1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Журнал аналитической химии
  4. T. 77, № 8, 2022

Журнал аналитической химии, 2022, T. 77, № 8, стр. 763-768

Влияние плазмонного резонанса наночастиц серебра на флуоресцентные свойства доксициклина

Т. Д. Смирнова a, *, Е. А. Желобицкая b, Т. Г. Данилина a

a Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского, Институт химии
410012 Саратов, ул. Астраханская, 83, Россия

b ООО “Нита-Фарм”
410010 Саратов, ул. Осипова, 1, к. 3, Россия

* E-mail: smirnovatd@mail.ru

Поступила в редакцию 01.07.2021
После доработки 08.11.2021
Принята к публикации 09.11.2021

Полный текст (PDF)

Аннотация

Показано, что наночастицы серебра, модифицированные ионами Eu3+, способствуют увеличению интенсивности сигнала флуоресценции в 125 раз в аналитической системе, содержащей доксициклин, в результате сочетания резонансного и обменно-резонансного механизмов переноса энергии возбуждения. С помощью модельной системы − комплекса доксициклина с ионами Tb3+ − выявлена и оценена роль переноса энергии от наночастиц серебра на ион доксициклина в процессе формирования аналитического сигнала. Разработана флуориметрическая методика определения доксициклина в диапазоне концентраций 1.0 × 10–8–1.0 × 10–5 М, основанная на образовании комплекса антибиотика с ионами Eu3+ в присутствии наночастиц серебра. Уравнение градуировочного графика y = 5.0 × 107x + 10, R2 = 0.996.

Ключевые слова: плазмонный резонанс, перенос энергии, тетрациклины, ионы европия, наночастицы серебра.

Определение антибиотиков тетрациклинового ряда в различных объектах является актуальной задачей аналитической химии в связи с их широким применением в медицине, животноводстве и пищевой промышленности. Флуориметрическое определение биологически активных веществ имеет ряд преимуществ, связанных с широким диапазоном определяемых концентраций, высокой чувствительностью, простотой выполнения анализа, доступностью оборудования. Использование сигнала сенсибилизированной флуоресценции, связанной с переносом энергии возбуждения, позволяет повысить чувствительность и избирательность люминесцентного определения. Участие в формировании аналитического сигнала наноматериалов с уникальными квантово-размерными свойствами способствует увеличению квантового выхода, времени жизни флуоресценции органического аналита, эффективности резонансного переноса энергии в системе донор–акцептор [1–3]. Особое значение имеет модификация поверхности нанокластеров функциональным компонентом, определяющая реакционную способность наночастиц, а также возможность повышения или, наоборот, подавления эффективности резонансного переноса энергии [4–8].

Наночастицы благородных металлов характеризуются высокими молярными коэффициентами поглощения, легко перестраиваемыми спектрами флуоресценции при изменении размера и формы наночастиц, а также развитой поверхностью [9]. Оптические свойства наночастиц обусловлены наличием в области видимого света ярко выраженной резонансной полосы поверхностного плазмонного резонанса (ППР) [10]. В результате взаимодействия флуорофора в возбужденном состоянии со свободными электронами наночастиц металла возможно значительное увеличение времени жизни флуоресценции органической молекулы, эффективности резонансного переноса в системе донор–акцептор.

Цель настоящей работы − изучение влияния наночастиц серебра, модифицированных ионами Eu3+, на флуоресцентные свойства доксициклина и использование их при флуориметрическом определении указанного антибиотика.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Приборы. Спектры флуоресценции регистрировали на спектрофлуориметре Cary Eclipse (Agilent Technologies, Австралия) с источником возбуждения – импульсной ксеноновой лампой. Ширина щели возбуждения – 10 нм, флуоресценции – 20 нм. Скорость регистрации спектров – 300 нм/мин. Измерения проводили в кварцевой кювете с толщиной слоя 1 см. Сигнал регистрировали под углом 90° к возбуждающему свету. Оптическую плотность растворов в видимой и УФ-области измеряли на спектрофотометре UV-1800 (Shimadzu, Япония) в кварцевых кюветах с длиной оптического пути 1 см. Значения рН растворов контролировали рН-метром рН-673 М со стеклянным индикаторным электродом и хлоридсеребряным электродом сравнения. Размер и ζ-потенциал наночастиц серебра измеряли с помощью анализатора “Zetasizer Nano ZS” (Великобритания).

Реагенты. Доксициклин (ДЦ) фирмы “Sigma”, содержание основного вещества не менее 98%; кислота уксусная, ГОСТ 61-75, х.ч.; гидроксид натрия, 0.1 М фиксанал; аммиак водный, ГОСТ 3760-79, ч.д.а.; вода бидистиллированная, ГОСТ 6709-72; нитрат серебра 99.9%, ч.д.а. (PeaХим, Россия); натрий лимоннокислый трехзамещенный 5.5-водный, ч.д.а. (PeaХим, Россия); боргидрид натрия, х.ч. (PeaХим, Россия); хлорид европия(III) шестиводный, 99.9% (AcrosOrganics, Бельгия).

Синтез наночастиц серебра (AgNPs). Наночастицы серебра синтезировали по методике [9]: 1.0 мл раствора AgNO3 (10 мМ), 1.0 мл Na3C6H5O7 (500 мМ) и 47.0 мл бидистиллированной воды в течение 10 мин перемешивали при комнатной температуре, добавляли 600 мкл NaBH4 (10 мМ). Реакция восстановления продолжалась 30 мин, реакционную смесь оставляли в холодильнике на 8−9 ч для завершения роста наночастиц:

$\begin{gathered} {\text{2AgN}}{{{\text{O}}}_{{\text{3}}}} + {\text{2NaB}}{{{\text{H}}}_{{\text{4}}}} + {\text{6}}{{{\text{H}}}_{{\text{2}}}}{\text{O = }} \\ {\text{ = }}\,\,{\text{2Ag + 7}}{{{\text{H}}}_{{\text{2}}}} + {\text{2NaN}}{{{\text{O}}}_{{\text{3}}}} + {\text{2}}{{{\text{H}}}_{{\text{3}}}}{\text{B}}{{{\text{O}}}_{{\text{3}}}}{\text{.}} \\ \end{gathered} $

Концентрацию AgNPs в растворе (моль/л) рассчитывали по формуле:

$c = {\text{\;}}\frac{N}{{{{N}_{{\text{A}}}}V}};\,\,\,\,N = \frac{{3m}}{{4{{\pi }}{{r}^{3}}{{\rho }}}}~,$
где N – число частиц в растворе; NA = 6.02 × 1023, моль–1 – постоянная Авогадро; V – объем раствора, л; m – масса серебра в растворе (m = 0.0535 г); r – радиус наночастиц, см; ρ = 10.5 г/см3 – плотность серебра.

Восстановление тетрагидроборатом натрия отличается простотой и возможностью получения коллоидного раствора AgNPs определенного размера и поэтому часто используется на практике. Полученные наночастицы стремятся образовать агрегаты, подавление этого процесса достигается в результате снижения поверхностной энергии за счет формирования двойного электрического слоя, создания кинетических препятствий и электростатического отталкивания частиц дисперсной фазы, имеющих одноименный электрический заряд. В качестве стабилизатора использовали цитрат-ион, адсорбирующийся на поверхности наночастиц и контролирующий их рост.

На положение полосы ППР наночастиц серебра влияют характеристики индивидуальных частиц и диэлектрические свойства окружающей среды [9, 10]. Спектры поглощения (рис. 1) синтезированных наночастиц содержали ярко выраженную резонансную полосу ППР при λ = 405 нм. По данным просвечивающей электронной микроскопии наночастицы имели сферическую форму и относительно узкий диапазон распределения по размерам со средним диаметром (7 ± 2) нм (рис. 2), ζ-потенциал –30 мВ, что свидетельствует об удовлетворительной стабильности золей, которая сохранялась в течение 14 сут. В течение последующих двух недель ζ-потенциал наночастиц медленно уменьшался от –30 до –20 мВ вследствие агрегации и увеличения размера наночастиц.

Рис. 1.

Спектры возбуждения доксициклина (1) и поверхностного плазмонного резонанса наночастиц серебра (2). сAgNPs = 3.3 × 10–7 M, сДЦ = 1.0 × 10–5 M.

Рис. 2.

Микрофотография наночастиц серебра, полученная с помощью просвечивающей электронной микроскопии, и кривая распределения наночастиц по размерам.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Флуоресцентные свойства доксициклина в присутствии наночастиц серебра. Можно выделить два основных условия реализации эффективного резонансного переноса энергии в системах, содержащих наночастицы серебра и флуоресцирующие биологически активные молекулы: значительное перекрывание полос спектров ППР наночастиц и спектров возбуждения флуоресцирующей молекулы, а также близость (расстояние 20−50 А°) компонентов пары донор–акцептор, определяющая константу скорости переноса энергии [11]. Как видно из рис. 1, первое условие выполняется для доксициклина и наночастиц серебра, синтезированных путем восстановления нитрата серебра борогидридом натрия и стабилизированных цитрат-ионом. По-видимому, высокая плотность заряда стабилизатора способствует экранированию поверхности наночастиц, увеличению расстояния в паре донор–акцептор. Ожидаемый перенос энергии возбуждения не наблюдали. С целью сокращения расстояния между доксициклином и наночастицами серебра в качестве модельного комплексообразователя использовали ион Tb3+. Комплексообразование Tb3+ с антибактериальным лигандом исключает внутримолекулярный перенос энергии возбуждения ввиду того, что энергия триплетного уровня (18100–20 300 см–1) доксициклина ниже резонансного уровня Tb3+ (5D4, 20 500 см–1) [12]. Данная система позволила выявить и оценить вклад межмолекулярного переноса энергии между наночастицами серебра и антибиотиком в формирование сигнала флуоресценции аналитической системы. В качестве критерия эффективности переноса энергии использовали параметр интенсивности собственной флуоресценции доксициклина. Фотометрически установили, что в присутствии добавок доксициклина в раствор модифицированных наночастиц серебра на поверхности последних образуются смешанолигандные хелаты ионов Tb3+ с антибиотиком и цитрат-ионом, схема комплексов представлена на рис. 3. При комплексообразовании сокращается расстояние между донором (AgNPs) и акцептором (доксициклин) и, исключая внутримолекулярный перенос энергии, реализуются условия резонансного переноса, увеличивая интенсивность флуоресценции антибиотика в два раза (рис. 4). Возрастание люминесценции является результатом одновременного воздействия на флуорофор (доксициклин) внешнего источника излучения и локального поля поверхностного плазмона.

Рис. 3.

Схема комплексов ионов металлов Ме3+ (где Ме3+: Eu3+ или Tb3+) с цитрат-ионом и доксициклином.

Рис. 4.

Спектры флуоресценции доксициклина в отсутствие (1) и в присутствии наночастиц серебра и ионов Tb3+ (2). сAgNPs = 3.8 × 10–7 М, сДЦ = 1.0 × 10–6 М, ${{c}_{{{\text{T}}{{{\text{b}}}^{{3 + }}}}}}$ = 2.5 × 10–5 М, рН 8.0, λвозб = 390 нм.

Влияние ионов Eu3+. Дополнительно увеличить сигнал сенсибилизированной флуоресценции аналитической системы, содержащей доксициклин, возможно в случае модификации поверхности наночастиц серебра ионами Eu3+. Образующийся на поверхности нанообъекта смешанолигандный хелат Eu3+ с антибиотиком тетрациклинового ряда, таким как доксициклин, и цитрат-ионом характеризуется переносом энергии с триплетного уровня лиганда антибиотика (18100 см-1) на излучательные уровни иона Eu3+ с последующей его флуоресценцией (λфл = 615 нм, λвозб = 390 нм, 5D0 → 7F2 переход) [12, 13]. Наблюдаемое синергетическое увеличение интенсивности сенсибилизированной флуоресценции в 125 раз является результатом коллективного воздействия энергии внешнего возбуждения и резонансного локального поля поверхностного плазмона наночастиц серебра на доксициклин (рис. 5). В таких условиях вероятность перехода доксициклина в возбужденное состояние значительно возрастает, что способствует наиболее эффективной реализации внутримолекулярного переноса энергии возбуждения.

Рис. 5.

Спектры флуоресценции доксициклина в отсутствие наночастиц серебра (1) и в присутствии наночастиц серебра, модифицированных ионами Eu3+ (2). сAgNPs = 8.0 × 10–10 М, сДЦ = 1.0 × 10–6 М, сEu3+ = = 2.5 × 10–5 М, рН 9.0, λвозб = 390 нм.

Модификация наночастиц серебра ионами Eu3+ сопровождается возрастанием и перезарядкой ζ-потенциала коллоидной частицы от –30 до +90 мВ (рис. 6). Предполагается, что аналогичные процессы изменения ζ-потенциала возможны в коллоидных растворах серебра в присутствии ионов Tb3+. Выявлены оптимальные условия модификации наночастиц серебра, позволяющие получить максимальное увеличение сигнала сенсибилизированной флуоресценции в аналитической системе [14].

Рис. 6.

Зависимость ζ-потенциала наночастиц серебра от концентрации ионов европия в растворе. сAgNPs = = 3.75 × 10–6 M.

Методика модификации наночастиц серебра ионами Eu3+: в полипропиленовые пробирки типа Эппендорф объемом 2.0 мл вносили 1.0 мл 3.3 × × 10–7 M раствора AgNPs, 1.0 мл 2.0 × 10–3 М раствора Eu3+, центрифугировали (12 000 об/мин) в течение 20 мин, AgNPs отделяли, растворяли в спирте (общий объем 2.0 мл) в ультразвуковой (УЗ) ванне в течение 20 мин.

Модификация наночастиц серебра ионами Eu3+ происходит в результате взаимодействия ионов металла с цитрат-ионами, находящимися на поверхности наночастиц. В результате становится возможным образование смешанолигандного комплекса между координационно ненасыщенным ионом Eu3+ и доксициклином. Таким образом, ион антибиотика оказывается также на поверхности наночастицы и создаются условия для переноса энергии.

Интенсивность сенсибилизированной флуоресценции ДЦ в присутствии модифицированных наночастиц серебра в значительной степени зависит от кислотности среды, необходимой для реализации комплексообразования ионов Eu3+ с доксициклином. Исследовали влияние ацетатно-аммиачного буферного раствора на интенсивность флуоресценции. Установили, что максимальный сигнал эмиссии наблюдается в слабощелочной среде при рН 8.0–9.0 в условиях, оптимальных для комплексообразования доксициклина с ионами Eu3+. Отмеченный нами диапазон кислотности согласуется с результатом работы [15], авторы которой утверждают, что при рН 7–8.5 происходит образование достаточно прочного комплекса Eu3+ с тетрациклиновыми производными, сопровождающееся флуоресценцией иона металла.

В оптимальных условиях получения максимальной сенсибилизированной флуоресценции ионов Eu3+ построили градуировочный график для флуориметрического определения доксициклина с помощью модифицированных наночастиц серебра. Зависимость интенсивности флуоресценции от концентрации определяемого антибиотика линейна в диапазоне концентраций 1.0 × × 10–8–1.0 × 10–5 М. Уравнение градуировочного графика y = 5.0 × 107x + 10, R2 = 0.996.

Методика определения доксициклина. Разработана флуориметрическая методика определения доксициклина в лекарственном препарате “Доксициклин” двух производителей. Содержимое нескольких капсул препарата измельчали в ступке, смешивали, навеску препарата, соответствующую одной капсуле, переносили в колбу емк. 25 мл с 2.0 мл соляной кислоты (1.0 × 10–8 М), растворяли с добавлением бидистилированной воды (УЗ-ванна, 20 мин) и отделяли раствор от осадка фильтрованием (“синяя лента”), разбавляли в 100 раз, отбирали для анализа 0.1–0.5 мл в другую пробирку, смешивали с 1.0 мл буферного раствора (pH 9.0), добавляли 0.4 мл модифицированных ионами Eu3+ AgNPs и буферный раствор до общего объема 4.0 мл. Измеряли интенсивность флуоресценции (λфл = 612 нм, λвозб = 389 нм), с помощью градуировочного графика определяли содержание доксициклина в лекарственном препарате.

Результаты определения представлены в табл. 1, правильность контролировали методом введено–найдено (табл. 2). Погрешность определения (sr) не превышала 0.08.

Таблица 1.

Результаты определения доксициклина в лекарственном препарате “Доксициклин” (n = 3, P = = 0.95)

Производитель Найдено, мг
х ± Δх sr
Курган Синтез 101 ± 9 0.01
Озон 109 ± 4 0.03
Таблица 2.

Контроль правильности определения доксициклина в препарате “Доксициклин” методом введено–найдено (n = 3, P = 0.95, tтабл = 4.30)

Производство Введено, мг Найдено, мг sr tэксп
Курган Синтез 10 10 ± 1 0.03 2.89
30  26 ± 14 0.14 1.87
50 48 ± 3 0.06 2.78
Озон 10 13 ± 3 0.20 1.98
30 29 ±2 0.04 1.13
50 51 ± 4 0.06 0.65

Работа выполнена при финансовой поддержке Российского научного фонда, (проект № 21-13-00267).

Список литературы

  1. Tan H., Chen Y. Silver nanoparticle enhanced fluorescence of europium(III) for detection of tetracycline in milk // Sens. Actuators B. 2012. V. 173. P. 262.

  2. Ding F., Zhao H., Jin L., Zheng D. Study of the influence of silver nanoparticles on the second-order scattering and the fluorescence of the complexes of Tb(III) with quinolones and determination of the quinolones // Anal. Chim. Acta. 2006. V. 566. P. 136.

  3. Shen J., Sun C., Wu X. Silver nanoprisms-based Tb(III) fluorescence sensor for highly selective detection of dopamine // Talanta. 2017. V. 165. P. 369.

  4. Wang P., Wu T.-H., Zhang Y. Novel silver nanoparticle-enhanced fluorometric determination of trace tetracyclines in aqueous solutions // Talanta. 2016. V. 146. P. 175.

  5. Thakur S., Kumar P., Reddy M.V., Siddavattam D., Paul A.K. Enhancement in sensitivity of fluorescence based assay for organophosphates detection by silica coated silver nanoparticles using organophosphate hydrolase // Sens. Actuators B: Chem. 2013. V. 178. P. 458.

  6. Blake-Hedges J.M., Greenspan S.H., Kean J.A., McCarron M.A., Mendonca M.L., Wustholz K.L. Plasmon-enhanced fluorescence of dyes on silica-coated silver nanoparticles: A single-nanoparticle spectroscopy study // Chem. Phys. Lett. 2015. V. 635. P. 328.

  7. Suslov A., Lama P.T., Dorsinville R. Fluorescence enhancement of Rhodamine B by monodispersed silver nanoparticles // Opt. Commun. 2015. V. 345. P. 116.

  8. Yang X., Zhu S., Dou Y., Zhuo Y., Luo Y., Feng Y. Novel and remarkable enhanced-fluorescence system based on gold nanoclusters for detection of tetracycline // Talanta. 2014. V. 122. P. 36.

  9. Крутяков Ю.А., Кудринский А.А., Оленин А.Ю., Лисичкин Г.В. Синтез и свойства наночастиц серебра: достижения и перспективы // Успехи химии. 2008. Т. 77. С. 242.

  10. Шевцова В.И., Гайду П.И. Положение полосы поверхностного плазмонного резонанса в коллоидных растворах наночастиц серебра и золота // Вестник БГУ. Сер. 1. 2012. № 2. С. 15.

  11. Ghosh D., Chattopadhyay N. Gold and silver nanoparticle based superquenching of fluorescence: A review // J. Lumin. 2014. V. 160. P. 223.

  12. Erostyak J., Buzady A., Kaszas A., Kozma L., Hornyak I. Time-resolved study of intramolecular energy transfer in Eu3+, Tb3+/β-diketone/o-phenanthroline complexes in aqueous micellar solutions // J. Lumin. 1997. V. 72–74. P. 570.

  13. Смирнова Т.Д., Штыков С.Н., Кочубей В.И., Хрячкова Е.И. Перенос энергии возбуждения в хелате европия с доксициклином в присутствии второго лиганда в мицеллярных растворах неионогенных ПАВ // Оптика и спектроскопия. 2011. Т. 110. № 1. С. 65.

  14. Смирнова Т.Д., Желобицкая Е.А., Данилина Т.Г., Симбирева Н.А. Флуоресцентные свойства доксициклина в присутствии нанокластеров серебра // Изв. вузов. Химия и хим. технология. 2021. Т. 64. Вып. 1. С. 34.

  15. Hirsch L.M., Van Geel T.F., Winefordner J.D., Kelly R.N., Schulman S.G. Characteristics of the binding of europium(III) to tetracycline // Anal. Chim. Acta. 1985. V. 166. P. 207.

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Журнал аналитической химии

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал