張文剛,雒雪麗,韓 雍,李忠宏
(西北農(nóng)林科技大學(xué) 食品科學(xué)與工程學(xué)院,陜西 楊凌 712100)
分子印跡Mn摻雜ZnS量子點磷光法檢測煙酸轉(zhuǎn)化液中的6-羥基煙酸
張文剛,雒雪麗,韓 雍,李忠宏*
(西北農(nóng)林科技大學(xué) 食品科學(xué)與工程學(xué)院,陜西 楊凌 712100)
以6-羥基煙酸(6-HNA)為模板,采用分子印跡溶膠-凝膠法合成了具有良好光學(xué)性質(zhì)的印跡Mn摻雜ZnS量子點磷光傳感器(MIP-QDs)。紅外光譜(FT-IR)和掃描電鏡(SEM)測試表明,印跡聚合物成功接枝在納米傳感器表面。吸附試驗顯示,MIP-QDs對6-HNA的親和性與選擇性顯著高于其結(jié)構(gòu)類似物闊馬酸和煙酸,具備作為檢測探針的潛力。在最優(yōu)條件下,基于6-HNA可選擇性猝滅MIP-QDs磷光而建立了靈敏、簡便的檢測微量6-HNA的光學(xué)新方法。當(dāng)6-HNA濃度在3.4~67.0 μmol/L范圍內(nèi),MIP-QDs的磷光猝滅率P0/P隨濃度變化的關(guān)系符合Stern-Volmer方程(r2=0.996 5),檢出限為1.03 μmol/L。實際樣品測定顯示,6-HNA的回收率為91.0%~103.9%,相對標(biāo)準(zhǔn)偏差不超過4.5%,檢測結(jié)果與HPLC法相一致(P>0.05),方法具有良好的準(zhǔn)確性和可行性。
量子點;分子印跡;磷光檢測;6-羥基煙酸(6-HNA);煙酸
6-羥基煙酸(6-HNA)是一種重要的化學(xué)中間體,在醫(yī)藥、農(nóng)藥、材料化學(xué)等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛,例如用于合成吡啶甲胺類農(nóng)藥、5,6-二氯煙酸(減肥藥)、發(fā)冷光材料等[1-2]。6-HNA主要通過兩種途徑生產(chǎn):一是化學(xué)合成法;二是利用煙酸脫氫酶(NaDH)或具有NaDH活性的微生物轉(zhuǎn)化煙酸底物來獲得。其中化學(xué)合成法簡單,但副產(chǎn)物較多且分離困難;而生物酶催化轉(zhuǎn)化法在國內(nèi)尚處于起步階段,實際生產(chǎn)或研究中常需對大量廢水、轉(zhuǎn)化液、6-HNA產(chǎn)品進(jìn)行即時分析檢測[3-5]。目前,6-HNA的檢測方法主要為高效液相色譜法(HPLC),該方法樣品前處理復(fù)雜、耗時、成本高[6-7]。尹祖建等[8]報道了可同時測定底物中煙酸和6-HNA的雙波長比色法,方法簡單,準(zhǔn)確度和精確度好,然而基于紫外吸收原理分析容易受到樣品背景干擾,檢測靈敏度偏低,因此研究快速、靈敏、簡便的6-HNA檢測方法對實際生產(chǎn)具有重要意義。
量子點(Quantum dots,QDs)的光學(xué)和電學(xué)性能優(yōu)異,具有發(fā)展檢測探針的極大潛力[9]。QDs除發(fā)射熒光外,少數(shù)稀土和過渡態(tài)金屬離子摻雜的ZnS還可發(fā)射磷光。磷光相比熒光壽命更長,在檢測中可避免樣品基質(zhì)自熒光和散射光的干擾,有效改善分析選擇性和靈敏度[10]。磷光量子點中研究最多的是Mn摻雜ZnS(Mn-ZnS)QDs,由于其低毒、制備簡單而被越來越多地用于生物分子、藥物分子、環(huán)境和食品污染物等的磷光檢測中[11-12]。QDs一般要經(jīng)過表面功能化來提高檢測特異性,而修飾后的QDs通過與目標(biāo)分析物相互作用來改變其表面電荷和組成,甚至引起內(nèi)核電子-空穴對重組并產(chǎn)生響應(yīng)信號[13]。然而,常用的特異性配體如生物素、抗體、DNA適配子等難制備、易失活、成本高,限制了QDs的分析應(yīng)用[14-15]。印跡聚合物(MIP)是一類在模板存在條件下由單體和交聯(lián)劑共聚而成的聚合物,是一類選擇識別性材料,可有效解決上述問題[16]。近年來,構(gòu)建印跡QDs熒光或磷光傳感器成為研究熱點,已被廣泛應(yīng)用于藥物、生物分子、無機(jī)污染物的檢測[17-18]。本研究利用表面分子印跡溶膠-凝膠技術(shù),以6-HNA為模板、3-氨基丙基三乙氧基硅烷為單體、硅酸四乙酯為交聯(lián)劑制備了印跡聚合物修飾的磷光Mn摻雜ZnS 量子點傳感器(MIP-QDs),基于6-HNA選擇性結(jié)合于印跡空穴后可猝滅MIP-QDs磷光的原理,構(gòu)建了煙酸轉(zhuǎn)化液中6-HNA的檢測新方法。
1.1 儀器與試劑
傅立葉變換紅外光譜儀(Vetex70 FTIR Spectroscope,Bruker Corp,德國布魯克公司),場發(fā)射掃描電子顯微鏡(FESEM,JEOL S-4800,日本日立公司),紫外可見分光光度計(UV-Vis 2550,日本島津公司),熒光分光光度計(LS-55,Perkin-Elmer,美國鉑金埃爾默公司),液相色譜儀(LC-10AVPPLUS,日本島津公司)。
七水合硫酸鋅(ZnSO4·7H2O)、九水合硫化鈉(Na2S·9H2O)、四水氯化錳(MnCl2·4H2O)、6-羥基煙酸(6-HNA)、闊馬酸(CA)、煙酸(NC)購自Aladdin試劑公司。3-巰基丙基三乙氧基硅烷(MPTS)、3-氨基丙基三乙氧基硅烷(APTES)、正硅酸四乙酯(TEOS)購自Adamas試劑公司。以上試劑均為分析純,實驗用水為二次去離子水;6-HNA,CA,NC標(biāo)準(zhǔn)溶液現(xiàn)用現(xiàn)配。
1.2 實驗方法
1.2.1 MIP-QDs的制備 根據(jù)文獻(xiàn)并進(jìn)行適當(dāng)?shù)男薷囊灾苽銶PTS修飾的Mn摻雜ZnS QDs(MPTS-QDs)和MIP-QDs[19]。MPTS-QDs以8 000 r/min離心后用水及無水乙醇洗3次,然后分散在乙醇中備用。根據(jù)猝滅因子QF(式1),選擇MPTS-QDs加量4 mL、模板與單體摩爾比1∶4及模板與交聯(lián)劑比例1∶8為優(yōu)化條件制備MIP-QDs。取20 mg 6-HNA加入10 mL熱無水乙醇后超聲溶解,加入單體APTES并攪拌預(yù)聚合30 min。再依次加入交聯(lián)劑TEOS,MPTS-QDs和2.5 mL 5%的NH3·H2O后于室溫攪拌反應(yīng)20 h。非印跡量子點(NIP-QDs)的合成方法如上,但不加模板。以CH4O-TFA(體積比9.5∶0.5)作為混合溶劑在超聲輔助下進(jìn)行脫模板,直至洗脫液中檢測不到模板分子。
1.2.2 MIP-QDs的吸附性能 根據(jù)預(yù)試驗結(jié)果,選擇0.1 mol/L pH 6.0 的PBS溶液為分析體系,配制濃度分別為0,5,10,15,20,30,50,100 μmol/L的6-HNA,CA,NC來評價MIP-QDs對模板分子的再結(jié)合性能及吸附選擇性。于5 mL離心管中依次加入120 μL 1 mg/mL的MIP/NIP-QDs溶液、200 μL PBS及不同濃度的分析物溶液后定容至3 mL。將室溫反應(yīng)一定時間后的樣品倒入四通光石英比色皿中進(jìn)行磷光測定。光譜掃描范圍為400~700 nm,掃描速率為800 nm/min,激發(fā)和發(fā)射狹縫分別為10 nm和20 nm,激發(fā)波長為320 nm。數(shù)據(jù)采用Stern-Volmer方程(式2)擬合得P0/P與分析物濃度之間的關(guān)系曲線及印跡因子(IF),IF為MIP/NIP-QDs的Stern-Volmer常數(shù)KSV的比值。
(1)
P0/P=1+KSV[Q]
(2)
式中:P0與P分別為加入猝滅劑前后的磷光強(qiáng)度;ΔPMIP和ΔPNIP分別為MIP-QDs和NIP-QDs探針在加入猝滅劑前后的熒光強(qiáng)度差。
2.1 MIP-QDs的表征
首先通過MPTS-QDs,MIP-QDs及NIP-QDs的紅外光譜來判斷Mn摻雜ZnS是否成功被印跡聚合物修飾(圖1A)。由圖1A可知,618 cm-1處的特征峰屬于ZnS,而1 113,2 926,3 424 cm-1處的峰分別屬于Si—O—Si寬的非對稱強(qiáng)吸收峰、C—OH和C—H的伸縮振動,表明MPTS通過硅烷化沉積反應(yīng)修飾在了ZnS QDs表面。MIP-QDs和 NIP-QDs紅外光譜中在787,461 cm-1處的吸收峰為其表面硅殼中Si—O鍵的振動峰,波數(shù)為2 926,3 424,1 542 cm-1處的峰分別為脂肪族化合物—CH2—和N—H的伸縮振動,表明MIP/NIP-QDs表面存在—(CH2)3NH2。MIP-QDs和NIP-QDs的吸收峰相似,然而MIP-QDs在1 631 cm-1和1 065 cm-1的峰紅移至1 685 cm-1和1 134 cm-1,表明MIP膜接枝成功且印跡過程未改變量子點的化學(xué)組成。印跡和非印跡量子點的表面形貌如圖1B和D所示。MIP-QDs粒徑約為20 nm,大于NIP-QDs的15 nm,且表面相對更為粗糙,表明在MIP-QDs表面產(chǎn)生了印跡效應(yīng)且存在6-HNA的印跡膜層。MIP-QDs的光譜學(xué)表征結(jié)果如圖1C所示,由圖中可看出在最大激發(fā)波長320 nm左右激發(fā)時,熒光光譜在585 nm處具有一個強(qiáng)摻雜發(fā)射峰,在423 nm附近存在一個弱缺陷發(fā)射峰。與熒光光譜相比,MIP-QDs磷光光譜只存在585 nm處Mn2+摻雜引起的激發(fā)三線態(tài)(4T1)到基態(tài)(6A1)躍遷產(chǎn)生的長量子壽命、強(qiáng)對稱發(fā)射峰[18],同時印跡前后的峰形保持一致且尖銳,表明合成的該量子點傳感器具有良好的發(fā)光性能。
2.2 MIP-QDs的吸附性能
吸附平衡和吸附動力學(xué)的結(jié)果如圖2所示。由圖2A可知,當(dāng)在體系中加入50 μmol/L 的6-HNA后,MIP-QDs的磷光強(qiáng)度隨著反應(yīng)時間的延長而不斷減小,且MIP-QDs結(jié)合6-HNA的速率在1.5 h前較快,之后逐漸減小直至4 h后趨近吸附飽和狀態(tài)。而NIP-QDs相比MIP-QDs在整個吸附過程中P0/P變化很小,表明經(jīng)印跡聚合物修飾后的MIP-QDs對6-HNA具有更高的親和性與傳質(zhì)效率。由圖2B可知,加入6-HNA后MIP-QDs的磷光猝滅率P0/P隨著6-HNA濃度的增大而快速增大,且當(dāng)濃度大于30 μmol/L后趨于常數(shù),達(dá)到吸附平衡,此時MIP-QDs表面的印跡空穴及裸露的作用位點被6-HNA飽和,磷光猝滅基本穩(wěn)定。由于印跡效應(yīng)的存在,MIP-QDs的P0/P顯著高于NIP-QDs,表明MIP-QDs對6-HNA具有更強(qiáng)的吸附能力。
2.3 MIP-QDs的選擇性
考察了MIP-QDs對不同濃度6-HNA及其類似物CA及NC的選擇性,結(jié)果如圖3所示。由圖3A可見,6-HNA及其結(jié)構(gòu)類似物對MIP-QDs的磷光猝滅效應(yīng)符合Stern-Volmer關(guān)系。隨著分析物濃度增大,量子點的磷光強(qiáng)度呈線性減小,且磷光猝滅率的大小順序為6-HNA>CA>NC,表明以6-HNA為模板經(jīng)過印跡溶膠-凝膠反應(yīng)后的MIP-QDs表面形成了在空間結(jié)構(gòu)和化學(xué)作用位點上與6-HNA互補(bǔ)的印跡位點和空穴。6-HNA,CA和NC的pKa值分別為4.03,2.80和4.90,均低于吸附介質(zhì)的pH 6.0,3種酸性結(jié)構(gòu)類似物在pH 6.0時會發(fā)生去質(zhì)子化電離出H+,而氨丙基在結(jié)合H+成為質(zhì)子化的—(CH2)3NH3+后通過強(qiáng)靜電作用力與負(fù)電性的6-HNA分子相結(jié)合造成磷光猝滅。由于pKa越小,酸分子越容易電離,因此6-HNA表現(xiàn)出了明顯高于NC的猝滅效率[19]。CA的pKa值雖然最小,但由于CA分子結(jié)構(gòu)與6-HNA存在較大差異,導(dǎo)致MIP-QDs對CA的印跡效應(yīng)較弱。由圖3B可知,3種分析物對NIP-QDs的磷光猝滅基本一致且CA和NC對印跡與非印跡探針的磷光(P0/P)相差不大,這是因為NIP-QDs表面不存在印跡膜層,其對分析物的結(jié)合僅限于表面的氨丙基、羥基等官能團(tuán)。利用式(2)擬合后計算得6-HNA,CA,NC的IF分別為1.90,1.18和1.17,表明在酸堿、氫鍵及印跡效應(yīng)作用下,MIP-QDs對6-HNA的結(jié)合選擇性最高,從而使MIP-QDs可用于實際樣品中6-HNA的分析檢測。
小分子物質(zhì)對QDs磷光猝滅的機(jī)制主要是電子轉(zhuǎn)移或能量傳遞,然而6-HNA的特征紫外光譜和MIP-QDs的發(fā)射光譜(585 nm) 之間不存在光譜重疊,所以無能量轉(zhuǎn)移。6-HNA的紫外吸收峰在加入APTES后存在紅移(圖1C中的曲線 d,e,f)且其吸收帶(254 nm和295 nm)接近MIP-QDs的能量吸收帶(圖1C中的曲線c),因此MIP-QDs的導(dǎo)帶電子可以轉(zhuǎn)移到6-HNA分子最低未被占用軌道(LUMO),從而發(fā)生非輻射電子轉(zhuǎn)移造成磷光猝滅[16,20]。6-HNA為煙酸的衍生物,相比煙酸具有對位的羥基,在存在鄰位N取代且忽略位阻效應(yīng)的條件下,羧基協(xié)同羥基具有更強(qiáng)的親核能力,使具備電子供體及受體能力的6-HNA通過多重氫鍵作用與MIP-QDs的—NH2和醇羥基等位點相結(jié)合。當(dāng)結(jié)合分析物的傳感器受到一定波長的紫外光激發(fā)后,電子-空穴對發(fā)生分離,空穴被Mn2+俘獲后形成新的復(fù)合中心并以磷光形式釋放能量[21]。MIP-QDs導(dǎo)帶的激發(fā)態(tài)電子由于不穩(wěn)定而向基態(tài)躍遷,然而6-HNA的能量吸收帶高于Mn摻雜ZnS QDs在430 nm附近的缺陷發(fā)射,導(dǎo)致電子直接從導(dǎo)帶躍遷到6-HNA的最低未被占用軌道(LUMO),從而產(chǎn)生磷光猝滅。
2.4 工作曲線建立
為構(gòu)建6-HNA的快速光學(xué)檢測方法,對孵育時間(20 min)及探針濃度(0.04 mg/mL)進(jìn)行優(yōu)化后得到工作曲線。不同濃度6-HNA對MIP-QDs和NIP-QDs磷光光譜的影響見圖4。由圖4可知,隨著6-HNA濃度的增大,MIP-QDs和NIP-QDs的磷光強(qiáng)度不斷降低,但其光譜無明顯的藍(lán)移或紅移,表明6-HNA與MIP-QDs量子點表面產(chǎn)生了相互作用[22],通過與印跡位點及表面基團(tuán)之間的吸附結(jié)合猝滅磷光。圖4插圖顯示了MIP-QDs和NIP-QDs的P0/P隨著6-HNA濃度變化的關(guān)系,由于熒光或磷光猝滅符合Stern-Volmer方程,在線性關(guān)系良好的濃度范圍內(nèi)(3.4~67.0 μmol/L)將MIP-QDs磷光強(qiáng)度用式(2)擬合后得到方法線性方程為P0/P=0.003 8c+1.002 3(r2=0.996 5),KSV,MIP=3 800 mol-1。NIP-QDs的擬合線性范圍與印跡探針相同,但KSV,NIP=1 800 mol-1且r2=0.988 5,均小于MIP-QDs,表明經(jīng)過印跡的量子點探針對6-HNA的識別性能更好。根據(jù)IUPAC標(biāo)準(zhǔn)計算得檢出限(LOD,3σ/k)為1.03 μmol·L-1,其中k為標(biāo)準(zhǔn)曲線的斜率,σ為MIP-QDs的空白樣品6次平行測定的標(biāo)準(zhǔn)偏差。本方法的LOD高于已報道的HPLC分析法[7]但低于紫外分析法[4,8]。此外,該磷光傳感器以磷光Mn-ZnS QDs為信號平臺并以高選擇性、制備簡便的表面分子印跡聚合物受體為識別配體,使得方法易操作、響應(yīng)快、抗干擾能力強(qiáng),相比色譜分析法不需要昂貴有毒的試劑及大型儀器設(shè)備,具有較好的應(yīng)用前景。
2.5 實際樣品分析
取酶法轉(zhuǎn)化液樣品,以水簡單稀釋至適當(dāng)濃度后,按照建立的方法及HPLC法測定樣品中的6-HNA濃度[8],檢測結(jié)果如表1所示,實際樣品中6-HNA的本底值為3.7~4.0 μmol/L,在此基礎(chǔ)上采用標(biāo)準(zhǔn)加入法研究方法的可行性。對3組不同加標(biāo)水平的樣品檢測得到回收率為91.0%~103.9%,相對標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)為3.2%~4.5%,且MIP-QDs和HPLC法的測定結(jié)果之間無顯著差異(P>0.05),表明該方法有較好的可行性。
本文以6-羥基煙酸(6-HNA)為模板通過分子印跡溶膠-凝膠技術(shù)制備了印跡聚合物修飾的Mn摻雜ZnS量子點光學(xué)傳感器(MIP-QDs),并用于6-HNA檢測。MIP-QDs對6-HNA的吸附能力顯著高于非印跡量子點。在酸堿、氫鍵、靜電等作用力下,6-HNA與探針表面或印跡空穴中的—(CH2)3NH2之間通過電子轉(zhuǎn)移猝滅磷光。MIP-QDs具有高親和性與選擇性,相比煙酸、闊馬酸等結(jié)構(gòu)類似物,其對6-HNA表現(xiàn)出選擇識別性能。在優(yōu)化條件下,MIP-QDs磷光猝滅符合Stern-Volmer方程,相應(yīng)建立的光學(xué)檢測方法可檢測煙酸酶法轉(zhuǎn)化液中微量的6-HNA。相比于HPLC法和紫外吸收檢測法,該法傳感器制備簡單、成本低、靈敏度較高,具有一定的實際應(yīng)用潛力。
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Detection of 6-Hydroxynicotinic Acid in Nicotinic Acid Conversion Fluid Using Molecularly Imprinted Polymer Capped Mn-doped ZnS Phosphorescent Quantum Dots
ZHANG Wen-gang,LUO Xue-li,HAN Yong,LI Zhong-hong*
(College of Food Science and Engineering,Northwest A&F University,Yangling 712100,China)
An optical nanosensor based Mn-doped ZnS quantum dots(QDs)was synthesized using 6-hydroxynictinic acid(6-HNA) as template via surface molecular imprinting sol-gel method.Fourier transform infrared spectroscopic(FT-IR) spectra and scanning electron microscopic(SEM) images showed that the imprinted polymer was successfully grafted onto MIP-QDs.Adsorption tests revealed that the affinity and selectivity of MIP-QDs for 6-HNA were significantly higher than its analogues nicotinic acid and coumalic acid.Under the optimized conditions,a phosphorescent sensor for detecting 6-HNA was constructed.The linear range for detection of 6-HNA was in the range of 3.4-67.0 μmol/L with a detection limit of 1.03 μmol/L and a correlation coefficient(r2) of 0.996 5.Recoveries of 91.0%-103.9% and relative standard deviations less than 4.5% were achieved in real samples,which were in good agreement with that of the high-performance liquid chromatographic(HPLC) method(P>0.05).The proposed method had good veracity and feasibility.
quantum dots;molecular imprinting;phosphorescence detection;6-hydroxynicotinic acid(6-HNA);nicotinic acid
QF=ΔPMIP/ΔPNIP
10.3969/j.issn.1004-4957.2017.04.006
2016-11-03;
2016-11-27
國家自然科學(xué)基金項目(31371813);國家科技部(863計劃)項目資助(2013FY113400)
O657.3;TQ216
A
1004-4957(2017)04-0478-06
*通訊作者:李忠宏,博士,教授,研究方向:食品納米技術(shù),Tel:029-87038857,E-mail:steveli@nwsuaf.edu.cn