双功能碳点用于葡萄糖的比色/比率荧光测定

doi:10.7503/cjcu20210019

摘要/Abstract

摘要：

以生物质(合果芋叶片)、十二水合硫酸铁铵和脲为原料, 采用水热法制备了铁、氮共掺杂碳点(Fe,N-CDs), 采用透射电子显微镜和X射线光电子能谱对其形貌与元素组成进行了表征. 该Fe,N-CDs既具有类过氧化物酶活性, 也能在450 nm处产生强荧光发射. 以Fe,N-CDs和邻苯二胺(OPD)为探针, 建立了一种比色/比率荧光测定双氧水（H₂O₂）的双信号方法. 在H₂O₂存在下, Fe,N-CDs催化OPD氧化成黄色的2,3-二氨基吩嗪(DAP), DAP在420 nm处有1个特征吸收峰. 在360 nm波长光的激发下, DAP在550 nm处有强荧光发射; 由于荧光内滤效应, DAP又可猝灭Fe,N-CDs在450 nm处的荧光. 基于此, DAP在420 nm处的吸光度(A₄₂₀)及DAP与Fe,N-CDs的荧光强度比(I₅₅₀/I₄₅₀)均可用于H₂O₂的定量分析. 考虑到葡萄糖氧化酶能催化葡萄糖氧化生成H₂O₂, 进一步发展了一种比色/比率荧光双信号葡萄糖测定方法. 在pH=5.4, 温度40 ℃, 1.75 mmol/L OPD及反应时间25 min的条件下, 当葡萄糖浓度在1.0~100 μmol/L范围内时, A₄₂₀及I₅₅₀/I₄₅₀值与浓度呈良好的线性关系, 方法的检出限分别为0.8(比色)和0.6 μmol/L(比率荧光). 将该方法成功应用于人体血清中葡萄糖的测定.

关键词: 碳点, 比色, 比率荧光, 葡萄糖, 测定

Abstract:

Fe and N co-doped carbon dots（Fe，N-CDs） were prepared by hydrothermal method using biomass（leaf of syngonium podophyllum schott）， ammonium ferric sulfate dodecahydrate and urea as raw materials， and their morphology and elemental composition were characterized by means of transmission electron micro-scopy（TEM） and X-ray photoelectron spectroscopy（XPS）. The obtained Fe，N-CDs possessed both peroxidase-like activity and strong fluorescence emission at 450 nm. A dual signal（colorimetry and ratio fluorimetry）

method<sup/>

for ^{the ^{determination ^{of ^{H₂O₂^{was ^{developed ^{using ^{Fe，N-CDs ^{and ^{o-phenylenediamine（OPD） ^{as probe. When H₂O₂ was present， OPD was oxidized to 2，3-diaminophenazine（DAP） under the catalysis of Fe，N-CDs. DAP had a characteristic absorption peak at 420 nm. When excited at 360 nm， DAP had a strong fluorescence emission at 550 nm， quenching the fluorescence of Fe，N-CDs at 450 nm because of the inner filter effect. Results showed that the concentration of H₂O₂ could not only affect the color of the DAP but also the fluorescence intensity of DAP and Fe，N-CDs. Thus， the absorbance of DAP at 420 nm（A₄₂₀） and fluorescence ^{intensity ^{ratio ^{of ^{DAP ^{and ^{Fe，N-CDs（I₅₅₀/I₄₅₀） ^{could ^{be ^{used ^{for ^{the ^{quantitative ^{analysis ^{of ^{H₂O₂. Considering that glucose oxidase can catalyze glucose oxidation to produce H₂O₂， a colorimetric and ratio fluorescence dual-signal method for glucose detection was further developed. Under the conditions of pH 5.4， temperature 40 ℃， 1.75 mmol/L OPD and reaction time 25 min， A₄₂₀ and I₅₅₀/I₄₅₀ showed good linear relationship with the glucose concentration in the range of 1.0—100 μmol/L， and the detection limits（LOD） for glucose were 0.8（colorimetry） and 0.6（ratio fluorimetry） μmol/L， respectively. This dual-signal method was applied to the determination of glucose in human serum with satisfactory results.}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}

Key words: Carbon dots, Colorimetric, Ratio fluorescence, Glucose, Detection

中图分类号:

O657.3

TrendMD:

袁春玲, 姚晓条, 徐远金, 覃秀, 石睿, 成诗琦, 王益林. 双功能碳点用于葡萄糖的比色/比率荧光测定. 高等学校化学学报, 2021, 42(8): 2428.

YUAN Chunling, YAO Xiaotiao, XU Yuanjin, QIN Xiu, SHI Rui, CHENG Shiqi, WANG Yilin. Colorimetry/Ratio Fluorimetry Determination of Glucose with Bifunctional Carbon Dots. Chem. J. Chinese Universities, 2021, 42(8): 2428.

图/表 10

Fig.1 Preparation and properties of Fe,N?CDs

Fig.2 TEM image(A) and particle size distribution diagram(B) of Fe,N?CDsInset of (A) is the relative HRTEM image.

Fig.3 Emission spectra of Fe,N?CDs excited at 310—440 nm(A) and FTIR spectrum of Fe,N?CDs(B)

Fig.4 Survey spectrum of Fe,N?CDs

Fig.5 Absorbance spectra of different solutions in 0.2 mol/L HAc?NaAc buffer solution at pH=5.4(A) and absorbance spectrum of DAP and emission spectrum of Fe,N?CDs(B)Inset of (A) shows the corresponding photograph.

Fig.6 Schematic diagram of detection principle

Fig.7 Absorption(A) and emission(C) spectra of Fe,N?CDs?OPD with different concentrations of glucose, linear relationship between A420 and glucose concentration(B) and linear relationship between I550/I450 and glucose concentration(D)Inset of (B) is the photograph of the solutions corresponding to (A).

Table 1 Comparison of different methods for detecting glucose

Method	Material	Linear range/（μmol·L^-1）	LOD/（μmol·L^-1）	Reference
Chromatography	3?OMG	0.39—25	0.39	［4］
Electrochemical	Dy₂（MoO₄）₃?AuNPs	10—1000	3.33	［5］
Fluorimetry	Tm@NaYF₄ nanoparticles	0—250	3.7	［12］
Fluorimetry	Co?NC	1—50	0.15	［34］
Colorimetry	mFe₂O₃?G	0.5—10	0.5	［35］
Colorimetry	MoS₂	5—150	1.2	［10］
Fluorimetry	Fe，N?CDs	1.0—100	0.6	This work
Colorimetry	Fe，N?CDs	1.0—100	0.8	This work

Fig.8 Selectivities of colorimetric(A) and ratio fluorescence for glucose detection(B)The concentration of glucose was 0.1 mmol/L, of other substances was 1.0 mmol/L. a. Glu; b. blank; c. Na+; d. K+; e. Zn2+; f. Mg2+; g. Phe; h. Glycine; i. Ile; j. Thr; k. Asp; l. Try; m. Val; n. Ser.

Table 2 Detection of glucose in human serum*

Sample	Added/（μmol·L^-1）	Colorimetric			Ratiometric fluorescence
Sample	Added/（μmol·L^-1）	Found/（μmol·L^-1）	Recovery（%）	RSD（n=3， %）	Found/（μmol·L^-1）	Recovery（%）	RSD（n=3， %）
Serum 1	0	40.2	—	1.5	39.1	—	0.4
	20	61.5	106.5	2.9	61.4	111.5	3.0
	40	82.3	105.2	3.7	80.0	102.2	3.1
Serum 2	0	35.9	—	3.3	35.3	—	2.1
	20	57.6	108.5	1.4	55.2	99.5	4.6
	40	78.3	106.0	5.2	72.6	93.3	6.8

参考文献 35

1	Zhang J. L.， Dai X.， Song Z. L.， Han R.， Ma L. Z.， Fan G. C.， Luo X. L.， Sens. Actuators B Chem.， 2020， 304， 127304
2	Baek S. H.， Roh J.， Park C. Y.， Kim M. W.， Shi R.， Kailasa S. K.， Park T. J.， Mat. Sci. Eng. C⁃Mater. 2020， 107， 110273
3	Xie W. Q.， Gong Y. X.， Yu K. X.， J. Chromatogr. A， 2017， 1520 143—146
4	Ling Z. L.， Xu P.， Zhong Z. Y.， Wang F.， Shu N.， Zhang J.， Tang X. G.， Liu L.， Liu X. D.， Biomed. Chromatogr.， 2016， 30（4）， 601—605
5	Huang H. P.， Yue Y. F.， Xu L.， Lü L. L.， Hu Y. M.， Chem. J. Chinese Universities， 2017， 38（4）， 554—560（黄海平，岳亚锋，徐亮，吕连连，胡咏梅. 高等学校化学学报， 2017， 38（4）， 554—560）
6	Xu L.， Lin Y. Q.， Chen X.， Lu Y. L.， Yang W. S.， Chem. J. Chinese Universities， 2016， 37（3）， 442—447（徐亮，林有芹，陈旭，路艳罗，杨文胜. 高等学校化学学报， 2016， 37（3）， 442—447）
7	Liu T.， Zhang S. X.， Liu W.， Zhao S.， Lu Z. W.， Wang Y. Y.， Wang G. T.， Zou P.， Wang X. X.， Zhao Q. B.， Rao H. B.， Sens. Actuators B Chem.， 2020， 305， 127524
8	Rashtbari S.， Dehghan G.， Amini M.， Anal. Chim. Acta， 2020， 1110， 98—108
9	Cheng X. W.， Huang L.， Yang X. Y.， Elzatahry A. A.， Alghamdi A.， Deng Y. H.， J. Colloid Interf. Sci.， 2019， 535， 425—435
10	Lin T. R.， Zhong L. S.， Guo L. Q.， Fu F. F.， Chen G. N.， Nanoscale， 2014， 6， 11856—11862
11	Liu H.， Hua Y.， Cai Y. Y.， Feng L. P.， Li S.， Wang H.， Anal. Chim. Acta， 2019， 1092， 57—65
12	Yuan J.， Cen Y.， Kong X. J.， Wu S.， Liu C. L.， Yu R. Q.， Chu X.， ACS Appl. Mater. Interfaces，2015， 7， 10548-10555
13	Wang H. B.， Chen Y.， Li N.， Lin Y. M.， Microchim. Acta， 2017， 184， 515—523
14	Xiao N.， Liu S. G.， Mo S.， Yang Y. Z.， Han L.， Ju Y. J.， Li N. B.， Luo H. Q.， Sens. Actuators B Chem.， 2015， 273， 1735—1743
15	Zhang W. C.， Li X.， Xu X. C.， He Y. F.， Qiu F. X.， Pan J. M.， Niu X. H.， J. Mater. Chem. B， 2019， 7， 223—239
16	Wang C. K.， Tan R.， Li L. B.， Liu D.， Chem. Res. Chinese Universities， 2019， 35（5）， 767—774
17	Zhong Q. M.， Huang X. H.， Qin Q. M.， Su A. M.， Chen Y. Y.， Liu X. Y.， Wang Y. L.， Chinese J. Anal. Chem.， 2018， 46（7）， 1062—1068（钟青梅，黄欣虹，覃庆敏，苏安梅，陈羽烨，刘馨宇，王益林. 分析化学， 2018， 46（7）， 1062—1068）
18	Geng X.， Sun Y. Q.， Li Z. H.， Yang R.， Zhao Y. M.， Guo Y. F.， Xu J. J.， Li F. T.， Wang Y.， Lu S. Y.， Qu L. B. Small， 2019， 15， 1901517
19	Guo S.， Sun Y. Q.， Geng X.， Yang R.， Xiao L. H.， Qu L. B.， Li Z. H.， J. Mater. Chem. B， 2020， 8， 736—742
20	Chen Y. Y.， Qin X.， Yuan C. L.， Shi R.， Wang Y. L.， Dyes and Pigments， 2020， 181， 108529
21	Su A. M.， Wang D.， Shu X.， Zhong Q. M.， Chen Y. R.， Liu J. C.， Wang Y. L.， Chem. Res. Chinese Universities， 2018， 34（2）， 164—168
22	Yuan C. L.， Qin X.， Xu Y. J.， Jing Q. Q.， Shi R.， Wang Y. L.， Microchem. J.， 2020， 159， 105365
23	Yadav P. K.， Singh V. K.， Chandra S.， Bano D.， Kumar V.， Talat M.， Hasan S.H.， ACS Biomater. Sci. Eng.， 2019， 5， 623—632
24	Chandra S.， Singh V. K.， Yadav P. K.， Bano D.， Kumar V.， Pandey V. K.， Talat M.， Hasan S.H.，Anal. Chim. Acta， 2019， 1054， 145—156
25	Wang L. Z.， Liu Y.， Yang Z. P.， Wang Y. Y.， Rao H. B.， Yue G. Z.， Wu C. M.， Lu C. F.， Wang X. X.， Dyes and Pigments， 2020， 180， 108486
26	Zhuo S. J.， Guan Y. Y.， Hui L.， Fang J.， Zhang P.， Du J. Y.， Analyst， 2019， 144， 656—662
27	Hu Y. F.， Zhang L. L.， Li X. F.， Liu R. J.， Lin L. Y.， Zhao S. L.， ACS Sustainable Chem. Eng.， 2017， 5， 4992—5000
28	Sun X. H.， He J.， Yang S. H.， Zheng M. D.， Wang Y. Y.， Ma S.， Zheng H. P.， J. Photoch. Photobio. B， 2017， 175， 219—225
29	Shen J.， Shang S. M.， Chen X. Y.， Wang D.， Cai Y.， Mat.Sci. Eng. C⁃Mater. 2017， 76， 856—864
30	Gu D.， Shang S. M.， Yu， Q.， Shen J.， Appl. Surf. Sci.， 2016， 390， 38—42
31	Wen X. P.， Shi L. H.， Wen G. M.， Li Y. Y.， Dong C.， Yang J.， Shuang S. M.， Sens. Actuators B Chem.， 2015， 221， 769—776
32	Yang W. Q.， Huang T. T.， Zhao M. M.， Luo F.， Weng W.， Wei Q. H.， Lin Z. Y.， Chen G. N.， Talanta， 2017， 164， 1—6
33	Fang A. J.， Long Q.， Wu Q. Q.， Li H. T.， Zhang Y. Y.， Yao S. Z.， Talanta， 2016， 148， 129—134
34	Qian P. C.， Qin Y. N.， Lyu Y.， L.， Li Y.， F.， Wang L.， Wang S.， Liu Y. Q.， Anal. Bioanal. Chem. 2019， 411， 1517—1524
35	Xing Z. C.， Tian J. Q.， Asiri A. M.， Qusti A. H.， Al⁃Youbi A. O.， Sun X. P.， Biosens. Bioelectron.， 2014， 52， 452—457

[1]	李志光, 齐国栋, 徐君, 邓风. Sn-Al-β分子筛酸性在葡萄糖转化反应中作用的固体NMR研究[J]. 高等学校化学学报, 2022, 43(6): 20220138.
[2]	曾晛阳, 赵熹, 黄旭日. 细胞松弛素B对葡萄糖/质子共转运蛋白GlcPSe的抑制机理[J]. 高等学校化学学报, 2022, 43(4): 20210822.
[3]	赵慧君, 吴通, 孙玥, 段炼, 马嫣宇. 基于香豆素的比率型荧光探针对溶液及气相中三氟化硼的检测[J]. 高等学校化学学报, 2021, 42(8): 2422.
[4]	李安然, 赵冰, 阚伟, 宋天舒, 孔祥东, 卜凡强, 孙立, 殷广明, 王丽艳. 基于菲并咪唑的ON⁃OFF⁃ON双比色荧光探针及细胞成像[J]. 高等学校化学学报, 2021, 42(8): 2403.
[5]	舒馨, 王迪, 袁春玲, 覃秀, 王益林. 基于碳量子点过氧化物模拟酶的肌氨酸比色测定[J]. 高等学校化学学报, 2021, 42(6): 1761.
[6]	丁辉, 周旋旋, 张子慧, 夏坤林, 赵云鹏. 无溶剂法大量制备高效红光碳点及其在白光器件中的应用[J]. 高等学校化学学报, 2021, 42(6): 2080.
[7]	李柳, 孙仕勇, 吕瑞, GOLUBEVYevgeny Aleksandrovich, 王可, 董发勤, 段涛, KOTOVAOlga Borisovna, KOTOVAElena Leonidovna. 铁氨基黏土-葡萄糖氧化酶纳米复合催化剂的构筑及多酶级联反应研究[J]. 高等学校化学学报, 2021, 42(3): 803.
[8]	孙海珠, 杨国夺, 杨柏. 碳点的设计合成、结构调控及应用[J]. 高等学校化学学报, 2021, 42(2): 349.
[9]	陈仲辉, 李金秋, 林伟, 俞柳敏, 涂海健, 陈宇, 蔡宗苇, 林振宇. 多色彩可视化半定量检测方法用于COVID-19患者治疗过程中抗体浓度变化的快速监测[J]. 高等学校化学学报, 2021, 42(11): 3509.
[10]	王柏纯, 袁雨欣, 闫迎华, 丁传凡, 唐科奇. 葡萄糖-6-磷酸功能化亲水磁探针：有效分离富集糖肽/磷酸肽的双用途亲和材料[J]. 高等学校化学学报, 2021, 42(10): 3062.
[11]	王欢, 所金泉, 王春艳, 王润伟. 氨基化树枝状介孔二氧化硅固定葡萄糖氧化酶用于检测葡萄糖[J]. 高等学校化学学报, 2020, 41(8): 1731.
[12]	颜范勇, 孙中慧, 庞纪平, 江英霞, 陈圆. 苯并噻嗪衍生物功能化的碳点用于检测银杏叶茶中的槲皮素[J]. 高等学校化学学报, 2020, 41(8): 1768.
[13]	刘兆阳, 宋永新, 王天舒, 单桂晔. 组氨酸修饰普鲁士蓝的制备及与银离子的作用[J]. 高等学校化学学报, 2020, 41(7): 1492.
[14]	叶晓栋, 齐国栋, 徐君, 邓风. Au负载SBA-15分子筛上葡萄糖氧化反应[J]. 高等学校化学学报, 2020, 41(5): 960.
[15]	凌云云,李莉,梁修蓉,夏云生. 基于金@二氧化锰纳米片超级纳米粒子从比色到单颗粒光谱检测谷胱甘肽[J]. 高等学校化学学报, 2020, 41(4): 623.