碳点| 用L-苯丙氨酸修饰碳点以快速分辨色氨酸对映体

全文概述

   来自兰州大学的任翠领副教授团队制备了用于鉴别色氨酸（Trp）对映体的新型手性碳点（Carbon Dots: CDs）。首先，以吡啶-2,6-二羧酸和邻苯二胺为原料，通过水热法合成了原始CDs。然后，用L-苯丙氨酸（Phe）修饰原始CDs的表面，制成手性荧光碳点L-PCDs。在D-Trp的存在下，L-PCDs的荧光强度显著下降，而在L-Trp的存在下则保持不变。本研究中使用的手性传感系统的快速反应时间为3 min，可识别对映体，其对映体选择性（I_D/I_L）高达3.3。对于D-Trp，可在0.3-4.2 mM 范围内获得良好的线性关系，检测限为0.06 mM。这种传感器既能定量检测D-Trp，又能测定外消旋体中对映体的百分比。手性识别机制归因于D-/L-Trp和L-PCDs之间不同的相互作用。该项工作于2024年以Modifying carbon dots with L-phenylalanine for rapid discrimination of tryptophan enantiomers为题发表在Journal of Analytical Methods（IF=2.7）上，第一作者为Bozhi Lang。

图文解析

1.背景介绍

Scheme 1. Preparation of chiral L-PCDs and identification of Trp enantiomers.

Scheme 1.手性L-PCDs的制备及Trp对映体的鉴定。

Fig. 1 TEM images of L-PCDs (A) and original CDs (B), the illustration is size distribution; (C) FT-IR spectrum of CDs and L-PCDs; (D) circular dichroism spectra of CDs, L-Phe and L-PCDs.

图1. L-PCDs（A）和原始CDs（B）的TEM图像，说明尺寸分布；（C）CDs和L-PCDs的FT-IR光谱；（D）CDs，L-Phe和L-PCDs的CD光谱。

L-PCDs的X射线光电子能谱（X-ray Photoelectron Spectroscopy : XPS）（图2）显示284.5、400.1和531.2 eV处有三个峰，分别对应于C1s、N1s和O1s。C1s的高分辨率XPS能谱表明C主要以 C–C（284.6 eV）、C–O/C–N（285.4 eV）、C=O（288.6 eV）和C=N（288.7 eV）的形式存在。N1s的高分辨率XPS能谱表明N主要以吡啶N（399.8 eV）、C–N–C（400.1 eV）和 N–H（401.6）的形式存在。O1s的高分辨率XPS能谱表明O主要以C=O（531.6 eV）和C–OH/C–O–C（532.8 eV）的形式存在。原始CDs的高分辨率XPS能谱中284.6、399.8和531.6 eV，分别对应于C1s、N1s和O1s。结果表明，L-PCDs和原始CDs具有相似的表面元素和丰富的功能基团，这与FT-IR结果一致。但由于L-Phe的表面改性，元素组成发生了变化。

Fig. 2 XPS survey spectrum (A), high resolution XPS spectra of C 1s (B), N 1s (C), O 1s (D) of L-PCDs.

图2 . XPS 综合光谱（A）、L-PCDs的C1s（B）、N1s（C）、O1s（D）的高分辨率XPS光谱。

记录了不同激发波长（范围从350到410 nm）下L-PCDs的发射光谱对CDs荧光性质的影响。CDs在210和265 nm处显示出两个紫外吸收峰，这归因于C=O、C=N和其他化学键引起的n-π*和π-π*跃迁，这些化学键对其荧光发射有显著贡献。与原始CDs相比，L-PCDs在265 nm左右的吸收峰模式发生了变化，这可能归因于L-Phe的固有紫外吸收。然而，375 nm处的吸收峰没有显著变化，这证实了L-PCDs的成功合成。

Fig. 3 FL emission spectra (lex = 350–410 nm) of L-PCDs(A), excitation and emission spectra (lex = 380 nm) of L-PCDs and the original CDs (B), UV-Vis spectra of L-PCDs and the original CDs (C).

图3. L-PCDs 的 FL 发射光谱（lex = 350–410 nm）（A）L-PCDs和原始CDs 的激发和发射光谱（lex = 380 nm）（B）L-PCDs 和原始CDs的紫外可见光谱（C）。

他们还研究了L-PCDs在PBS缓冲溶液（10 mM，pH = 6.5）中在不同条件下的稳定性。结果表明，即使在紫外线灯连续照射60 min后，L-PCDs的荧光强度在离子强度较高的溶液中和20-40 °C的温度范围内保持稳定。L-PCDs在pH值3.0-9.0范围内，荧光强度呈现上升趋势，随后呈下降趋势。在pH值为6.0时观察到最高荧光强度。这种现象可以归因于质子化和去质子化影响光致发光过程。

Fig. 4 Effect of pH (A) and incubation time (B) on the discrimination performance of L-PCDs to tryptophan enantiomers.

图4. pH（A）和孵育时间（B）对L-PCDs对Trp对映体的鉴别性能的影响。

在最佳实验条件下，通过测量加入不同浓度的D/L-Trp时L-PCDs的荧光强度变化来研究L-PCDs的灵敏度。随着D-Trp浓度的增加，L-PCDs的荧光强度逐渐降低。结果表明，荧光猝灭效率ΔF/F₀与D-Trp浓度（0.3～4.2 mM）呈良好的线性相关性。计算出线性回归方程为ΔF/F₀= 0.1619[D-Trp] + 0.0702，R²值为0.9913。确定D-Trp的检测限（LOD）为0.06 mM。相比之下，L-PCDs的荧光强度仅受L-Trp的轻微影响。此外，荧光猝灭效率约为20%。实验结果表明L-PCDs可以选择性地与D-Trp相互作用。在紫外光下还记录了不同浓度D/L-Trp存在下探针分散体的荧光颜色，随着D-Trp浓度的增加，发光强度从强蓝色明显降低到淡蓝色，但当L-Trp存在时荧光强度没有明显变化，因此这种鉴别过程可以用肉眼观察到。

Fig. 5 FL emission spectra of L-PCDs upon the addition of various concentrations of D-Trp from 0 to 5 mM (A), relationship between ΔF/F₀ and the concentration of D-Trp (B), FL emission spectra of the L-PCDs upon the addition of various concentrations of L-Trp from 0 to 3 mM (C), relationship between ΔF/F₀ and the concentration of L-Trp (D). Illustration of (B) and (D) shows the color change of L-PCDs under UV light as a function of D-Trp and L-Trp quantity (0.0–4.0 mM).

图5. 添加0至5 mM不同浓度的D-Trp后L-PCDs的FL发射光谱（A），ΔF/F₀与D-Trp浓度的关系（B），添加0至3 mM不同浓度的L-Trp后L-PCDs的 FL 发射光谱（C），ΔF/F₀与L-Trp浓度的关系（D）。L-PCDs在紫外光下的颜色变化，与D-Trp和L-Trp数量 (0.0–4.0 mM) 的关系。

Fig. 6 FL spectra of L-PCDs with different ee's of D-Trp (the total concentration of D-Trp and L-Trp is 3.5 mM) (A), the linear relationship between the ee of D-Trp and ΔF/F₀(B).

图6.不同ee值的D-Trp的L-PCDs的FL光谱（D-Trp和L-Trp的总浓度为3.5 mM）（A），D-Trp的ee值与ΔF/F₀的线性关系（B）。

为了研究L-PCDs对D-Trp的识别机理，他们采用Stern-Volmer方程（F₀/F = 1 + Ksv[L/D-Trp]）计算F₀/F与L/D-Trp浓度的关系（F₀和F分别代表有和没有L/D-Trp时L-PCDs在440 nm处的荧光强度，Ksv为Stern-Volmer常数）。L-PCDs的荧光猝灭效率（F₀/F）与D-Trp浓度遵循Stern-Volmer方程F₀/F = 1 + Ksv[D-Trp]（Ksv = 3.89 × 10⁴ M⁻¹）。记录了添加D-Trp之前和之后L-PCDs 的紫外可见吸收光谱（Ultraviolet and Visible Spectroscopy: Uv-Vis）（图7）。D-Trp的添加可以将L-PCDs的吸收从250 nm改变到300 nm，这意味着发生了静态猝灭。随后，检查了L/D-Trp对L-PCDs荧光寿命的影响。添加D-Trp对L-PCDs的荧光寿命没有显著影响。根据显著大的Ksv、Uv-Vis光谱的明显变化和荧光寿命的不显著变化，可以推断D-Trp对L-PCDs 的荧光猝灭是静态猝灭（SQE）的结果。这表明由于L-PCDs和D-Trp之间的相互作用，它们之间形成了不发光的复合物。

Fig. 7 UV-Vis absorption spectra of L-PCDs before and after the addition of D-Trp (A), fluorescence decay curve of L-PCDs before and after the addition of D-Trp (B), zeta potential of L-PCDs before and after the addition of D/L-Trp (C), enantiomer selectivity of four different fluorescent CDs (D).

图7 加入D-Trp前后L-PCDs的UV-Vis光谱（A），加入D-Trp前后L-PCDs的荧光衰减曲线（B），加入D/L-Trp前后L-PCDs的zeta电位（C），四种不同荧光CDs的对映体选择性（D）。

为探究L-PCDs与D-/L-Trp的相互作用，在pH 6.5条件下测定了加入D-/L-Trp前后L-PCDs的zeta电位。L-PCDs的zeta电位为-10.48mV；与L-和D-Trp相互作用后，zeta电位值分别为-12.80和-16.65mV，这意味着更多的D-Trp分子通过氢键、静电相互作用和其他效应与L-PCDs相互作用。

3．总结

解读感想：

阅读人简介