基于铜掺杂碳点纳米酶的多信号硫化氢检测和广谱抗菌

引言

硫作为一种关键的生物活性物质,在生理功能中扮演着重要角色。其中,硫化氢(H₂S)作为第三类重要气体信号分子,参与调节众多生理系统。然而,体内H₂S水平异常会导致多种疾病的发生,因此对H₂S进行准确、灵敏的检测显得尤为重要。传统检测方法虽然可以实现精确定量,但需要复杂的仪器设备和专业操作人员,难以满足现场快速检测的需求。相比之下,基于颜色变化和荧光信号的光学检测方法具有操作简单、结果直观等优势,受到广泛关注。不过,现有的光学H₂S检测手段往往受到生物硫化物的干扰,难以实现高选择性。因此,开发新型功能材料构建双模式H₂S检测平台仍是当前研究的重点和挑战。

同时,H₂S的抗氧化应激效应为解决细菌耐药问题提供了新思路,但长期滥用抗生素已对生态环境造成严重负担。利用材料催化产生活性氧物种(ROS)进行无菌杀菌被认为是一种更加环保的替代方案。此外,小尺寸和正电荷表面有利于材料与细菌的亲和力,从而提高抗菌效果。因此,开发兼具优异酶模拟活性和良好生物相容性的新型抗菌材料迫在眉睫。

碳基纳米酶(CDNEs)作为一种集成了碳量子点光学性能和酶模拟活性的新型功能材料,在生物化学分析、污染物降解和抗菌领域展现出广阔应用前景。然而,现有CDNEs在荧光性能和酶活性兼顾方面仍存在不足,限制了其在多模式分析和实际应用中的价值。因此,设计合成具备优异光学和催化性能的CDNEs,并深入探索其在环境监测和生物医学领域的潜在应用,具有重要的科学意义和实践价值。

在本研究中，提出了一种高效的无溶剂策略来合成掺杂铜的CDNEs(Cu-CDNEs)，通过简单地热解谷氨酸铜(Glu-Cu)和乙二胺盐酸盐(EDA⋅2HCl)的固体混合物5 min。EDA⋅2HCl的参与使Cu-CDNEs具有优异的蓝色荧光，量子产率为31.2%，同时具有类过氧化物酶活性，能够催化H₂O₂生成ROS。利用Cu-CDNEs的多功能性，成功构建了一个高灵敏度和选择性的比色和荧光双模式H₂S检测平台，并进一步应用于实际样品中H₂S的测定。此外，由于其自体表面正电荷与催化H₂O₂产生的ROS之间的协同作用，所设计的Cu-CDNE还表现出对革兰氏阴性/阳性细菌的广谱抗菌能力，使其成为有希望的抗菌材料候选者。

结果与讨论

1. Cu-CDNEs的表征及过氧化物模拟酶活性

Cu-CDNEs通过简单的固相热分解法合成,以铜谷氨酸和乙二胺二盐酸盐为原料,经5 min微波加热制得。Cu-CDNEs表现出优异的蓝色荧光性能,量子产率高达31.2%。通过透射电子显微镜表征发现,Cu-CDNEs粒子尺寸在2-5 nm之间,具有典型的石墨烯结构,并且铜原子成功掺杂其中。X射线光电子能谱分析进一步证实,Cu-CDNEs表面富含氮氧官能团,且含有适量的Cu(I)/Cu(II)混合价态物种,这为其优异的催化活性奠定了基础。

针对TMB-H₂O₂体系,Cu-CDNEs表现出明显的过氧化物模拟酶活性,可高效催化H₂O₂产生·OH、O₂⁻和¹O₂等活性氧物种。通过动力学测试,Cu-CDNEs对TMB和H₂O₂的亲和力(K_m)和最大反应速率(V_max)均优于已报道的其他纳米酶体系。此外,Cu-CDNEs的催化活性在pH 2.0-9.0范围内保持稳定,在中性条件下仍能保持50%的最高活性,这对实际应用具有重要意义。

2. Cu-CDNEs的硫化氢检测性能

基于Cu-CDNEs的过氧化物模拟酶活性,作者巧妙地构建了一种双模式(比色和荧光)的硫化氢检测平台。硫化氢能有效抑制Cu-CDNEs催化TMB-H₂O₂体系产生蓝色oxTMB,从而导致检测体系的颜色变化。同时,硫化氢与活性氧物种的竞争反应也会引起Cu-CDNEs的荧光强度变化。通过优化检测条件,该双模式检测方法分别实现了20 nM和25 nM的硫化氢检测限。此外,作者还进一步开发了一种便携式扫描仪检测模式,成功应用于实际水样中硫化氢的定量测定,回收率在96.8%-107.7%之间。与传统检测方法相比,该双模式检测平台操作简便,仪器要求低,对硫化氢具有优异的选择性,为现场快速检测硫化氢提供了新思路。

3. Cu-CDNEs的广谱抗菌性能

除了优异的分析性能外,Cu-CDNEs还表现出良好的生物相容性和广谱抗菌活性。MTT实验结果表明,Cu-CDNEs对细胞毒性很低,可满足生物医学应用的要求。此外,Cu-CDNEs凭借其正电荷表面以及过氧化物模拟酶催化产生活性氧的协同效应,展现出对革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌的优异抑菌能力。与单纯使用过氧化氢或Cu-CDNEs相比,Cu-CDNEs-过氧化氢体系能显著降低大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的存活率。这为开发新型广谱绿色抗菌材料提供了新思路,有望在环境修复、医疗卫生等领域发挥重要作用。

结论

本研究巧妙地利用铜掺杂碳点纳米酶的多功能特性,构建了高性能的硫化氢检测平台和广谱抗菌体系,为功能性纳米酶在环境监测、生物医学等领域的实际应用提供了有价值的洞见。该工作不仅拓宽了碳基纳米酶的应用范畴,也为设计具有优异性能和可扩展性的多功能纳米材料提供了新思路。未来,可以进一步探索Cu-CDNEs在生物传感、创面修复等领域的潜在应用,并深入研究其独特的结构-性能关系,以期为功能性纳米材料的设计与开发提供更多有益启示。

参考文献

Li, Z.; Zhou, M.; Zhao, L.; Hu, W.; Wang, X.; Wei, H.; Tong, X.; Yao, C.; Li, X.; Zhang, Y.; Liu, J.; Yang, S., Copper-doped carbon dots nanozymes for multi-signal specific hydrogen sulfide assay and broad-spectrum antibacterial. Chem. Eng. J. 2024, 498, 155081.