Ti3C2量子点与MnO2纳米片之间的氧化还原调控内滤效应在碱性磷酸酶灵敏检测中的应用

《Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy》：A redox-regulated inner filter effect between Ti3C2 quantum dots and MnO2 nanosheets for sensitive alkaline phosphatase determination

ALP检测基于Ti3C2 MXene量子点与MnO2纳米片的荧光内滤效应，通过AA还原MnO2实现荧光恢复，灵敏度高（检测限0.014 mU/mL），线性范围宽（0.05–10 mU/mL），并成功应用于生物样本检测。

　　

张宏定|柯长 lu|穆玉晓|李梦涵|王海波

新乡师范学院化学与化学工程学院，新乡生物分析功能纳米材料重点实验室，中国河南省新乡市464000

摘要

碱性磷酸酶（ALP）作为一种成熟的疾病生物标志物，在水解磷酸化生物分子方面发挥着关键作用，并在临床诊断中具有显著价值。本文构建了一种新型、高灵敏度的荧光检测方法，该方法基于Ti₃C₂ MXene量子点（Ti₃C₂ QDs）与MnO₂纳米片之间的氧化还原调控内滤光效应（IFE）。通过自上而下的合成方法制备了量子产率为14.4%的蓝色发射Ti₃C₂ QDs。Ti₃C₂ QDs的荧光通过两者之间的IFE被MnO₂纳米片有效猝灭。碱性磷酸酶（ALP）能够将抗坏血酸二磷酸盐（AAP）水解为抗坏血酸（AA），生成的AA与MnO₂纳米片发生氧化还原反应，使MnO₂转化为Mn²⁺，从而恢复Ti₃C₂ QDs的荧光。因此，实现了基于荧光增强模式的ALP检测。Ti₃C₂ QDs/MnO₂纳米系统在ALP检测中表现出良好的分析性能，检测范围为0.05–10 mU/mL，检测限低至0.014 mU/mL。此外，通过实际生物样本的检测也验证了该方法的实用性。这项工作将拓展MXene量子点在生物传感中的应用。

引言

碱性磷酸酶（ALP）是一种含锌的金属蛋白酶，在碱性环境中具有催化磷酸酯类物质（如小分子、核酸和蛋白质）脱磷酸化的能力[1][2]。它在许多生理过程中起着关键作用，包括细胞增殖、骨矿化、肝功能等[3]。成人血清中ALP的常见水平为40–150 mU/mL，而孕妇和儿童的血清中ALP表达水平较高[4]。ALP表达水平升高可能与淋巴瘤、骨骼疾病等有关[5]。然而，代谢性疾病（如白血病、再生障碍性贫血和威尔逊病）会导致ALP活性受到病理抑制[6]。因此，ALP作为一种成熟的疾病生物标志物，对于疾病诊断至关重要。鉴于其在临床诊断中的重要性，开发灵敏且准确的ALP检测方法至关重要。

目前，已经探索了一系列现代分析技术来灵敏地监测ALP活性，包括质谱方法（如ICP-MS）[7]、光学方法（如比色法[8][9]、荧光法[10][11]、化学发光法[12][13]和表面增强拉曼散射法[14][15]，以及电化学方法（如电化学法[16][17]、光电化学法[18]和电化学发光法[19][20]。其中，荧光法因其操作简便、灵敏度高和响应迅速等优点，成为ALP检测的强大工具。迄今为止，已合成多种用于ALP检测的荧光探针，包括有机分子探针和无机纳米材料。常用的有机分子探针包括近红外（NIR）荧光探针[21]、激发态分子内质子转移（ESIPT）荧光探针[22]、聚集诱导发射（AIE）荧光团[23]和激子/单体转换荧光探针[24]，它们对ALP具有高选择性。然而，这些探针存在光稳定性差、生物毒性高和灵敏度低等缺点，限制了其进一步应用。作为替代方案，无机荧光纳米材料在荧光传感检测中受到了广泛关注，包括金属有机框架材料[25]、量子点[26]、上转换纳米粒子[27]和金属纳米簇[28]。然而，上述荧光探针仍存在毒性、成本高、溶解度低和光稳定性差等局限性。

作为二维纳米材料的一种，MXenes因其大表面积、高电导率、良好的亲水性和强吸收能力而受到广泛关注[29][30]。它们由过渡金属碳化物和/或碳氮化物纳米片组成，形态与石墨烯相似。MXenes是通过选择性刻蚀MAX相中的A层并保留M和X层制备得到的，其中M代表过渡金属，A代表IIIA/IVA族元素，X代表C或N元素[30]。Ti₃C₂ MXene是最典型的MXene纳米材料之一。从2D Ti₃C₂ MXene衍生出的零维半导体量子点（Ti₃C₂ QDs）不仅保留了Ti₃C₂ MXene的原有特性，还表现出显著改进的光致发光性能和生物相容性[31]。强的量子限制、良好的亲水性和生物相容性使Ti₂C₃ QDs成为理想的荧光探针。然而，Ti₃C₂ QDs表面官能团的低反应性阻碍了荧光团与受体的共价连接，从而无法形成典型的荧光猝灭系统（如光诱导电子转移（PET）和F?rster共振能量转移（FRET）[32]。二氧化锰（MnO₂）纳米片是一种超薄二维无机纳米材料，在200–600 nm波长范围内具有强且宽的光吸收能力[33][34][35]，其良好的生物相容性和稳定性、较大的负载能力以及易于制备的特点使其成为构建荧光传感检测的理想材料[36]。此外，某些还原性物质（如抗坏血酸（AA）、过氧化氢、硫醇、半胱氨酸和谷胱甘肽）可将其分解为Mn²⁺[37]。因此，基于MnO₂纳米片的检测方法常用于检测这些还原物质及其催化生成这些物质的酶，利用的是荧光内滤光效应（IFE）或FRET。

本文提出了一种新型的Ti₃C₂ QDs/MnO₂纳米片荧光猝灭系统用于ALP检测。通过自上而下的合成方法制备了量子产率为14.4%的蓝色发射Ti₃C₂ QDs，在310 nm波长激发下发射波长为410 nm。Ti₃C₂ QDs的荧光通过两者之间的IFE被MnO₂纳米片有效猝灭。在AA存在下，MnO₂纳米片被AA分解为Mn²⁺，从而恢复Ti₃C₂ QDs的荧光。由于ALP能催化抗坏血酸二磷酸盐（AAP）生成AA，该检测系统也被用于ALP检测。因此，基于Ti₃C₂ QDs和MnO₂纳米片之间的氧化还原调控IFE实现了ALP的荧光检测。这项工作将拓展MXene量子点在生物传感中的应用。

Ti₃C₂ QDs的制备

根据现有文献[32][38]，采用自上而下的合成方法制备了Ti₃C₂ QDs。具体步骤如下：将Ti₃AlC₂粉末（2.0 g）与HF（40%，10 mL）混合以蚀刻Al层，获得Ti₃C₂ MXene前体。在60°C下搅拌24小时后，通过5000 rpm离心分离沉淀物。用超纯水反复冲洗沉淀物直至pH接近中性。随后，用TMAOH（25%，10 mL）处理沉淀物。

纳米材料的形态表征

采用经典的自上而下方法，以2D Ti₃C₂ MXene为前体制备Ti₃C₂ QDs（见图1）。使用TEM表征了制备的Ti₃C₂ QDs的微观结构。如图1A和B所示，Ti₃C₂ QDs呈单分散状态，平均粒径为2.0 ± 0.5 nm（通过计数TEM图像中的100个颗粒得出）。进一步放大图像后（见图1C），清晰显示了Ti₃C₂ QDs的晶格结构。

结论

总结来说，通过自上而下的方法合成了量子产率为14.4%的蓝色发射Ti₃C₂ QDs。制备的Ti₃C₂ QDs具有良好的水溶性、优异的光学性能和光稳定性。由于MnO₂纳米片与Ti₃C₂ QDs之间的IFE，其对Ti₃C₂ QDs的荧光具有很强的猝灭能力。构建的Ti₃C₂ QDs/MnO₂猝灭平台进一步用于AA的荧光检测。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究工作。

致谢

我们感谢新乡师范学院“南湖学者计划”和河南省自然科学基金（项目编号222300420273）的财政支持。同时感谢新乡师范学院分析测试中心对纳米材料的表征工作。