高荧光量子产率钕、氮双掺杂碳点用于柳氮磺吡啶检测及Hela细胞成像

doi:10.19894/j.issn.1000-0518.220041

摘要/Abstract

摘要：

以柠檬酸氢二铵、缓血酸铵和硝酸钕为起始原料，通过水热法合成了荧光量子产率为93.05%、发蓝色荧光的钕、氮双掺杂碳点（Nd，N-CDs）。采用透射电子显微镜（TEM）、粉末X射线衍射（XRD）、红外光谱（FT-IR）及X射线光电子能谱（XPS）等技术对Nd，N-CDs的形貌及表面结构进行了详细表征，采用紫外可见吸收光谱及荧光光谱考察了其光学性质和稳定性。结果显示，药物分子柳氮磺吡啶（SSZ）能够使Nd，N-CDs的荧光显著降低，而金属离子及另外4种药物分子没有明显效果。由此，建立了一种选择性检测SSZ的荧光检测方法，线性检测范围在0.1~50 μmol/L之间，检出限低至0.05 μmol/L。机理探讨表明，荧光猝灭主要涉及动态猝灭和荧光共振能量转移两种机制。所建立的分析方法能用于测定实际药片中的SSZ含量，回收率为98.1%~104.2%。此外，Nd，N-CDs表现出很好的生物相容性，能够作为荧光探针穿透细胞壁使细胞质染色，因不会进一步穿透进入细胞核，很好的避免了对细胞的深层次破坏。

关键词: 碳点, 柳氮磺吡啶, 荧光分析, 细胞成像

Abstract:

Ammonium citrate dibasic， trometamol and neodymium nitrate are employed as raw materials to effectively synthesize blue fluorescent neodymium and nitrogen co-doped carbon dots （Nd，N-CDs） with a fluorescence quantum yield of up to 93.05% via hydrothermal method. The morphology and surface structure of Nd，N-CDs are characterized in detail by several techniques including transmission electron microscopy （TEM）， powder X-ray diffraction （XRD）， infrared spectroscopy （FT-IR） and X-ray photoelectron spectroscopy （XPS）. In addition， ultraviolet visible absorption spectroscopy and fluorescence spectroscopy are used to investigate its optical properties and optical stability. Results show that drug molecule sulfasalazine （SSZ） could dramatic decrease the fluorescence of Nd，N-CDs， but other four drug molecules and metal ions have no significant influence. Thus， a fluorescence detection method for selective detection of SSZ is established. The linear detection range is between 0.1 μmol/L and 50 μmol/L， and the detection limit is 0.05 μmol/L. Further investigation shows that the fluorescence quenching mainly involves two mechanisms that are dynamic quenching and fluorescence resonance energy transfer. The as-established analytical method could be used to determine the content of SSZ in actual tablets with recovery ranging from 98.1%~104.2%. Furthermore， the synthesized Nd，N-CDs present good biocompatibility and could be used as a fluorescent probe to penetrate the cell wall to stain the cytoplasm， however， it could not enter the cell nucleus， which effectively avoids further cell damage.

Key words: Carbon dots, Sulfasalazine, Fluorescence analysis, Cell imaging

中图分类号:

O657.3

宋金萍, 马琦, 梁晓敏, 尚建鹏, 董川. 高荧光量子产率钕、氮双掺杂碳点用于柳氮磺吡啶检测及Hela细胞成像[J]. 应用化学, 2022, 39(11): 1726-1734.

Jin-Ping SONG, Qi MA, Xiao-Min LIANG, Jian-Peng SHANG, Chuan DONG. Neodymium and Nitrogen Co‑doped Carbon Dots with High Fluorescence Quantum Yield for Detection of Sulfasalazine and Hela Cell Imaging[J]. Chinese Journal of Applied Chemistry, 2022, 39(11): 1726-1734.

图/表 9

图1 Nd，N-CDs制备条件的优化

Fig.1 Optimization of synthesis conditions of Nd，N-CDs

图2 Nd，N-CDs的TEM图（A）、XRD （B）、FT-IR （C）、高分辨率N1s （D）和C1s （E）谱和 XPS总谱（F）

Fig.2 TEM image （A）， XRD （B）， FT-IR （C）， high resolution N1s （D） and C1s （E） spectra， and XPS survey spectrum （F） of Nd，N-CDs

图3 （A） Nd，N-CDs的UV-Vis 和荧光光谱；（B）不同激发波长下的荧光光谱；（C） pH值对荧光强度的影响；（D）离子强度对荧光强度的影响

Fig.3 （A） UV-Vis and fluorescence spectra of Nd，N-CDs；（B） Fluorescence spectra under different excitation wavelength；（C） Influence of pH on fluorescence intensity；（D） Influence of ionic strength on fluorescence intensity

图4 （A） SSZ添加前后的荧光光谱；（B）选择性研究柱状图；（C） pH值对SSZ检测的影响；（D） SSZ检测的线性B：金属离子和药物分子浓度分别为50 μmol/L

Fig.4 （A） Fluorescence spectra before and after adding SSZ；（B） Selective response histogram；（C） Influence of pH on the detection of SSZ；（D） Linear curve of the detection of SSZB： The concentration of metal ions and drug molecular is 50 μmol/L， respectively

表1 SSZ检测分析方法性能比较

Table 1 Comparison of analytical methods for detection of SSZ

检测方法 Detection method	传感体系 Sensor system	线性范围 Linear range/（μmol·L^-1）	检出限 Detection limit/（μmol·L^-1）	参考文献 Ref.
色谱法 Chromatography	—	62.75 ~ 753	—	［2］
色谱法 Chromatography	—	0.5 ~ 7.5/7.5 ~125.5	0.5	［16］
比色法 Colorimetric method	Android smartphone	25 ~ 125	8.28	［4］
电化学法 Electrochemical method	NiO/CNT/IL/CPE	0.5 ~ 800	0.09	［3］
	MWCNTCOOH/BA?SPCE	1.0 ~ 14， 14 ~70	0.3	［17］
	BiNP?CNT/GCE	0.05 ~ 10	0.13	［18］
荧光法 Fluorescence method	N?CDs	0.85 ~ 17	0.08	［19］
	Tb?DPA complex	0.08 ~ 6， 1 ~100	0.06	［20］
	CdS nanoparticle	1.26 ~ 250	0.25	［21］
	Nd，N?CDs	0.1 ~ 50	0.05	本文 This work

表2 不同温度下的Stern?Volmer猝灭常数及双分子反应速率常数

Table 2 Stern?Volmer quenching constant and bimolecular reaction rate constant at different temperatures

温度

Temperature/K

猝灭常数

Quenching constant/（L·mol^-1）

双分子反应速率常数

Bimolecular reaction rate constant/（L·mol^-1·s^-1）

参考文献 21

1	KWIECIEŃ A， PIATEK K， ŻMUDZKI P， et al. TLC-Densitometric determination of sulfasalazine and its possible impurities in pharmaceutical preparations［J］. Acta Chromatogr， 2015， 27（4）： 623-635.
2	孙宁云，常靓. 柳氮磺吡啶肠溶片耐酸力和溶出度检测方法的建立与研究［J］. 中国现代药物应用， 2015， 9（17）： 273-276.
	SUN N Y， CHANG L. Establishment and research of detection methods for acid tolerance and dissolution rate in sulfasalazine enteric-coated tablet［J］. Chinese J Mod Drug Appl， 2015， 9（17）： 273-276.
3	BEITOLLAHI H， YOONESFAR R. Sensitive detection of sulfasalazine at a carbon paste electrode modified with NiO/CNT nanocomposite and ionic liquid in pharmaceutical and biological samples［J］. Inorg Nano-Met Chem， 2017， 47（10）： 1441-1448.
4	SOPHIA A E， LAILA I， AZIZ A. Smartphone-based colorimetric determination of sulfadiazine and sulfasalazine in pharmaceutical and veterinary formulations［J］. Instrum Sci Technol， 2018， 46（6）： 656-675.
5	SADEGHI S， OLIAEI S. Optimization of ionic liquid based dispersive liquid-liquid microextraction combined with dispersive micro-solid phase extraction for the spectrofluorimetric determination of sulfasalazine in aqueous samples by response surface methodology［J］. RSC Adv， 2016， 6： 113551-113560.
6	ALI H， GHOSH S， JANA N R. Fluorescent carbon dots as intracellular imaging probes［J］. WIREs Nanomed Nanobiotechnol， 2020， 12（4）： e1617（1-15）.
7	WANG H Y， LU Q J， HOU Y X， et al. High fluorescence S， N co-doped carbon dots as an ultra-sensitive fluorescent probe for the determination of uric acid［J］. Talanta， 2016， 155： 62-69.
8	SONG J P. LIANG X M， MA Q， et al. Fluorescent boron and nitrogen co-doped carbon dots with high quantum yield for the detection of nimesulide and fluorescence staining［J］. Spectrochim Acta A， 2019， 216： 296-302.
9	ZHU P P， CHENG Z， DU L L， et al. Synthesis of the Cu-doped dual-emission fluorescent carbon dots and its analytical application［J］. Langmuir， 2018， 34： 9982-9989.
10	XU Q， SU R， CHEN Y， et al. Metal charge transfer doped carbon dots with reversibly switchable， ultra-high quantum yield photoluminescence［J］. ACS Appl Nano Mater， 2018， 1： 1886-1893.
11	PAKKATH S A R， CHETTY S S， SELVARASU P， et al. Transition metal ion （Mn²⁺， Fe²⁺， Co²⁺， and Ni²⁺）-doped carbon dots synthesized via microwave-assisted pyrolysis： a potential nanoprobe for modality-fluorescent dual-modality bioimaging［J］. ACS Biomater Sci Eng， 2018， 4： 2582-2596.
12	LIU S， CUI J， HUANG J， et al. Facile one-pot synthesis of highly fluorescent nitrogen-doped carbon dots by mild hydrothermal method and their applications in detection of Cr（VI） ions［J］. Spectrochim Acta A， 2019， 206： 65-71.
13	SHANGGUAN J， HUANG J， HE D， et al. Highly Fe³⁺-selective fluorescent nanoprobe based on ultrabright N/P codoped carbon dots and its application in biological samples［J］. Anal Chem， 2017， 89： 7477-7484.
14	ZHAO L， WANG Z， HAN D， et al. Preparation of carbon nanotube-neodymium oxide composite and research on its catalytic performance［J］. Mater Res Bull， 2009， 44（5）： 984-988.
15	WU F， SU H， ZHU X. Near-infrared emissive lanthanide hybridized carbon quantum dots for bioimaging applications［J］. J Mater Chem B， 2016， 4（38）： 6366-6372.
16	ABDELRAHMAN M M， HABIB N M， EMAM A A， et al. Chromatographic determination of sulfasalazine and its active metabolites： greenness assessment and application to spiked human plasma［J］. Biomed Chromatogr， 2020， 34（4）： e4804（1-12）.
17	SADEGHI S， GARMROODI A. Sensitive detection of sulfasalazine at screen printed carbon electrode modified with functionalized multiwalled carbon nanotubes［J］. J Electroanal Chem， 2014， 727： 171-178.
18	NIGOVIĆ B， JURIĆ S， MITROVIĆ I， Bismuth nanoparticles-carbon nanotubes modified sensor for sulfasalazine analysis［J］. Talanta， 2017， 164： 201-208.
19	ZHANG Z， CHEN J， DUAN Y， et al. Highly luminescent nitrogen-doped carbon dots for simultaneous determination of chlortetracycline and sulfasalazine［J］. Luminescence， 2018， 33（2）： 318-325.
20	YAN J， YU Y， KONG B， et al. Highly sensitive detection of sulfasalazine based on the fluorescence quenching of a terbium complex probe［J］. Microchem J， 2020， 154： 104553.
21	张犁黎，郑行望，屈颖娟，等. 硫化镉纳米粒子荧光猝灭测定柳氮磺吡啶［J］. 陕西师范大学学报（自然科学板）， 2006， 34（2）： 74-76， 79.
	ZHANG L L， ZHENG X W， QU Y J， et al. A method for determination of sulfasalazine based on fluorescence quenching of CdS nanoparticles［J］. J Shaanxi Normal Univ （Nat Sci Ed）， 2006， 34（2）： 74-76， 79.

样品 Sample	测定值 Found/（μmol·L^-1）	加标量 Spiked/（μmol·L^-1）	总测定值 Total found/（μmol·L^-1）	回收率 Recovery/%	相对标准偏差 RSD/%
1	8.18	0	8.18	—	3.2
2	8.18	5.00	13.14	99.2	4.4
3	8.18	10.00	17.99	98.1	7.0
4	8.18	15.00	23.81	104.2	2.7
5	8.18	25.00	32.82	98.6	0.6

样品 Sample	测定值 Found/（μmol·L^-1）	加标量 Spiked/（μmol·L^-1）	总测定值 Total found/（μmol·L^-1）	回收率 Recovery/%	相对标准偏差 RSD/%
1	8.18	0	8.18	—	3.2
2	8.18	5.00	13.14	99.2	4.4
3	8.18	10.00	17.99	98.1	7.0
4	8.18	15.00	23.81	104.2	2.7
5	8.18	25.00	32.82	98.6	0.6

[1]	王睿哲, 胡广齐, 叶炜浩, 胡超凡, 庄健乐, 雷炳富, 李唯, 刘应亮. 一种高紫外-短波蓝光屏蔽的油溶性碳点的水热制备及其应用[J]. 应用化学, 2023, 40(1): 59-68.
[2]	杨振华, 孙宣森, 张月霞, 曹宇娟, 张琪琦, 郭峤志, 范小鹏, 李忠平, 董川. 氮硫共掺杂碳点的制备及其对牛奶中土霉素的检测[J]. 应用化学, 2022, 39(9): 1382-1390.
[3]	齐海燕, 张琛琪, 李金龙, 李军. 氮硫掺杂碳点的制备及检测铜离子[J]. 应用化学, 2022, 39(6): 980-989.
[4]	孟丹, 郑开元, 陈珊珊, 卓钊龙, 王丽丽. 硅、氮共掺杂碳点荧光粉的制备及发光性能[J]. 应用化学, 2022, 39(11): 1766-1773.
[5]	刘巧玲, 任博荣, 刘睿蓉, 李雨霞, 王桂香, 任紫薇, 董川. N-掺杂的荧光碳点比率识别Ag⁺的性能[J]. 应用化学, 2021, 38(11): 1512-1520.
[6]	徐丽萍, 刘清士, 董芷辰, 郭兴家, 董微. 基于氮掺杂碳点的荧光增强简便、快速而准确地检测环丙沙星[J]. 应用化学, 2020, 37(7): 830-838.
[7]	孟雅婷, 焦媛, 张羱, 高艺芳, 路雯婧, 刘洋, 董川. 红色荧光碳点的制备及其对过硫酸根的检测[J]. 应用化学, 2020, 37(6): 719-725.
[8]	弓辉, 康玉, 张荣, 任国栋, 侯笑雨, 张敏, 李丽红, 刘文, 王浩江, 刁海鹏. 氮掺杂碳点的制备及其对阿莫西林高灵敏检测[J]. 应用化学, 2020, 37(2): 227-234.
[9]	高漫, 何鑫, 崔京南, 刘涛, 田镇豪, 何深贵. 以香豆素为母体快速检测内源性甲醛的荧光探针[J]. 应用化学, 2019, 36(9): 1053-1060.
[10]	黄小梅,邓祥. 新型荧光碳点的制备及其在Hg²⁺检测中的应用[J]. 应用化学, 2019, 36(5): 603-610.
[11]	蔡其洪, 陈小萍, 鲁家兴, 陈登秀. 荧光法快速测定奶粉中3种雌激素的总量[J]. 应用化学, 2018, 35(5): 609-612.
[12]	卜露露,王晴,解永树. 锌离子荧光探针研究进展[J]. 应用化学, 2017, 34(12): 1355-1369.
[13]	王姣亮, 龙立平, 谢丹. 基于香豆素343的荧光探针快速检测亚硫酸根[J]. 应用化学, 2016, 33(7): 841-847.
[14]	郭颖,李午戊,刘洋. 碳点的性质及其在化学发光分析中的研究进展[J]. 应用化学, 2016, 33(6): 624-632.
[15]	JATUPAIBOON Nirun, 张德蒙, 王贝贝, 谢红国, 马小军. 自组装水热合成碳点-中空氧化硅纳米粒复合材料[J]. 应用化学, 2016, 33(4): 391-396.