新型量子点基分子印迹荧光传感器在快速检测中的应用
摘要
作为一种新型荧光纳米材料,量子点具有十分优异的光学特性,是分析化学、生物科学、医学等领域研究的热点标记材料。
分子印迹聚合物是能够进行特异性识别和选择性吸附的“仿生”材料,它易于制备且具有较好的重现性和稳定性,因而分子印迹技术已成为具有广阔应用前景的识别技术。
量子点基分子印迹荧光传感器结合了量子点和分子印迹技术的优势,由于其高选择性和高灵敏度,在环境监测、食品检测、生物分析等领域得到快速发展。但该传感器在应用中也还存在亲水性不足、识别单一、便携性不足等问题。
该文引用了近5年来发表在American Chemical Society、Elsevier等数据库约20篇相关文献,对量子点基分子印迹荧光传感器的构建及该传感器在快速检测分析痕量物质中的应用进展进行了综述。
首先根据荧光光谱图中发射峰个数的不同分别介绍了3种量子点基分子印迹荧光传感器的类型及相关识别机理,其次根据待测物的不同归纳介绍了近五年来该传感器在离子、有机小分子、生物大分子等检测分析中的最新研究进展,最后对当前该传感器在制备及应用中仍存在的问题进行了总结并对其发展趋势进行了展望。
量子点(quantum dots, QDs)是一种新型半导体荧光纳米材料,其结构决定了它具有优异的光化学稳定性、激发谱宽而发射谱窄以及较长的荧光寿命等特点。
目前研究较多的量子点主要包括镉系量子点如CdSe、CdS、CdTe,铟系量子点如InGaAs、InP、InAs,硅量子点,碳量子点等,其中碳量子点(CDs)因具有高生物相容性和低细胞毒性而备受关注。
量子点材料异于其他荧光材料的优异光学特性使其极适合作为荧光探针用于传感分析,量子点荧光传感器灵敏度高、易于操作,近年来在环境监测、细胞成像、疾病诊断和治疗等领域发展迅速。然而其存在一个突出的缺陷,即实际样品基质可能存在一些与目标待测物发光响应性质相似的物质,导致荧光传感器的选择能力降低。
为解决这一问题,研究人员将分子印迹技术(MIT)引入荧光传感器。分子印迹技术是通过模拟天然分子识别现象,人工合成对模板分子能够进行特异性和选择吸附的高分子功能材料即分子印迹聚合物(MIPs)的一种新技术。
在早期研究应用中,MIPs通常用于萃取/分离,检测分析仍需联用色谱/质谱等手段,无法实现现场的快速检测。分子印迹荧光传感器以MIPs为识别元件、QDs为响应元件,结合了QDs和MIT的优势,具有高选择性和高灵敏度,是一种易于操作的快速检测新手段。
本文就此介绍了目前基于量子点荧光材料的分子印迹传感器的3种类型,并综述了近5年来该检测技术的最新研究应用结果。
1 量子点基分子印迹荧光传感器的类型
分子印迹荧光传感器用于分析检测各种物质的过程大体为:当待测物质被分子印迹聚合物立体孔穴特异性吸附时,荧光材料会发生光诱导电子转移(PET)、荧光共振能量转移(FRET)等物理化学变化,从而导致其荧光信号发生相应变化,利用荧光分光光度计检测得到的荧光光谱图中靶敏信号的发射峰会发生峰值的改变,通过制得标准曲线即可检测待测物质。根据荧光光谱图中发射峰个数的不同,分子印迹荧光传感器大体可以分为3种:单发射分子印迹荧光传感器、双发射分子印迹荧光传感器和三发射分子印迹荧光传感器。
1.1 单发射分子印迹荧光传感器
单发射分子印迹荧光传感器指的是合成及检测过程仅存在一种荧光物质,在特定激发波长下荧光光谱图中仅有一个发射峰为靶敏信号,以其在吸附过程中的变化值作为衡量样品中待测物质含量的标准。传统意义上的单发射分子印迹荧光传感器通常由一锅法制备,印迹位点多包埋于内部,结合模板分子速率慢且洗脱困难,近年来基于表面印迹的核-壳型MIPs传感器发展迅速。Amjadi等以硅基为载体,通过反相微乳液法嵌入CdTe QDs,合成了一种基于PET原理检测氯霉素(CAP)的新型荧光纳米传感器。由于CAP的紫外-可见吸收带接近CdTe QDs的带隙,因此在识别过程中,QDs可作为电子供体将电子转移到CAP分子的最低未占有分子轨道(LUMO),导致CdTe QDs在550 nm处的荧光猝灭。
1.2 双发射分子印迹荧光传感器
双发射分子印迹荧光传感器指的是合成及检测过程存在两种荧光物质,在特定激发波长下荧光光谱图中有两个发射峰(一个为参比信号,一个为靶敏信号),在吸附过程中靶敏信号的峰值发生变化而参比信号的峰值保持不变或发生与前者相反的变化,以吸附过程中二者比值作为衡量样品中待测物质含量的标准,因此较上述单发射传感器而言,双发射传感器具有自我校正功能,可以减少或消除人为及机器带来的误差。双发射分子印迹荧光传感器目前主要包括两类,一类是待测物本身带有荧光,如Xu等基于FRET识别原理构建了一种用于检测阿霉素的分子印迹荧光传感器。由于其发射光谱与阿霉素的吸收光谱重叠,当两者在空间上距离<10 nm并接收一定波长的光照射后,CDs荧光供体与阿霉素受体之间发生荧光共振能量转移,荧光供体的激发能转移到荧光受体上继而使其被激发,导致CDs荧光逐渐猝灭而阿霉素荧光逐渐增强,实现了对阿霉素快速地选择性分析。另一类是待测物不带有荧光,如苏立强团队以CDs和CdSe QDs组成的双荧光体系结合分子印迹技术制备比率型传感器,在吸附过程中参比CdSe QDs由于包埋在SiO2中荧光强度几乎不变,外层CDs荧光强度随着待测物浓度而变化。
1.3 三发射分子印迹荧光传感器
三发射分子印迹荧光传感器指的是合成及检测过程存在3种荧光物质,在比率型荧光传感器基础上增加一个新的荧光信号,通过三元发射扩大可视化窗口、提高裸眼检测精确度,目前有关研究相对较少。Yang等分别制备以绿色和红色量子点(g-QDs和r-QDs)为荧光材料、叶酸为模板分子的核-壳型分子印迹荧光传感器,然后以适当的比例混合得到基于PET的三重发射分子印迹荧光传感器。在吸附过程中,叶酸的羟基和氨基与3-氨丙基三乙氧基硅烷的氨基之间形成氢键,叶酸具有接近g-QDs@MIPs和r-QDs@MIPs带隙的紫外吸收峰,因此在QDs导带处的激发电荷易转移到叶酸的LUMO而无法回到QDs价带,进而引起QDs的绿色荧光和红色荧光逐渐猝灭而叶酸荧光增强。通过条件优化,使g-QDs和r-QDs之间的猝灭速率差异被扩大,以获得更宽范围和丰富的荧光颜色演化,这种出色的可视化能力使得仅通过便携式紫外灯裸眼准确读出叶酸浓度成为可能。
2 量子点基分子印迹荧光传感器在快速检测中的应用
2.1 离子的分析检测
离子印迹是印迹聚合物的一个重要分支,由于环境中残留重金属对于人类生命安全危害极大,因而目前对于离子印迹的研究多以铅(Pb)、汞(Hg)、铜(Cu)等重金属离子为模板,通过其特有的金属配位作用制备得到具有特异性识别能力的离子印迹聚合物(IIPs),与灵敏荧光材料结合即可实现对目标离子的选择性富集、快速痕量检测。Patra等构建了一种灵敏检测Ag+的新型纸基离子印迹荧光传感器,将荧光素染料用作制备CDs的前驱体,该传感器具有低毒性、高稳定性和良好的量子产率。该CDs@MIPs改性滤纸条已成功地用于活细胞成像和Ag+的细胞内分析,响应时间<10 s。针对多种离子同时检出问题,Xu课题组首次提出了同时检测两种金属离子的双参比离子印迹荧光传感器,以分别对Fe3+和Cu2+有响应的氨基修饰CDs和羧基修饰CdTe QDs为荧光团,通过一锅法合成制备了介孔结构双模板双参比离子印迹荧光探针。当检测Fe3+时,以CDs为参比,CdTe QDs猝灭；而当检测Cu2+时,以CdTe QDs为参比,CDs猝灭。使用这种双模板双参比策略,可以在真实水样中同时检测Fe3+和Cu2+。在保持IIPs灵敏度和选择性的同时,制备的双参比荧光传感器可以同时检测两种离子,大大提高了检测效率,同时该工作创新了印迹传感器领域的信号输出模式,为高通量检测带来了技术进步。此外,同种离子具有不同价态且常同时存在,针对这一问题,Jinadasa等成功研制了一种室温荧光化学传感器并应用于鱼类样品中无机砷(As3+和As6+)的选择性检测和定量分析。该方法操作简单,仅需较短的分析时间,可获得良好的灵敏度和精密度。
2.2 有机小分子的分析检测
在食品残留与环境污染问题中主要目标检测物通常为有机小分子,因而目前分子印迹荧光传感器研究较多的方面是针对有机小分子的痕量分析,但在传感器制备技术上仍然存在一定问题,近年来研究人员也提出了一些新策略。当前,制备分子印迹荧光传感器时主要还是采用包埋法将荧光材料裹于硅基中,该方法会大大降低荧光材料的荧光强度从而影响传感器灵敏度。
2.3 生物大分子的分析检测
生物大分子、细菌和病毒等由于自身尺寸大、易变性且纯天然模板难获取,一直以来都是分子印迹技术的难点,尽管困难重重,但是应用前景广阔。新型印迹方法如表面印迹、金属螯合印迹、抗原印迹等的提出使生物大分子的分析检测得到了一定发展,这其中对于蛋白质的研究较多。陈令新课题组构建了基于QDs的选择性灵敏检测藻蓝蛋白的印迹荧光纳米传感器,他们将以巯基乙酸和谷胱甘肽共同作为稳定剂修饰的QDs作为功能单体,通过多巴胺自聚合有效地简化了印迹过程,同时识别位点更加容易接近,该纳米传感器在结合藻蓝蛋白后16 s内就显示出明显的荧光衰减,提供了一种通用的蛋白质印迹策略。该课题组还制备了一种热敏比率印迹荧光纳米传感器,表现出良好的温度响应、高灵敏度和选择性,实现了基于FRET的温度调节传感识别检测藻蓝蛋白。
总结与展望
目前量子点基分子印迹荧光传感器在环境监测、食品安全和生物分析等领域展现出巨大的优势和广阔的应用前景,但该传感器在制备、应用等方面仍存在着一定的问题:印迹过程需要用到大量模板分子,有些化合物价格昂贵,还有些化合物如代谢产物、生物活性物质等不易得到,这大大限制了分子印迹荧光传感器的制备和应用；如何实现对于生物大分子以及病毒、细菌的印迹仍是重大挑战；在实际应用检测时,对于一个样本需要同时检测两种或多种残留物质的情况十分普遍,开发出能够对样本中多种目标物质同时检测的复合型传感器,是该技术有待深入研究的一个重要方向。总之,对于量子点基分子印迹荧光传感器的相关研究开展时间并不长,这项技术还需要学者不断地探索和完善,以期获得更大的发展和应用。
文章来源：
色谱, 2021, 39(8): 775-780
DOI: 10.3724/SP.J.1123.2021.02025
马嘉欣, 连子如*, 何橙, 王江涛, 于仁成
