利用光谱分析方法探究色氨酸与经过β-环糊精修饰的ZnS量子点之间的分子相互作用

《Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy》：Exploring the molecular interaction between tryptophan and β-cyclodextrin modified ZnS quantum dots using spectroscopic analysis

研究β-CD/ZnS量子点对L-色氨酸的AIE荧光检测机制，通过荧光滴定、DLS及光谱分析验证其结合常数1.75×10?? M?1，检测限420 nM，并成功应用于大豆中L-色氨酸检测，回收率91-97%。

　　

Ritu K. Shah | Sahaj A. Gandhi | Pinkesh G. Sutariya | Krushna A. Baraiya

物理系，Bhartiya Vidya Bhavan的Shri Ishvarbhai L.P. Arts-Science & J. Shah Commerce College，Dakor 388225，古吉拉特邦，印度

摘要

研究了水溶性β-环糊精表面修饰的ZnS量子点（β-CD/ZnS QDs）的发光特性，以探讨其作为宿主-客体相互作用的能力。β-CD/ZnS QDs复合物的光学性质显示出了对L-色氨酸（L-Trp）的选择性，这种选择性通过聚集诱导的发光现象得以体现。荧光滴定和动态光散射分析分别揭示了在L-Trp存在下β-CD/ZnS QDs的荧光增强效应及其聚集状态。其表观结合常数为 $1.75\; \backslash times\; 10^\{-8\}\; M$，检测限（LOD）为420 nM。利用紫外-可见光光谱、拉曼光谱、傅里叶变换红外光谱以及基质辅助激光解吸/电离（MALDI）质谱技术研究了β-CD/ZnS QDs与L-Trp之间的相互作用。此外，β-CD/ZnS QDs探针还被用于大豆中L-Trp的检测，通过荧光滴定法获得了91–97%的回收率。

引言

半导体量子点（QDs）因其荧光特性而广为人知。由于其对各种化合物的表面敏感性，人们正在积极研究其在传感器开发中的应用。II-VI族量子点由于强烈的量子限制效应而表现出尺寸依赖性的光学和电子性质。相比之下，基于镉的量子点（如CdS、CdSe或CdTe）由于毒性较高而不够理想，而ZnS量子点则因其低毒性、高化学稳定性和成本效益高的合成方法而更具吸引力。通过引入识别位点对ZnS量子点进行表面修饰可以提高其选择性，同时保持其强烈的光致发光性能。此外，β-环糊精（β-CD）因其生物相容性和独特的分子识别及手性识别能力而在生物传感领域具有潜力。β-CD的疏水腔和亲水外层常被用作目标分析物的宿主分子，实现选择性结合[3]。β-CD的疏水腔直径约为6–6.5 ?，使其能够选择性地包裹芳香化合物[4]、药物[5]和其他有机分子。因此，用β-CD修饰ZnS量子点可以提高其水溶性及生物相容性，同时保持其用于生物传感的光学性质。

在过去十年中，ZnS量子点已被结合到β-CD中，用于荧光光谱下的分子识别。ZnS量子点在近紫外或蓝色区域发光。通过控制合成参数、引入缺陷状态或用过渡金属掺杂[6]，可以调节其荧光性质。通过使用锰离子（Mn²⁺掺杂[5]或以CdSe作为核壳量子点的核心[8]，可以使ZnS量子点的发光转移到可见光区域。利用β-CD对量子点进行表面修饰，可以实现对有机分子（如抗坏血酸[9]、L-色氨酸和香兰素[8]）的分子识别。β-CD的手性识别能力已被用于区分D-色氨酸和L-色氨酸[7]、D-酪氨酸和L-酪氨酸[4]、S-布洛芬和R-布洛芬[5]、D-青霉胺和L-青霉胺[10]等。

分子识别依赖于受体与其选择性目标分析物之间的非共价相互作用。已描述了多种传感机制，如光诱导电子转移（PET）、荧光共振能量转移（FRET）、分子内电荷转移（ICT）、聚集诱导发光（AIE）和激子-失活复合物形成（eximer-exciplex formation）[11]。在本研究中，使用了β-CD修饰的ZnS量子点（β-CD/ZnS QDs）复合物作为L-色氨酸（L-Trp）的受体，并在其AIE机制的背景下研究了其性质。在AIE现象中，分子聚集时荧光强度会增加，这与聚集引起的荧光减弱（ACQ）不同。选择性有机分子受到分子间作用力和疏水力的驱动向AIE基因聚集。在H-或J-聚集过程中，有机分子在分子内旋转、振动或运动受到限制[12][13]。聚集过程中分子间运动的限制减少了非辐射衰减[11][14]。分子通过分子间相互作用聚集，包括强π-π相互作用、偶极-偶极相互作用、静电力和范德华力。除了荧光增强外，还观察到聚集过程中发射带的位置移动和带宽变宽，这通常归因于激子-失活复合物的形成[15]。已研究过的AIE发光体包括金属纳米颗粒[16]、碳量子点[17]、金属-有机框架[18]、基于芘的AIE基因[13][19]和芳香结构[20]。AIE发光体在传感[12]、医学诊断[21]和药物递送[21]等多种应用中具有潜力。2001年，Tang等人首次提出了聚集诱导发光（AIE）现象[22]。

L-色氨酸（L-Trp）是一种含有吲哚基团的必需氨基酸，赋予蛋白质分子疏水特性。它还被归类为生酮氨基酸、生糖氨基酸、蛋白质生成氨基酸和功能性氨基酸。L-Trp的代谢在血清素、褪黑素和犬尿氨酸代谢途径中起着关键作用，这些途径影响身体的神经功能、免疫反应和肠道健康[23]。因此，人们通过食用大豆、牛奶、鸡蛋、豆腐、燕麦、坚果和种子、金枪鱼、土豆等食物来维持L-Trp的水平，以保障神经系统的正常功能。L-Trp水平的失衡直接或间接地与肠易激综合症、肥胖症、代谢综合征和神经精神疾病有关[24][25]。因此，L-Trp的吲哚环衍生物被广泛用于药物开发，如哌丁洛尔（pindolol）、吲哚美辛（indomethacin）、奥昔布坦（oxitriptan）和卡维地洛（carvedilol）等[26]。

本研究描述了使用β-CD/ZnS QDs作为荧光探针，通过荧光光谱法检测L-Trp的方法。从AIE机制的角度研究了L-Trp与β-CD/ZnS QDs复合物的相互作用。采用荧光光谱、紫外-可见光光谱（UV–Vis）、动态光散射（DLS）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、拉曼光谱（Raman）和质谱技术分析了β-CD/ZnS QDs与L-Trp的结合情况。此外，关于使用β-CD/ZnS QDs探针检测大豆提取物中的L-Trp的研究较为罕见。

材料与设备

硝酸锌六水合物（N₂O₆Zn·6H₂O）、硫化钠片（Na₂S）、硫代乙醇酸（TGA）和β-环糊精（β-CD）均从Sigma-Aldrich购买。L-氨基酸试剂盒也从Sigma-Aldrich购买。

紫外-可见光吸收光谱使用Labindia UV 3000+紫外-可见光分光光度计在190–700 nm波长范围内记录。光致发光（PL）测量在室温下使用Fluoro Max Plus第四代光致发光光谱仪（HORIBA Scientific）进行。

β-CD/ZnS QDs复合物合成的pH效应

在不同pH值下对ZnS量子点进行了β-CD表面修饰。测量了不同pH值下β-CD/ZnS QDs复合物的紫外-可见光光谱和动态光散射（DLS）数据。如图1(a)所示，随着pH值的降低，β-CD/ZnS QDs复合物的紫外-可见光光谱发生蓝移。根据Tauc关系[29]，pH 12时最低能量带隙为3.64 eV，pH 6时最高能量带隙为3.91 eV（见图1(b)。

结论

总之，β-CD通过修饰ZnS量子点提高了其稳定性和溶解性，并增强了荧光性能，使其更适合用于生物传感应用。通过荧光相互作用和动态光散射（DLS）分析，β-CD/ZnS QDs复合物对L-Trp表现出选择性。其表观结合常数为 $1.75\; \backslash times\; 10^\{-8\}\; M$，检测限（LOD）为420 nM。紫外-可见光光谱（UV–Vis）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、拉曼光谱（Raman）和质谱（Mass Spectrometry）证实了β-CD/ZnS QDs形成了包合物。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

作者感谢拉贾斯坦邦斋浦尔的MNIT提供的傅里叶变换红外光谱（FTIR）和拉曼光谱测量支持。同时感谢旁遮普邦昌迪加尔市的SAIF提供的MALDI质谱测量支持。此外，作者还感谢古吉拉特科学技术委员会（GUJCOST）根据GUJCOST STI政策（GUJCOST/STI/2020-21/2257）提供的动态光散射（DLS）仪器。