光物理视角下的吖啶橙-聚谷氨酸相互作用及其在比率型重金属离子识别中的应用

《Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry》：Photophysical insights into acridine orange–polyglutamic acid interaction and its application in ratiometric turn-on heavy metal ion recognition

聚谷氨酸酸（PGA）与荧光探针醋酸橙（AO）通过光谱变化（34 nm蓝移、荧光猝灭、双信号圆二色谱）形成聚集体，并基于指示剂位移策略实现对Cd2?、Pb2?、Cu2?的ratiometric turn-on检测，检测限低至0.19 μM，且在饮用水和海水中有应用潜力。

　　

Mohammed A.I. Shaikh | Mhejabeen Sayed

辐射与光化学部门，巴巴原子研究中心，孟买 400085，印度

摘要

聚谷氨酸（PGA）是一种可生物降解且具有多种功能的生物聚合物，富含羧基团，它在设计超分子传感系统以解决重金属污染这一紧迫问题上具有巨大潜力。本研究系统地探讨了吖啶橙（AO）与PGA相互作用时的光物理行为，并结合使用基于PGA的复合物进行重金属离子识别的指示剂置换测定（IDA）策略。光谱研究表明，AO与PGA相互作用后出现了显著的光谱变化，包括吸收峰向蓝侧移动约34纳米、荧光强度显著减弱、出现双信号CD现象以及荧光寿命延长，这些变化表明AO在PGA骨架上形成了聚集体。利用这些光物理变化，将聚集的AO-PGA复合物用于通过指示剂置换机制实现对Cd²⁺、Pb²⁺和Cu²⁺的比率型检测：金属离子的结合会触发AO聚集体的解离，从而恢复单体AO的光谱特征。该系统在纳米纯水中的检测限分别为Cd²⁺ 0.19 μM、Pb²⁺ 0.29 μM和Cu²⁺ 0.47 μM，其中对Cd²⁺的检测灵敏度更高。此外，该技术在自来水和2%的海水中也得到了验证，证明了该复合物在环境监测重金属离子污染方面的应用潜力。

引言

聚谷氨酸（PGA）是一种由谷氨酸残基组成的多肽（见图1），由于其优异的水溶性、天然的生物相容性以及丰富的羧基团，因此在生物医学、环境科学和材料化学领域具有广泛的应用价值[1]、[2]、[3]、[4]、[5]、[6]。这些特性使得PGA在药物递送[2]、[3]、[4]、[6]、水凝胶制备[4]、[6]、[7]以及聚合物功能材料的构建[3]、[4]、[5]、[6]、[7]等方面具有广泛应用。PGA还因其通过羧基团的强配位能力而在金属离子结合、固定和提取方面展现出潜力[5]、[9]、[10]。然而，尽管具有这些优点，PGA在光学传感方面的潜力尚未得到充分探索，其在基于荧光的重金属离子识别中的应用在文献中仍然较为有限。

识别如Cu²⁺、Cd²⁺和Pb²⁺等重金属离子至关重要，因为这些离子具有毒性强、在环境中持久存在且易于在生物体内积累的特性，对人类健康和生态系统构成严重威胁[5]、[6]、[9]、[10]、[11]、[12]、[13]、[14]、[15]、[16]、[17]、[18]、[19]、[20]、[21]。传统的分析方法，如化学沉淀[9]、[11]、[13]、离子交换[9]、[11]、[13]、[18]、化学氧化[9]、[11]、[12]、[13]、化学剂量测定[18]、反渗透[9]、[13]、吸附[13]和电渗析[9]、[11]，具有高准确性和精度。此外，原子吸收光谱（AAS）、原子发射光谱（AES）、电感耦合等离子体-光学发射光谱（ICP-OES）和电感耦合等离子体-质谱（ICP-MS）[12]、[20]等原子方法也因其高灵敏度、可靠性和准确性而被广泛用于金属离子检测。

然而，这些传统方法通常需要复杂的仪器设备、较长的分析时间、较高的维护成本以及劳动密集型的样品制备过程，这限制了它们在快速和现场分析中的应用。在这种情况下，基于荧光的传感技术作为一种经济有效的替代方案应运而生，能够高效监测环境和生物学上重要的金属离子[20]、[21]、[22]、[23]、[24]、[25]、[26]、[27]、[28]。尽管这类光学传感器的检测限可能无法达到原子技术的超低水平，但它们为初步筛查、多重检测和复杂水环境中重金属离子的现场监测提供了有吸引力的选择。

在基于荧光的传感策略中，比率型传感具有独特优势，因为它依赖于信号比值而非绝对强度，从而能够自动校正光源变化、探针浓度或温度等因素的影响，从而提高光学测量的准确性和可靠性[21]、[22]。此外，指示剂置换测定（IDA）提供了一种有效的传感机制：当分析物与受体结合时，与受体结合的染料会被置换，从而对外部刺激产生明显的光学变化[29]、[30]。这两种策略相结合，为设计具有高灵敏度、操作简便性和实际应用性的传感系统提供了多功能平台。

吖啶橙（AO）是一种阳离子荧光染料（见图1），已被广泛用作荧光探针。该染料在生物成像和细胞内pH值检测中有所应用[27]、[31]、[32]、[33]、[34]。AO还作为一种有效的光敏剂在多种生物医学领域得到应用，特别是在光动力疗法中表现出显著潜力，因为它能在光照下产生活性氧物种[35]，并且还被研究用于抗菌应用[35]、[36]、[37]。在稀溶液中，AO主要以单体形式存在；然而，在高浓度下它有强烈的聚集倾向[27]、[31]。此外，这种染料对其周围微环境非常敏感，其光学性质会随着pH值、外部分析物和盐类的不同而显著变化，使其成为一种多功能荧光指示剂[31]、[38]、[39]、[40]。因此，它已被用于研究多种系统，包括主客体复合物、胶束组装和生物分子相互作用[27]、[41]、[42]、[43]、[44]。尽管早期已有研究报道了AO与PGA的相互作用[45]、[46]，但迄今为止尚未对AO-PGA复合物的光物理行为及其在重金属离子检测中的潜在应用进行系统研究。

在本研究中，我们利用圆二色性、基态吸收、稳态荧光和时间分辨荧光技术全面研究了AO与PGA之间的相互作用。PGA的加入导致AO出现新的吸收带并引起显著的荧光减弱，表明形成了聚集的AO-PGA复合物。值得注意的是，当向该复合物中加入Cd²⁺、Pb²⁺和Cu²⁺等重金属离子时，会引发染料从PGA骨架上的置换，导致AO聚集体的解离，并对这些金属离子产生比率型变化和响应。该系统进一步在真实水样（如自来水）中进行了测试，证明了其在实际环境应用中的潜力。本研究展示了使用基于PGA的复合物结合环保生物聚合物骨架和双模式比率型及比率型检测方法来监测重金属离子的应用。总之，本研究填补了关于AO-PGA相互作用光物理行为的基本知识空白，并展示了其在环境监测中检测重金属的潜在用途。

材料与方法

吖啶橙（AO）、聚-L-谷氨酸钠盐（PGA）、硫酸镉（Cd²⁺）、醋酸铅（Pb²⁺）和硫酸铜（Cu²⁺均购自Sigma-Aldrich；供应商提供的原产地为美国，化学品按接收状态使用。所有储备溶液均使用Millipore Milli-Q系统（Barnstead System）制备的Nanopure水（电导率小于0.1 μS cm^?1）配制。AO储备液是通过将适量染料溶解在水中制备的。

AO与PGA的相互作用

自由态AO在水中的吸收光谱在约492纳米处有一个明显的吸收峰，这与其单体结构相符（见图1），与先前文献报道的结果一致[39]。随后监测了逐渐加入PGA时AO的吸收光谱变化，如图1A所示。随着PGA加入量的增加，492纳米处的吸光度显著降低，并出现了约34纳米的蓝移，形成了一个新的吸收峰。

结论

本研究通过基态吸收、稳态荧光和时间分辨荧光技术，全面探讨了AO在PGA存在下的光物理行为。与PGA结合后，AO的吸收峰出现明显的蓝移、荧光强度显著减弱以及双信号CD现象，这些变化共同表明形成了聚集的AO-PGA复合物。时间分辨荧光测量进一步支持了这一结论，显示出了长寿命的发射组分。

CRediT作者贡献声明

Mohammed A.I. Shaikh： 负责撰写初稿、方法设计、实验研究、数据整理和概念构思。Mhejabeen Sayed： 负责审稿与编辑、数据可视化、结果验证、实验指导、方法设计、数据分析及概念构思。

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的研究结果。

致谢

作者衷心感谢印度巴巴原子研究中心（BARC）和原子能部（DAE）提供的财政支持。同时，作者也非常感谢BARC化学组负责人M. Kumbhakar博士和副主管A. C. Bhasikuttan博士在整个研究过程中的指导和鼓励。此外，作者还要感谢BARC的Amit Das博士在ICD测量方面的帮助。Mohammed A. I. Shaikh表示衷心的感谢。