S, N-Nb2C量子点的制备以及尿酸含量的测定

（南京医科大学康达学院药学部，江苏  连云港  222000）

摘  要：本文以半胱氨酸为硫源，尿素为氮源，采用水热溶剂法成功制备了S, N-Nb2C量子点，并对该量子点的化学结构和尺寸大小进行了表征。结果表明，该量子点大小比较均一，平均横向尺寸为3.9±0.5 nM，具有良好的分散稳定性。该量子点还被应用于尿酸含量的测定，结果显示S, N-Nb2C量子点荧光变化与尿酸浓度之间具有良好的线性关系。

关键词：量子点；尿酸；荧光

       基金项目：南京医科大学康达学院2019年度科研发展基金重点项目“Nb2C荧光量子点的合成及尿酸含量的测定”编号（KD2919KYJJZD001）

        第一作者：严孝强，男（1989.07），汉族，山东省临沂市，硕士研究生，实验师，研究方向：分析化学，实验室管理。

引 言

生活质量的不断提高，使得人们的饮食习惯发生了巨大改变，高嘌呤类的食物如海鲜、肉类等食物成为人们餐桌上的“常客”，浓汤，啤酒和火锅在日常饮食中的比重也越来越高。嘌呤是一种人体必须的能量物质，但是长期摄入富含嘌呤类的食物再加上一些其他诱导因素即可引起体内嘌呤代谢异常，从而导致嘌呤代谢的终产物尿酸无法有效排出体外，增加痛风的发病率并加大痛风对人体的危害。因此,准确测定和分析人体体液中尿酸含量在药物控制及临床诊断等方面具有重要意义。目前尿酸的检测方法有:荧光法、酶法、高效液相色谱法和电化学法等。酶方法选择性很好，但是价格比较昂贵，限制了该方法的使用；色谱法作为分离效果最佳的一种分析方法，具有操作简便的优点，但样品处理步骤较为繁琐。因此开发一种高灵敏度、高选择性，操作便捷的尿酸含量分析方法至关重要。

MXene 量子点（MXene QDs）是在MXene基础上开发的一种新型二维量子点材料[3]，作为二维材料家族的一个新成员，得益于MXene QDs材料大的表面积、边缘效应和量子限制相结合，荧光稳定，生物相容性好，光电性能好的优异特性[4]，其在细胞成像、电化学发光、细胞内pH传感、发光二极管、碱性磷酸酶分析、胚胎干细胞鉴定和光催化等领域的应用前景日益广阔。但目前国内外关于此类量子点材料的研究相对较少。本研究采用水合法制备Nb2C量子点[10]材料，利用MnO2对量子点的荧光淬灭效应，通过尿酸的代谢产物H202对MnO2的氧化作用，使得MnO2对Nb2C量子点的荧光淬灭效应降低或消失，量子点的荧光得以恢复，最终确定尿酸含量。该方法灵敏度和准确度高, 对血清中尿酸含量进行测定易于实现。

1 仪器与试剂

1.1 主要仪器

UV-2550紫外-可见分光光度计（UV-Vis）、F-4700荧光分光光度扫描仪、 雷磁 ZD-2 pH 计、高温烘箱、聚四氟乙烯反应釜

1.2 主要试剂

尿酸酶、 MnO2 、KMnO4、尿酸 、Nb2C MXene

2 实验部分

2.1 Nb2C 量子点的制备

首先对Nb2C MXene进行预处理。将100 mg的Nb2C MXene 悬浮于浓硫酸和硝酸中，100 ℃油浴恒温12 h。将此酸性溶液冷却至室温后，缓慢添加到1mol/L 的NaOH水溶液中，直到pH为7。随后在聚四氟乙烯反应釜中加入15 mL去离子水，0.1 g 半胱氨酸、0.05g尿素和预处理的Nb2C MXene。然后将反应釜放入烘箱中160 ℃恒温保持12 h。冷却至室温后，将混合溶液透过0.22 μm的微孔滤膜以除去杂志，滤液在1000 Da透析带中透析24 h，最终获得经硫元素和氮元素掺杂的S, N-Nb2C 量子点。然后，滤液在1000 Da透析带中用超纯水透析，每10-12 h更新一次，持续2天，直到在超纯水中检测不到Na+。

2.2 荧光定量检测H2O2

室温下，将10μL不同浓度的H2O2添加到含20μL Nb2C 量子点、20μL MnO2混悬液（15μg/mL）和150μL的去离子水中，在37℃条件下孵育50 min后，在380 nm激发下进行荧光检测。

2.3 荧光定量检测尿酸

室温下，将100μL不同浓度的尿酸加入到含20μL Nb2C 量子点、20μL MnO2混悬液（15μg/mL）、10μL尿酸酶（100 μg/mL）、50 μL 磷酸盐缓冲液（10 mM，pH=7.4）组成的混合溶液中，在37℃条件下孵育50 min后，在380 nm激发下进行荧光检测。

3 结果与讨论

3.1 Nb2C 量子点的表征

将上述制备产物进行水热处理以获得氮元素和硫元素掺杂的Nb2C-MXene量子点。扫描电子显微镜（SEM）表征结果显示，元素均匀分布在分层材料中。通过从透射电镜（TEM）图像中计数100个粒子来计算尺寸分布，S, N-Nb2C量子点均匀分散，平均横向尺寸为3.9±0.5 nM。平均横向粒径为3.54 nM。通过原子力显微镜（AFM）测量进一步表征了S, N-Nb2C量子点的形态和厚度。S, N-Nb2C量子点的尺寸分布在0.3 nM到1.2 nM的厚度范围内，表明S, N-Nb2C量子点呈准球形，分布均匀，高度剥落，很少分层。

为了进一步研究S, N-Nb2C量子点的光学性质，对量子点进行了光致发光（PL）光谱和紫外-可见吸收光谱的检测，用不同波长激发的S, N-Nb2C量子点。S, N-Nb2C量子点表现出激发依赖的PL特征。随着激发波长的增加，荧光强度先是稍有增强，随后减弱。此外，随着激发波长从300 nM增加到400 nM，S, N-Nb2C量子点的发射峰逐渐红移。通过观察量子点的荧光光谱，发现最大激发波长为380 nM，而最大发射波长位于520 nM。

我们进一步检测了S, N-Nb2C量子点的pH/温度依赖性荧光（强度）行为。设置不同的pH值梯度范围和温度梯度的溶液中，荧光激发波长为380 nM。结果表明，S, N-Nb2C量子点在广泛的pH值范围内（pH 2.0~10.0）和较高的温度差（20~90°C）范围内显示稳定的荧光强度。这与文献中的报道一致，表明了本试验制备的量子点在多种途径应用的灵活性。

3.2 荧光定量检测H2O2

首先对H2O2测定进行了可行性分析，当H2O2与S, N-Nb2C量子点孵育30min后进行荧光检测，发现混合物的荧光强度与位置没有发生改变；而S, N-Nb2C量子点和MnO2 纳米颗粒孵育相同时间后，520 nM处的荧光光谱峰显著降低。表明H2O2与S, N-Nb2C量子点没有荧光相互作用，而MnO2 纳米颗粒对Nb2C量子点有荧光猝灭效应。随后将H2O2与S, N-Nb2C量子点和MnO2 纳米颗粒的混合物孵育时，可以发现荧光光谱峰得到了恢复。因此根据S, N-Nb2C量子点的荧光变化可用于检测H2O2。

随后对H2O2测定条件进行了优化，为了获得本方法的最佳分析性能，对混合体系的pH值和H2O2 孵育时间进行了优化，最终确定最优pH值为7.4，最佳H2O2 孵育时间为50 min。

在优化条件下，记录了S，N-Nb2C 量子点的荧光光谱变化，随着 H2O2 浓度的增加，520 nM处的荧光强度逐渐增加，且荧光变化（(F-F0)/F）与 H2O2 浓度之间具有良好的线性关系，线性范围为 0~125 μM （y = 0.008x + 0.2207，R2 = 0.9998）

为了评估该方法对 H2O2 的特异性，我们选择了一些蛋白质和常见的小分子，如 DA、AA、Phe、Glu、Lys、L-Cys、Tyr、GSH、GSSG，以及各种离子，包括 K+、Mg2+、Ca2+、Na+、Zn2+、Cd2+、Fe2+、Ag+、I-和Br-。结果表明，这些相关的共存物质对 H2O2 的干扰可以忽略不计。因此，该方法对 H2O2检测具有良好的选择性。

3.4 荧光定量检测尿酸

首先对尿酸测定进行了可行性分析，分别将尿酸与加入尿酸酶之后的尿酸溶液S, N-Nb2C量子点孵育50 min后进行荧光检测，发现混合物的荧光强度与位置没有发生改变；S, N-Nb2C量子点和MnO2 纳米颗粒孵育相同时间后，对加入尿酸前后的荧光强度进行对比，发现在520 nM处的荧光光谱峰没有变化。表明尿酸和尿酸酶与S, N-Nb2C量子点没有荧光相互作用，将S, N-Nb2C量子点、MnO2 纳米颗粒和尿酸酶孵育30 min后再加入尿酸，发现520 nM处的荧光光谱峰有所恢复，结果表明尿酸在尿酸酶的作用下产生的H2O2 使得 MnO2 被氧化，导致其对Nb2C 量子点的荧光猝灭效应减弱。因此本分析方法可以用于检测分析尿酸含量。

随后对尿酸测定条件进行了优化，为获得最优的检测条件，对尿酸酶浓度和尿酸孵育时间进行了对比优化。最终确定最优尿酸酶浓度为50 μg/mL，最佳尿酸孵育时间为50 min。

在优化条件下，记录了S, N-Nb2C量子点的荧光光谱变化，随着尿酸 浓度的增加，520 nM处的荧光强度逐渐增加，且荧光变化（(F-F0)/F）与尿酸浓度之间具有良好的线性关系。

为了考察该方法对尿酸检测的特异性，选取了腺苷、DA、AA、UA、胞苷、黄嘌呤、Glu、K+、Ca2+等潜在共存物质观察干扰物对尿酸测定的影响。潜在共存物质对尿酸的检测没有显著影响。结果表明，该方法对尿酸有较好的选择性。

本研究进一步对人血清中尿酸进行检测，通过检测正常人血清中的尿酸加样回收率来考察该方法的准确度。结果表明回收率在95.5% ~ 104.4%之间，表明该方法准确度较高。

4 结论与展望

综上所述，本文以半胱氨酸和尿素分别作为硫源和氮源，通过水热法合成了一类由2D MXene衍生而来的Nb2C 量子点。所得到的S，N-Nb2C 量子点具有良好的分散稳定性。此外，基于S，N-Nb2C 量子点构建的尿酸的荧光传感系统具有较高的灵敏度和准确性，可以扣除环境的影响。

参考文献

[1] 殷丽.血清尿酸含量在临床上的应用 [J]. 中国误诊学杂志,2004,4(5):33-35.

[2] 蔡莉莉.对白血病患者血清尿酸的检测探讨 [J]. 实用临床医学,2002,3(4):11-12.

[3] NOVOSELOV K S, GEIM A K, MOROZOV S V, et al. Electric field effect in atomically thin carbon films. Science, 2004, 306(5696): 666-669.

[4] Kerui Li, Ting-Hsiang Chang, Po-Yen Chen et al. Biomimetic MXene Textures with Enhanced Light-to-Heat Conversion for Solar Steam Generation and Wearable Thermal Management. Advanced Materials, 2019, 9(34): 1970141

 来源：化学工程与装备-官方网站-创刊于1972    2022年第11期  在线投稿  >>