基于氮掺杂碳量子点的“开-关-开”型荧光探针用于选择性检测谷胱甘肽

《Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy》：An “on-off-on” fluorescent probe based on nitrogen-doped carbon quantum dots for the selective detection of glutathione

　　

摘要

谷胱甘肽（GSH）是一种重要的生物硫烷硫化合物，在众多生物过程中发挥着不可或缺的作用。因此，发展高灵敏度和高选择性的荧光分析方法对于相关研究至关重要。本研究以叶酸作为碳源和氮源的双重来源，通过经济且环保的水热法成功合成了高发光性能的氮掺杂碳量子点（N-CQDs）。开发了一种用于检测GSH的"开-关-开"荧光探针。由于Ag⁺的有效猝灭作用，N-CQDs的荧光强度显著降低。然而，GSH与Ag⁺具有很强的亲和力，能够通过螯合作用诱导聚集体形成，从而恢复N-CQDs的荧光。在最佳条件下，该传感方法对谷胱甘肽的检测限为0.39 μM，在10至50 μM浓度范围内具有良好的线性响应；在人血清中的检测限为1.731 μM，回收率在91.49%至96.70%之间。N-CQDs@Ag⁺荧光探针被有效应用于各种实际样品中的GSH检测，如番茄、梨、三种癌细胞系的裂解液和人血清，凸显了其在分析复杂生物样品方面的潜力。

引言

谷胱甘肽（γ-谷氨酰半胱氨酰甘氨酸，GSH）是一种具有抗氧化活性的非蛋白巯基化合物，广泛应用于功能性食品开发和医药领域[1]。其广泛的应用价值根植于GSH在细胞生理活动中的核心作用：作为细胞中含量最丰富的巯基活性物质，GSH可调控细胞增殖、维持正常免疫功能[2]，同时介导多种关键生物过程，包括解毒代谢、基因表达调控、细胞内信号转导和氧化还原稳态维持[3]。在生理条件下，还原型GSH占细胞中GSH总量的90%以上，氧化型GSH处于较低水平；然而，当细胞发生病理转化时，这种氧化还原平衡被打破，导致GSH代谢紊乱。研究表明，GSH水平的异常与感染、癌症和衰老相关疾病的发生和发展显著相关[4]、[5]。肿瘤细胞通常表现出GSH水平升高，可能加重疾病进展并增强骨癌、乳腺癌、结肠癌和肺癌等恶性肿瘤对放疗和化疗的耐药性[6]。GSH水平升高作为潜在的癌症生物标志物，可用于区分恶性肿瘤细胞和正常细胞[7]。监测生物样品中GSH的变化对于癌症早期诊断和疾病进展评估具有重要临床价值。

GSH重要的生理作用推动了多种检测技术的发展。质谱（MS）、酶联免疫吸附测定（ELISA）、高效液相色谱（HPLC）、毛细管电泳、表面增强拉曼散射（SERS）和电化学分析等先进仪器技术大大提高了GSH检测的灵敏度[8]、[9]、[10]。然而，传统的检测方法往往受限于繁琐的样品预处理、高昂的设备成本和对专业技术人员的依赖。相比之下，基于目标诱导荧光变化的成像技术，利用精心设计的分子探针，能够在细胞、分子和组织水平获取原位信息。荧光探针，如金属有机框架、有机染料、金属纳米颗粒和半导体量子点，因其独特的光学特性被广泛用于GSH检测[11]、[12]、[13]、[14]。然而，光漂白以及潜在的生物和环境毒性仍然是限制其应用的关键挑战。氮掺杂碳量子点（N-CQDs）是一种新型荧光碳纳米材料，与传统荧光染料和重金属基纳米材料相比，具有卓越的生物传感性能[15]。其主要优势包括优异的发光特性、高光稳定性、低细胞毒性、良好的生物相容性以及较长的细胞内滞留时间[16]、[17]、[18]、[19]。

本研究以叶酸作为碳源和氮源，成功合成了生物质来源的N-CQDs。开发了一种响应银离子的"开-关-开"荧光传感器（N-CQDs@Ag⁺）（方案1）。该传感器的GSH检测限为0.39 μM。该传感器成功应用于实际样品，包括番茄、梨、三种癌细胞系的裂解液和人血清，从而验证了该方法的可行性和实用性。本研究开发的荧光探针在合成简便性、成本效益和环保性方面超越了现有的GSH检测技术。目前报道的一些GSH荧光探针仅在简单的缓冲体系中得到验证，在复杂生物基质（如人血清）中的评估有限[20]、[21]。例如，Liao等人[20]开发的用于Ag⁺/GSH检测的黄色荧光碳量子点，以及Zuo等人[21]基于氮掺杂碳点构建的铜响应型荧光探针，均仅在PBS缓冲液中进行了验证，尚未应用于人血清。相比之下，我们的N-CQDs@Ag⁺探针已成功应用于人血清中的GSH检测，展示了其在临床诊断方面的实际应用潜力。

章节片段

材料与试剂

叶酸和乙二醇购自国药集团化学试剂有限公司（上海，中国）。硝酸银（AgNO₃）、硫酸铜（CuSO₄）、氯化钠（NaCl）、溴化钾（KBr）、硫酸镁（MgSO₄）、氯化钙（CaCl₂）、氯化铝（AlCl₂）和硝酸（HNO₃）购自Sigma-Aldrich公司（美国密苏里州圣路易斯市）。GSH、组氨酸（His）、天冬酰胺（Asn）、缬氨酸（Val）、叶酸（FA）、赖氨酸（Lys）、谷氨酸（Glu）、精氨酸（Arg）和丝氨酸（Ser）购自

设计原理

基于N-CQDs与Ag⁺之间的动态猝灭效应，开发了一种荧光纳米探针N-CQDs@Ag⁺，能够准确检测人血清、细胞以及果蔬样品中低浓度的GSH。方案1概述了检测系统，该系统由两个主要步骤组成：（1）N-CQDs的合成和（2）利用"开-关-开"荧光开关机制进行GSH检测。具有优异荧光性能的N-CQDs通过一步法

结论

本研究利用N-CQDs@Ag⁺开发了一种"开-关-开"荧光传感器用于检测GSH。其荧光传感机制主要涉及N-CQDs与Ag⁺之间的动态猝灭过程以及Ag⁺与GSH之间的特异性螯合作用。该传感器在番茄、梨、三种癌细胞类型和人血清样品中得到了验证，回收率在89.44%至107.23%之间，RSD≤10.0%。所合成的荧光纳米探针具有响应迅速、范围宽

作者贡献声明（CRediT）

段辉宏：撰写-初稿，验证，形式化分析，可视化，软件，方法论。赵怡乐：形式化分析，可视化，软件，方法论。张琼丹：可视化，调查。陈雨欣：可视化，数据管理。顾裕丰：调查。魏怡：调查。王伟：调查，资金获取。李彬：方法论，撰写-审阅与编辑，资金获取，资源，监督。

资金资助

本研究得到湖南省教育厅科研基金（23A0280）、湖南省自然科学基金（2024JJ8128，2024JJ9426）和湖南省研究生科研创新项目（CX20251173）的资助。

未引用参考文献

[25]、[26]

利益冲突声明

作者声明不存在任何已知的竞争经济利益或个人关系，这些关系可能被认为会影响本文所报告的工作。

段辉宏|赵怡乐|张琼丹|陈雨欣|顾裕丰|魏怡|王伟|李彬

湖南中医药大学药学院创新药物研究所，中医药与民族医药创新发展国际实验室，中国长沙 410208