基于FRET效應的碳量子點/銀納米粒子熒光探針測定西咪替丁的研究

張 潔，張越誠，李承佳，馬紅燕，李 恒，辛程宏，李昊陽

(延安大學 化學與化工學院，延安市分析技術與檢測重點實驗室，陜西 延安 716000)

西咪替丁(Cimetidine，CMT)是一種抑制胃酸和胃蛋白酶分泌的常用藥物[1]，但長期服用或劑量增大時會出現腹瀉、咽喉腫痛等不良現象，有關CMT含量的精準、高效測定一直是研究熱點。目前，已報道的測定CMT的方法主要有高效液相色譜法[2]、化學發光法[3]、分光光度法[4-5]、質譜法[6]、毛細管電泳法[7]和熒光法[8]等。熒光法憑借樣品用量少、靈敏度高、使用簡便等優點而受到青睞。熒光共振能量轉移(FRET)[9]是指當兩個熒光基團(分別為能量供體和能量受體)距離很近(<10 nm)且能量給體的熒光光譜與能量受體的激發光譜存在大部分交叉時，供體的能量轉移至受體而產生熒光信號變化的現象。FRET技術具有高靈敏、方法簡便等優點，已成功用于生化樣品[10]、食品[11]和金屬離子[12]的分析檢測。

碳量子點(CQDs)是一種激發和發射波長連續可調、光學穩定性好、毒性低、水溶性好的新型碳納米材料，被廣泛用于環境監測、醫學成像和生化分析等領域。目前CQDs的合成大多以富碳物質為碳源，其制備過程復雜且對反應儀器要求較高。近年來，一些利用天然生物質，如蘑菇[13]、紅棗[14]、青柿子[15]制備CQDs的方法相繼出現，這些方法制備過程簡單、成本低且原料綠色環保無毒性。目前基于CQDs的FRET研究已有相關報道[16-18]，其以CQDs作為FRET體系的能量供體，另一物質作為能量受體，如MnO2[16]、溴化乙錠(EtBr)[17]、玫棕酸鈉(Sodium rhodizonate)[18]等。而以CQDs為熒光供體，AgNPs為熒光受體，采用FRET技術測定CMT的研究尚未見文獻報道。

本文以楊桃(Carambola，CB)為碳源，通過一步水熱法合成了強熒光的CB-CQDs。實驗發現，CB-CQDs的熒光發射峰位置λem為397 nm，與AgNPs在399 nm處的共振吸收峰之間存在較大程度的重疊，CB-CQDs與AgNPs之間可以發生FRET使CB-CQDs熒光猝滅，熒光信號“關閉”，而向CB-CQDs/AgNPs體系中加入CMT后，CB-CQDs的熒光強度得以恢復，熒光信號重新“打開”。因此基于CB-CQDs /AgNPs之間的FRET效應及熒光信號的“關-開”，提出了以CB-CQDs /AgNPs為探針熒光分析測定CMT的新方法，并對反應機理進行了初步探究。

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

F-2700型熒光分光光度計、HT7700型透射電鏡(日本日立)；IR Prestige-21型傅立葉變換紅外光譜儀、XRD-7000型X-射線粉末衍射儀(日本島津)；FLSP920瞬態穩態熒光光譜儀(英國愛丁堡)；8453型紫外可見分光光度計(美國安捷倫)。

準確稱取CMT標準品(中國藥品生物制品檢定所)0.025 3 g，加入到20 mL乙醇中攪拌溶解，并超聲5 min，待充分溶解后將溶液定容至100 mL容量瓶中，配制成濃度為1.0×10-3mol/L的 CMT標準溶液，置于4 ℃備用。伯瑞坦-羅賓森(BR)緩沖溶液( pH 6.0)。

AgNPs按照參考文獻[19]進行制備：分別量取250 μL 0.1 mol/L AgNO3溶液、0.1 mol/L Na3C6H5O7·2H2O溶液及6 mL 5 mmol/L NaBH4溶液，依次滴入90 mL水中并磁力攪拌，滴加完成后再攪拌30 min。將所得產物避光靜置8 h后定容至100 mL棕色容量瓶中，置于4 ℃暗室，待用。根據紫外-可見吸收峰強度和對應粒徑的摩爾吸光系數[20]計算得到AgNPs濃度為2.5×10-10mol/L。

實驗中所用試劑均為分析純，水為超純水。楊桃購于當地超市。

1.2 實驗方法

1.2.1 CB-CQDs的制備稱取33.0 g去皮楊桃，用玻璃棒充分搗碎，置于50 mL 聚四氟乙烯(PTFE)水熱反應釜中，加入1.50 mL水，攪拌均勻后置于180 ℃真空干燥箱內反應18 h，待溫度降至常溫后，依次用濾紙、微濾膜(0.22 μm)過濾，將濾液定容至100 mL容量瓶中，即得到棕黃色CB-CQDs溶液。稀釋100倍得到工作液，4 ℃保存備用。

1.2.2 CMT的測定在10 mL比色管中逐一加入上述CB-CQDs工作液2.00 mL、pH 6.0的BR緩沖液2.50 mL、AgNPs溶液2.00 mL以及不同濃度的CMT溶液，以水定容。于室溫下反應20 min后，測定λex/λem=319 nm/397 nm下體系的熒光強度IF和未添加CMT溶液的CB-CQDs/AgNPs體系的熒光強度IF0，計算體系熒光恢復值ΔIF(ΔIF=IF-IF0)與CMT濃度之間的關系，λex和λem狹縫寬度均為5 nm。

2 結果與討論

2.1 CB-CQDs的表征

2.1.1 CB-CQDs的形貌表征采用透射電鏡(TEM)對CB-CQDs進行表征，如圖1所示，CB-CQDs分散度較好，分布較為均勻，平均粒徑為5.8 nm左右。

圖1 CB-CQDs的TEM圖(A)和粒徑分布圖(B)Fig.1 TEM image(A) and size distribution(B) of CB-CQDs

2.1.2 CB-CQDs的光譜特性圖2A為CB-CQDs在不同激發波長λex下的熒光光譜，由圖可知CB-CQDs發射峰的位置λem和強度受激發波長λex的影響，當λex由289 nm遞增到349 nm時，發射波長λem由388 nm向長波方向移動至426 nm，熒光強度先增大后減小。實驗發現，當λex為319 nm時，λem為397 nm，此時CB-CQDs的熒光強度達到峰值。

使用XRD對CB-CQDs進行晶體結構表征，如圖2B所示。2θ=28.64°處為無定形碳的衍射峰，由此判定CB-CQDs的晶型為無定型碳。

圖2 CB-CQDs于不同λex下的熒光光譜(A)、XRD圖(B)、FTIR圖(C)和UV-Vis圖(D)Fig.2 Fluorescence spectra of CB-CQDs with different excitation wavelengths(A),XRD spectrum(B),FTIR(C) and UV-Vis absorption spectrum(D) of CB-CQDs

2.2 CB-CQDs/AgNPs體系對CMT的測定

圖3A為激發波長λex=319 nm下不同體系的熒光光譜圖。由圖可知，在該激發波長下，AgNPs、CMT以及二者反應產物均無明顯熒光，故實驗沒有背景影響。向CB-CQDs中加入AgNPs后，前者在λex=319 nm處的熒光強度明顯降低，熒光信號“關閉”；向該體系中繼續加入CMT，可使猝滅后的CB-CQDs熒光部分恢復，熒光信號重新“打開”。由圖3B分析可得，CB-CQDs的熒光恢復值隨著CMT濃度的增加而增大，據此可基于該CB-CQDs /AgNPs熒光探針的“關-開”實現對CMT的測定。

圖3 不同體系的熒光光譜(A)及隨CMT濃度增加CB-CQDs/AgNPs的熒光信號恢復圖(B)Fig.3 Fluorescence spectra of different systems(A) and fluorescence signal recovery of CB-CQDs/AgNPs with increasing cimetidine concentrations(B)

2.3 CMT測定條件優化

2.3.1 pH值及緩沖溶液的優化不同pH值的緩沖溶液對CB-CQDs/AgNPs的熒光強度會產生不同程度的影響。考察了pH值(2.0～8.0)對體系熒光強度的影響，實驗表明，隨著pH值的增加，體系ΔIF逐漸增大，pH 6.0時，體系ΔIF最大，此后隨著pH值的增加ΔIF減小，因此實驗選擇pH 6.0的緩沖溶液。考察了BR、Na2HPO4-NaH2PO4、Na2HPO4-Na3C6H5O7·2H2O、C6H8O7-Na3C6H5O7·2H2O等不同種類的緩沖溶液(pH 6.0)及其用量(0.5～3.0 mL)對體系熒光強度的影響。結果表明，使用2.50 mL的BR緩沖溶液時，體系的ΔIF最大。

2.3.2 CB-CQDs的用量對CB-CQDs的用量(0.5～2.5 mL)進行了優化。在0.5～2.0 mL范圍內，隨著CB-CQDs用量的增加體系ΔIF增大，當用量為2.0 mL時，體系的ΔIF達到最大值，但用量大于2.0 mL時，體系的ΔIF隨著CB-CQDs用量的增加而減小，故實驗選擇2.0 mL作為CB-CQDs的最佳用量。

2.3.3 AgNPs的用量實驗考察了AgNPs溶液用量(0.5～3.0 mL)對體系熒光恢復值ΔIF的影響。隨著AgNPs用量的增加，ΔIF增大。加入量為2.0 mL時，體系ΔIF達最大，繼續增加AgNPs用量時，體系的ΔIF反而降低。其原因是AgNPs溶液用量過大時，CMT的含量相對降低，從而無法有效抑制FRET效應，故實驗選擇2.0 mL作為AgNPs溶液的最佳用量。

2.3.4 體系的穩定性向CB-CQDs/AgNPs體系中加入CMT溶液后，測定放置不同時間后體系的熒光恢復值ΔIF。實驗結果表明，隨著放置時間增加ΔIF增加，并在20 min時達最大，且在8 h內基本保持不變。

2.3.6 檢出限及線性范圍在選定的反應條件下，體系的ΔIF與CMT濃度在9.0×10-8～1.0×10-6mol/L范圍內具有較好的線性關系，其線性方程為ΔIF=9.0×108c(mol/L)+32.713，相關系數(r)為0.998 6，檢出限(3σ/k)為1.9×10-8mol/L。

2.4 樣品測定

任意選取5片同批號的CMT片，研磨成粉，稱取適量(相當于0.025 3 g CMT)藥品粉末，超聲使其于20 mL無水乙醇中充分溶解后定容至100 mL容量瓶，過濾，取適量濾液按照“1.2.2”方法測定，計算CMT片劑含量。

另于樣品溶液中分別加入3個濃度(0.2、0.5、0.8 μmol/L)水平的標準樣品，反應20 min后，依次對各個樣品的3組混合液進行熒光強度測定，每組測定5次，計算ΔIF。根據標準曲線代入線性方程計算，回收率結果見表1。其加標回收率為97.5%～102%，相對標準偏差(RSD)小于3.0%，表明CB-CQDs/AgNPs熒光探針可用于實際CMT樣品的檢測。

表1 CMT樣品測定及回收率實驗(n=5)Table 1 Determination results of cimetidine in sample and recovery of the method(n=5)

2.5 反應機理初探

為探討AgNPs對CB-CQDs的熒光猝滅機理，首先對CB-CQDs和CB-CQDs/AgNPs體系的熒光壽命進行了測定，前者的加權平均熒光壽命[22]為3.32 ns，后者為1.58 ns，加入AgNPs后熒光壽命減小，表明AgNPs對CB-CQDs的猝滅為動態猝滅。

其次，掃描了CB-CQDs的熒光光譜和AgNPs的UV-Vis光譜，如圖4A所示。CB-CQDs熒光發射峰λem位置為397 nm(圖4A左側縱坐標)；AgNPs 在399 nm處有一共振吸收峰(圖4A右側縱坐標)，將CB-CQDs和AgNPs分別作為體系的能量供體與受體，二者峰之間存在較大程度的重疊，且該體系的分子間距小于10 nm，符合發生FRET的要求。據此可以推斷，AgNPs對CB-CQDs的熒光猝滅作用是FRET效應。

圖4 CB-CQDs的熒光光譜和AgNPs的UV-Vis圖(A)以及不同濃度CMT加入AgNPs中的UV-Vis圖(B)Fig.4 Fluorescence spectrum of CB-CQDs and UV-Vis absorption spectrum of AgNPs(A),and UV-Vis absorption spectra of different concentrations of cimetidine added to AgNPs(B)

圖4B為AgNPs溶液中加入不同濃度CMT溶液時的吸收光譜。由圖可知，在波長為399 nm處，CMT溶液的濃度越大，AgNPs的吸收峰越低。原因可能是AgNPs溶液中含有的檸檬酸鹽使得AgNPs較為分散，此時AgNPs吸收峰較高；而CMT的加入使AgNPs產生團聚[23]，從而導致AgNPs吸收峰強度下降，并使得AgNPs與CB-CQDs間的FRET效應被阻隔，導致CB-CQDs熒光恢復。反應的可能機理見圖5。

圖5 CMT檢測機理圖Fig.5 Principle diagram for detection of cimetidine by the established system

3 結 論

通過一步水熱法制備了熒光性能好、水溶性好的綠色CB-CQDs。基于AgNPs與CB-CQDs間的FRET作用使CB-CQDs熒光猝滅及CMT與AgNPs間的團聚作用使熒光重新恢復的現象，實現了熒光的“關-開”響應，并建立了以CB-CQDs /AgNPs為熒光探針的CMT檢測新方法。該研究拓寬了CQDs在藥物分析領域的應用范圍。