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西南大学李念兵/罗红群团队: 炭疽标志物的灵敏可视化检测新技术

日期: 来源:RSC英国皇家化学会收集编辑:李念兵罗红群团队

研究背景

炭疽杆菌是一种革兰氏阳性、杆状和芽孢形成的细菌,能够造成一种对人和动物非常危险的传染病—炭疽病。此外,由于炭疽杆菌孢子高的毒性和强的致命性,炭疽杆菌孢子还可用作潜在的生化武器战剂,这对人类健康和公共安全造成了严重的威胁。因此,及时和可靠地监测炭疽杆菌孢子对预防相关疾病的暴发和生化袭击是至关重要的。

吡啶二羧酸 (DPA) 作为孢子的主要成分,被认为是炭疽杆菌的一个特有的生物标志物。DPA 的含量通常用来表示细菌孢子的含量。因此,迫切需要发展一种有效的方法用于快速、灵敏和准确地测定 DPA 的含量。

迄今为止,已报道了许多检测 DPA 的方法,如比色法、电化学法、表面增强拉曼散射法、荧光分析法。其中,荧光分析法因其灵敏度高、响应速度快、操作简便而被广泛采用。特别是,比率荧光法检测 DPA 已经引起了大量的研究兴趣。因为比率荧光法可以通过同时记录不同荧光信号的变化来实现更灵敏的检测和可视化分析。

然而,大多数现有的检测 DPA 的比率荧光分析法通常使用一个镧系离子,如铽离子 (Tb³⁺) 或铕离子(Eu³⁺)来修饰荧光团,实现一个比率荧光信号响应。同时利用 Tb³⁺ 和 Eu³⁺ 去实现多重比率荧光检测 DPA 还少有报道。

一般来说,相比于基于 Eu³⁺ 的比率荧光分析法,基于 Tb³⁺ 的比率荧光分析法能够实现更灵敏的检测 DPA,因为 DPA 和 Tb³⁺ 的能级是更匹配的。相比于基于 Tb³⁺ 的比率荧光分析法,基于 Eu³⁺ 的比率荧光分析法对不同浓度的 DPA 能够展现出一个更明显的荧光颜色变化,因为 Eu³⁺ 的荧光颜色(红色)与参比荧光团的荧光颜色(蓝色)的色度差比 Tb³⁺(绿色)与参比荧光团的荧光颜色(蓝色)的色度差的更大。

因此,发展一种同时利用 Tb³⁺ 和 Eu³⁺ 的优点来实现对 DPA 的更灵敏和更有效的可视化检测是一项有意义的工作







近日,西南大学李念兵/罗红群教授团队通过以 2-羟基对苯二甲酸为配体 (H₂BDC-OH),稀土离子 Tb³⁺ 和 Eu³⁺ 为中心金属离子,设计合成了一种双金属镧系金属有机框架 (Tb/Eu-MOF),并基于 Tb/Eu-MOF 构建了一种多重比率荧光传感器用于灵敏和可视化检测 DPA。

该成果以“A multi-ratiometric fluorescence sensor integrated intrinsic signal amplification strategy for a sensitive and visual assay of the anthrax biomarker based on a bimetallic lanthanide metal–organic framework”(《基于镧系双金属有机框架构建多重比率荧光传感器用于灵敏和可视化检测炭疽生物标志物》)为题,发表在英国皇家化学会环境类权威学术期刊 Environmental Science: Nano 上。

研究内容

首先以 2-羟基对苯二甲酸为配体,稀土离子 Tb³⁺ 和 Eu³⁺ 为中心金属离子通过使用溶剂热法合成了 Tb/Eu-MOF。通过 XRD、BET、TEM、SEM 等表征手段对 Tb/Eu-MOF 的形貌和结构进行了表征,结果表明了双金属 Tb/Eu-MOF 的成功合成(图 1)。

Fig. 1  (A) PXRD patterns of (a) Tb-MOF, (b) Eu-MOF, (c) Tb/Eu-MOF, and (d) simulated XRD patterns. (B) Nitrogen adsorption–desorption isotherm of Tb/Eu MOF at 77 K. (C) Typical SEM image of Tb/Eu-MOF. (D) Magnified SEM image of Tb/Eu-MOF. (E) Dark-field SEM of Tb/Eu-MOF and relevant elemental mapping of C, O, Tb, and Eu elements in Tb/Eu-MOF. (F) EDS of Tb/Eu-MOF obtained by SEM. Inset shows the magnified EDS of Tb/Eu-MOF in the range of 5–8 keV. (G) TEM image of Tb/Eu-MOF. (H) High-angle annular dark-field scanning transmission electron microscopy (HAADF-STEM) image and relevant elemental mapping of Tb/Eu-MOF. The indicated scale bar in Fig. C, E, and F is 5 μm.


所合成的 Tb/Eu-MOF 在固态下发射出配体、Tb³⁺ 和 Eu³⁺ 的特征荧光,而在水溶液中由于螯合水分子对 Tb³⁺ 和 Eu³⁺ 的猝灭作用,Tb/Eu-MOF 只显示出配体的荧光。当存在 DPA 时,DPA 可以取代螯合的水分子,与 Tb³⁺ 和 Eu³⁺ 螯合,并将能量转移给 Tb³⁺ 和 Eu³⁺,通过天线效应(AE)敏化它们发光,这就导致了 Tb³⁺(546 nm)和 Eu³⁺(617 nm)的荧光增强,而配体的荧光(432 nm)保持不变。基于 Tb/Eu-MOF 对 DPA 的多重荧光信号响应,发展了以(F546/F432)和(F617/F432)为输出信号的多重比率荧光传感器来检测 DPA。构建了一个内源的信号放大策略,即通过整合 Tb³⁺、Eu³⁺ 和配体的荧光信号以 (F546+F617)/F432 作为输出信号去实现对 DPA 的更灵敏和更可靠的检测。同时,由于 Tb/Eu-MOF 溶液在加入不同浓度的 DPA 后展现出不同的荧光颜色,发展了一个便携的纸基传感器,用于 DPA 的实时、快速和可视化检测,这为 DPA 的定性识别和半定量检测提供了一种有前景的方法(图 2)。

Fig. 2 (A) Fluorescence spectra and (B) intensity changes of the Tb/Eu-MOF solution after the addition of various levels (0, 0.05, 0.1, 0.25, 0.5, 1, 2, 4, 5, 6, 8, 10, 12, 14, 16, 18, 20, 25, and 30 μM) of DPA. (C) and (D) Linear relationship of the fluorescence intensity ratio versus the DPA concentration. (E) The fluorescence photographs and (F) CIE chromaticity diagram of the emission spectra of the Tb/Eu-MOF solution after adding different levels of DPA. Experimental condition: Tb/Eu-MOF, 2.5 mg L−1; Tris-HCl buffer, pH 7.5; incubation time, 4 min; λex = 275 nm.

总结展望

此工作成功地合成了双金属 Tb/Eu-MOF,并将其作为探针用于 DPA 的多重比率荧光传感。该多重比率荧光策略在 DPA 的检测中展现出以下的优势。

首先,双金属 Tb/Eu-MOF 的合理设计使其结合了配体、Tb³⁺ 和 Eu³⁺ 的性质对 DPA 产生多重信号响应,为比率荧光传感提供了一种内源的自校准模式。双金属 Tb/Eu-MOF 的合理设计也避免了不同荧光团之间的复杂连接或对荧光团的后修饰。

其次,多重比率荧光传感不仅提高了 DPA 检测的灵敏度、选择性和可靠性,而且使传感体系能够对 DPA 展现出一个明显的颜色变化,这为 DPA 的可视化检测提供了一种有效的方法。

第三,通过集成不同的荧光信号,引入一个内源的信号放大策略去实现对 DPA 的更灵敏和更可靠检测。

本工作不仅探索了一种新方法用于多重比率荧光传感 DPA,也为多重比率荧光传感器的设计提供了新的思路。

论文信息

A multi-ratiometric fluorescence sensor integrated intrinsic signal amplification strategy for a sensitive and visual assay of the anthrax biomarker based on a bimetallic lanthanide metal–organic framework
Lei Han, Xue Zhen Dong, Shi Gang Liu, Xiao Hu Wang, Yu Ling, Nian Bing Li* (李念兵,西南大学) and Hong Qun Luo* (罗红群,西南大学)
Environ. Sci.: Nano, 2023, 10, 683-693
http://doi.org/10.1039/D2EN00971D

作者简介

韩磊 博士研究生

西南大学

本文第一作者,西南大学分析化学博士研究生,主要从事新型发光纳米材料的合成及其在生化分析、环境分析和食品分析中的应用研究。以第一作者身份在 J. Hazard. Mater., Environ. Sci.: Nano, ACS Appl. Mater. Interfaces, Sens Actuators B Chem., J. Mater. Chem. C 等国际重要学术期刊发表多篇论文。现就职于昆明理工大学理学院。






李念兵 教授

西南大学

本文通讯作者,西南大学化学化工学院教授,博士生导师,国务院政府特殊津贴获得者,重庆“巴渝学者”特聘教授,重庆市学术技术带头人,现任西南大学化学化工学院院长。主要从事新型纳米材料的制备及其在传感与催化中的应用研究,主持国家自然科学基金面上项目,国家自然科学基金委员会(NSFC)与韩国科学与工程基金会(KOSEF)国际合作研究项目,重庆市自然科学基金重点项目,重庆市高等学校优秀人才支持计划项目,重庆市自然科学基金,重庆市留学人员回国创业创新支持计划重点项目等多项课题。在 Nat. Commun., Appl. Catal. B-Environ., Nano Energy, Adv. Funct. Mater., Anal. Chem., Environ. Sci. Technol., Small, J. Mater. Chem. A/B/C, Biosens. Bioelectron., J. Hazard. Mater., ACS Appl. Mater. Interfaces, Environ. Sci.: Nano, Inorg. Chem., Chem. Commum. 等国内外学术刊物上发表 SCI 收录论文 360 余篇,h-index 60。






罗红群 教授

西南大学

本文通讯作者,西南大学化学化工学院教授,博士生导师,重庆市学术技术带头人。先后主持国家自然科学基金项目、重庆市自然科学基金重点项目、重庆市自然科学基金项目近 10 项,在分子光谱分析、生物传感和电催化等方面开展了一系列的研究工作,以通讯作者身份在 Adv. Funct. Mater., Appl. Catal. B-Environ., Anal. Chem., Mater. Horiz., Small, Biosens. Bioelectron., Chem. Eng. J.,J. Hazard. Mater., J. Mater. Chem. A /B/C, ACS Appl. Mater. Interfaces, Environ. Sci.: Nano, Sens Actuators B Chem.,Inorg. Chem., Chem. Commum., Nanoscale, J. Agric. Food Chem. 等国内外学术刊物上发表 SCI 收录论文 350 余篇,h-index 59。
课题组网站www.linbgroup.com

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5-年影响因子*9.35
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CiteScore 分13
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Environmental Science: Nano 全面报道具有环境用途的工程纳米材料的设计和应用研究,以及人工与天然纳米材料在生物和环境体系中的相互作用。发文范围包括但不限于:纳米材料在水、空气、土壤、食物和能源可持续性等领域的新应用;纳米材料在生物系统中的相互作用以及纳米毒理学研究;纳米尺度材料的环境宿命、反应性和转化;环境中的纳米尺度过程;可持续性纳米技术,包括纳米材料的合理设计、生命周期评价、风险/效益分析等。

Editor-in-Chief

  • Peter Vikesland

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