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该研究由Qinghua Hu、Wenjuan Liu、Cen Tang、Xianghe Kong、Rong Hu和Hongqing Wang共同完成,他们来自南华大学化学与化工学院,湖南核素配合物设计与应用重点实验室。该研究于2024年6月26日在线发表在《Sensors and Actuators: B. Chemical》期刊上,文章编号为136181。
核能作为一种清洁能源,其发展能够有效解决能源短缺和气候污染问题。然而,核燃料的生产、加工及再处理过程中,可能会释放放射性核素到环境中,其中铀是最重要的核燃料之一。自然界中最稳定的铀形式是+6氧化态的铀酰离子(UO2^2+),其具有重金属毒性和放射性。水溶性的UO2^2+容易迁移并扩散到生物圈中,对生命健康构成严重威胁。UO2^2+在人体内的积累会直接导致器官损伤,甚至引发基因突变。因此,开发能够灵敏检测和追踪UO2^2+的技术对于环境保护和生命健康具有重要意义。
荧光分析技术因其操作简单、灵敏度高、选择性好以及能够实时原位检测等优点,在放射性核素检测和体内成像中具有独特优势。然而,尽管已有许多荧光传感器被开发用于生物成像,但能够用于追踪细胞器中UO2^2+的传感器尚未见报道。基于此,本研究设计并制备了三种黄酮类荧光传感器(PH-A、PH-B和PH-C),用于UO2^2+的细胞内和水溶液检测。
传感器设计与合成
研究首先设计并合成了三种黄酮类荧光传感器PH-A、PH-B和PH-C。这些传感器通过一步法合成,结构通过1H NMR、13C NMR、FT-IR和HR-MS进行了详细表征。PH-A在黄酮骨架中引入了醛基,PH-B在PH-A的基础上引入了双羟基和羰基,PH-C则作为对照传感器。
光物理性质研究
为了探究水含量对检测效果的影响,研究在六种亲水性溶剂中测试了10 μM UO2^2+对三种传感器(PH-A、PH-B和PH-C)的荧光猝灭效果。结果显示,PH-A在DMF、EtOH、MeOH和MeCN溶液中表现出优异的荧光猝灭效果,尤其是在水含量大于80%时,荧光猝灭效果稳定且高效。相比之下,PH-B和PH-C的荧光猝灭效果较差。
pH效应研究
研究进一步测试了pH对PH-A检测UO2^2+的影响。结果表明,在pH 5至9范围内,PH-A的荧光强度较高,且UO2^2+的加入能够有效猝灭荧光。因此,研究将检测系统的pH优化为5。
荧光滴定实验
为了探究PH-A对UO2^2+的检测效果,研究进行了荧光滴定实验。结果显示,随着UO2^2+浓度的增加,PH-A在530 nm处的荧光强度逐渐降低,当UO2^2+浓度达到10 μM时,荧光强度几乎降低了90%。PH-A对UO2^2+的检测限低至1.17×10^-8 mol/L。
选择性与竞争性实验
研究测试了PH-A对多种金属离子、常见阴离子和氧化剂的荧光响应。结果显示,只有UO2^2+能够显著猝灭PH-A的荧光,表明PH-A对UO2^2+具有优异的选择性和抗干扰能力。
传感机制探索
通过HR-MS、1H NMR、FT-IR和DLS等实验,研究揭示了PH-A与UO2^2+的配位机制。结果表明,UO2^2+与PH-A中的醛基和酮羰基发生配位,从而阻断黄酮分子的激发态分子内质子转移(ESIPT)过程,导致荧光猝灭。
活细胞成像
研究进一步评估了PH-A在活细胞中对UO2^2+的检测能力。细胞成像实验表明,PH-A能够成功进入细胞并定位在溶酶体中,且能够灵敏地检测到溶酶体中的UO2^2+。这是首次报道能够追踪溶酶体中UO2^2+的传感器。
试纸应用
研究还制备了基于PH-A的试纸,用于现场实时检测海水、河水和酸性水环境中的UO2^2+。结果显示,试纸对UO2^2+具有优异的选择性,且能够通过肉眼观察到荧光猝灭现象。
传感器性能
PH-A在检测UO2^2+时表现出优异的稳定性和灵敏度,尤其是在高水含量条件下。PH-A的荧光猝灭效果与UO2^2+浓度呈良好的线性关系,检测限低至1.17×10^-8 mol/L。
传感机制
UO2^2+与PH-A中的醛基和酮羰基发生配位,阻断ESIPT过程,导致荧光猝灭。这一机制通过多种实验手段得到了验证。
细胞成像
PH-A能够成功进入细胞并定位在溶酶体中,首次实现了对溶酶体中UO2^2+的追踪和检测。
试纸应用
基于PH-A的试纸能够用于现场实时检测复杂水环境中的UO2^2+,具有较高的准确性和回收率。
该研究设计并制备了一种基于黄酮类化合物的荧光传感器PH-A,用于高灵敏度和高选择性地检测UO2^2+。PH-A不仅在水溶液中表现出优异的检测性能,还能够成功进入细胞并定位在溶酶体中,首次实现了对溶酶体中UO2^2+的追踪。此外,基于PH-A的试纸能够用于现场实时检测复杂水环境中的UO2^2+,具有较高的应用价值。该研究为环境监测和靶向排毒药物开发提供了新的工具和方法。
新颖的传感器设计
PH-A通过引入醛基增强了传感器的荧光强度和稳定性,提高了对UO2^2+的识别效果。
首次追踪溶酶体中的UO2^2+
该研究首次实现了对溶酶体中UO2^2+的追踪和检测,为研究UO2^2+的毒性机制提供了新的工具。
现场实时检测
基于PH-A的试纸能够用于现场实时检测复杂水环境中的UO2^2+,具有较高的应用价值。
该研究还通过密度泛函理论(DFT)模拟了PH-A与UO2^2+的配位模式,进一步验证了传感机制。此外,研究还测试了PH-A在多种实际水样中的检测性能,结果显示PH-A在河水、自来水和海水中的回收率在98.64%至103.35%之间,表明其在实际环境中的应用潜力。