度和背景干扰，这可能会降低复杂样品中的检测准确性。因此，双发射荧光纳米探针的发展已成为解决这些限制的一种潜在方法。双发射系统允许通过纳入比率传感技术进行内部自校准，减少外部干扰，并提高检测可靠性。这些双发射荧光探针在敏感和特异性检测各种分析物方面展现出了显著的前景，如硫化氢 (H₂S) [39]、重金属离子 [40] 和其他，使它们成为生物医学诊断和环境监测中现实应用的理想选择。

在此，开发了一种基于红发射 DHLA-AgNCs (λ_em = 667 nm) 和黄发射聚合物纳米粒子 PEIGPLP (λ_em = 530 nm) 自组装的新型双发射荧光 NCPs (λ_ex = 420 nm，λ_em = 508, 682 nm)，用于通过 Cu²⁺ 置换机制对 GSH 进行比率传感。PEIGPLP 纳米粒子是通过戊二醛交联 PEI 随后用 PLP 后功能化形成的，从而产生黄发射荧光聚合物 NPs。这些 PEIGPLP NPs 与 DHLA-AgNCs 结合形成双发射 NCPs (方案 1)。当添加 Cu²⁺ 时，NCP_S 在 508 nm 处的荧光被猝灭。然而，顺序向 NCPs-Cu²⁺ 中添加 GSH 恢复了 508 nm 处的荧光。通过量化掺入的生物样品（如血清、尿液和唾液）中的 GSH，检验了纳米探针 NCPs-Cu²⁺ 的分析实用性。此外，通过将 NCPs-Cu²⁺ 的荧光响应与智能手机集成，开发了一种便捷的现场 GSH 监测方法。

章节片段

材料与仪器

分析级支化聚乙烯亚胺 (b-PEI，50% H₂O 溶液，分子量 600,000–1,000,000)、吡哆醛 -5- 磷酸 (PLP)、戊二醛 (GA) 和 α- 硫辛酸购自 Sigma-Aldrich。用于制备缓冲液的化学品，如氯化钾、氯化钠、碳酸氢钠、氢氧化钠、磷酸二氢钾、磷酸氢二钠和盐酸购自印度 Finar Ltd.。PBS 缓冲液 (10 mM，pH 7.4) 用于

合成与表征

黄发射荧光 PEIGPLP NPs 是通过两步合成的 (方案 1A)。含有丰富支链上的 –NH 和 ?NH₂ 基团的支化聚乙烯亚胺 (b-PEI) 与戊二醛交联，使 PEI 折叠并形成自聚物。随后添加的 PLP 与自组装 PEI 的 ?NH₂ 基团缩合，形成了荧光 PEIGPLP NPs。合成的 PEIGPLP NPs 在紫外光 (365 nm) 下显示出黄荧光，并显示了

结论

总之，成功通过静电相互作用将红发射 DHLA–AgNCs 和黄发射聚合物纳米粒子 PEIGPLP 结合在一起，创建了一种新型比率荧光纳米组装纳米复合材料 (NCPs)。该杂化纳米材料在 508 nm 和 682 nm 处具有双发射，允许比率荧光传感。Cu²⁺ 离子的添加显著降低了 NCPs 在 508 nm 处的发射，而 682 nm 信号保持略微稳定，表明优先相互作用

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争财务利益或个人关系，这可能影响了本文报告的工作。

阿迪蒂·特里帕蒂|比扬·兰詹·贾利|苏班·K·萨胡

萨达尔·瓦拉巴伊·国家技术学院 (SVNIT) 化学系，古吉拉特邦，苏拉特 395007，印度