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基于花青骨架的近红外荧光探针用于活细胞和水样中铀酰离子的灵敏检测

期刊:microchemical journalDOI:10.1016/j.microc.2022.107619

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作者与机构
本研究的通讯作者为Yibin Zhang、Mingxi Fang、Rudy L. Luck和Haiying Liu,分别来自长江师范学院化学与化工学院、徐州医科大学医学影像学院以及密歇根理工大学化学系。研究发表于《Microchemical Journal》2022年5月23日,卷号为180,文章编号为107619。

学术背景
本研究属于分析化学领域,聚焦于铀离子(UO₂²⁺)的检测。铀是一种天然放射性元素,广泛应用于核武器、核燃料工厂及癌症治疗等领域。然而,铀的放射性和高化学毒性对环境和人类健康构成严重威胁,尤其是在核废料处理不当或核事故发生时。铀在水体中以可溶性且稳定的六价氧化态(UO₂²⁺)存在,其高毒性可导致肾脏、肝脏、大脑等器官的不可逆损伤,甚至引发癌症。因此,开发高效、灵敏、快速且成本低廉的铀离子检测方法具有重要意义。
尽管已有多种检测铀的技术,如拉曼光谱、质谱、荧光探针等,但大多数荧光探针的发射波长较短(小于600纳米),可能对细胞和组织造成光损伤。近红外(NIR)荧光探针因其深组织穿透性、低光损伤和抗水拉曼峰干扰等优势,成为检测铀离子的理想选择。本研究旨在开发一种基于花菁染料(cyanine dye)的近红外荧光探针(probe IR-DTB),用于灵敏检测活体细胞和水样中的铀离子。

研究流程
1. 探针合成
- 在氮气氛围下,将花菁染料IR-780与4-(4,5-二氢-2-噻唑基)-1,3-苯二酚在N,N-二甲基甲酰胺(DMF)中反应,加入K₂CO₃作为碱催化剂,于50℃搅拌10小时。反应结束后,用二氯甲烷萃取,经Na₂SO₄干燥后,通过柱层析纯化得到蓝色固体探针IR-DTB。
- 使用核磁共振(NMR)和质谱(LC-MS)对探针结构进行表征,确认其分子量为698.55。

  1. 光学性质研究

    • 在pH 7.4缓冲液中,探针IR-DTB在795纳米处表现出强荧光,量子产率为17.2%。当铀离子存在时,荧光发生蓝移(从775纳米到765纳米),并显著淬灭,淬灭常数为198,检测限为93纳米。
    • 通过紫外-可见吸收光谱和荧光光谱验证了探针对铀离子的识别能力。
  2. 响应时间与选择性测试

    • 探针IR-DTB对铀离子的响应时间为40分钟,且在多种常见金属离子(如Li⁺、Na⁺、Fe²⁺等)存在时,仍表现出对铀离子的高选择性。
    • 竞争实验表明,其他金属离子对铀离子检测无明显干扰。
  3. 滴定实验与化学计量比分析

    • 滴定实验显示,探针荧光强度与铀离子浓度在0至10微摩尔范围内呈线性关系(R²=0.99749)。
    • Job’s plot和质谱分析表明,探针与铀离子的化学计量比为2:1。
  4. pH响应与光稳定性测试

    • 探针在中性pH条件下对铀离子的荧光响应最佳,而在酸性或碱性条件下响应较弱。
    • 光稳定性测试表明,探针在740纳米连续激发80分钟后,荧光强度无明显下降。
  5. 理论计算

    • 使用Gaussian 16软件进行密度泛函理论(DFT)计算,优化了探针与铀离子复合物的几何结构,验证了电子跃迁的性质。
    • 计算结果支持了探针与铀离子结合后易于聚集并导致荧光淬灭的假设。
  6. 细胞成像

    • 使用HeLa细胞进行细胞毒性实验,表明探针在50微摩尔浓度下细胞存活率仍高于80%。
    • 共聚焦荧光成像显示,探针可特异性靶向线粒体,并成功监测了外源性铀离子在细胞中的浓度变化。
  7. 实际应用测试

    • 将探针应用于加林河水样中铀离子的检测,结果显示其检测误差在±5%以内,验证了其在实际应用中的可靠性。

主要结果
1. 成功合成了基于花菁染料的近红外荧光探针IR-DTB,其在795纳米处表现出强荧光,量子产率为17.2%。
2. 探针对铀离子表现出高灵敏度和选择性,检测限为93纳米,淬灭常数为198。
3. 理论计算支持了探针与铀离子结合后荧光淬灭的机制。
4. 细胞成像实验表明,探针可特异性靶向线粒体,并成功监测了铀离子在活体细胞中的浓度变化。
5. 实际应用测试验证了探针在水样中检测铀离子的可行性。

结论与意义
本研究开发了一种新型近红外荧光探针IR-DTB,用于灵敏检测铀离子。探针具有高灵敏度、选择性和低细胞毒性,可应用于活体细胞和水样中铀离子的实时监测。其近红外荧光特性克服了传统荧光探针的光损伤问题,为铀离子的检测提供了一种高效、安全的新方法。此外,探针在实际水样检测中的高精度表现,使其在环境监测和核废料处理领域具有重要应用价值。

研究亮点
1. 首次报道了基于花菁染料的近红外荧光探针用于铀离子检测。
2. 探针在近红外区域(795纳米)表现出强荧光,有效避免了传统荧光探针的光损伤问题。
3. 通过理论计算和实验验证,揭示了探针与铀离子结合后荧光淬灭的机制。
4. 探针在活体细胞和水样中的成功应用,展示了其在环境监测和生物医学领域的巨大潜力。


这篇研究不仅为铀离子的检测提供了一种新方法,还展示了近红外荧光探针在生物医学和环境科学中的广泛应用前景。

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